我国公路隧道发展概况
1.前言
我国是一个多山的国家,75%左右的国土是山地或重丘,公路建设中,过去的普遍做法是盘山绕行或切坡深挖。据统计资料,汽车翻越山岭平均时速不足30km,不到经济时速的一半,汽车的机械损坏和轮胎磨损极为严重,低等级道路的汽油耗量比高等级公路多20%—50%;而且,劈山筑路会造成许多高边坡,在南方雨量充沛地区,它严重破坏自然景观,造成塌方滑坡和水土流失。因此,为了根除道路病害保护自然环境,在山区高等级公路建设中必须重视隧道方案,并努力提高公路隧道工程科学技术水平。
此外,我国江河湖海区域较为宽阔,沿海公路通道规划中常遇到桥梁方案与隧道方案比选的问题,内河的横跨通道也同样遇到这些问题。过去,跨江(海)通道一般只考虑桥梁方案,这对于解决南北交通发挥了巨大作用,但同时对航道造成不良影响。相比而言,水下隧道具有不影响航运,不受自然环境影响,能全天候通行,对生态环境干扰影响小,一洞多用等优点,其优越性受到广泛重视。
2.公路隧道建设
建国后30年所修建的公路等级均较低,线形指标要求不高。五十年代,我国仅有公路隧道30多座,总长约2500m,且单洞长度都很短。六七十年代,我国干线公路上曾修建了一些百米以上的隧道,但标准也很低。进入八十年代,公路隧道的发展逐渐加快,具有代表性的工程有深圳梧桐山隧道和珠海板樟山隧道,福建鼓山隧道和马尾隧道,甘肃七道梁隧道等。到1990年底,我国建成的千米以上隧道已有十余座。在大型公路隧道建设中,技术也随着不断提高,并学习和引进了很多国外先进技术。福建鼓山隧道,洞内设有照明、吸音、防潮、通讯、防火等装置和闭路电视监控及雷达测速系统,这是我国第一座现代化的公路隧道。为适应公路隧道建设的发展,八、九十年代,交通部组织编写了公路隧道的设计、施工、通风照明设计、养护技术等规范,对我国公路隧道建设起到了促进与推动作用。
“八五”~“九五”期间是我国公路隧道建设迅速发展的时期。经过这十年的建设,公路隧道的勘察、设计、施工和营运等一系列技术日益成熟。“九五”期间新建隧道504座,27.8万延米。还建成了多座特长或宽体扁坦隧道,如中梁山隧道(3100m×2)、缙云山隧道(2450m×2)、大溪岭隧道(4116m×2)、二郎山隧道(4200m×2)、飞鸾岭隧道、真武山隧道等。据不完全资料统计,我国已建成公路隧道1208座,总里程362km。
目前,公路隧道的单洞长度越来越长,修建技术与营运技术日趋复杂。如正在
施工中的福建美菰岭隧道(5300m×2),正在设计阶段的湖南雪峰山隧道(约
7000m×2)、四川泥巴山隧道(约8000m×2)、陕西秦峰终南山隧道(约
18400m×2),以及沈大高速公路8车道超扁平大断面隧道等,都将遇到大量的
技术课题。
3.存在的主要技术问题
据最近一份调研报告表明,全国公路隧道设计与施工按新奥法实施者不到70%,新技术应用率较低,建成后隧道渗漏水较严重,造成洞内设施及衬砌结构破坏,返修率高。个别隧道建成仅3年左右就要重新加固衬砌,还重新设置防、排水设施。由于技术落后,建设费用和维修费用相当高。另外5000m长以上隧道的营运通风等技术问题没有根本解决,制约了高等级公路的发展。
公路隧道多采取双洞4车道,加上路缘、余宽、检修道,内空建筑宽度一般在9.25m~10.50m,属于大断面隧道;近年来,随着交通量增大和等级提高,许多省份开始采取双洞6车道的跨度(甚至双洞8车道),这种高宽比为0.6左右的扁平状大断面隧道在设计与施工中受力较为复杂,结构与围岩及地下水的相互作用问题,开挖过程中的力学问题(亦称施工力学)等一直是前沿课题。公路隧道设计断面如图1所示。
公路隧道既是道路构造物又是地下工程,它涉及结构、岩土、地下水、空气动力、光学、消防、交通工程、自动控制和工程机械等多种学科,其技术属复合技术。目前公路隧道存在的主要工程技术问题有:
(1)设计中,由于荷载不明且围岩参数不清,喷锚支护和二次衬砌设计参数采取工程类比或套用规范,对于每一座隧道来讲,这样做具有很大的主观性,与实际山体情况不符合。
