21 世紀初我國公路隧道的關鍵技術
[摘要] 經過近20 年的積累, 我國公路隧道在質和量上都有顯著進步, 21 世紀初隧道建設難度方面將面臨更加嚴峻的挑戰, 為此需要在水下隧道修建技術、公路隧道數據庫及信息化設計與施工技術、山嶺隧道施工技術、特長隧道營運通風技術、公路隧道節能照明技術、營運監控系統開發、病害診斷與整治技術等方面加大研究力度, 從而掌握制約我國公路隧道發展的關鍵技術。
1 我國公路隧道現狀
隨著公路建設的飛速發展, 我國公路隧道事業已取得長足的進步, 到2000 年末公路通車里程達到140 萬km , 建成的隧道超過1 069 座, 單洞延長超過340 km, 單洞最長達4 706m, 建成的3 000 m 以上的特長隧道13 座, 1 500m 以上的3 車道公路隧道5 座, 盾構隧道2 座, 沉埋隧道2 座(見表1)。在近10 多年的隧道建設中進行了新奧法的實踐和推廣, 克服了瓦斯、涌水、采空區、軟弱圍巖、高地應力、永凍土等不良地質情況的難題, 完成了設計、施工、監理技術規范, 并著手養護規范編制和設計規范修定。在近10 多年的快速發展時期, 我國完成了寶貴的公路隧道經驗積累, 在新奧法設計與施工、CAD 技術、縱向通風研究、防排水技術、沉埋及盾構隧道修建技術方面均取得了一定的成績。建成了公路隧道及巖土工程實驗中心。目前陜西、四川、吉林、遼寧、廣東、浙江、福建、山西、貴州等省規劃和將建一批特長隧道或隧道群, 其中長度超過5 km 的隧道將有5 座, 最長的隧道將達到1816 km, 一些跨江、跨海隧道方案也相繼提出, 這無疑為邁向21 世紀的中國公路隧道提出了新的課題。
2 國外公路隧道現狀
以瑞士、奧地利、挪威、日本為代表的發達國家, 早在20 世紀60～ 70 年代就建成了一批特長隧道, 在建的最長隧道為挪威的LA FRLAND 隧道, 達2415 km, 已建成的最長公路隧道16 322m, 最長水下公路隧道9 400m (見表2), 從1910 年起的近90 年中建成的沉管隧道107 座, 其中美國、荷蘭、日本三國就有68 座, 占63% 。從發達國家的山嶺隧道修建技術看, 較為廣泛地采用了新奧法, 實現了真正的信息化設計與施工, 采用了先進的噴射混凝土工藝, 較為成功地解決了噴射混凝土回彈; 防排水設計與施工工藝得到較好解決; 新的支護手段在不斷改進; 多種通風形式及靜電吸塵等先進通風設備成功采用; 穩定可靠的公路隧道營運管理系統在多個發達國家經受了時間的檢驗; 公路隧道病害檢測與處治手段均有新的突破, 無損傷探測手段和新型高強材料已在瑞士、日本等發達國家得到較好應用; 針對公路隧道等高風險地下工程進行了業主、設計、監理及承包商的共同利益管理模式嘗試, 已取得了不少經驗; 盾構施工技術, 已成功采用了直徑14114 m 的巨型盾構機掘進; TBM 已采用了11193 m 的掘進機進行公路隧道施工, 同時采用TBM 超前施工導洞, 再結合鉆爆擴挖的方法也在多個國家的長隧道施工中得到應用; 另外, 沉管隧道以美國、日本、荷蘭為代表的國家, 通過107 座隧道的實踐, 較成功地解決了沉管隧道結構形式、防水、基層處理、結構抗震等關鍵技術問題, 使隧道成為跨江、跨海的重要手段, 且倍受重視。最近為了解決跨越深水水域的問題, 挪威、瑞士、日本、意大利等國都組織了專門機構進行懸浮隧道的專項研究。綜上所述, 國外一些發達國家無論在山嶺隧道還是水下隧道的研究、設計、施工和管理方面都有諸多方面可供我國公路隧道借鑒和參考。
