隧道工程設(shè)計與施工發(fā)展沿革及趨勢

1、隧道工程設(shè)計與施工的發(fā)展沿革及趨勢隧道工程設(shè)計與施工的發(fā)展沿革及趨勢摘 要：本文通過對隧道工程設(shè)計與施工的發(fā)展歷史以及目前國內(nèi)現(xiàn)狀的整體分析，對隧道工程有一個客觀的、全面的理解。隧道工程從古代到現(xiàn)代，發(fā)生著質(zhì)的變化，不管是基礎(chǔ)理論還是施工工藝，都在不斷的完善，隨著時代的發(fā)展，科技技術(shù)越來越發(fā)達(dá)，但是隧道工程同樣也存在還不能解決的問題，還在等待著后人去解決，目前，隧道工程的突破點還是在理論基礎(chǔ)、施工工藝和現(xiàn)代科技這三個方面。關(guān)鍵詞：隧道工程；發(fā)展沿革；施工工藝；未來趨勢Development history and trend of tunnel engineering design and c

2、onstructionAbstract: This article through to the development history of design and construction of tunnel engineering and the overall analysis of the current domestic situation, the tunnel project is an objective and comprehensive understanding. From ancient to modern tunnel engineering, the qualita

3、tive change, both the basic theory and construction technology, have been the perfect, with the development of The Times, more and more developed science and technology, but also exist tunnel engineering can't solve the problem, still waiting for the posterity to solve it, currently, the breakth

4、rough of tunnel engineering or in the theoretical foundation, construction technology and the three aspects of modern science and technology.Key Words: tunnel engineering; development of evolution; construction technology; future tren0 引 言隨著科學(xué)技術(shù)和理論基礎(chǔ)的不斷完善，在地上土地資源的逐漸短缺的條件下，土木建筑行業(yè)逐漸從地上轉(zhuǎn)入地下，而隧道的設(shè)計理論與施工

5、工藝在當(dāng)下狀況下得到了快速的發(fā)展。隧道，是埋置于地層中的建筑物，是人類利用地下空間的一種形式。隧道的種類繁多，角度不同，分類方法也不同，最通用的是按用途來劃分，可以分為交通隧道、水工隧道、市政隧道和礦山隧道。【1】隧道具有不受自然氣候的影響、不影響海上空間的使用等優(yōu)點，但是同時，隧道的地質(zhì)勘察工作量大，時間長、投資多，受地質(zhì)條件制約大，并且有一定的風(fēng)險性，同時，隧道造價大大高于橋梁工程。1 歷史發(fā)展隨著理論、機械、現(xiàn)代技術(shù)等發(fā)展，隧道的建設(shè)也在不斷地發(fā)生著變化。隧道公路的發(fā)展?fàn)顩r按時間大致可分為下面三個階段：1.1 古代發(fā)展?fàn)顩r人類很早以前就知道利用自然洞穴作為住處。當(dāng)社會發(fā)展到能制造挖掘工具

6、時，就出現(xiàn)了人類挖掘的隧道。在我國最早有文字記錄的地下人工建筑物，出現(xiàn)在東周初期（約公元前七百年）。左傳中有“掘地及泉，隧而相見”的記載。最早用于交通的隧道為“石門”隧道，位于今陜西省漢中市褒谷口內(nèi)，建于東漢明帝永平九年（公元66年）。用作地下通道的還有安徽毫州城內(nèi)的古地下通道，建于宋末元初（約十三世紀(jì)），是我國最早的城市地下通道。這個時期主要的開挖主要依靠“火焚法”和鐵錘鋼釬等原始工具，體力勞動和施工難度非常高。隧道建設(shè)還處于經(jīng)驗階段，一切還是根據(jù)建造者的長期經(jīng)驗積累，沒有什么理論作為指導(dǎo)。1.2 近代發(fā)展?fàn)顩r巖石力學(xué)關(guān)于地層壓力的研究也在14世紀(jì)有所發(fā)展。到20世紀(jì)初期，巖石力學(xué)已經(jīng)去的了