(2)防排水技术落后,对地下水探测手段差、隧道渗漏水严重。
(3)施工中,围岩动态信息反馈技术差,预报准确率低,喷射混凝土回弹率高(严重时达65%)。
(4)营运通风、照明、防灾等设施工程设计水平较低,缺乏综合性考虑,长度4000m以上的公路隧道通风中尚有亟待解决的问题,有待研制静电吸尘装置,为今后修建特长隧道作技术准备。
(5)隧道内交通监测与控制水平落后,目前几座隧道的交通监控设备均为进口,这方面影响了我国公路隧道的发展。
(6)水底隧道技术还有待开发。
为了解决上述难题,“十五”期间有必要进行科技攻关。
4.公路隧道技术概况与发展趋势
4.1 复合式柔性衬砌设计技术
自L.缪勒(奥地利人)提出以充分发挥围岩山体自承载能力为基本原理,以锚喷支护及复合柔性衬砌为主要特征的新奥法
(New Austrian Tunneling Method)以来,隧道工程学从理论、设计到施工发生了一场革命,它改变了过去按围岩荷载全部作用于衬砌上来进行设计和施工的传
统思想,在工程造价、工程进度及施工管理等诸多方面都带来极大的效益。目前,新奥法在国外许多国家被广泛应用于隧道工程中。日本等国家在有关技术规范、指南中,已明确将该法定为隧道标准工法,并努力开发和应用与新奥法相关的各种技术,其中复合柔性衬砌设计技术及基于现场施工监控和信息反馈解析(也称信息设计)的围岩稳定分析技术是新奥法的核心和关键,各国专家更着力加以研究。
4.2 围岩稳定监测与信息反馈技术
由于岩土材料物理特性和力学特性非常复杂,要想用解析手段预测隧道等地下结构物的力学动态,就必须建立精度很高的本构关系式。然而,本构关系式越复杂,所含的力学参数越多,这些参数不管是采用室内试验还是现场测试都是非常困难的。由于岩土的非连续介质特性,即使通过一些较先进的手段能测得这些参数,其解析结果与实际状态往往也有较大差异。所幸的是,像隧道这样的地下工程,开挖面前方虽是未知的,但同时也是可再设计的,这就给人们客观地评价围岩特性及预测开挖面前方力学动态提供了机会,并进而对地下结构进行重新设计使之更符合实际情况成为可能。即,通过施工现场开挖过程中,历时地对围岩变形进行量测,然后以这些位移量测信息为依据,反演计算围岩物理力学参数,在此基础上重新评价隧道结构的事前设计,确定更符合围岩动态的支护参数。将此过程称为反分析过程,或信息化设计,由于该工作是在施工过程中完成的,又称它为现场临床诊断式施工。关于以位移量测信息为依据的确定性反演分析方法的研究,自20世纪80年代以来取得相当进展,并日趋成熟。
关于确定性信息反馈技术,国内外专家、学者已做了许多工作,并取得一些成就。但是,大量隧道工程实践证明,用确定性解得出的结果与实际测试结果有较大出入。这除了计算模型及计算误差等原因外,隧道开挖引起的围岩动态所具有的不确定性对上述结果具有致命性影响。例如,围岩位移观测量具有很强的离散性,它们是一些在确定意义上不可预测的随机信号;待求围岩参数并非某一确定量,而是处于某
种随机过程(如Markov Process)的状态估计量,显然与实际围岩状态不符,得到的结果当然有很大的离散性。
为了更真实地描述现象的本质,这些年来,国内外专家针对岩土工程的不确定性问题,提出了许多新方法。如模糊数学手法、灰色理论解析手法、时间序列分析手法、离散元法、概率有限元法等。在概率分析法中,又有马尔科夫过程(MarKov Process)分析手法、贝叶斯(Bayes)分析手法等。近年来,又有人提出将原属最优控制理论的卡尔曼滤波器(Kalman filter)用来分析岩土问题,无疑将岩土工程非确定性问题研究推向深层。
4.3 扁平大断面公路隧道设计与施工技术
随着6车道高速公路的增多,我国大断面(3车道)公路隧道已开始兴建,如广东大宝山隧道、靠椅山隧道、深圳大梅沙隧道、重庆铁山坪隧道、真武山隧道等。由于3车道公路隧道的断面积比双车道大得多,例如,日本第二东(京)名(古屋)公路3车道隧道的断面积为113-170m2,比一般双车道的85m2大1.5-2.0倍。近期规划的3车道公路隧道,为适应140km/h高速行车速度的要求,其断面积
