嚴(yán)金秀

(中國中鐵科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 610032)

0 引言

近些年來，世界隧道工程技術(shù)發(fā)展較快，突破性地建成多項(xiàng)宏偉的隧道工程。其中，57 km長的瑞士圣格達(dá)山底鐵路隧道是世界最長的鐵路隧道，于2016年建成通車。還有一批超長跨境隧道工程正在建設(shè)，如長55 km、連接意大利和奧地利的布倫納山底隧道；長57 km、連接法國和意大利的仙尼斯峰山底鐵路隧道；長18 km、連接丹麥和德國的費(fèi)馬恩海峽沉管隧道等，皆為世界級隧道工程。不單是隧道工程的規(guī)模宏大，其工程技術(shù)的主流趨勢也正朝著更加安全、經(jīng)濟(jì)、綠色和藝術(shù)等方向發(fā)展。在理論研究、工程設(shè)計、節(jié)能減排、新材料應(yīng)用等諸多領(lǐng)域有著明顯進(jìn)步。本文對其主要發(fā)展與進(jìn)步進(jìn)行闡述，并對我國隧道工程技術(shù)發(fā)展提出建議。

1 世界隧道技術(shù)發(fā)展主要趨勢

1.1 從分部開挖到全斷面機(jī)械開挖

軟巖隧道，特別是軟巖大斷面隧道，傳統(tǒng)上采用分部開挖。但隧道分部開挖(如采用側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD或CD法)，由于斷面小很難實(shí)現(xiàn)機(jī)械化施工，而且通常工序復(fù)雜，施工組織難度較大，再加上拆除臨時支撐可能造成較大變形等問題，隧道的安全和質(zhì)量難以控制，且施工效率較低。與傳統(tǒng)的分部開挖方法不同，新意法(巖土控制變形法ADECO)強(qiáng)調(diào)通過對開挖面前方的核心土進(jìn)行超前加固，把不良地層改良為穩(wěn)定地層后進(jìn)行全斷面機(jī)械化施工，以便更好地控制隧道施工安全、進(jìn)度和造價，變被動為主動。采用此方法的一些隧道工程的斷面很大，而且地層條件較差，如意大利羅馬環(huán)形高速公路上的Appia Antica隧道，跨度大于20 m，斷面達(dá)190 m2，而地層則為土層，埋深僅4 m[1]，見圖1。

圖1 意大利Appia Antica隧道，采用玻纖維加固的大斷面隧道開挖[1]Fig.1 Large cross-section of Appia Antica tunnel in Italy reinforced by fiber glass[1]

目前，通過超前加固實(shí)現(xiàn)軟巖大斷面隧道全斷面機(jī)械化開挖的施工方法已在歐洲、亞洲、美洲等許多國家推廣應(yīng)用?！端淼涝O(shè)計與施工——巖土控制變形分析法ADECO-RS》一書被譯成英文、法文、德文、西班牙文、俄文、韓文等版本廣為發(fā)行，中文版于2011年11月由中國鐵道出版社出版。

1.2 從復(fù)合襯砌到單層襯砌

噴射混凝土單層襯砌過去主要在北歐的硬巖中應(yīng)用。挪威、瑞典、芬蘭等國家的隧道和地下工程，如公路隧道、鐵路隧道、地鐵、地下廠房、地下體育設(shè)施等，基本上均采用錨桿和噴射混凝土支護(hù)作為永久支護(hù)。除北歐國家外，這種方法在加拿大、美國、巴西、智利等國家也有較多應(yīng)用；亞洲則主要集中在新加坡和中國香港的一些隧道和地下設(shè)施中；在澳大利亞的公路和地鐵隧道中也有應(yīng)用。近些年來，噴射混凝土單層襯砌已突破硬巖應(yīng)用范圍，在英國倫敦的黏土軟層中得到了成功應(yīng)用。倫敦Cross Rail地下鐵路隧道和車站有5處采用了在2層噴射混凝土之間加1層4 mm的噴涂防水層的噴射混凝土結(jié)構(gòu)(見圖2)，以增強(qiáng)單層噴射混凝土襯砌的防水性能[2]。該防水層需要和噴射混凝土之間有較強(qiáng)的黏接強(qiáng)度，以利于不同噴射混凝土層形成整體，共同受力。噴射混凝土單層襯砌施工無需采用襯砌臺車，也不用進(jìn)行繁瑣的土工布和防水板鋪設(shè)，大大簡化了施工，施工質(zhì)量易于控制，工程造價也大幅降低，在適當(dāng)?shù)牡貙又芯哂泻芎玫耐茝V應(yīng)用價值。

圖2 采用單層襯砌的倫敦Cross Rail 邦德街站站臺隧道(倫敦Cross Rail有限公司)Fig.2 Single-layer lining used in Bond Steet tunnel of Cross Rail project in London