7、質(zhì)的飛躍，形成了“連續(xù)介質(zhì)理論”和“地質(zhì)力學(xué)理論”。而這些理論已經(jīng)被用在地下工程中，前一理論在被用來對隧道開挖、圍巖與支護(hù)共同作用進(jìn)行數(shù)值分析計算。后一理論是現(xiàn)代信息巖石理論的雛形，該理論就是著名的“新奧法”。理論研究為隧道建設(shè)提供了更多的可能。由于當(dāng)時的隧道建設(shè)規(guī)模等不算太大，這些理論在一定程度上對隧道的發(fā)展起到了積極的作用。但隨著隧道建設(shè)的不斷發(fā)展，這些理論的不足逐漸暴露出來。理論與實際的聯(lián)系還是有一些滯后，經(jīng)驗性的東西沒有足夠的理論支持。1.3 現(xiàn)代發(fā)展?fàn)顩r現(xiàn)在，道路已成為國家的重要資源，對于促進(jìn)國家經(jīng)濟增長、提高人民生活質(zhì)量、維護(hù)國家安全等都具有重要價值。道路的發(fā)展不僅僅是經(jīng)濟的需要，

8、也是人類文明和現(xiàn)代化的組成部分。而隧道作為道路中的重要節(jié)點有著至關(guān)重要的作用。我國隧道建設(shè)在近些年的建設(shè)中取得了飛躍式的發(fā)展。如秦嶺終南山公路隧道，單洞長18.02km，雙洞單向交通，建設(shè)規(guī)模世界第一，中國公路隧道之最。廈門翔安隧道是中國大陸第一座大斷面海底隧道，對我國隧道建設(shè)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，縮小與世界先進(jìn)水平的差距，起到了里程碑式的作用。目前在建的港珠澳跨海大橋中的隧道部分，也代表中國乃至世界隧道發(fā)展的最前沿。新奧法是20世紀(jì)40年代開始發(fā)展起來的，它是以混凝土和錨桿為主要支護(hù)手段的一種方法。新奧法能充分利用地層地質(zhì)條件。隨著理論上的日臻完善，將會在地下工程中得到更加廣泛的應(yīng)用。而計算機的

9、運用，使隧道在開挖前期，就可對隧道的開挖、施工、通風(fēng)等進(jìn)行數(shù)值模擬，可以得出雖然數(shù)值模擬在精確程度上和工程實際上的要求還存在一些差距，但其還是能準(zhǔn)確反映出工程的整體力學(xué)性狀和發(fā)展趨勢，采用數(shù)值模擬指導(dǎo)公路隧道的施工也是十分必要的，十分經(jīng)濟的。2 現(xiàn)狀分析2.1 公路隧道建設(shè)建國后30年所修建的公路等級均較低，線形指標(biāo)要求不高。五十年代，我國僅有公路隧道30多座，總長約2500m，且單洞長度都很短。六七十年代，我國干線公路上曾修建了一些百米以上的隧道，但標(biāo)準(zhǔn)也很低。進(jìn)入八十年代，公路隧道的發(fā)展逐漸加快，具有代表性的工程有深圳梧桐山隧道和珠海板樟山隧道，福建鼓山隧道和馬尾隧道，甘肅七道梁隧道等。到