达170m2—200m2,局部断面达230m2的超大断面,开挖宽度达23m。英法海峡隧道分叉处断面的开挖宽度达21.2m,开挖高度达15.4m,开挖断面积为252.2m2。因此,在隧道位置的选定、隧道断面形式、隧道衬砌结构、施工方法、初期支护结构模式、参数等,都要加以深入地研究。
目前我国已把大断面公路隧道的修建技术列为重大研究课题予以实施。研究的主要内容是:
(1)扁平大断面隧道的力学问题由于车道数的增加,宽度加大了,而高度变化不大,使建筑限界变得扁平,因此,大断面隧道就不得不作成具有扁平的拱形结构。因而使开挖应力的重分布变差,底脚处的应力集中过大,要求较大的地基承载力,防止拱顶不稳定和出现较大的松弛地压等。
(2)隧道断面结构的研究如隧道断面的研究,初期支护结构的研究,衬砌结构的研究等。
(3)施工方法的研究其中包括基本的施工方法、TBM导坑超前法、不稳定围岩的施工方法及各种辅助工法的研究等。
(4)施工技术的研究如减小超欠挖技术的研究、长锚杆技术的研究、大容量喷射机的研制,连续出碴运输系统的研究、湿喷纲纤维混凝土技术的研究、不良地质地段的辅助工法的研究等。
断面的扁平率是大断面隧道的一个重要技术指标。2车道时,扁平率约为
0.85;3车道时,大都变为0.64—0.65。随着扁平率的降低,弯矩在增加,同时侧压系数的影响也变大。日本东名3车道隧道的改建中,采用扁平率(=隧道高度/隧道宽度)为0.65,真圆率(=上半断面高度/0.5×隧道宽度)为88%左右。
考虑到侧壁和衬砌拱脚处应力较大,仰供的半径取上半半径的2倍(2车道隧
道取2.6-2.7倍),侧壁和仰拱的连接曲线半径取2.5m(2车道时取1.Om),为避免应力集中,即使在围岩良好的情况下也应设置仰拱。
扁平大断面隧道的主要施工方法一般有①上半断面超前台阶法;②上半断面临时闭合的台阶法;③中隔壁法(CD工法);④双测壁导坑超前法。通常还需要采用小
导管超前支护、压浆或管棚等特别辅助方法与上述主要方法配合施工。在承载力不足的洞口段或掌子面不稳定的隧道中,国外多采用双侧导坑法或中隔壁法。这两种方法特别适用于地质差、断面大、地表下沉有严格要求的情况。据国内外工程实践表明,与台阶法开挖相比,这两种方法开挖引起的地表下沉量很小,因此特别适用于扁平大跨度浅埋隧道开挖。
4.4近距离双设隧道设计与施工技术
由于公路平面线形的要求或征地等外界条件的制约,有时难以将双洞按规范设计成分离式独立隧道,而不得不形成近距离双设隧道。近距离双设隧道一般可分为以下3种情况:
(1)并行双洞,即双洞按左右平行或上下平行设置。
(2)交叉双洞,即双洞在立面上按一定交角设置。
(3)连拱双洞,即双洞按左右平行且共用中壁设置,双洞呈连体状。
当双洞中轴距离为开挖毛洞宽的2倍(地层作为完全弹性体的情况)~5倍(软弱地层的情况)时,可作为相互不受影响的独立双洞考虑。然而,近距离隧道则由于施工原因会受到应力再分配的相互影响。近距离双设隧道的一般断面如图2所示。
1)近距离隧道的设计
近距离双设隧道应充分考虑双洞的相互影响,由此设计相应的支护和衬砌,必要时应采用加强措施。
相互影响包括,近距离的程度、隧道埋深、地质条件、隧道结构型式、施工方法和施工步骤等。
尤其应注意以下几方面:
(1)先行洞围岩由于后行洞施工而再次出现松弛,从而增大作用在支护上的围岩荷载;反之,后行洞也由于先行洞造成的凌空面而产生较大变形。
(2)对于连拱双洞,中壁是重要结构,然而应力却在此集中,中壁的下沉或中壁上覆的围岩的塑性化均给围岩体或衬砌带来不利影响。
(3)后行洞爆破施工引起的振动可能会对先行洞造成破坏性影响,应加以控制。
(4)后行洞的开挖和衬砌完成后,会引起地下水位的降低,从而在较大范围内出现地层压密沉降,由此对先行洞产生恶劣影响。
