我国的隧道技术进步.docx
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我国的隧道技术进步
我国隧道工程的技术进步
——铁路隧道工程和地铁隧道工程
1．铁路隧道
1.1历史的回顾和统计资料[1]
1999年8月，我国最长的铁路隧道——位于西安—安康铁路上的秦岭隧道贯通。
当人们在为这条18.4km长的顺利建成而激动不已的时候,很容易想到50年代在宝成铁路上修建的2km长的另一座“秦岭”隧道。
（图1）
图1中国铁路隧道的标志性工程
不同时期修建的穿越秦岭山脉的两座隧道是中国隧道工程技术进步的最好见证。
40年前修建的2km长的秦岭隧道差不多是用人力艰难地修成的。
那时，手持式凿岩机和小型矿车几乎是仅有的施工机具。
40年后的今天，在西（安）（安）康铁路上18.457km长的秦岭隧道的修建中则使用了包括全断面掘进机在内的现代隧道施工机具，实现了隧道施工机械化。
追溯我国现代隧道工程的历史，总要提到1890年在台湾基隆至新竹窄轨铁路上建成的216m长的狮球岭隧道。
据说，这是我国最早修建的一条铁路隧道。
1908年，由杰出的工程师詹天佑博士主持，在北京至张家口的铁路上用18个月的时间修建了长1091m的八达岭隧道,在中国近代隧道修建史上写下了重要的一页。
然而，大规模地修建各种用途的隧道还是从新中国成立开始的。
根据不完全统计，目前我国大陆铁路隧道总数达5300余座，总长度为2500km，其中5km以上隧道就有28座；我国台湾，长度5km以上的隧道有3座。
（表1）[2]
表1我国长度5km以上的铁路隧道
编号
隧道名
全长（m）
铁路名
建成年月
1
秦岭
18456
西康
2000-05
2
大瑶山
14294
京广
1987-12
3
长梁山
12780
朔黄
2000-03
4
米花岭
9383
南昆
1996-09
5
军都山
8460
大秦
1988-08
6
云台山Ⅱ线
8178
侯月
1996-06
7
云台山Ⅰ线
8144
侯月
1996-06
8
中央
8070
台湾南回
1991-12
9
观音
7757
台湾北回
1979-12
10
分水关
7228
横南
1995-12
11
驿马岭
7032
京原
1969-10
12
松河
6905
水柏
2000-05
13
寺铺尖
6407
朔黄
1999-10
14
沙马拉达
6383
成昆
1966-11
15
八盘岭
6340
溪田
1992-09
16
寺则河
6216
神延
2000-11
17
平型关
6190
京原
1971-07
18
关村坝
6187
成昆
1966-05
19
奎先
6152
南疆
1978-06
20
大竹岭
6067
株六
2000-04
21
南岭
6062
京广
1987-12
22
红旗
5848
京通
1975-07
23
蛇口峁
5804
神朔
1993-03
24
彭莫山
5608
焦柳
1973-12
25
大巴山
5334
襄渝
1972-12
26
黄莲坡
5306
内昆
2000-05
27
南澳
5286
台湾北回
1979-12
28
六盘山
5240
宝中
1994-12
29
武当山
5226
襄渝
1973-05
30
平关
5140
盘西
1970-04
31
白家湾
5058
大秦
1987-08
1.2宝成铁路秦岭隧道
在50年代初，为了避免修建长隧道，常常尽可能地采用迂回展线来克服地形障碍，使线路靠近地表。
宝成铁路翻越秦岭的一段线路就是采用短小隧道群迂回展线的一个实例。
（图2）在这段线路上有34座隧道，最长的秦岭隧道其长度仅为2363m。
但是，根据当时的技术水平，修建这样一座长度在2km以上的隧道也并不是一件容易的事。