10、1990年底，我國建成的千米以上隧道已有十余座。在大型公路隧道建設(shè)中，技術(shù)也隨著不斷提高，并學(xué)習(xí)和引進(jìn)了很多國外先進(jìn)技術(shù)。福建鼓山隧道，洞內(nèi)設(shè)有照明、吸音、防潮、通訊、防火等裝置和閉路電視監(jiān)控及雷達(dá)測速系統(tǒng)，這是我國第一座現(xiàn)代化的公路隧道。為適應(yīng)公路隧道建設(shè)的發(fā)展，八、九十年代，交通部組織編寫了公路隧道的設(shè)計、施工、通風(fēng)照明設(shè)計、養(yǎng)護(hù)技術(shù)等規(guī)范，對我國公路隧道建設(shè)起到了促進(jìn)與推動作用?！鞍宋濉薄熬盼濉逼陂g是我國公路隧道建設(shè)迅速發(fā)展的時期。經(jīng)過這十年的建設(shè)，公路隧道的勘察、設(shè)計、施工和營運等一系列技術(shù)日益成熟?！熬盼濉逼陂g新建隧道504座，27.8萬延米。還建成了多座特長或?qū)掦w扁坦隧道，如中梁山

11、隧道(3100m×2)、縉云山隧道(2450m×2)、大溪嶺隧道(4116m×2)、二郎山隧道(4200m×2)、飛鸞嶺隧道、真武山隧道等。據(jù)不完全資料統(tǒng)計，我國已建成公路隧道1208座，總里程362km。目前，公路隧道的單洞長度越來越長，修建技術(shù)與營運技術(shù)日趨復(fù)雜。如正在施工中的福建美菰嶺隧道(5300m×2)，正在設(shè)計階段的湖南雪峰山隧道(約7000m×2)、四川泥巴山隧道(約8000m×2)、陜西秦峰終南山隧道(約18400m×2)，以及沈大高速公路8車道超扁平大斷面隧道等，都將遇到大量的技術(shù)課題。2.1.1

12、 存在的主要技術(shù)問題據(jù)最近一份調(diào)研報告表明，全國公路隧道設(shè)計與施工按新奧法實施者不到70%，新技術(shù)應(yīng)用率較低，建成后隧道滲漏水較嚴(yán)重，造成洞內(nèi)設(shè)施及襯砌結(jié)構(gòu)破壞，返修率高。個別隧道建成僅3年左右就要重新加固襯砌，還重新設(shè)置防、排水設(shè)施。由于技術(shù)落后，建設(shè)費用和維修費用相當(dāng)高。另外5000m長以上隧道的營運通風(fēng)等技術(shù)問題沒有根本解決，制約了高等級公路的發(fā)展。公路隧道多采取雙洞4車道，加上路緣、余寬、檢修道，內(nèi)空建筑寬度一般在9.25m10.50m，屬于大斷面隧道；近年來，隨著交通量增大和等級提高，許多省份開始采取雙洞6車道的跨度(甚至雙洞8車道)，這種高寬比為0.6左右的扁平狀大斷面隧道在設(shè)計與

13、施工中受力較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)與圍巖及地下水的相互作用問題，開挖過程中的力學(xué)問題(亦稱施工力學(xué))等一直是前沿課題。公路隧道設(shè)計斷面如圖1所示。公路隧道既是道路構(gòu)造物又是地下工程，它涉及結(jié)構(gòu)、巖土、地下水、空氣動力、光學(xué)、消防、交通工程、自動控制和工程機械等多種學(xué)科，其技術(shù)屬復(fù)合技術(shù)。目前公路隧道存在的主要工程技術(shù)問題有：(1)設(shè)計中，由于荷載不明且圍巖參數(shù)不清，噴錨支護(hù)和二次襯砌設(shè)計參數(shù)采取工程類比或套用規(guī)范，對于每一座隧道來講，這樣做具有很大的主觀性，與實際山體情況不符合。(2)防排水技術(shù)落后，對地下水探測手段差、隧道滲漏水嚴(yán)重。(3)施工中，圍巖動態(tài)信息反饋技術(shù)差，預(yù)報準(zhǔn)確率低，噴射混凝土回彈率