(5)设计中,除工程类比法外,必要时应作数值计算和理论分析。
(6)一般而言,先行洞围岩受两次扰动,因此宜加强支护,衬砌采用钢筋混凝土结构。
(7)对于连拱双洞,较多采取侧壁导坑超前开挖的方法,当地质条件较好时也可采取(仅)中导坑超前开挖的方法。支护和衬砌均应加强。
连拱双洞的中壁部容易产生应力集中,因此,宜采取地层改良加固或加强支护,以防止围岩松弛或下沉。
中壁设计时,宜采用有限元法或松弛荷载结构法或全土重荷载结构法(埋深浅的情况)进行衬砌结构验算。
2)近距离隧道的施工
(1)关于连拱隧道衬砌的施作时间,当围岩变形较大时,应尽快施作衬砌;当围岩完整性较好时,为了避免爆破振动的影响,可在开挖及支护施作完成一段时间后再作衬砌。在国外,这两种情况均有。
(2)现场围岩、支护、衬砌的变形和应力监控量测极为重要,其目的是检测先行洞结构的安全性,并评价后行洞施工的妥当性以及加固措施的有效性。量测计划要按照这一目的来制订。量测结果要及时指导设计参数的修改和施工方法的变更。
(3)作为近距离双设隧道施工的对策,分别针对先行洞、后行洞、两洞间地层
4.5公路隧道工程特殊修筑方法
1)全断面隧道掘进机(TBM)方法
由于全断面隧道掘进机具有施工速度快、隧道成型好、机械化程度高以及对
周边环境影响小等优点,已成为国外隧道开挖普遍采用的方法。世界上第一台TBM
是1851年由美国的CharlesWilson开发的,并于1852年在马萨诸塞州的Hoosac铁路隧道中进行了试验掘进,但那时掘进速度非常慢,低于钻爆开挖方法的速度。
目前,我国仅在铁路隧道、水工隧洞中使用过TBM,在公路隧道方面还没有实
践的例子。
2)盾构掘进机的方法
这种掘进机适用于软土、淤泥地层,一般多用于沿海冲积层地层中开挖隧道。目前最成功的范例是日本东京湾海底公路隧道,该隧道采用直径14.14m巨大泥水型盾构机掘进,隧道长约9.5km,隧道外径13.9km,为3管6车道,海底埋深为50m~60m,海底高水压达5~6kgf/cm2,该工程在长距离掘进、高水压对接、防海水腐蚀、抗地震接头、止水接头、防地基沉降、防上浮、巨大断面稳定掘进管理等若干方面取得优秀技术成果。该隧道于1966年4月开始进行环境和地质调查,1989年5月动
工,1997年12月建成投入营运。
我国采用盾构机方法的隧道有上海延安东路隧道1、2号线和打浦路隧道(均
穿越黄浦江)。
3)沉管隧道的方法
这种方法是预先在岸上形成干船坞,厂制成作为隧道主体的一段段箱结构(一
般箱体长度为80m~120m,断面为矩形),箱体两端先临时密封,然后放水进入干船坞内,箱体上浮拖运至海(河)面设计轴线处,对箱体两侧附箱注水,使其
下沉,沉放至已预先疏通好的海(河)床设计标高处,然后与先行沉放的箱体进
行对接,施作止水工程,将每段箱体连接起来,并打开箱体临时密封门,从而形成水下沉管隧道。
目前,国外在江河湖海修建通道时广泛采取水下沉管隧道的方式,已是较为成
熟的技术。我国台湾省于1984年建成了高雄海底沉管隧道;香港已在维多利亚港建成了三条海底沉管隧道。目前,由我国交通部海上救捞局继香港东区沉管隧道建成以后,现又在施工西区沉管隧道。1994年广州珠海公路、地铁合用的沉管隧道建成通车;1995年又建成了宁波甬江沉管公路隧道,质量均很好,做到滴水不漏。珠江隧道的五节管段(每节宽33m,高8m,长90—110m,三孔,全长457m)的浮运、沉放和安装,仅用了不到四个月时间。甬江水下隧道攻克了沉降不均的软土地基,有严重回淤,流急、漩涡和越过过江输油管等十分困难的环境条件,使我国沉管技术又上了一个新的台阶。
我国现已创造性地应用暗挖、盾构和沉管三种基本施工方法,建成了5条水下隧道,质量都达到了优良。但是,总体来说我国的水下隧道修筑技术水平还落后。
5.近年来的主要研究成果
