隧道工程设计与施工发展沿革及趋势

隧道工程设计与施工发展沿革及趋势隧道工程设计与施工的发展沿革及趋势摘要：本文通过对隧道工程设计与施工的发展历史以及目前国内现状的整体分析，对隧道工程有一个客观的、全面的理解。隧道工程从古代到现代，发生着质的变化，不管是基础理论还是施工工艺，都在不断的完善，随着时代的发展，科技技术越来越发达，但是隧道工程同样也存在还不能解决的问题，还在等待着后人去解决，B前，隧道工程的突破点还是在理论基础、施工工艺和现代科技这三个方面。关键词：隧道工程；发展沿革；施工工艺；未来趋势DevelopmenthistoryandtrendoftunnelengineeringdesignandconstructionAbstract:Thisarticlethroughtothedevelopmenthistoryofdesignandconstructionoftunnelengineeringandtheoverallanalysisofthecurrentdomesticsituation,thetunnelprojectisanobjectiveandcomprehensiveunderstanding.Fromancienttomoderntunnelengineering,thequalitativechange,boththebasictheoryandconstructiontechnology,havebeentheperfect,withthedevelopmentofTheTimes,moreandmoredevelopedscienceandtechnology,butalsoexisttunnelengineeringcan'tsolvetheproblem,stillwaitingfortheposteritytosolveit,currently,thebreakthroughoftunnelengineeringorinthetheoreticalfoundation,constructiontechnologyandthethreeaspectsofmodernscienceandtechnology. KeyWords:tunnelengineering;developmentofevolution;constructiontechnology;futuretren段：0引言1.1古代发展状况人类很早以前就知道利用自然洞穴作为住处。当社会发展到能制造挖掘工具时，就出现了人类挖掘的隧道。在我国最早有文字记录的地下人工建筑物，出现在东周初期（约公元前七百年）。《左传》中有“？?掘地及泉，隧而相见??”的记载。最早用于交通的隧道为“石门”隧道，位于今陕西省汉中市褒谷口内，建于东汉明帝永平九年（公元66年）。用作地下通道的还有安徽毫州城|Aj的古地下通道，建于宋末元初（约十三世纪），是我国最早的城市地下通道。这个时期主要的开挖主要依靠“火焚法”和铁锤钢钎等原始工具，体力劳动和施工难度非常高。隧道建设还处于经验阶段，一切还是根据建造者的长期经验积累，没冇什么理论作为指导。1.2近代发展状况随着科学技术和理论基础的不断完善，在地上土地资源的逐渐短缺的条件下，土木建筑行业逐渐从地上转入地丁，而隧道的设计理论与施工工艺在当下状况下得到了快速的发展。隧道，是埋置于地层中的建筑物，是人类利用地下空间的一种形式。隧道的种类繁多，角度不同，分类方法也不同，最通用的是按用途来划分，可以分为交通隧道、水【1】工隧道、市政隧道和矿山隧道。隧道具有不受自然气候的影响、不影 响海上空间的使用等优点，但是同时，隧道的地质勘察工作量人，时间长、投资多，受地质条件制约大，并且有一定的风险性，同时，隧道造价大大高于桥梁工程。1历史发展随着理论、机械、现代技术等发展，隧道的建设也在不断地发生着变化。隧道公路隧道工程设计与施工的发展沿革及趋势岩石力学关于地层压力的研宂也在14世纪有所发展。到20世纪初期，岩石力学己经去的了质的飞跃，形成了“连续介质理论”和“地质力学理论”。而这些理论已经被用在地下工程中，前一理论在被用来对隧道开挖、围岩与支护共同作用进行数值分析计算。后一理论是现代信息岩石理论的雏形，该理论就是著名的“新奥法”。理论研宂为隧道建设提供了更多的可能。