14、高(嚴(yán)重時達(dá)65%)。(4)營運通風(fēng)、照明、防災(zāi)等設(shè)施工程設(shè)計水平較低，缺乏綜合性考慮，長度4000m以上的公路隧道通風(fēng)中尚有亟待解決的問題，有待研制靜電吸塵裝置，為今后修建特長隧道作技術(shù)準(zhǔn)備。(5)隧道內(nèi)交通監(jiān)測與控制水平落后，目前幾座隧道的交通監(jiān)控設(shè)備均為進(jìn)口，這方面影響了我國公路隧道的發(fā)展。(6)水底隧道技術(shù)還有待開發(fā)。從古代發(fā)展至今，隧道工程的理論基礎(chǔ)和施工工藝在不斷地完善，目前我國比較多見的隧道工程施工工藝的流程分為以下8個步驟：洞口段施工；輔助施工；預(yù)埋件施工；調(diào)平層施工；水、電纜溝施工；洞門施工；施工過程安全及環(huán)保的控制；施工過程中已發(fā)生問題的處理。2.2 洞口段施工：邊仰坡開挖

15、：全站儀測量放樣，利用挖掘機自上而下逐段開挖，不得掏底開挖或上下重疊開挖，清除洞口與上方有可能滑塌的表土，灌木及山坡危石等，石質(zhì)地層仰坡開挖需要爆破時，應(yīng)以淺眼松動爆破為主。局部也可人工配合修整，開挖時應(yīng)隨時檢查邊坡和仰坡，如有滑動、開裂等現(xiàn)象，應(yīng)適當(dāng)放緩坡度。成洞面支護(hù)：仰坡刷坡完成后，及時用坡度板檢查坡度，待坡度檢查合格后，及時打設(shè)系統(tǒng)錨桿，并將錨桿頭外露，掛設(shè)金屬擴張網(wǎng)與錨桿頭焊接成整體。掛網(wǎng)完成后立即噴射混凝土，并反復(fù)噴射，直到達(dá)到設(shè)計厚度為止。截水溝施工：在距仰坡坡口5米處開挖截水溝，截水溝開挖以機械為主，人工配合修整，修整完后，立即砌筑7.5#漿砌片石，并用砂漿抹面。2.3 輔助施

16、工：套拱施工：施工放樣，模板安裝、鋼筋綁扎、導(dǎo)向管放樣，127導(dǎo)向管安裝，砼澆注。管棚施工：測量人員準(zhǔn)確放樣，標(biāo)出洞中心線及拱頂標(biāo)高，開挖預(yù)留核心土作為管棚施工的工作平臺，開挖進(jìn)尺為2.5米，開挖結(jié)束后，人工兩邊對稱開挖（品字型）工作平臺，臺階寬度1.5米，高度2.0米，作為施工套拱和管棚施鉆的平臺。管棚應(yīng)按設(shè)計位置施工，應(yīng)先打有孔鋼花管，注漿后在打無孔鋼花管，無孔管可作為檢查管，檢查注漿質(zhì)量，鉆機立軸方向必須準(zhǔn)確控制，以保證孔口的孔向正確，每鉆完一孔便頂進(jìn)一根鋼管，鉆進(jìn)中應(yīng)經(jīng)常采用測斜儀量測鋼管鉆進(jìn)的偏斜度，發(fā)現(xiàn)偏斜超過設(shè)計要求，及時糾正。鋼管接頭采用絲扣連接，絲扣長15，為使鋼管接頭錯開，

17、編號為奇數(shù)的第一節(jié)管采用3米鋼管，編號為偶數(shù)的第一節(jié)管采用6米鋼管，以后每節(jié)均采用6米長鋼管。2.4 預(yù)埋件施工：預(yù)埋件按設(shè)計尺寸采用木版作成設(shè)計形狀，安裝于二襯魔板臺車中，且位置準(zhǔn)確（誤差±50CM），固定牢固不得晃動，有管的必須中間穿鐵絲通過。2.5 調(diào)平層施工模板安裝的要求，在調(diào)平層兩側(cè)預(yù)先標(biāo)定的位置上安裝模板。側(cè)模采用10#槽鋼模板，頂面標(biāo)高應(yīng)與相應(yīng)里程的路面標(biāo)高一致，允許偏差±2mm，用水準(zhǔn)測量調(diào)整、確定標(biāo)高。模板每隔一定距離內(nèi)外固定，保證不位移，模板的接頭應(yīng)緊密平順，不得有離縫、歪斜和不平整等現(xiàn)象，模板接頭及底部均不得漏漿。砼灌注前，底層砼面上必須清洗干凈。當(dāng)砼