3 21 世紀初我國公路隧道的關鍵技術
21 世紀初我國將面臨水下隧道、特長隧道的建 設高潮, 同時也將面臨數百公里公路隧道的管理和維護高峰, 結合發達國家的發展歷程, 考慮到我國的具體國情, 需要在下列領域深入工作:
(1) 水下隧道修建技術;
(2) 公路隧道數據庫及信息化設計施工技術;
(3) 山嶺隧道施工技術;
(4) 特長公路隧道營運通風技術;
(5) 公路隧道節能照明技術;
(6) 公路隧道營運監控系統開發;
(7) 公路隧道病害診斷與整治技術。
3. 1 水下隧道修建技術
表2 國外主要長大公路隧道
長期以來我國在跨越水域的通道建設上均以橋梁為主, 盡管解決了一些公路交通問題, 但由于橋梁高度和跨度限制, 也帶來了一些意想不到的問題。以長江為例, 由于南京長江大橋凈空僅24m, 4 000 t 以上船舶無法通過, 結果長江黃金水道利用率僅為密西西比河的。
(8)船舶碰撞橋墩和建橋設施的事故也時有發生, 僅武漢長江大橋就發生過57 次碰撞事故, 直接經濟損失數千萬元, 并嚴重影響大橋的結構安全, 盡管如此, 建橋熱仍不斷升溫。與此形成鮮明對比的是, 香港維多利亞灣的5 條水域通道全為隧道, 1981 年曾提出一橋梁方案, 后因通航與景觀問題也最終放棄。分析我國橋梁方案總占上風的一個重要原因, 就是對水下隧道修建技術的研究和認識不夠。從最近的北約轟炸南聯盟看, 這一問題值得深思。
在水下隧道修建技術中沉管隧道具有如下優點:
(1) 埋深淺, 隧道短, 工程造價較盾構隧道低;
(2) 隧道主體構造預制, 水密性較盾構隧道好;
(3) 施工平行作業, 工期短;
(4) 能夠滿足大斷面多管道的要求, 特別適合公路交通;
(5) 斷面形狀選擇自由度大, 利用率高;
(6) 隱蔽性好, 受戰爭威脅小。正因如此, 在全世界已建有107 座沉管隧道, 目前已建沉埋隧道的最大水深50 m, 最大海水流速s, 最大長度5 825m, 最多車道8 車道, 我國 217m 眾多水域均具備建設條件。結合我國已有2 座沉管隧道的經驗, 可在下列領域抓緊消化和研究:
① 沉管隧道的結構型式;
② 沉管隧道的設計與施工的水力學問題;
③ 沉管隧道管片制作;
④ 沉管隧道防水技術;
⑤ 沉管隧道抗震;
⑥ 沉管隧道地基處理;
⑦ 沉管隧道施工設備;
⑧ 沉管隧道主要經濟指標與施工周期。
另外, 大口徑盾構隧道施工技術及跨越深海的懸浮隧道技術, 在發達國家均有新的成就和突破, 在下世紀初也應結合總體規劃的要求開展必要的前期工作。
3. 2 公路隧道數據庫及信息化設計施工技術
近10 多年隨著公路建設的大發展, 隧道事業也飛速公展, 已建公路隧道的數量、建設規模、斷面型式、支護參數、圍巖類別、設施系統、施工情況等都需要較全面的總結和統計, 掌握己有隧道的成功經驗和失敗教訓, 為新建的工程提供重要的參考資料和決策依據。為此, 迅速建立公路隧道數據庫十分必要。我們知道, 地下工程最大的特點在于它的不確定性, 工程類比是設計的重要方法, 經過分析和研究數據庫確定有指導意義的支護參數將有較顯著的經濟效益。
自我國推行新奧法, 大量采用復合式襯砌, 其目的就是充分利用初期支護的及時性、密貼性、柔性、深入性、靈活性, 最大限度發揮圍巖的自承能力, 找到安全與經濟的較好結合點。這就要求支護手段隨圍巖的變化而變化。我國新奧法普及率不足50% 的一個重要原因就是沒有建立信息化設計與施工緊密結合的實用化技術。盡管開展了一些量測工作, 但由于與施工脫節, 量測的項目和數據沒有對施工起很好的指導作用, 量測的內容應當緊密圍繞圍巖分類參數及調整支護參數的依據, 并應大力發展先進的非接觸式測試手段, 加強超前預報和掌子面地質觀測, 采用可操作性強的反分析手段, 真正做到信息化設計和施工, 提高新奧法普及率, 從而減少浪費。