由于当时的隧道建设规模等不算太大，这些理论在一定程度上对隧道的发展起到了积极的作用。但随着隧道建设的不断发展，这些理论的不足逐渐暴露出來。理论与实际的联系还是有一些滞后，经验性的东西没宥足够的理论支持。1.3现代发展状况现在，道路已成为国家的重要资源，对于促进国家经济增长、提高人民生活质量、维护国家安全等都具有重要价值。道路的发展不仅仅是经济的需要，也是人类文明和现代化的组成部分。而隧道作为道路中的重要节点有着至关重耍的作用。我国隧道建设在近些年的建设屮取得了飞跃式的 发展。如秦岭终南山公路隧道，单洞长18.02km,双洞单向交通，建设规模世界第一，中国公路隧道之最。厦门翔安隧道是中国大陆第一座大断面海底隧道，对我国隧道建设技术的进步和发展，缩小与世界先进水平的差距，起到了里程碑式的作用。冃前在建的港珠澳跨海大桥屮的隧道部分，也代表中国乃至世界隧道发展的最前沿。新奥法是20世纪40年代开始发展起来的，它是以混凝土和锚杆为主要支护手段的一种方法。新奥法能充分利用地层地质条件。随着理论上的H臻完善，将会在地下工程屮得到更加广泛的应用。而计算机的运用，使隧道在开挖前期，就可对隧道的开挖、施工、通风等进行数值模拟，可以得出虽然数值模拟在精确程度上和工程实际上的要求还存在一些差距，但其还是能准确反映出工程的整体力学性状和发展趋势，采用数值模拟指导公路隧道的施工也是十分必要的，十分经济的。2现状分析2.1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，我国仅冇公路隧道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，廿肃七道梁隧道等。到1990年底，我国建成的千米以上隧道己有十余座。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、吸咅、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(3100mX2)、缙云山隧道(2450mX2)、大溪岭隧道(4116mX2｝、二郎山隧道(4200mX2)、飞鸾岭隧道、真武山隧道等。据不完全资料统计，我国己建成公路隧道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。如正在施工屮的福建美菰岭隧道(5300mX2),正在设计阶段的湖南雪峰山隧道(约7000mX2)、四川泥巴山隧道(约8000mX2)、陕西秦峰终南山隧道(约18400mX2),以及沈人高速公路8车道超扁平大断面隧道等，都将遇到大量的技术课题。2.1.1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%,新隧道工程设计与施工的发展沿革及趋势技术应用率较低，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屮受力较为复杂，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，对于每一座隧道來讲，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%）o（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宥亟待解决的问题，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，这方妞影响了我国公路隧道的发展。（6）水底隧道技术还有待开发。 从古代发展至今，隧道工程的理论基础和施工工艺在不断地完善，目前我国比较多见的隧道工程施工工艺的流程分为以下8个步骤：洞门段施工；辅助施工；预埋件施工;调平层施工；水、电缆沟施工；洞门施工;施工过程安全及环保的控制；施工过程中已发生问题的处理。2.2洞口段施工：边仰坡开挖：全站仪测量放样，利用挖掘机自上而下逐段开挖，不得掏底开挖或上下重叠开挖，清除洞口与上方有可能滑塌的表土，灌木及山坡危石等，石质地层仰坡开挖需要爆破时，应以浅眼松动爆破为主。局部也可人工配合修整，开挖时应随时检查边坡和仰坡，如有滑动、开裂等现象，应适当放缓坡度。成洞妞支护：仰坡刷坡完成后，及时用坡度板检査坡度，待坡度检査合格后，及时打设系统锚杆，并将锚杆头外露，挂设金属扩张网与锚杆头焊接成整体。