由于在施工中首次使用了风动凿岩机和轨行式矿车，使得宝成铁路秦岭隧道的修建成为从“人力开挖”过渡到“机械开挖”的标志。
图2宝成铁路秦岭隧道
1.3成昆铁路·关村坝隧道和沙马拉达隧道[3]
隧道工程技术发展第二个阶段的代表性工程是60年代中期修建的成都—昆明铁路。
成昆铁路全长1085km,隧道竟占31%。
其中长度为6.187m的关村坝隧道成功地将原设计的一段沿河线路“截弯取直”。
成昆铁路经过大凉山的越岭线路曾考虑过瓦吉木粱子、小相岭和阳糯雪山等几个方案，其隧道长度分别达14.5km,19.5km和25.75km。
受我国当时隧道工程技术水平所限和工期要求，最后采用了6.379km的沙马拉达“短隧道”方案。
（图3）这样一来，不仅加大了线路纵坡，而且在隧道两端形成了“灯泡形”展线，成为成昆铁路运营中的“咽喉”。
在成昆铁路隧道的施工中采用了轻型机具，分部开挖的“小型机械化”施工，修建速度达到了“百米成洞”（平均每月单口成洞100m）的水平。
图3沙马拉打越岭线
1.4大瑶山隧道·全断面综合机械化施工[4][5]
我国修建长度10km以上的铁路隧道的实践是从修建14.295km长的双线隧道—大瑶山隧道开始的。
这座隧道的修建将京广铁路一段沿武水河的河谷线改为平直的越岭线。
（图4）在这座隧道的施工中，采用凿岩台车，衬砌模板台车和高效能的装运工具等机具配套作业，实行全断面开挖。
大瑶山隧道是我国山岭隧道采用重型机具综合机械化施工的开端，将隧道工程的修建技术和修建长大隧道的能力提高到一个新的阶段，缩短了同国际隧道施工先进水平的差距。
在此以后修建的许多长大隧道基本上都是按“大瑶山模式”施工的。
1996年建成的南昆铁路上长度为9388m米花岭隧道，就创造了单口月成洞502.2m的好成绩。
图4大瑶山隧道
综合机械化施工和相关技术的发展大大提高了修建长隧道的能力。
这引起了铁路线路设计思想的变化。
90年代后期修建的西安—安康铁铁路在穿越秦岭时就不再像40年前修建宝成铁路那样采用迂回曲折的展线,而修建了18.4km长的越岭隧道。
显然，长隧道的修建已成为提高铁路运营标准的重要手段。
1.5西康铁路秦岭隧道·全断面掘进机[6][7]
西康线秦岭隧道工程由1号线和2号线两座隧道组成，通过混合片麻岩及花岗岩。
其中2号线隧道是用钻爆法开挖的。
采用轨行门架三臂钻孔台车、挖掘装载机、大容积梭式矿车等重型机具先开挖断面为26~30m2的导坑，导坑施工的平均月进尺达264m。
值得指出的是，在2号线导坑的开挖中采用直径1.3m的风管，110kW风机创造了单台风机独头通风距离6000m的记录。
超过6000m后，再串联一台风机，到独头通风距离9500m时，作业面空气仍符合标准要求。
长度为18.448km的秦岭隧道的1号线隧道则是用全断面掘进机开挖的。
“钻爆法和掘进机，孰优？
”曾经引起隧道工程师们的讨论。
结论很明显：
尽管中国人发明了火药，但是我们并不认为钻爆法是开挖岩石隧道的唯一手段。
英法海峡隧道使用掘进机的成功给了我们重要启示。
实际上，在中国的一些水工隧道的开挖中也已经取得了不少使用掘进机的成功经验。
这些经验对于秦岭隧道掘进机施工是十分有价值的。
按地质条件，隧道沿轴向可分为4段：
（表2）
表2秦岭隧道围岩特性
序
长度
（m）
围岩
岩块抗压强度（MPa）
节理发育程度
围岩等级
1
4200
混合片麻岩
128-197
发育
Ⅲ-Ⅳ
2
2300
混合花岗岩
95-225
Ⅱ-Ⅳ
3
7600
混合片麻岩
148-325
不发育
Ⅴ-Ⅵ
4
4308
含绿色矿物
混合花岗岩
117-169
发育-很发育
Ⅲ-Ⅳ
隧道南北两工区各采用一台WirthTB880E全断面掘进机进行开挖，开挖直径为8.8m。
尽管遇到如此坚硬的岩石，掘进机施工仍然取得了很好的成绩。
平均月掘进速度为315m，最高月掘进速度则达509m.