1.3 從鋼筋混凝土管片到纖維混凝土管片

盾構(gòu)隧道通常采用鋼筋混凝土管片襯砌，但鋼筋混凝土管片往往用鋼量大、鋼筋籠制作勞動強(qiáng)度高、作業(yè)環(huán)境較差。近幾十年來，纖維混凝土管片的研究，特別是鋼纖維混凝土管片的研究和應(yīng)用取得較大進(jìn)展。其主要目標(biāo)是提高隧道管片的耐久性，簡化施工，節(jié)省造價。目前應(yīng)用較多的是鋼纖維混凝土管片，已在近20個國家中的近百個隧道工程中得到應(yīng)用。鋼纖維的摻量一般為每m3混凝土30～50 kg。鋼纖維混凝土管片有2種類型，一種是沒有采用鋼筋的純鋼纖維混凝土管片，另一種是保留少量鋼筋的鋼纖維混凝土管片。在地質(zhì)條件較好的隧道采用純鋼纖維混凝土管片；在斷面較大、地質(zhì)條件較差的隧道則采用少量鋼筋加鋼纖維的混合型管片。

除鋼纖維混凝土管片外，近些年還在合成纖維、合成纖維筋、玄武巖纖維等材料性能研究和應(yīng)用方面做了較多研究。如采用鋼纖維和少量合成纖維筋的混凝土管片的研究，試驗(yàn)結(jié)果表明這種組合的纖維混凝土管片可以提高峰值承載能力、降低裂縫寬度[3]。此外，值得一提的是玄武巖纖維的研究。這種纖維是由玄武巖的極細(xì)纖維制成的一種材料，由斜長石、輝石、橄欖石等礦物組成。其性質(zhì)類似于碳纖維和合成纖維，比合成纖維具有更好的物理力學(xué)性能，而且比碳纖維便宜得多。玄武巖纖維是天然的惰性纖維，無毒，不可燃，防爆，而且自然界中儲量豐富[4]。除了鋼纖維混凝土管片應(yīng)用較多外，其他纖維混凝土管片大多處在研究試驗(yàn)階段，實(shí)際工程應(yīng)用還不多。

1.4 從單一功能到多功能隧道

傳統(tǒng)的隧道工程通常為單一功能，如鐵路隧道、公路隧道、地鐵隧道、排洪隧道等。由于地下空間資源有限，為充分利用地下空間，加上考慮工程的效益，隧道工程已從單一功能發(fā)展到多功能隧道，如人行和道路隧道的結(jié)合、道路和地鐵隧道的結(jié)合、道路和排洪隧道的結(jié)合等。多功能隧道可以減少地下空間占用，提高工程經(jīng)濟(jì)效益，但需要因地制宜，才能發(fā)揮優(yōu)勢。如馬來西亞吉隆坡的SMART隧道，最初的目的是解決暴雨期間吉隆坡市中心的排洪問題，但鑒于排洪的時間很短，加上該排洪工程的市中心地段交通非常擁堵，最后采用了道路和排洪相結(jié)合的隧道方案[5](見圖3)。在非暴雨季節(jié)，該隧道完全為上下2層的雙向4車道城市道路隧道；在中等暴雨情況下，隧道底部就用作排洪；在大暴雨來臨之前1 h，則將隧道內(nèi)所有車輛撤離，隧道全部用于排洪；大暴雨過后，對隧道進(jìn)行清洗后，又恢復(fù)為上下2層的城市道路隧道。該隧道設(shè)計因地制宜，充分利用了城市地下空間，兼顧道路和排洪功能，是充分利用城市地下空間并提高工程效益的典型實(shí)例。該隧道于2007年建成，到目前為止已經(jīng)運(yùn)營近14年時間。

1.5 利用淺層地?zé)釣榈孛嬖O(shè)施供暖的能源隧道

一般的地下隧洞有著“冬暖夏涼”的特性。近幾年，國際上利用這一特性為地面建筑供暖或在解決道路結(jié)冰等方面進(jìn)行了研究和試驗(yàn)。1)奧地利Jenbach鐵路隧道長3 470 m，為雙線高速鐵路隧道，采用直徑12 m的TBM施工。該隧道在其中54 m地段采用“能源管片(襯砌管片中埋設(shè)吸熱管)”，引出熱能進(jìn)行供暖現(xiàn)場試驗(yàn)。2)德國Fasanenhof鐵路雙線隧道長1 030 m，采用新奧法施工，復(fù)合式襯砌，進(jìn)行了2段各10 m的類似試驗(yàn)。2座隧道的襯砌形式不同(管片和復(fù)合襯砌)，吸熱管的鋪設(shè)方式也有所不同。3)英國、瑞士、意大利等國家的學(xué)者對如何利用地鐵產(chǎn)生的熱能進(jìn)行了研究。4)意大利學(xué)者還在都靈地鐵1號線的南延線隧道中安設(shè)了2環(huán)管片進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)[6]。5)瑞士聯(lián)邦理工的學(xué)者則在研究收集和利用地鐵系統(tǒng)產(chǎn)生熱量的系統(tǒng)，目標(biāo)是形成一個大型地?zé)峄厥障到y(tǒng)[7]，為市政供暖(見圖4)。該研究還計劃讓系統(tǒng)把夏天的熱能存儲在地下，用作冬季供暖。城市綠色供暖值得關(guān)注，結(jié)合地鐵工程布置熱交換管，不需要建設(shè)專門土建設(shè)施，不僅節(jié)省了地下空間，而且有著較好的經(jīng)濟(jì)效益。

