洪開榮

(1. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458； 2. 盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001)

0 引言

經(jīng)過幾十年幾代建設(shè)者的不懈努力，我國的隧道及地下工程修建水平已躋身國際先進行列[1]。在隧道修建長度方面，我國已經(jīng)成功修建了9座20 km以上的交通隧道，最長的已建隧道是32.69 km的青藏鐵路關(guān)角隧道；在建長度超過20 km的隧道有6座，最長的在建隧道是34.5 km的大瑞鐵路高黎貢山隧道。已建和在建的長度超過20 km的隧道見表1。除了上述已建和在建的特長隧道之外，我國在近期規(guī)劃了23座20 km以上的待建隧道，數(shù)量上超過了已建和在建隧道的總和[2]。我國已經(jīng)完全掌握20 km級隧道的修建技術(shù)，正在向著修建30 km級以上特長隧道的水平發(fā)展[3]。在水下隧道方面，2017年7月7日全線貫通的港珠澳大橋沉管隧道是世界上最長、埋入海底最深(50 m)、單個沉管體量最大的公路沉管隧道[4]，多項修建技術(shù)引領(lǐng)全球。在城市地下綜合體方面，深圳前海綜合樞紐工程建成后將達到世界第二、亞洲第一的規(guī)模，代表著我國對城市地下空間的開發(fā)利用已經(jīng)達到世界水準。同時，引人矚目的還有我國高端施工設(shè)備設(shè)計制造能力的快速提升，以及數(shù)字信息技術(shù)的行業(yè)融合等。

隨著“十三五”發(fā)展規(guī)劃的深入推進和交通強國戰(zhàn)略目標的明確提出，我國的交通建設(shè)由規(guī)模速度型發(fā)展時期轉(zhuǎn)向質(zhì)量效率型發(fā)展時期。在綜合交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施加速成網(wǎng)、交通運輸業(yè)加快轉(zhuǎn)型升級、現(xiàn)代治理能力持續(xù)提升、現(xiàn)代綜合交通運輸體系加快構(gòu)建的黃金機遇期，隧道及地下工程領(lǐng)域在得到了全面發(fā)展的同時，也在一路前行中不斷迎接新的機遇和挑戰(zhàn)。對近2年來我國在隧道及地下工程修建過程中取得的成績和進步進行總結(jié)，介紹關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的重大需求，并對行業(yè)發(fā)展過程中的一些問題進行思考，希望借此對我國隧道及地下工程的發(fā)展起到一定的推動作用。

表1我國已建及在建長度超過20km的隧道[2]

Table 1 Tunnels built or under construction with a length of more than 20 km in China[2]

1 我國隧道及地下工程近2年的發(fā)展

自“2016中國隧道與地下工程大會暨中國土木工程學(xué)會隧道及地下工程分會第十九屆年會”在成都召開以來，我國隧道及地下工程的建設(shè)取得了長足的發(fā)展： 各領(lǐng)域的隧道總數(shù)與總長度快速增長，鐵路、公路、地鐵都達到了每年上千km、千座隧道的增長速度；在建的重難點隧道及地下工程特色突出、難點集中，總體進展順利；多項修建技術(shù)取得了突破。

1.1 主要領(lǐng)域的隧道建設(shè)進展情況

1.1.1 鐵路隧道

截至2018年底，我國鐵路營業(yè)里程達13.1萬km，比 2017年增長3.0%。其中投入運營的鐵路隧道15 117座，總長16 331 km。全國在建鐵路隧道3 477座，總長7 465 km。規(guī)劃鐵路隧道6 327座，總長15 634 km。

1.1.2 高速鐵路隧道

截至 2018年底，我國已投入運營高速鐵路總長2.9萬km。 共建成高速鐵路隧道3 028座，總長4 896 km。其中： 特長隧道64座，總長820 km；長度15 km以上的特長隧道5座。在建的北京—張家口高速鐵路八達嶺地下車站，地下建筑面積3.6萬m2，是迄今世界上最大的高鐵地下站，車站兩端的渡線隧道開挖跨度32.7 m，是國內(nèi)單拱跨度最大的暗挖鐵路隧道。截至2018年底，我國規(guī)劃的有隧道工程項目的高速鐵路共83條，總長18 132 km；共有隧道3 126座，累計長度約6 924 km。 其中： 特長隧道118座，總長1 596 km；長度15 km 以上的特長隧道32座。