3. 3 山嶺隧道施工技術
首先應當對應用最廣的鉆爆法隧道加以完善, 最近王夢恕院士提出建立“ 中國隧道修建法”, 筆者認為無論名字如何叫, 但及時總結確有必要。比如應當把“ 早進晚出”的原則, 進一步發展為不傷坡進洞。許多經驗表明, 當在隧道尚未開挖時, 山坡是穩定的, 但隨著刷坡拉槽就導致洞口防護工程數量巨大, 并對生態造成一定程度的破壞, 提倡不傷坡進洞就是要借助一些輔助措施, 解決洞口的施工問題并保持邊仰坡的穩定, 降低防護工程數量。同時應當嚴禁后竄較多的模噴工藝和二次襯砌先拱后墻的施工方法, 取消爆破后的洞室找頂工藝, 初期支護可采用注漿錨桿和U 型鋼拱架以解決砂漿錨桿和工字鋼的問題; 倡導減少回彈的濕噴工藝; 防水卷材宜采用PE 等高分子材料, 并采用雙縫機熱熔焊結解決搭接問題; 防水卷材安裝工藝宜改用為棚架式, 在通過軟弱圍巖地段應多采用側壁導坑等減小跨度的施工方法。
隧道掘進機施工(TBM ) 方法是20 世紀被廣泛采用的一項新技術, 具有施工速度快、隧道成型好、機械化強度以及周邊環境影響小的特點, 1992 年開始用于公路隧道。我國目前僅在鐵路隧道、水工隧道等小斷面隧道中開始使用這項技術, 公路隧道尚處空白, 今后特長隧道建設TBM 無疑是一種有效的辦法, 這就需要我們加快吸收國外的先進技術, 美國、德國、瑞士、法國、日本等在該領域處于世界領先水平。引進、消化、吸收是掌握這一技術的行之有效的辦法, 鐵路秦嶺隧道就是這方面的一次有益嘗試。應當在此基礎上向大口徑隧道發展。另外采用小口徑TBM 10 鉆爆法施工是提高掘進速度的有效方法。
總之, 及時總結和研究山嶺隧道施工技術, 建立與我國圍巖地質特征及公路隧道斷面型式相適應的中國公路隧道修建法, 對經濟地、高質量地建設公路隧道十分必要。
3. 4 特長公路隧道營運通風技術
到下世紀初我國將要開工建設的5～ 20 km 的公路隧道近10 座, 制約這些隧道建設的一項重要技術就是營運通風技術。過去我國多采用全射流的縱向通風, 當隧道長度大于5 km 且有一定交通量時, 純射流縱向通風便是一種低效率的通風方式。另外隧道的防災問題也很重要, 因為地下工程的封閉性, 就決定了其防災的特殊性, 地下建筑規定每1 000 m2 應有防煙門等隔離設施, 雖說公路隧道不象地下建筑那么嚴格, 但對特長隧道防災分區十分必要。這就迫切要求我們開展送排式縱向通風、全橫向通風等方式的研究, 緊密圍繞通風基本型式、避免回流的有效手段、節能運行方式、地下風機房技術、防災措施等開展研究。1999 年3 月24 日發生在法國-意大利間的勃朗峰隧道(約11 km) 特大火災, 導致40 人死亡, 34 輛車燒毀, 結構大面積破壞, 更提醒我們應加強這方面的研究。
解決特長公路隧道通風的另一思路就是利用靜電吸塵設備對污染空氣進行凈化處理再利用, 這樣既有利于環保, 也能有效減少豎(斜) 井的數量, 從日本、挪威等國使用情況看, 效果良好。根據采用新的 “ 通風、照明標準”計算, 煙塵已成為控制指標, 這與實際情況是一致的, 采用靜電通風設備很有現實意義。為了掌握這一技術, 必須從設備規模、氣流組織、激發與吸塵、清灰、系統聯動等多方面加強研究開發。“ 八五”期間交通部重慶公路科學研究所作過一些前期研究工作, 在此基礎上進行深入研究將會取得可喜的成果。