18、運達(dá)施工地點時，直接倒向安裝好模的路槽內(nèi)，并用人工找補均勻。攤鋪時應(yīng)考慮砼震搗后的沉降量。虛高可高出10%，使震實后的面層標(biāo)高與設(shè)計相符。砼震搗時靠近邊角等處用插入式震搗器順序震搗；用平板式震搗器縱橫交錯全面震搗，每個位置的搗時間以砼不再下沉，不再冒出大量氣泡，并以在表面出現(xiàn)水泥砂漿為準(zhǔn)，一般不少于15s，亦不宜過長；然后用震搗梁沿縱向震搗拖平，多余的砼隨著震搗梁的拖移被刮去，低陷處則應(yīng)隨時找平震實；最后用直徑75100mm的無縫鋼管滾壓，作進(jìn)一步整平。嚴(yán)禁在剛做好的面層上灑水、撒水泥。2.6 水、電纜溝施工安設(shè)溝墻鋼筋，要求位置準(zhǔn)確，必須掛線施工。安設(shè)溝墻摸板，要求摸板位置準(zhǔn)確，縱向一條線。

19、最大矢度不大于3，模板面與溝墻頂面齊，經(jīng)檢查合格后方可灌注砼，在靠原邊墻側(cè)部分必須鑿毛，并注意預(yù)埋件的位置準(zhǔn)確。模板采用定型摸板。2.7 洞門施工清理現(xiàn)場，進(jìn)行施工放樣。按設(shè)計尺寸要求挖端墻基礎(chǔ)。砌筑M7.5#漿砌片石。模板安裝，要求摸板位置準(zhǔn)確，縱向一條線，并及時檢查模板坡度。澆注砼15#片石砼，待砼強度達(dá)到70%以上進(jìn)行明洞拱頂回填。明洞拱頂回填應(yīng)對稱分層夯實。每層厚度不大于0.3M，其兩側(cè)回填面高差不大于0.5M，回填至拱頂平齊后分層壓實至設(shè)計高度，使用機械碾壓時，必須用人工夯填至拱頂1.0M以上，方可采用機械夯實2.8 施工過程安全及環(huán)保的控制進(jìn)洞必須佩帶安全帽、防止墜落，洞內(nèi)車速限制

20、5KM、照明必須每10米一燈、火攻品材料存放必須規(guī)范，派專人看管。棄渣場地必須排水通暢、且必須砌筑擋墻，防止洪水，形成泥石流。2.9 施工過程中已發(fā)生問題的處理二襯施工完畢后滲水的處理：細(xì)小裂縫用丙烯酸、水泥漿或環(huán)氧樹脂等涂刷和嵌縫，效果較理想；對較大裂縫，可用10號水泥砂漿或膨脹水泥砂漿嵌縫較合適有效；對大裂縫（縫寬大于5MM），（若有滲漏水，可用切割機沿裂縫切割一寬24CM左右小槽深度大約10CM以上，在水源處，切割一5×5CM立方的小洞室，然后把水管插入一塊4×4CMMF7塑料盲溝內(nèi)，一同壓入切割好的槽內(nèi)，把水引入縱向排水溝，最后用水泥與水玻漓混合砂漿封閉切割槽）若無