1.1.3 公路隧道

截至2018年底，我國大陸(不含港澳臺地區(qū))等級運營公路上的隧道有17 738座，總長約17 236 km。目前運營的最長公路隧道是位于陜西省的終南山隧道，長18.02 km；在建的最長公路隧道是位于甘肅省的木寨嶺隧道，長15.22 km；新近貫通的港珠澳大橋水下沉管隧道，長達5.66 km，最大覆水深度44 m，是迄今世界上最長的海底沉管隧道。

1.1.4 地鐵隧道

截至2018年底，我國大陸(不含港澳臺地區(qū))共計35個城市185條地鐵線路投入運營，運營地鐵線路長度達5 761 km。目前，共有63個城市的城軌交通線網(wǎng)規(guī)劃獲批，規(guī)劃線路總長7 611 km[5]。

1.1.5 水工隧洞

截至2017年底，規(guī)劃興建的172項節(jié)水供水水利工程已有109項開工建設(shè)，在建投資規(guī)模超過8 000億元[6]。遼寧省新的西北部引水工程、滇中引水工程相繼開工建設(shè)。根據(jù)功能需要，水工隧洞的長度往往遠超交通隧道。如： 陜西省引漢濟渭工程，穿越秦嶺的隧洞長達98.30 km；吉林省引松供水工程隧洞長約133.99 km； 新近開工建設(shè)的新疆北部引水工程喀雙隧洞長達283.27 km，堪稱世界同類之最； 遼寧省新的西北部引水工程隧洞總長也達到了230.20 km。

1.1.6 綜合管廊

截至2015年底，我國已建和在建管廊1 600 km；2016年開工建設(shè)2 005 km，2017年開工建設(shè)2 006 km[7]。 今后我國將繼續(xù)有序推進綜合管廊建設(shè)。

1.2 重難點工程

近2年來，蘭渝鐵路木寨嶺隧道、敦格鐵路當金山隧道、港珠澳大橋海底隧道等一大批重大工程相繼完工，同時大瑞鐵路高黎貢山隧道、蘇埃通道、深中通道、深圳春風(fēng)隧道等也在如期建設(shè)中。

1.2.1 蘭渝鐵路木寨嶺隧道

蘭渝鐵路木寨嶺隧道是蘭渝線中僅次于西秦嶺隧道的第2長隧道，主隧道為雙洞單線分離式特長隧道，隧道左線全長19 095 m，右線全長19 115 m，線間距為22.5～50.0 m。木寨嶺隧道位于甘肅省定西市漳縣與岷縣交界處，地處青藏高原隆升區(qū)邊緣，受多期構(gòu)造影響，區(qū)域斷裂、褶皺發(fā)育，海拔高，地勢起伏大，初始地應(yīng)力復(fù)雜，實測水平地應(yīng)力最大為27.16 MPa，巖石強度應(yīng)力比為0.49，處于極高地應(yīng)力狀態(tài)。隧道洞身最大埋深約715 m，最小埋深約30 m，共發(fā)育11個斷裂帶，最大帶寬約1 km，總長4.5 km[8]。

