中国隧道及地下工程修建技术 中国工程院院士 王梦恕,主 要 内 容,一、中国是世界上隧道发展强国 中国是世界隧道和地下工程最多、发展最快、水文地质及结构形式最复杂的国家,我国铁路隧道截止2007年已营业线路的隧道5941座，总长3750km为世界第一，目前正在开工建设的铁路隧道超过4700km，2010年以后开工建设的隧道将超过9000km。截止2002年，公路隧道总数1782座，总长704km。是世界上公路隧道最多的国家。,城市地铁，已开工的有6座，陆续开工的已达15座，其中上海、北京、广州发展速度很快。每年以1020km增长，以解决城市交通的不畅。 南水北调工程、水利工程的隧道也非常之多，100万千瓦以上的水电站在以100km年速度修建，大量的排水洞、导流洞，其中输水直径8m长87km隧洞即将开工，长度达100km以上的铁路隧道、水工隧道正在筹划中。 目前隧道所穿越的不良地质灾害达18种之多，所穿越的房屋地基也多种多样，最大桩基托换已达1800t，所以，隧道工程在我国廿一世纪是大发展的年代,1、山区铁路：山岭隧道向长大发展，早进晚出；中吉乌通道、泛亚铁路、城市铁路入地。正在施工的山区隧道5000Km，待开工的山区隧道5000Km。如兰渝铁路线路长800Km，其中隧道长度占600Km，被称为地下铁路。用钻爆法施工的最长关角隧道32Km，用TBM施工的西秦岭隧道长29Km。开工、即将开工超过10Km长的隧道有65座。,廿十一世纪是地下空间开发的世纪,2、城市交通：以地下铁、城市轻轨为主，已开工20多座城市，北京、广州、深圳、上海、南京、重庆、成都、天津、沈阳、哈尔滨、杭州、西安、武汉、苏州、郑州、无锡、宁波、温州、大连、长沙、合肥、青岛、昆明、郑州等，待批的城市有石家庄、长春、厦门、东莞等,3、城际铁路：介于大铁路与城市地铁之间的快速交通网络。如珠江三角洲、长江三角洲、京津唐、中原城市群以及省内主要城市之间快速轨道交通。是节省土地，节省能源，经济，减少污染，绿色环保的快速交通工具，高速公路作为快速交通是不妥的。 4、山区公路：公路隧道、多跨、两个单跨，最长终南山隧道18.4km。目前已建成公路隧道近5000座，总长近3000Km。高速公路必须进入山区修建，少占良田。,5、水电工程：压力隧道、交通隧道、大型调压竖井、各种大洞室、尾水洞室要大力发展，改变煤电和水电的比例。 6、供水水利工程：如南水北调中线工程和已建成的沈阳大伙房引水、供水隧洞工程长86Km；和即将开工的长77Km隧洞引汉济渭引水、供水工程，吉林110Km引水、供水工程等,7、城市地下空间开发：地下共同沟、地下停车场、地下过街道、地下商场、地下会议室、地下仓库、地下公交隧道（如南京、杭州等水下隧道）。 8、LPG地下水封液体库：如1000万吨汽油库、乙烷甲烷、天燃气等储气库。,截止2002年，我国公路隧道总数1782座，总长704km。是世界上公路隧道最多的国家。 其中有首座半横向通风自动化最高的深圳梧桐山隧道、板樟山隧道等一批城市公路隧道；,有广州白云山双向三车道大跨度扁平率为0.6左右的隧道；有福州多连体四连拱象山隧道（宽35.4m 高8.9m）；有近距离四连拱宽45.6m的科苑立交隧道；有应用最多、大跨（3235m）双连拱，具有代表性的京珠高速公路五龙岭隧道；有首次采用竖井和纵向射流运营通风技术的中梁山隧道；,有逆光照明不在洞口设光过渡段的猫狸岭隧道；有处于3800m高海拔、高寒（平均7 最高达35）地区施工的青海大板山隧道；有处于高地应力区的川藏公路二郎山隧道；有穿越高浓度、高压力煤层的华蓥山隧道（长4705m），以及双向分离式四车道国内最长18.4km终南山隧道和长度大于6km以上的鹧鸪山隧道；,泥巴山隧道、雪峰山隧道等，总之随着技术的不断发展和运营的需要，公路隧道趋势是隧道越修越长，隧道越修越宽、技术越来越难、越复杂。 