挂M完成后立即喷射混凝土，并反复喷射，直到达到设计厚度为止。截水沟施工：在距仰坡坡口5米处幵挖截水沟，截水沟开挖以机械为主，人工配合修整，修整完后，立即砌筑7.5#浆砌片石，并用砂浆抹妞。2.3辅助施工：套拱施工：施工放样，模板安装、钢筋绑扎、导向管放样，127导向管安装，砼浇注。管棚施工：测量人员准确放样，标出洞中心线及拱顶标高，开挖预留 核心土作为管棚施工的工作平台，开挖进尺为2.5米，开挖结朿后，人工两边对称开挖（品字型）工作平台，台阶宽度1.5米，高度2.0米，作为施工套拱和管棚施钻的平台。管棚应按设计位置施工，应先打有孔钢花管，注浆后在打无孔钢花管，无孔管可作为检查管，检查注浆质量，钻机立轴方向必须准确控制，以保证孔口的孔向正确，每钻完一孔便顶进一根钢管，钻进中应经常采用测斜仪量测钢管钻进的偏斜度，发现偏斜超过设计要求，及时纠正。钢管接头采用丝扣连接，丝扣长15cm，为使钢管接头错开，编号为奇数的第一节管采用3米钢管，编号为偶数的第一节管采用6米钢管，以后每节均采用6米长钢管。隧道工程设计与施工的发展沿革及趋势2.4预埋件施工：预埋件按设计尺寸采用木版作成设计形状，安装于二衬魔板台车中，且位置准确（误差±50CM）,固定牢固不得晃动，有管的必须中间穿铁丝通过。2.5调平层施工模板安装的耍求，在调平层两侧预先标定的位置上安装模板。侧模采用［10#槽钢模板，顶面标高应与相应里程的路面标高一致，允许偏差±2mm，用水准测量调整、确定标高。模板每隔一定距离内外固定，保证不位移，模板的接头应紧密平顺，不得有离缝、歪斜和不平整等现象，模板接头及底部均不得漏浆。砼灌注前，底层砼面上必须清洗干净。当砼运达施工地点时，直接倒向安装好模的路槽内，并用人工找补均匀。摊铺时应考虑砼震捣后的沉降量。虚高可高出10%,使震实后的面层标高与设计相符。砼震捣时靠近边角等处用插入式震捣器顺序震捣；用平板式震捣器纵横交错全面震捣，每个位置的捣时间以砼不再下沉，不再胃出大量气泡，并以在表面出现水泥砂浆为准，一般不少于15s,亦不宜过长；然后用震捣梁沿 纵向震捣拖平，多余的砼随着震捣梁的拖移被刮去，低陷处则应随时找平震实；最后用直径75〜100mm的无缝钢管滚压，作进一步整平。严禁在刚做好的面层上洒水、撒水泥。2.6水、电缆沟施工安设沟墙钢筋，要求位置准确，必须挂线施工。安设沟墙摸板，要求摸板位置准确，纵向一条线。最大矢度不大于3mm,模板面与沟墙顶面齐，经检査合格后方可灌注砼，在靠原边墙侧部分必须凿毛，并注意预埋件的位置准确。模板采用定型摸板。2.7洞门施工清理现场，进行施工放样。按设计尺寸耍求挖端墙基础。砌筑M7.5#浆砌片石。模板安装，要求摸板位置准确，纵向一条线，并及时检查模板坡度。浇注砼15#片石砼，待砼强度达到70%以上进行明洞拱顶回填。明洞拱顶回填应对称分层夯实。每层厚度不大于0.3M，其两侧回填面高差不大于0.5M，回填至拱顶平齐后分层压实至设计高度，使用机械碾压时，必须用人工夯填至拱顶1.0M以上，方可采用机械夯实2.8施工过程安全及环保的控制进洞必须佩带安全帽、防止坠落，洞内车速限制5KM、照明必须每10米一灯、火攻品材料存放必须规范，派专人看管。弃渣场地必须排水通畅、且必须砌筑挡墙，防止洪水，形成泥石流。2.9施工过程中已发生问题的处理二衬施工完毕后渗水的处理：细小裂缝用丙烯酸、水泥浆或环氧树脂等涂刷和嵌缝，效果较理想；对较大裂缝，可用10号水泥砂浆或膨胀水泥砂浆嵌缝较合适有效；对大裂缝（缝宽大于5MM）,（若有渗漏水，可用切割机沿裂缝切割一宽2〜4CM左右小槽深 度大约10CM以上，在水源处，切割一5X5CM立方的小洞室，然后把水管插入一块4X4CMMF7塑料盲沟内，一同压入切割好的槽内，把水引入纵向排水沟，最后用水泥与水玻漓混合砂浆封闭切割槽）若无渗水，宜用环氧树脂砂浆，或采用压浆、钢筋网喷射砼等补强。虽然如今的施工工艺己经看似完善，但是在实践中还是有很多问题，通过査阅资料，我发现有如下几个问题：1.隧道围岩缺陷的探测和描述不清楚，施工阶段地质判释技术不完善;2.现有隧道理论计算结果与实际的差异较大，计算理论不完善；3.地质岩体性质的时间和空间变异性问题；4.地质结构与围岩类别的识别问题；5.隧道施工中控制超欠挖和开挖震动问题；6.隧道浄空的合理布置与经济性问题；7.