蘭渝鐵路木寨嶺隧道于2009年2月18日開工，按原合同工期約定計劃于2013年9月9日實現(xiàn)木寨嶺隧道全線貫通，但在隧道施工過程中出現(xiàn)了難以遏制的大變形，最大變形量達300 mm以上。在大變形段的施工中，遵循“邊放邊抗”的支護原則，提出了圓形斷面導(dǎo)洞擴挖與多重支護相結(jié)合的方案[9]。采用先開挖超前導(dǎo)洞，再在開挖正洞時將小導(dǎo)洞回填，然后采用臺階法分上、中、下3部分開挖的方法，采用導(dǎo)洞擴挖法將總變形潛能分2次釋放(導(dǎo)坑承擔一部分，隧道初期支護承擔一部分)，減小初期支護開裂破壞發(fā)生的可能性。隧道采用“超前小導(dǎo)管注漿+3層初期支護+錨注支護+二次襯砌”的支護方式(如圖1所示)。首先，通過超前小導(dǎo)管注漿對前方掌子面進行超前預(yù)支護和超前預(yù)加固。然后，開挖上臺階，施作第1次支護，容許圍巖有一定量的變形，釋放部分地應(yīng)力；開挖中臺階時，施作第2次支護，平衡圍巖壓力與支護抗力，進而控制隧道大變形；開挖下臺階時，進行第3次支護與注漿加固，提高圍巖整體性，減少地下水滲流隱患。最后，再施作二次襯砌。對于部分變形嚴重的洞段，錨注后可采用自進式錨桿進一步加固，提高圍巖的整體力學(xué)性能，控制塑性變形[10]。經(jīng)過7年的艱苦奮戰(zhàn)，木寨嶺隧道右線于2016年6月25日貫通，左線于2016年7月18日貫通，2017年7月30日完成全部交驗，2017年10月1日實現(xiàn)全線通車。

圖1 蘭渝鐵路木寨嶺隧道導(dǎo)洞擴挖支護結(jié)構(gòu)斷面示意圖

Fig. 1 Cross section of support and lining of Muzhailing Tunnel of Lanzhou-Chongqing Railway by pilot tunnel enlarging

1.2.2 敦格鐵路當金山隧道

新建敦煌至格爾木鐵路位于甘肅省西北部酒泉市和青海省西部海西蒙古族藏族自治洲境內(nèi)，線路全長508.956 75 km。當金山隧道為敦格鐵路的控制性工程，隧道穿越阿爾金山和祁連山2大山脈，全長20.1 km，線路平均海拔3 000 m，設(shè)計速度120 km/h，采用“3斜井+進口平導(dǎo)+2座通風(fēng)豎井”方案施工。當金山隧道是國內(nèi)最長的單線、單洞、單面坡隧道，也是中國鐵路總公司第1個全面推廣采用機械化配套施工的特長隧道試點工程，具有“三多”(斷層破碎帶多、不良地質(zhì)多、地下水侵蝕性種類多)、“三高”(海拔高、地應(yīng)力高、地震烈度高)、“三長”(單面坡長、獨頭通風(fēng)距離長、反坡排水距離長)、“三低”(隧道區(qū)氣溫低、氣壓低、含氧量低)、“三大”(埋深大、水量大、風(fēng)沙大)的特點。當金山隧道施工通風(fēng)控制段落位于1號斜井及2號斜井工區(qū)之間的10.5 km范圍內(nèi)，設(shè)置2座通風(fēng)豎井，創(chuàng)造了國內(nèi)隧道單洞獨頭掘進8 528 m的紀錄。

1.2.3 港珠澳大橋沉管隧道

港珠澳大橋沉管隧道全長6.7 km，最大水深40 m，是迄今為止世界上最長、埋入海底最深(50 m)、單個沉管體量最大的公路沉管隧道。港珠澳大橋于2009年12月15日動工建設(shè)，2018年10月24日大橋主體正式通車。圖2為港珠澳大橋沉管隧道最終接頭照片。

圖2 港珠澳大橋沉管隧道最終接頭

Fig. 2 Final joint location of immersed tube tunnel of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge

1.2.4 中老鐵路隧道

中老鐵路全長414 km，隧道長度近198 km，很多隧道位于瑯勃拉邦縫合帶，洞內(nèi)褶皺、斷層發(fā)育，地表溶溝、溶槽、溶蝕裂隙多見，地質(zhì)十分復(fù)雜，中老鐵路線路示意圖見圖3。中老鐵路于2016年12月全線開工，建設(shè)工期為5年，全面采用中國標準、中國技術(shù)。