公路隧道的修建涉及到结构、防排水、岩土、地质、地下水、空气动力、光学、消防、交通工程、自动控制、环境保护；,工程机械等多学科、综合复合技术，需要多学科进行联合研究、进行攻关。我国公路隧道已有长足的发展，对围岩动态量测反馈分析技术、组合式通风技术、运营交通简易监控技术、新型防水、排水、堵水技术、围岩稳定技术、支护及衬砌结构技术等都有许多工程实例、业绩和成果，其中大部分成果已处于国内领先水平，还有一些成果已达到国际先进水平。,1、厦门公路越海隧道 由于隧道穿越地层为质地良好的花岗岩，决定采用双向六车道钻爆法施工，中间设管廊式服务通道；,蓬勃发展的江、河、海底隧道,2、武汉长江隧道 由于隧道穿越粉细沙不稳定地层，决定采用双向四车道、泥水加压式盾构，盾构直径11.4m，采用复合式刀具，以实现长距离不换刀掘进。,3、南京-浦口长江第二隧道 南京-浦口长江第二隧道是铁路高速跨越点，原定沉管法，后因冲刷深度变化较大，流速大而改为盾构法 。目前，南京市政府采用双向六车道，工程造价约44亿元。采用大直径15m泥水盾构，造价高，风险大，埋深也要加大。,15m的隧道断面图,南京长江隧道平面位置图,4、杭州市庆春路钱塘江市区水底隧道通道采用双向四车道盾构方案，理念正确，已进行了安全、风险评估，对环境影响很小。,杭州庆春路隧道断面图,建成后杭州庆春路隧道,5、 联结青岛黄岛胶州湾湾口海底隧道 由于穿越优质花岗岩地层，采用双通道六车道钻爆法施工方案，设计合理，但青岛侧的交通联结方式采用高架穿越城区，产生影响环境。,青岛海底隧道平面位置,6、 港、珠、澳海上大通道 全长36km，分别由6km沉埋管段和大桥相联后，用3.6km盾构或浅埋暗挖法修建隧道，在珠海拱北上岸，再用桥和6km长的山岭隧道相联，并和太澳公路相联，工程规模为双向六车道。,平面位置图,隧道埋位置图,隧道埋深位置图,7、上海地区多条水底隧道穿越黄浦江 均采用双向四通道，盾构法施工，效果很好，两端接线容易，方便市民。 8、大连市区海湾海底隧道 经过桥、隧对比，决定采用双向六车道，钻爆法方案，因该地区的岩体为花岗岩，水文地质很好，不破坏环境，少占地，少拆迁。,9、上海浦东至长兴岛水底隧道 双向六通道，采用盾构法施工，盾构直15.18m，长距离4km掘进，风险很大，需认真研究，尤其不易在江中设置横通道，应充分利用主洞行车道下面的很大空间进行疏散救援，取消横通道对两个主体隧道的结构沉降减少制约，防止结构开裂非常有利。,盾构 15.18m,10、广州市区地铁和城市交通多条穿越珠海水底隧道正在设计、施工的有五条，采用双向六通道方案沉埋管段法。,沉管隧道断面图,隧道单元预制图,11、琼州海峡34km 跨海隧道，采用盾构法修建铁路海底隧道，正在论证中，目前轮渡过渡。,有公铁合建桥梁中线、西线方案和中线铁路隧道与西线公路桥梁分建方案用于比选。,12、台湾海峡海底铁路隧道修建的愿望在日趋增高，正在论证中。 13、渤海湾大连至烟台110km跨海铁路隧道，目前轮渡正在修建，可能采用TBM 法和盾构法。,方案1,方案2,台湾海峡海底地形图,44,2030年前后发展展望,烟大跨海通道 跨海长100余公里，将烟台至大连通道缩短了1600余公里，是沿海通道的重要组成部分。,二 隧道及地下工程建设理念,（一）地下工程是不可逆工程，不具备拆除重建的条件，因此必须是遗产工程。不允许是遗憾工程和灾害工程。 1、不合理工期、不合理造价、限额设计、轻方案研究是产生根本性遗憾之源。 2、取消单线建设，修建复线、多线或局部多线，全面合理提速。 3、用技术条件取代规范，多搞指南少搞规范，为创新构建平台。,（二）地下工程是风险性很大工程，必须实事求是，科学地进行风险性评估。评估内容为：施工安全评价、施工质量评估、环境评估，最后是施工进度和施工成本评估。 在建设全过程中应对可研阶段、初步设计阶段、施工阶段、运营阶段进行全方位工程风险、环境等分析。,（三）必须进行信息化动态反馈设计。