(a)非暴雨時

圖4 把隧道變成熱回收系統(tǒng)[7]Fig.4 Turning tunnels into heat-recovery systems[7]

1.6 從地鐵工程到地下藝術(shù)長廊

隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，地鐵車站不僅要滿足交通功能，還應(yīng)為乘客提供舒適的環(huán)境和文化藝術(shù)享受。目前正在施工的法國大巴黎地鐵快線(Grand Paris Express)的一些車站設(shè)計頗具特點(diǎn)，不僅注意與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)、融合，而且通過把自然光引入車站內(nèi)部，使地鐵車站明亮、通透。除了建筑設(shè)計外，世界上有許多城市都在地鐵車站的裝修和藝術(shù)設(shè)計上下功夫。地鐵車站一般為密閉環(huán)境，裝修會壓低空間，而且裝修材料通常不夠耐久，重新裝修費(fèi)時費(fèi)力,所以不宜過度裝修。地鐵車站的藝術(shù)設(shè)計應(yīng)強(qiáng)調(diào)利用結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)作，做到簡潔、舒適、藝術(shù)、耐久。

瑞典斯德哥爾摩地鐵地下站雖采用噴射混凝土單層襯砌，但并未影響其成為世界最美的地鐵。它通過藝術(shù)家的創(chuàng)造，采用壁畫、雕刻、雕塑、馬賽克裝飾品，形成了獨(dú)特的人與自然相和諧的藝術(shù)環(huán)境。斯德哥爾摩地鐵被譽(yù)為世界上最美的地下藝術(shù)長廊之一，見圖5。

圖5 瑞典斯德哥爾摩地鐵車站Fig.5 Metro station in Stockholm,Sweden

對于采用復(fù)合襯砌的地鐵車站而言，如何做到“強(qiáng)本減末”，把混凝土結(jié)構(gòu)做到“內(nèi)實(shí)外美”十分重要。應(yīng)充分利用地下空間，避免過度裝修，通過藝術(shù)設(shè)計實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)與車站內(nèi)其他設(shè)施的完美混搭，不僅經(jīng)久耐用，而且還能為人們帶來藝術(shù)享受。

2 對我國隧道工程技術(shù)發(fā)展的建議

近20年來，我國隧道工程建設(shè)高速發(fā)展，已成為名副其實(shí)的隧道大國，隧道數(shù)量約占全球隧道數(shù)量的50%。特別是我國在各種復(fù)雜地質(zhì)和環(huán)境條件下修建的大量隧道，如在巖溶、瓦斯、高地應(yīng)力、高水頭、高地溫、凍土等復(fù)雜和不良地質(zhì)，以及在高海拔等艱苦環(huán)境下建成的一批重大工程，對各國修建類似工程具有重要參考借鑒意義。除采用傳統(tǒng)方法在復(fù)雜地質(zhì)和環(huán)境下修建的一大批特長鐵路、公路隧道外，還有在各種復(fù)雜環(huán)境下成功修建的一批大斷面盾構(gòu)隧道。新建成的港珠澳隧道是當(dāng)前世界規(guī)模最大的沉管隧道；而在建的深中通道沉管隧道，在規(guī)模和難度上比港珠澳沉管隧道更大。我國在隧道修建技術(shù)方面進(jìn)步很快，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。在鋼纖維混凝土管片的應(yīng)用研究方面，在深圳、青島和大連地鐵等個別項(xiàng)目中進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)和應(yīng)用。青島地鐵1號線的2個區(qū)間隧道分別采用了純鋼纖維混凝土管片和保留少量鋼筋的混合型鋼纖維混凝土管片，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，應(yīng)用效果良好。

發(fā)揮我國隧道工程數(shù)量的優(yōu)勢，對我國隧道技術(shù)從高速度發(fā)展到高質(zhì)量發(fā)展的轉(zhuǎn)變十分重要。及時改進(jìn)隧道建設(shè)存在的問題，強(qiáng)本減末，大幅提高隧道建設(shè)質(zhì)量，把量的優(yōu)勢轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)的優(yōu)勢，成為世界上隧道修建質(zhì)量最好的國家。隧道工程是實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，大量的工程實(shí)踐為重大技術(shù)創(chuàng)新提供了條件。形成中國獨(dú)特的隧道工程新理論，不僅能促進(jìn)國內(nèi)隧道技術(shù)進(jìn)步，而且對世界隧道工程技術(shù)進(jìn)步也能做出貢獻(xiàn)。要通過優(yōu)化隧道設(shè)計和施工降低工程造價；對于運(yùn)營隧道而言，要通過節(jié)能、減排設(shè)計減少維修，延長使用壽命，創(chuàng)造效益。隧道工程的使用壽命可遠(yuǎn)超100年或120年，國外早期修建的一些鐵路及地鐵隧道使用年限都已超過了150年，這也充分說明在隧道規(guī)劃和設(shè)計階段高度重視隧道工程效益的重要性。