21、滲水，宜用環(huán)氧樹脂砂漿，或采用壓漿、鋼筋網(wǎng)噴射砼等補強。雖然如今的施工工藝已經(jīng)看似完善，但是在實踐中還是有很多問題，通過查閱資料，我發(fā)現(xiàn)有如下幾個問題：1. 隧道圍巖缺陷的探測和描述不清楚，施工階段地質(zhì)判釋技術(shù)不完善；2. 現(xiàn)有隧道理論計算結(jié)果與實際的差異較大，計算理論不完善；3. 地質(zhì)巖體性質(zhì)的時間和空間變異性問題；4. 地質(zhì)結(jié)構(gòu)與圍巖類別的識別問題；5. 隧道施工中控制超欠挖和開挖震動問題；6. 隧道凈空的合理布置與經(jīng)濟性問題；7. 隧道內(nèi)防水問題始終是薄弱環(huán)節(jié)；8. 隧道通風(fēng)與污染問題；9. 隧道病害原因與處治問題；10. 隧道建造與運營的環(huán)保及生態(tài)問題，目前意識薄弱；11. 隧道路面的

22、設(shè)計、施工、養(yǎng)護(hù)和維修問題（目前還沒有規(guī)范）。3、發(fā)展前景展望隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展綜合國力不斷增強,高新技術(shù)不斷發(fā)展,我國隧道發(fā)展前景是非常廣闊的,同時隧道的發(fā)展也是我國國民經(jīng)濟發(fā)展、國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略、開邊通海戰(zhàn)略的迫切需要。交通設(shè)施、水電工程越來越成為制約一個地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸所在。在交通隧道方面,隨著我國高速公路干線網(wǎng)的不斷完善,特別是向我國西部多山地區(qū)的不斷延伸,海南島與陸地的跨海延伸,以及遼東半島、膠東半島之間的跨海連接,崇明島與上海之間等長江沿線的地下連接都需要巨大的隧道工程來支撐,隨著西部的開發(fā),我國鐵路隧道、公路隧道的單體長度及數(shù)量記錄,都將不斷被刷新,如1999年竣工的秦嶺

23、鐵路隧道長度已達(dá)18.46km,2000年5月竣工的重慶鐵山坪公路隧道長度為4.5km。在跨海、跨江隧道方面,目前我國國內(nèi)已對瓊州海峽隧道完成了可行性研究,不少有識人士也已提出了跨越渤海灣聯(lián)接遼東與膠州半島的南橋北隧固定聯(lián)絡(luò)隧通道,跨越長江入海口連接上海崇明啟東的江底隧道、京滬、京廣高速鐵路跨越長江的沉管隧道,甚至提出了興建臺彎海峽隧道的設(shè)想。日本的青函海底隧道(全長53.85km)海底部分長23.3km),英法海底隧道(全長50km,海底38km)的建成運營,以及其它國家正在規(guī)劃與實施的眾多海峽隧道,都已為我國樹立了先例。隨著城市的快速發(fā)展，各大中城市交通壓力不斷增大，地鐵這一快捷、大運量的

24、公共交通系統(tǒng)將成為解決這一難題的唯一途徑。在水電隧道方面,隨著以世紀(jì)工程三峽水利水電工程等一大批大型、超大型水電工程項目的實施與完成,我國在深埋、長大隧道及大跨度地下廠房的設(shè)計與施工能力上,都已經(jīng)或?qū)⒁_(dá)到或接近世界先進(jìn)水平,隨著我國西部大開發(fā)的進(jìn)行,雅魯藏布江、金沙江等水力資源豐富的江河上梯級電站建設(shè),我國水利水電隧洞的建設(shè)也將進(jìn)入一個全新的發(fā)展時期。展望隧道施工的發(fā)展方向，隧道施工應(yīng)著重開展以下方面的工作：3.1加強隧道工程理論的研究理論對實踐起到指導(dǎo)的作用。隧道工程中的理論研究主要是對隧道中的圍巖進(jìn)行研究。通過多學(xué)科的交叉研究，主要從圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)出發(fā)，研究圍巖變形破壞的方式以及圍巖的賦存、受力情況，這樣就可以選擇合適的開挖方法，選擇合適的支護(hù)時機和方式等等。在未