秦岭隧道是我国铁路隧道使用掘进机施工的良好开端。
目前，西安-合肥铁路的桃花铺隧道和磨沟岭隧道也是用全断面掘进机开挖的。
1.6中国山岭隧道修建技术发展的4个阶段
以一些著名的隧道工程为标志，按照施工机械化程度、围岩支护手段、开挖方法、施工进度和修建长隧道的能力，可将中国山岭隧道修建技术的发展分为4个阶段，如下表所示：
表3中国山岭隧道修建技术发展的4个阶段
阶段
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
年代
50年代
60-70年代
80年代
90年代
典型隧道
名称
秦岭（宝成）
关村坝
沙马拉达
大瑶山
秦岭（西康）
长度（km）
2.364
6.187
6.383
14.259
18.456
建成年月
1956
1966-05
1966-11
1987-12
2000-05
技术特点
施工机具
手持式风动凿岩机
小型机具配套，轨道运输
重型机具综合机械化
全断面掘进机
围岩支护
木支撑
木支撑，
部分锚杆，喷混凝土
锚杆，喷混凝土等新型支护
开挖方法
小断面分部开挖
漏斗棚架法，上下导坑法
分部开挖
全断面开挖，
按“新奥法”原理
施工速度
（平均单口月成洞）
45m
152m
109m
双线断面99.2m
掘进144m
最高掘进203m
312m/month
最高掘进40.5m/d
528.1m/month
2.北京地铁·“新奥法”
在讨论我国矿山法隧道修建技术的发展的时候，不能不提到新奥法（NATM）理念的引进。
新奥法的引进是从锚杆和喷混凝土一类“主动型”的新型支护技术的推广使用开始的。
很快地，中国的隧道工程师就不但在实质上而且在名词上接受了新奥法。
在国内举行的隧道及地下工程学术会议上，新奥经常成为热门话题。
工程师们对新奥法的津津乐道是有理由的：
运用新奥法原则，已经成功地在软弱围岩中和困难条件下修建了各种类型的地下工程。
修建在砂夹砾石松散地层中的北京地铁复兴门折返段隧道就是一个典型的例子。
该隧道位于北京最主要的街道—长安街下，长358m，最大开挖断面高9m，宽14.5m隧道顶部复盖地层最小厚度仅9.0m。
隧道采用部份断面掘进机开挖，格栅拱加强的喷混凝土初期支护以及小导管预支护，在不影响地面交通，确保地下管线安全的情况下修建成功。
（图5）
图5北京地铁浅埋矿山法
在这个工程中所取得的经验，使中国工程师认识到，运用新奥法原则可以将一般用于山岭隧道的矿山法的应用范围拓展到在软弱围岩，甚至于在第四系地层中的浅埋市政隧道以取代传统的明挖法或盾构法。
在中国，这种方法称之为“浅埋矿山法”。
[8]
继复兴门折返线隧道以后，同样在砾夹卵石的冲积层中又用浅埋矿山法修建了跨度为21.67m的西单地铁车站。
在修建位于长安街下的北京地铁新线工程时,浅埋矿山法被选择为主要的施工方法。
例如，北京地铁天安门西站，长226m，为双层两柱式结构。
广州地铁东段也是采用浅埋矿山法修建的。
经验证明，从地面环境的保护,地表沉降的挖制，以及造价、工期等角度看，浅埋矿山法同明挖法或盾构法相比都具有一定的竞争力。
中国工程师从欧洲引进了新奥法，并且结合中国的情况对新奥法及其相关技术，诸如支扩手段，量测和监控技术等作了进一步的开发。
作为新奥法的一项重要背景技术的喷混凝土在中国已经被广泛使用。
同国际上的情况一样，为了解决长期以来困扰着人们的粉尘污染环境，回弹严重以及混凝土品质的不均匀性等问题，正在大力推行湿喷工艺。
由铁道科学研究院西南分院开发了一种“转子—活塞”型的新型喷射机，这种机型采用湿喷工艺，即往机器中加入按配合比制备好的成品混凝土拌和料，但物料输送又区别于一般的泵送式湿喷机，采用稀薄流输送方式。
因此机器结构紧凑，使用方便。
目前已在国内推广。
（图6）