3. 5 公路隧道節能照明技術
我國公路隧道設計雖都考慮了照明, 但迫于營運維護成本的壓力, 許多隧道有燈具而未照明。照明作為保證行車安全的重要措施應當得以保障。解決這一問題的重要途徑就是大力發展節能照明技術, 目前我國公路隧道大多采用高壓鈉燈, 雙側布燈, 燈間距8～ 10 m 居多, 如果采用中央布燈新型逆光照明技術, 燈可減少一半, 能耗減少一半。重慶康吉車輛技術開發公司最近研制的寬體逆光及對稱公路隧道專用照明燈具, 就在降低照明成本上邁出了一大步。另外, 采用可控硅技術開發的調光燈具也可在均勻度不降低的情況下使交通照明降低能耗40%～ 50% 。由此可見, 只要加強節能照明技術研究, 通過對燈體及反光器的改進, 就能有效降低能耗, 降低營運維護成本。
3. 6 公路隧道營運監控系統開發
公路隧道營運監控系統是保證隧道安全營運的重要手段, 我國在多座隧道中進行了國外成套技術的引進, 但效果不甚理想, 其中重要原因就是控制模式不切合實際, 而且DCS 集散式控制系統成本較高, 系統可靠性差, 通信協議不開放。根據國外現場總線通訊網絡的發展看, 迫切需要建立和發展適合公路隧道特點的現場總線技術。交通部重慶公路科學研究所率先進行了這一嘗試, 借助1∶1 實驗隧道開發成功了“ 公路隧道機電設備集成管理系統TM 2 CS”。該系統的特點是采用LONW O R KS 分布式測控網絡技術組成現場監控網絡; 采用以太網作為隧道監控管理網絡, 并可進行上層管理網絡組網; 現場LON 網絡可脫離監控計算機, 獨立完成設定的自動控制功能; 監控計算機可對各子系統進行手動控制和運行管理, 與傳統的DCS 集散控制系統比較, LON 網絡隧道監控系統具有大量節約安裝費用, 降低工程綜合成本, 分散故障, 網絡擴展容易, 網絡通訊距離長, 通信協議開放等優點。其中根據交通流特性建立符合實際的控制模式尤為關鍵。公路隧道營運監控系統的開發成功對帶動我國該產業領域的發展, 打破國外軟硬件的壟斷具有十分重要的意義。
3. 7 公路隧道病害診斷與整治技術
隨著公路隧道建設高潮的持續, 公路隧道的養護問題日益突出, 如何對營運隧道進行安全性檢查和病害診斷顯得十分重要。目前尚多根據肉眼觀察結構進行判斷, 存在著效率低, 準確性差的問題。根據瑞士等國的經驗, 迫切需要進行無損傷探測手段的開發, 以探明空洞、裂縫的空間分布, 包括非接觸式掃描探傷設備和其它物探手段等。
公路隧道病害的根源主要包括支護系統強度不足和水害。對病害進行整治涉及原因、材料、工藝、方法諸多方面。目前傳統作法普通存在缺乏系統理論指導, 有一定盲目性, 易造成人、財、物浪費, 阻礙交通、減小隧道有效斷面等, 因為傳統方法通常采用刻槽、套拱等辦法。日本在隧道病害整治中作過大量工作, 開發了結構加固的高強碳纖維及治理水害的后澆止、導水材料, 大大提高了病害整治效果。顯然, 通過新材料、新工藝研究, 解決隧道病害是十分有前途的。筆者最近已接觸了多座隧道的病害整治, 深深感覺病害診斷及整治技術較為落后, 經濟上也不節約, 的確有必要加大研究力度。
4 結語
21 世紀初我國公路隧道面臨良好的機遇, 同時也有諸多困難, 只要組織力量協同攻關, 及時解決我國公路隧道的關鍵技術, 就能安全、經濟地建設和管理我國公路隧道。