隧道内防水问题始终是薄弱环节；8.隧道通风与污染问题；9.隧道病害原因与处治问题；隧道工程设计与施工的发展沿革及趋势10.隧道建造与运营的环保及生态问题，目前意识薄弱；11.隧道路面的设计、施工、养护和维修问题（目前还没有规范）。3、发展前景展望随着我国经济的持续发展综合国力不断增强，高新技术不断发展，我国隧道发展前景是非常广阔的，同时隧道的发展也是我国国民经济发展、国家西部人开发战略、幵边通海战略的迫切需要。交通设施、水电工程越来越 成为制约一个地区经济发展的瓶颈所在。在交通隧道方UL随着我国高速公路干线网的不断完善，特别是向我国西部多山地区的不断延伸，海南岛与陆地的跨海延仲，以及辽东半岛、胶东半岛之间的跨海连接，崇明岛与上海之间等长江沿线的地下连接都需要巨大的隧道工程来支撑，随着西部的开发，我国铁路隧道、公路隧道的单体长度及数量记录，都将不断被刷新，如1999年竣工的秦岭铁路隧道长度己达18.46km,2000年5月竣工的重庆铁山坪公路隧道长度为4.5km。在跨海、跨江隧道方面，冃前我国国内已对琼州海峡隧道完成了可行性研宄,不少有识人士也己提出了跨越渤海湾联接辽东与胶州半岛的南桥北隧固定联络隧通道,跨越长江入海口连接上海一崇明一启东的江底隧道、京沪、京广高速铁路跨越长江的沉管隧道，甚至提出了兴建台巧海峡隧道的设想。日本的青函海底隧道（全长53.85km）海底部分长23.3km）,英法海底隧道（全长50km,海底38km）的建成运营，以及其它国家正在规划与实施的众多海峡隧道，都己为我国树立了先例。随着城市的快速发展，各大中城市交通压力不断增大，地铁这一快捷、大运量的公共交通系统将成为解决这一难题的唯一途径。在水电隧道方面,随着以世纪工程三峡水利水电工程等一大批大型、超大型水电工程项目的实施与完成，我国在深埋、长大隧道及人跨度地下厂房的设计与施工能力上,都己经或将要达到或接近世界先进水平，随着我国西部大开发的进行,雅鲁藏布江、金沙江等水力资源丰富的江河上梯级电站建设，我国水利水电隧洞的建设也将进入一个全新的发展时期。展望隧道施工的发展方向，隧道施工应着重开展以1方面的工作：3.1加强隧道工程理论的研宂 理论对实践起到指导的作用。隧道工程中的理论研宄主要是对隧道中的围岩进行研宄。通过多学科的交叉研究，主要从围岩的物理力学性质出发，研究围岩变形破坏的方式以及围岩的赋存、受力情况，这样就可以选择合适的开挖方法，选择合适的支护时机和方式等等。在未来的发展中,还需要这方面的不断研宂来促进对隧道围岩的认识。3.2加快隧道工程施工新技术的研究目前，隧道施工中的机械化程度还不是很高，还需要大量的人工，费时费力，隧道施工机械耍随着机械工业化的水平不断提高。全断面掘进机、盾构机等的使用到不同岩石、土的限制未来应对它们的适用性、便利性等做更多的改进。冃前应用高压水的射流破岩技术已经过关，它能以很快的速度在花岗岩中打出炮眼，再在坑道周围用高压水切槽，然后爆破破岩。这样可以少用，甚至不用炸药，可以保护环境。但消耗功率较大，设备成本较高，技术上还未达到十分成熟的程度，未来需要在这方诎进行更多的研宄3.3加强现代科技在隧道工程的运用的研究现代计算机的应用遍及各行各业，隧道工程的数值模拟也取得了很大的进步，但由于各个软件的局限性，并不能完全模拟出隧道工程幵挖、施工、后期运营等过程，这些在目前只能作为工程参考，这就为我们以及软件行业提出了新的要求。4结语十九世纪是高架桥梁的世纪，二十世纪是摩天大楼的年代，那无容置疑的是二十一世纪将会是地下空间的时代。立志于赶超发达国家的中国，需要全力以赴，把握这个机会，在地下空间的征途上有所建树 隧道工程设计与施工的发展沿革及趋势参考文献：［1］朱永全，隧道工程（第三版）中国铁道出版社，2015,06［2］王毅才.隧道工程［M】.北京：人民交通出版社，1993.［3］蔡美峰主编.岩石力学与工程［M】.北京：科学出版社，2008.［4］沈明荣等编著.岩体力学［M］.上海：同济大学出版社，2006.[5]李坤;隧道工程引起的地层移动以及邻近桩反应研宄[D];浙江大学;2003[6]程知言;浅表隧道工程多冷源冻结温度、应力、水分场耦合研究[D];中南大学;2003[7]周佳紙隧道洞门结构土压力的研究[D];西南交通大学;2004[8]文竞舟;隧道初期支护力学分析及参数优化研宄[D];重庆大学;2012