图6转子活塞式混凝土喷射机
可以毫不夸张地说，新奥法的推行确实引起了矿山法修建技术在开挖方法、施工技术乃至于隧道设计思想方面的重大变革。
尽管如此，仍然应该说我国推行新奥法的情况并不尽如人意。
在诸多工程中也不乏失败的实例。
除了施工管理、质量控制和相关技术的掌握等方面的原因外，主要在于隧道工程师们有时对新奥法的实质缺乏正确的理解。
对于“新奥法”一词的内涵，人们的认识有一个发展的过程。
诚如它的名词本身—NewAustrianTunnellingMethod所表述的那样，新奥法的创始人最初是将它作为一种同新型支护相关的隧道修建方法提出来的。
但后来发现，将新奥法拘泥于一种特定的施工方法或具体的支护技术将会使其推行受到很大的局限。
于是，在一些文献中强调新奥法是一种“概念”、“哲学”、“原则”或“途径”，而不是一种固定不变的具体施工方法或技术。
阐明这一点，有重要的现实意义。
事实上，在一些工程中，由于照搬某些新奥法工程中具体施工方法而不注意结合本工程的实际来体现新奥法的原则而遭到失败。
我本人经历过一个软弱围岩中的特浅埋隧道施工，在使用新奥法的过程中曾发生坍通地表的大坍塌。
其原因种种，其中有一条就是照搬某些高地应力地层中隧道的做法，片面强调支护的柔性，强调在初期支护施作后要尽可能让变形释放，而没有及时施作二次支护。
那么，什么是新奥法概念的内涵？
有人归结为22条，有人归结为7条。
其实，只有一条，那就是保护围岩，调动和发挥围岩的自承能力。
从这样一个原则出发，可以根据隧道工程具体条件灵活地选择开挖方法、爆破技术、支护形式、支护施作时机和辅助工法。
至于对围岩变形的控制，根据不同情况，有时应强调释放，有时应强调限制。
其目的都是为了“保护围岩，调动和发挥围岩的自承能力。
”
3.上海地铁·盾构法修建技术（图7）[9][10]
同北京不同，上海的市政隧道大部份要通过淤泥质粘土或淤泥质亚粘土，承载力低，含水量高，灵敏度大，渗透系数小（表4）。
盾构法势必成为隧道修建的主要方法。
表4上海典型土层物理参数表
层次
土层名称
层底埋深（m）
含水量（%）
重度（kN/m3）
孔隙比
压缩模量（MPa）
渗透系数
×10-7（cm/s）
水平
垂直
2
褐黄色粘土
2.4-3.5
41.0
17.9
1.162
2.75
3
灰色淤泥质粉质粘土
7.0-8.0
47.4
17.4
1.296
2.79
81.0
6.2
4
灰色淤泥质粘土
14.5-17.6
51.1
17.0
1.437
1.98
3.2
1.0
5
灰色粘土
23-26.5
41.7
17.7
1.189
3.71
6.0
3.7
图7上海地铁
1970年上海隧道工程公司使用直径为10.2m的挤压式盾构法修建了穿越黄浦江的第一条水下隧道，从而实现了中国在盾构法修建隧道“零的突破”。
如今，盾构已在土层隧道的施工中广泛使用。
上海地铁一号线总长为18.5km单线园形区间隧道（内径5.5m，外径6.2m）就是全部采用盾构法开挖的。
用于上海地铁一号线的土压平衡盾构外径为6.34m，由法国FCB公司设计，主要部件及控制设备从法国进口。
车架、拼装机、螺旋机、皮带机、搅拌机等设备则由上海配套制造。
一号线完成后，这些盾构经修复已用于二号线的掘进。
盾构推进时地表沉降可控制在--1cm~+3cm的范围内。
在修建穿越黄浦江的延安东路南线水下隧道时从日本三菱重工引进了直径11.22m的大型泥水平衡盾构，取得了很好的使用效果。
事实表明，从国外进口一些先进的盾构设备，不仅满足了建设的需求，并且对我国盾构施工技术进步，缩短同国际先进水平的差距十分有益。
1988年完工的另一条黄浦江水下隧道─延安东路北线隧道盾构施工段长1476m，线路平面图呈S形，曲率半径500m，纵坡3%。