原作者：劉 偉
[摘要] 經過近20 年的積累, 我國公路隧道在質和量上都有顯著進步, 21 世紀初隧道建設難度方面將面臨更加嚴峻的挑戰, 為此需要在水下隧道修建技術、公路隧道數據庫及信息化設計與施工技術、山嶺隧道施工技術、特長隧道營運通風技術、公路隧道節能照明技術、營運監控系統開發、病害診斷與整治技術等方面加大研究力度, 從而掌握制約我國公路隧道發展的關鍵技術。
1 我國公路隧道現狀
隨著公路建設的飛速發展, 我國公路隧道事業已取得長足的進步, 到2000 年末公路通車里程達到140 萬km , 建成的隧道超過1 069 座, 單洞延長超過340 km, 單洞最長達4 706m, 建成的3 000 m 以上的特長隧道13 座, 1 500m 以上的3 車道公路隧道5 座, 盾構隧道2 座, 沉埋隧道2 座(見表1)。在近10 多年的隧道建設中進行了新奧法的實踐和推廣, 克服了瓦斯、涌水、采空區、軟弱圍巖、高地應力、永凍土等不良地質情況的難題, 完成了設計、施工、監理技術規范, 并著手養護規范編制和設計規范修定。在近10 多年的快速發展時期, 我國完成了寶貴的公路隧道經驗積累, 在新奧法設計與施工、CAD 技術、縱向通風研究、防排水技術、沉埋及盾構隧道修建技術方面均取得了一定的成績。建成了公路隧道及巖土工程實驗中心。目前陜西、四川、吉林、遼寧、廣東、浙江、福建、山西、貴州等省規劃和將建一批特長隧道或隧道群, 其中長度超過5 km 的隧道將有5 座, 最長的隧道將達到1816 km, 一些跨江、跨海隧道方案也相繼提出, 這無疑為邁向21 世紀的中國公路隧道提出了新的課題。
2 國外公路隧道現狀
以瑞士、奧地利、挪威、日本為代表的發達國家, 早在20 世紀60～ 70 年代就建成了一批特長隧道, 在建的最長隧道為挪威的LA FRLAND 隧道, 達2415 km, 已建成的最長公路隧道16 322m, 最長水下公路隧道9 400m (見表2), 從1910 年起的近90 年中建成的沉管隧道107 座, 其中美國、荷蘭、日本三國就有68 座, 占63% 。從發達國家的山嶺隧道修建技術看, 較為廣泛地采用了新奧法, 實現了真正的信息化設計與施工, 采用了先進的噴射混凝土工藝, 較為成功地解決了噴射混凝土回彈; 防排水設計與施工工藝得到較好解決; 新的支護手段在不斷改進; 多種通風形式及靜電吸塵等先進通風設備成功采用; 穩定可靠的公路隧道營運管理系統在多個發達國家經受了時間的檢驗; 公路隧道病害檢測與處治手段均有新的突破, 無損傷探測手段和新型高強材料已在瑞士、日本等發達國家得到較好應用; 針對公路隧道等高風險地下工程進行了業主、設計、監理及承包商的共同利益管理模式嘗試, 已取得了不少經驗; 盾構施工技術, 已成功采用了直徑14114 m 的巨型盾構機掘進; TBM 已采用了11193 m 的掘進機進行公路隧道施工, 同時采用TBM 超前施工導洞, 再結合鉆爆擴挖的方法也在多個國家的長隧道施工中得到應用; 另外, 沉管隧道以美國、日本、荷蘭為代表的國家, 通過107 座隧道的實踐, 較成功地解決了沉管隧道結構形式、防水、基層處理、結構抗震等關鍵技術問題, 使隧道成為跨江、跨海的重要手段, 且倍受重視。最近為了解決跨越深水水域的問題, 挪威、瑞士、日本、意大利等國都組織了專門機構進行懸浮隧道的專項研究。綜上所述, 國外一些發達國家無論在山嶺隧道還是水下隧道的研究、設計、施工和管理方面都有諸多方面可供我國公路隧道借鑒和參考。