通过支护参数调整，确保施工安全，不改变设计是不对的。 毛泽东主席在65年对北京地铁修建的批示“精心设计、精心施工，在建设过程中会有不少错误失败，随时注意修正”。隧道工程不定因素很多，设计者必须实事求是，及时修改图纸。这是衡量设计水平高低的标准之一。,（四）合理工期、合理造价、合理合同、合理施工方案、是隧道建设检验科学发展观的四条标准。 如兰渝线32公里关角隧道设计，应考虑小TBM+钻爆法施工新模式。利用二线导洞快速施工+横通道模式取消斜井。取消费工费时、造价高向上运输方式的理念。,（五）风险责任主体与风险转化 据国际隧道工程保险集团对施工现场发生安全事故的原因的调查结果表明，将施工方作为工程安全唯一主体是不对的，目前五个阶段的风险界定不清，而这些风险往往到施工时才反映出来，由施工方完全承担这些风险是不合理的。,三 隧道及地下工程设计理念,(一)单洞双线隧道和两个单线隧道的选择原则，选择前提，应遵守的原则 1、钻爆法施工时，有轨运输堵头通风最大长度78Km；无轨运输堵头通风最大长度3.5Km。 2、施工通风有两种方式 洞口压入式管道通风（传统方式）适用条件可单洞压入，费电，通风长度短； 洞内射流巷道式通风，必须平行两个洞，省电。效率高，可实现堵头10Km以上，是通风新成果。,隧道施工洞口无主扇风机，U形气流射流风机，通风技术 该技术适用于上下行、分离式双洞隧道。这是打破常规的新模式，取消了在洞口采用大功率主扇压入式向洞内输送新风的模式。采用在洞内横通道之间设置射流风机（1530KW/台）， 风机本身产生高速气流（30米秒）的卷吸作用，产生很大的压力差，从而强迫诱导大量新风，在U型风道中产生单向巨大风流，达到换气目的。,建议隧道设计采用上、下行分洞设计，或正洞加平导设计，能实现长距离施工通风。 从设备投入，快速施工考虑，有轨运输设备投入大，管理复杂，充电电池满足不了长距离运输；无轨运输设备投入小，配合洞内射流巷道通风，是快速施工的最好模式。 鉴于以上三个前提，建议优选两个单线隧道设计方案。可不要任何斜竖井实现特长、长隧道的安全、快速施工。不破坏山体环境。该方案对建设过程和建成后都会带来很大方便，尤其在软弱、岩溶、煤系、浅埋、大变形地层更会减少风险和工程投资。也可设计单洞双线隧道加平导贯通方案。,若一定要用单洞双线隧道，不设平导，采用无轨运输，设计长度应7Km；不设平导，有轨运输，设计极限长度应15Km，设备投入比无轨多2.5亿以上，综合全面比较，该方案风险大，不省钱。 折中方案是单洞双线隧道加平导全贯通。该方案更贵。,（二）隧道纵坡设置问题 1、应高位选线（如南昆线），可避免许多灾害。 2、禁止在岩层交界面上选线，如福田车站上软下硬，很难施工。 3、富水地区必须采用人字坡，以利于防灾和排水。（富水定义：水量2台最大抽水泵量） 4、铁路进城市应按深埋选线，减少对环境的破坏。（如石家庄市客运专线）,平行既有线采用明挖法施工，对运营、施工安全影响很大,城市交通路口采用盖挖逆作法施工，严重影响交通和环境,（三）隧道辅助导洞设置问题 1、利用平导增设工作面、解决施工通风是最好的方法。不设斜竖井施工，可增设多条平导和横洞。如终南山隧道、瑞士阿尔比斯山隧道。 2、深层岩溶及富水地区，必须增设泄水洞和大流水溶洞相联，释能减压，以利营运安全。 3、利用射流巷道式通风方式，可改变辅助坑道的理念，可改变长大隧道设计的方法。 4、施工分段应考虑施工通风的方式，从隧道中部分段优点很多。不允许像TBM施工中的单条分割法。,平行双洞特长隧道施工多工作面圆梁山隧道11公里，无斜、竖井施工实例。,终南山公路隧道18.4公里，利用铁路平导及8个横通道建成，没有设置任何竖井、斜井，节约造价3.6亿、一年半建成上行线。,采用平行双洞射流通风模型，可解决长大隧道施工通风难题。采用无轨运输模式，施工通风可达10公里以上。,（四）支护结构设计原则 1、初期支护是保证施工安全的关键，要有足够的刚