近10年来,依托于青海大坂山隧道的高海拔隧道防冻防水技术,依托于川藏公路二郎山隧道的高地应力处治技术,依托于重庆真武山隧道、深圳大梅沙隧道的大跨度扁平隧道设计施工技术,依托于福建京福高速公路隧道群的连体隧道、近间距隧道设计施工技术,依托于浙江大溪岭隧道、猫狸岭隧道、景山隧道的竖井送排式纵向组合通风技术、逆光照明技术、总线监控技术等,以及围岩监测非确定性反分析技术,公路隧道CAD技术,数据库与图库管理系统技术等均获得成果,这些研究成果强有力地支撑了公路隧道建设。
5.1 二郎山隧道与岩爆研究
二郎山是川藏公路西进青藏高原的第一座大山隘卡,总投资四亿多人民币,于2000年12月建成通车。
二郎山公路隧道是我国目前埋深最大和最长的公路隧道之一。隧道长
4161m,隧道最大埋深达760m。工程按山岭重丘三级公路标准建设,设计行车速度30Km/h;主隧道横断面建筑限界为:最大高度7.0m,底宽9.0m,单洞双车道;平面线型为直线,隧道纵断面为人字坡,采用平导通风。平导横断面规格为:底宽6m,最大高度为5m。主洞与平导两洞轴线间距为42.5m。隧道采用钻爆法施工。
自1996年开工以来,二郎山公路隧道施工过程中先后共发生200多次不同烈度的岩爆现象,岩爆部位如图3,岩爆部位主要位于隧道拱顶、两侧边墙部位,有时也可以发生在拱肩部位;构造应力型高地应力区所发生的岩爆部位主要位于隧道拱顶、拱肩部位;与浅表生改造作用相联系的应力相对增高带内的少数高地应力点偶尔发生的零星岩爆部位则主要位于隧道拱肩部位。
5.2 围岩稳定非确定性反分析
在不良地质地层中开挖隧道,施工难度大,容易坍塌,因此,如何预测坍塌,保障施工安全,合理确定支护和开挖步序,确保工程质量是当前隧道工程界迫切需要解决的技术问题。隧道围岩稳定分析及结构信息化设计是解决这一问题的最佳途径,它反映了岩土材料具有模糊性、随机性和不可预见性这一关键,具有很强的科学性和实用性。
该课题研究的工程性技术方案和技术路线如图4所示;预测隧道围岩稳定的流程如图5所示;隧道围岩塑性区历时估计如图6所示。
反分析流程
该技术属低成本预测坍塌技术,它通过现场量测技术、滤波技术、计算机技术来完成,不需要大型地质钻探设备等就能实现。在隧道围岩动态非确定性反分析技术方面获得创新成果。
5.3 世界最高海拔公路隧道与防冻技术研究
青海省大坂山公路隧道位于国道227线(西宁-张掖)大坂山越岭段,隧道南口路面中心标高3792.75m,是目前世界上已建成的公路隧道海拔最高的。大坂山隧道所在地年平均气温-3.1℃,极端最低气温-34℃,冬令期长达218天,是典型的高海拔寒区隧道。
设计中对防冻胀做了认真的考虑,衬砌采用单心园整体混凝土结构,全隧道设仰拱。设立了以防塞泄水洞为主通道的排水系统。为防止衬砌与初期支护之间的排水设施和设在拱脚和路面正气疏水通道冻结,设计了衬砌保温层(图7)。这是国内首次。
从大坂山隧道建成投入运营的冬季观察,保温层就起到阻隔门未能完全阻隔的冷能侵入的作用。可以说寒区隧道在行车密度大、不便设门的情况下,单独使用衬砌保温层是可行的。
6.结语
修筑高等级公路隧道的一次性投资较大,但它从根本上提高了公路等级,是提高山丘区公路运输快速性的重要措施之一,这一点已被许多省份的经验所证明。公路隧道除了产生缩短里程、提高车速、降低油耗、减少事故等直接效益外,还带来若干间接的社会经济效益。随着对“地大物博”之说的反思,国家越来越重视对有限的国土进行综合治理和利用,“开发地下空间”正在受到人们的重视。一条公路的兴建,往往首先要碰到征地、拆迁和赔损等令人头痛的问题,而修筑在地下的隧道则基本上避免了这些问题;另外,隧道建设的隐蔽性不给自然环境带来破坏性影响,具有环境保护意义。
“十五”期间,我国粤、浙、闽、湘、渝、川、云、黔、甘、陕、晋、吉、藏等许多省在实施公路建设或规划时,都不可避免地遇到隧道群的建设问题,一些路段,隧道总长占道路总长四分之一,工程投资巨大,如果进行科技投入,其社会经济效益的产出将是非常大的。
高等级公路的发展要求公路隧道也随之而发展,随着公路总体修筑技术水平的提高,也要求公路隧道修筑技术进一步提高,这是摆在我们面前的重要任务。