3 21 世紀初我國公路隧道的關鍵技術 21 世紀初我國將面臨水下隧道、特長隧道的建 設高潮, 同時也將面臨數百公里公路隧道的管理和維護高峰, 結合發達國家的發展歷程, 考慮到我國的具體國情, 需要在下列領域深入工作:
(1) 水下隧道修建技術;
(2) 公路隧道數據庫及信息化設計施工技術;
(3) 山嶺隧道施工技術;
(4) 特長公路隧道營運通風技術;
(5) 公路隧道節能照明技術;
(6) 公路隧道營運監控系統開發;
(7) 公路隧道病害診斷與整治技術。
3. 1 水下隧道修建技術
表2 國外主要長大公路隧道 長期以來我國在跨越水域的通道建設上均以橋梁為主, 盡管解決了一些公路交通問題, 但由于橋梁高度和跨度限制, 也帶來了一些意想不到的問題。以長江為例, 由于南京長江大橋凈空僅24m, 4 000 t 以上船舶無法通過, 結果長江黃金水道利用率僅為密西西比河的。
(8)船舶碰撞橋墩和建橋設施的事故也時有發生, 僅武漢長江大橋就發生過57 次碰撞事故, 直接經濟損失數千萬元, 并嚴重影響大橋的結構安全, 盡管如此, 建橋熱仍不斷升溫。與此形成鮮明對比的是, 香港維多利亞灣的5 條水域通道全為隧道, 1981 年曾提出一橋梁方案, 后因通航與景觀問題也最終放棄。分析我國橋梁方案總占上風的一個重要原因, 就是對水下隧道修建技術的研究和認識不夠。從最近的北約轟炸南聯盟看, 這一問題值得深思。
在水下隧道修建技術中沉管隧道具有如下優點:
(1) 埋深淺, 隧道短, 工程造價較盾構隧道低;
(2) 隧道主體構造預制, 水密性較盾構隧道好;
(3) 施工平行作業, 工期短;
(4) 能夠滿足大斷面多管道的要求, 特別適合公路交通;
(5) 斷面形狀選擇自由度大, 利用率高;
(6) 隱蔽性好, 受戰爭威脅小。正因如此, 在全世界已建有107 座沉管隧道, 目前已建沉埋隧道的最大水深50 m, 最大海水流速s, 最大長度5 825m, 最多車道8 車道, 我國 217m 眾多水域均具備建設條件。結合我國已有2 座沉管隧道的經驗, 可在下列領域抓緊消化和研究:
① 沉管隧道的結構型式;
② 沉管隧道的設計與施工的水力學問題;
③ 沉管隧道管片制作;
④ 沉管隧道防水技術;
⑤ 沉管隧道抗震;
⑥ 沉管隧道地基處理;
⑦ 沉管隧道施工設備;
⑧ 沉管隧道主要經濟指標與施工周期。
另外, 大口徑盾構隧道施工技術及跨越深海的懸浮隧道技術, 在發達國家均有新的成就和突破, 在下世紀初也應結合總體規劃的要求開展必要的前期工作。
3. 2 公路隧道數據庫及信息化設計施工技術
近10 多年隨著公路建設的大發展, 隧道事業也飛速公展, 已建公路隧道的數量、建設規模、斷面型式、支護參數、圍巖類別、設施系統、施工情況等都需要較全面的總結和統計, 掌握己有隧道的成功經驗和失敗教訓, 為新建的工程提供重要的參考資料和決策依據。為此, 迅速建立公路隧道數據庫十分必要。我們知道, 地下工程最大的特點在于它的不確定性, 工程類比是設計的重要方法, 經過分析和研究數據庫確定有指導意義的支護參數將有較顯著的經濟效益。
自我國推行新奧法, 大量采用復合式襯砌, 其目的就是充分利用初期支護的及時性、密貼性、柔性、深入性、靈活性, 最大限度發揮圍巖的自承能力, 找到安全與經濟的較好結合點。這就要求支護手段隨圍巖的變化而變化。我國新奧法普及率不足50% 的一個重要原因就是沒有建立信息化設計與施工緊密結合的實用化技術。盡管開展了一些量測工作, 但由于與施工脫節, 量測的項目和數據沒有對施工起很好的指導作用, 量測的內容應當緊密圍繞圍巖分類參數及調整支護參數的依據, 并應大力發展先進的非接觸式測試手段, 加強超前預報和掌子面地質觀測, 采用可操作性強的反分析手段, 真正做到信息化設計和施工, 提高新奧法普及率, 從而減少浪費。