隧道除穿越黄浦江外，还要在高层建筑群和地下管线等重要环境保护地段通过，最大埋深36m，最浅覆土为5.8m。
是用我国自行设计和制造的直径为11.3m网格式水力机械盾构修建的。
（图8）
图8黄浦江越江隧道
4.沉放管段法修建水下隧道·长江水下隧道
从60年代开始,在上海黄浦江建成了三条水下隧道，目前尚有1座正在修建，1座在规划中。
这在很大程度上改变了“遇水架桥”的思维定式，说明建造桥梁并不是唯一的越江手段。
在很多情况下，从环境条件、航道利用、国民经济的可持续发展等角度看，采用隧道方案要有利得多。
以长江为例，目前已修有桥梁（公路、铁路）20余座，大大提高了中国南北方向的交通能力。
但与此同时，不可避免对长江航运条件产生了显著的负面影响。
于是，在长江和其它江河上修建水下隧道的任务就受到了重视。
除了用矿山法和盾法建成的水下隧道，近年来，还在广州和浙江宁波用沉放管段法建成了二条水下隧道。
穿越珠江的黄沙隧道，1993年年底建成通车，该隧道从设计到施工完全由中国工程技术人员和工人完成。
隧道高8.15m，总宽33m，由一孔双线地铁车道、两孔双车道公路和一个电缆和管路孔道组成。
与世界上已建成的沉管隧道相比，该隧道在宽度上是名列前茅的。
隧道由5节管段组成，其中最长的为120m。
从第一节管段1993年4月15日沉放算起仅用了4个多月的时间就完成了全部沉放。
通车后情况良好，特别是防水质量，达到了“滴水不漏”的程度。
（图9）
图9广州珠江黄沙水下隧道
位于浙江宁波的甬江隧道全长1019.53m，水中段419.56m，修建在海相沉积，饱和流塑状的黄色淤泥质粘土的软弱地基上。
河道淤积严重，实测淤强为16cm/day。
采用抛石回填基础和专用的清淤设备，顺利完成了工程，为我国在软弱地基上修建沉管隧道积累了经验。
在此基础上，在甬江下修建了另一条沉管隧道-常洪隧道，这座隧道是采用预应力混凝土桩作为基础的。
（图10）
图10甬江常洪隧道
除大陆外，我国台湾也已于1984年在高雄修建了一座沉管隧道。
香港建成的沉管隧道则共有5条。
珠江和甬江这二座水下隧道的成功修建标志着我国已具备了用管段沉放法修建水下隧道的能力并掌握了相关技术。
这就大大激励了中国工程师用沉管隧道来穿越江河的勇气。
目前至少有二座穿越长江的沉管隧道正在规划中：
武汉长江隧道和拟建中的京沪高速铁路南京长江隧道。
此外，上海外环线的一座穿越黄浦江的沉管隧道已进入施工阶段。
（表5）
以规划中的京沪高速铁路南京长江隧道为例，全长6180m，其中江中沉管段为2090m由19节110m长的管段组成,地基为细砂层及粉砂层,流水速度可达1.2m/s,其规模和预期的修建难度都将超过珠江和甬江隧道。
这将是一项面向21世纪的雄伟工程。
表5部分沉管隧道
隧道名称
黄沙
甬江
常洪
外环
武汉长江
南京
河流
珠江
甬江
甬江
黄浦江
长江
长江
隧道用途
公路和地铁
公路
公路
公路
公路和地铁
高速铁路
隧道长度（m）
721
1019.53
544
2870
3270
6180
沉管段长度（m）
457
419.56
395
724
1380
2190
宽度（m）
33
11.9
22.8
43
34.9
13.7
高度（m）
8.15
7.5
8.45
9.55
9.2
10.85
管段数量
5
5
4
7
12
19
完工时间
1994
1995
2002
施工中
设计中
规划中
5．隧道修建方法的多元化
现代隧道技术的内容应涵盖适用于不同条件的各种不同修建方法。
据资料考证，狮球岭隧道是采用技术简单的明挖法修建的。
而在一百多年后的今天，我们简直可以说，中国人已经掌握了所有的现代隧道修建方法和修建技术。
（图11）
图11隧道修建方法
广州地铁就是一个十分典型的例子，在刚刚建成的第一期工程中使用了现代隧道修建的各种方法。