3. 3 山嶺隧道施工技術
首先應當對應用最廣的鉆爆法隧道加以完善, 最近王夢恕院士提出建立“ 中國隧道修建法”, 筆者認為無論名字如何叫, 但及時總結確有必要。比如應當把“ 早進晚出”的原則, 進一步發展為不傷坡進洞。許多經驗表明, 當在隧道尚未開挖時, 山坡是穩定的, 但隨著刷坡拉槽就導致洞口防護工程數量巨大, 并對生態造成一定程度的破壞, 提倡不傷坡進洞就是要借助一些輔助措施, 解決洞口的施工問題并保持邊仰坡的穩定, 降低防護工程數量。同時應當嚴禁后竄較多的模噴工藝和二次襯砌先拱后墻的施工方法, 取消爆破后的洞室找頂工藝, 初期支護可采用注漿錨桿和U 型鋼拱架以解決砂漿錨桿和工字鋼的問題; 倡導減少回彈的濕噴工藝; 防水卷材宜采用PE 等高分子材料, 并采用雙縫機熱熔焊結解決搭接問題; 防水卷材安裝工藝宜改用為棚架式, 在通過軟弱圍巖地段應多采用側壁導坑等減小跨度的施工方法。
隧道掘進機施工(TBM ) 方法是20 世紀被廣泛采用的一項新技術, 具有施工速度快、隧道成型好、機械化強度以及周邊環境影響小的特點, 1992 年開始用于公路隧道。我國目前僅在鐵路隧道、水工隧道等小斷面隧道中開始使用這項技術, 公路隧道尚處空白, 今后特長隧道建設TBM 無疑是一種有效的辦法, 這就需要我們加快吸收國外的先進技術, 美國、德國、瑞士、法國、日本等在該領域處于世界領先水平。引進、消化、吸收是掌握這一技術的行之有效的辦法, 鐵路秦嶺隧道就是這方面的一次有益嘗試。應當在此基礎上向大口徑隧道發展。另外采用小口徑TBM 10 鉆爆法施工是提高掘進速度的有效方法。
總之, 及時總結和研究山嶺隧道施工技術, 建立與我國圍巖地質特征及公路隧道斷面型式相適應的中國公路隧道修建法, 對經濟地、高質量地建設公路隧道十分必要。
3. 4 特長公路隧道營運通風技術
到下世紀初我國將要開工建設的5～ 20 km 的公路隧道近10 座, 制約這些隧道建設的一項重要技術就是營運通風技術。過去我國多采用全射流的縱向通風, 當隧道長度大于5 km 且有一定交通量時, 純射流縱向通風便是一種低效率的通風方式。另外隧道的防災問題也很重要, 因為地下工程的封閉性, 就決定了其防災的特殊性, 地下建筑規定每1 000 m2 應有防煙門等隔離設施, 雖說公路隧道不象地下建筑那么嚴格, 但對特長隧道防災分區十分必要。這就迫切要求我們開展送排式縱向通風、全橫向通風等方式的研究, 緊密圍繞通風基本型式、避免回流的有效手段、節能運行方式、地下風機房技術、防災措施等開展研究。1999 年3 月24 日發生在法國-意大利間的勃朗峰隧道(約11 km) 特大火災, 導致40 人死亡, 34 輛車燒毀, 結構大面積破壞, 更提醒我們應加強這方面的研究。
解決特長公路隧道通風的另一思路就是利用靜電吸塵設備對污染空氣進行凈化處理再利用, 這樣既有利于環保, 也能有效減少豎(斜) 井的數量, 從日本、挪威等國使用情況看, 效果良好。根據采用新的 “ 通風、照明標準”計算, 煙塵已成為控制指標, 這與實際情況是一致的, 采用靜電通風設備很有現實意義。為了掌握這一技術, 必須從設備規模、氣流組織、激發與吸塵、清灰、系統聯動等多方面加強研究開發。“ 八五”期間交通部重慶公路科學研究所作過一些前期研究工作, 在此基礎上進行深入研究將會取得可喜的成果。
3. 5 公路隧道節能照明技術
我國公路隧道設計雖都考慮了照明, 但迫于營運維護成本的壓力, 許多隧道有燈具而未照明。照明作為保證行車安全的重要措施應當得以保障。解決這一問題的重要途徑就是大力發展節能照明技術, 目前我國公路隧道大多采用高壓鈉燈, 雙側布燈, 燈間距8～ 10 m 居多, 如果采用中央布燈新型逆光照明技術, 燈可減少一半, 能耗減少一半。重慶康吉車輛技術開發公司最近研制的寬體逆光及對稱公路隧道專用照明燈具, 就在降低照明成本上邁出了一大步。另外, 采用可控硅技術開發的調光燈具也可在均勻度不降低的情況下使交通照明降低能耗40%～ 50% 。由此可見, 只要加強節能照明技術研究, 通過對燈體及反光器的改進, 就能有效降低能耗, 降低營運維護成本。
3. 6 公路隧道營運監控系統開發
公路隧道營運監控系統是保證隧道安全營運的重要手段, 我國在多座隧道中進行了國外成套技術的引進, 但效果不甚理想, 其中重要原因就是控制模式不切合實際, 而且DCS 集散式控制系統成本較高, 系統可靠性差, 通信協議不開放。根據國外現場總線通訊網絡的發展看, 迫切需要建立和發展適合公路隧道特點的現場總線技術。交通部重慶公路科學研究所率先進行了這一嘗試, 借助1∶1 實驗隧道開發成功了“ 公路隧道機電設備集成管理系統TM 2 CS”。該系統的特點是采用LONW O R KS 分布式測控網絡技術組成現場監控網絡; 采用以太網作為隧道監控管理網絡, 并可進行上層管理網絡組網; 現場LON 網絡可脫離監控計算機, 獨立完成設定的自動控制功能; 監控計算機可對各子系統進行手動控制和運行管理, 與傳統的DCS 集散控制系統比較, LON 網絡隧道監控系統具有大量節約安裝費用, 降低工程綜合成本, 分散故障, 網絡擴展容易, 網絡通訊距離長, 通信協議開放等優點。其中根據交通流特性建立符合實際的控制模式尤為關鍵。公路隧道營運監控系統的開發成功對帶動我國該產業領域的發展, 打破國外軟硬件的壟斷具有十分重要的意義。
3. 7 公路隧道病害診斷與整治技術
隨著公路隧道建設高潮的持續, 公路隧道的養護問題日益突出, 如何對營運隧道進行安全性檢查和病害診斷顯得十分重要。目前尚多根據肉眼觀察結構進行判斷, 存在著效率低, 準確性差的問題。根據瑞士等國的經驗, 迫切需要進行無損傷探測手段的開發, 以探明空洞、裂縫的空間分布, 包括非接觸式掃描探傷設備和其它物探手段等。
公路隧道病害的根源主要包括支護系統強度不足和水害。對病害進行整治涉及原因、材料、工藝、方法諸多方面。目前傳統作法普通存在缺乏系統理論指導, 有一定盲目性, 易造成人、財、物浪費, 阻礙交通、減小隧道有效斷面等, 因為傳統方法通常采用刻槽、套拱等辦法。日本在隧道病害整治中作過大量工作, 開發了結構加固的高強碳纖維及治理水害的后澆止、導水材料, 大大提高了病害整治效果。顯然, 通過新材料、新工藝研究, 解決隧道病害是十分有前途的。筆者最近已接觸了多座隧道的病害整治, 深深感覺病害診斷及整治技術較為落后, 經濟上也不節約, 的確有必要加大研究力度。
4 結語
21 世紀初我國公路隧道面臨良好的機遇, 同時也有諸多困難, 只要組織力量協同攻關, 及時解決我國公路隧道的關鍵技術, 就能安全、經濟地建設和管理我國公路隧道。
原作者：劉 偉