（图12）从烈士陵园站至天河体育中心站采用浅埋矿山法修建；从黄沙站至公园前站的区间隧道采用了二台泥水混合盾构；而从公园前站至烈士陵园站是用一台土压平衡盾构修成的；跨越珠江的水下隧道则采用了沉放管段。
其余部分区间隧道采用明挖法修建。
正在建设中的二号线，跨越珠江的水下隧道则采用盾构法施工。
图11广州地铁
实际上，在北京、上海和深圳等城市地铁工程中也都采用了多种修建方法（表6）
表6城市隧道（地铁）主要修建方法
修建方法
北京
上海
广州
深圳
浅埋矿山法
·
·
·
盾构法
·
·
·
·
沉埋管段法
·
·
明挖法
·
·
·
·
6.隧道设计[11]
由于有限元、FLAC一类数值方法的运用，中国的隧道工程师已经对隧道衬砌设计中的“荷载—反力”的模式作了必要的补充。
在一定的条件下，要采用“整体模型”来理解围岩和支护之间的相互关系，即把支护作为围岩的边界条件，从围岩稳定性角度来确认支护系统的可靠性。
无论是在连续介质力学的应用，节理岩体分析，块体平衡理论和计算方法的创立等方面，中国学者都作出了贡献。
在软弱围岩的支护系统设计中，形变压力概念和“收敛—约束”模型也已被人们所接受。
但是，由于隧道工程环境条件数量化表达方面的困难，常常会使得力学家们所提出一些理论和计算方法，难以在具体工程中实际应用。
因此，除了在计算理论中引入不确定性概念（随机性和模糊性）外，建立在工程类比基础上的经验方法在隧道设计中永远有着不可取代的地位。
作为工程类比的基础,我国已提出以定性描述和定量指标相结合的“工程岩体分级标准”GB-50218-94。
其中，定量指标除采用岩块强度和节理统计资料外，还运用了弹性波的测试数据。
此外，建立以既有工程数据库为基础的聚类分析和支护设计的模糊类比方法也已成为不少中国学者的注意点。
与地面结构物不同，隧道开挖前所提出的设计在严格意义上说只能称做“预设计”。
根据对隧道开挖过程中围岩和支护系统力学行为的量测来论证和调整设计参数也是隧道设计中的一个十分重要的环节。
在隧道工程监测和信息化设计方面，中国在发展以位移测试为主体的隧道施工监测系统以及监测信息的反馈理论方面都有长足的进展。
7.结语
在20世纪的后50年内，中国隧道工程的技术进步是令人瞩目的。
就铁路隧道和地铁隧道而言这种技术进步主要表现为：
·施工机械化水平和修建长大隧道的能力
施工机械化程度的提高和相关技术的开发，加快了隧道施工速度，具备了修建10~20km以上长隧道的能力。
为在山区修建线形平直的高标准铁路创造了条件。
·困难环境条件下隧道修建技术
锚杆—喷混凝土支护、地层预加固、控制爆破、监控量测、地质预报等先进技术的采用以及以“新奥法”为代表的现代隧道修建理念的引进，对软弱围岩中的隧道修建方法进行了全面的革新，增强了在困难环境（地质、地形和地理）条件下修建隧道的能力。
·隧道修建方法的多元化发展
除传统的矿山法（凿岩爆破法）以外，TBM、盾构法和采用先进开挖技术的明挖法以及水下隧道的沉埋管段法等多元化隧道修建方法都得到了发展。
进入21世纪，隧道工程技术进步的主导方向是什么？
从可持续发展战略出发，对于我国隧道工程技术的发展的重点应集中在以下两方面
·隧道工程质量
包括工程质量的控制和检测技术
·隧道工程和生态环境的协调
例如：
洞口环境的保护；围岩变形和地表沉降的控制；地下水资源的保护。
这些问题不但涉及施工新技术的开发，而且关系到设计理念的转变。
参考文献
[1]王建宇.隧道工程的技术进步.中国铁道科学研究的进步和发展，p14-20.中国铁道出版社，2000年.北京.
[2]王效良.中国铁路5km以
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