圖3 中老鐵路線路示意圖

1.2.5 大瑞鐵路高黎貢山隧道

大瑞鐵路高黎貢山隧道是目前國內(nèi)在建的最長鐵路隧道，其地理位置特殊，地質(zhì)條件復(fù)雜，具有“三高”(高地熱、高地應(yīng)力、高地震烈度)、“四活躍”(活躍的新構(gòu)造運動、活躍的地熱水環(huán)境、活躍的外動力地質(zhì)條件和活躍的岸坡淺表改造過程)的特征。隧道施工難度極高，工程建設(shè)風(fēng)險突出。隧道采用TBM法和鉆爆法相結(jié)合施工，其中TBM法施工段長度為12 370 m，其余為鉆爆法施工區(qū)間。高黎貢山隧道線路布置示意圖見圖4。隧道圓形襯砌基本內(nèi)輪廓直徑為7.7 m，采用直徑為9 m的敞開式TBM進行施工。全隧設(shè)置1座貫通平導(dǎo)+1座主副斜井+2座主副豎井。隧道的高地溫熱害問題突出，根據(jù)地勘資料顯示，全隧熱害輕微段總長8 716 m，中等熱害段1 406 m(含導(dǎo)熱水斷裂段581 m)。同時，隧道施工還面臨軟巖大變形問題、軟弱破碎圍巖地段TBM卡機問題、長距離通風(fēng)問題等系列工程難題[11]。

圖4 高黎貢山隧道線路布置示意圖

1.2.6 成蘭鐵路躍龍門隧道

成蘭鐵路躍龍門隧道為穿越龍門山山脈的極高風(fēng)險隧道，雙線雙洞分修，左線全長19 981 m，右線全長20 042 m。隧道洞身共發(fā)育5條斷層、2個向斜和2個背斜，其中1條斷層為全新世活動斷裂。輔助坑道采用“3橫+2斜+1平”方案。隧道穿越龍門山活動斷裂帶和高地應(yīng)力長距離千枚巖段，突泥、突沙量超過3萬m3/d，在躍龍門2號斜井和3號橫洞的施工過程中還出現(xiàn)了高濃度硫化氫氣體溢出[12]。圖5為裂隙水極為發(fā)育的躍龍門隧道掌子面。

圖5 躍龍門隧道掌子面裂隙水情況

1.2.7 烏尉高速天山勝利隧道

烏尉天山勝利隧道兩端位于烏魯木齊縣薩爾達坂鄉(xiāng)216國道旁以及和靜縣烏拉斯臺查汗村烏斯托車站附近S301省道K217+400～600北側(cè)，是烏魯木齊到尉犁縣高速中最長隧道，為全線控制性工程，全長22.035 km，屬特長高寒高海拔公路隧道，建設(shè)工期為6年，建成后將成為世界最長的高速公路隧道。

1.2.8 深中通道工程

深圳至中山跨江通道是世界上首例集超寬超長海底沉管隧道、超大跨海中橋梁、深水人工島、水下互通“四位”一體的集群工程，沉管隧道部分采用雙向8車道高速公路技術(shù)標準進行設(shè)計，管節(jié)寬度達46～55.5 m[13]。伶仃洋大橋采用懸索橋方案，主跨為1 666 m、主塔高度為270 m。圖6為深中通道工程線位示意圖。

圖6 深中通道工程線位示意圖

1.2.9 汕頭蘇埃通道工程

汕頭蘇埃通道工程連接汕頭市新老城區(qū)，位于汕頭市北岸龍湖區(qū)天山南路與金砂東路平交口。線路全長6.68 km，全程采用雙向6車道標準設(shè)計，工程總投資約60億元，工期4.5年。隧道采用直徑為15.03 m的泥水盾構(gòu)施工，是我國首座8度地震烈度區(qū)的海底隧道。盾構(gòu)穿越上部粉細砂層、下部200 MPa以上微風(fēng)化花崗巖軟弱不均地層[14]。圖7為蘇埃通道工程地質(zhì)剖面圖。

圖7 蘇埃通道工程地質(zhì)剖面圖(單位: m)

Fig. 7 Engineering geological section of Su′ai Channel (unit: m)

1.2.10 引額供水項目喀雙隧洞

引額供水項目全長共569 km，采用20臺TBM集群作業(yè)模式施工。其中喀雙隧洞被稱為“世界引水隧洞之最”，全長達283 km，TBM獨頭掘進距離達27 km，其施工通風(fēng)、長距離物料運輸均需要取得技術(shù)突破。圖8為喀雙引水隧洞KS3勘探試驗洞洞口。

圖8 喀雙引水隧洞KS3勘探試驗洞

1.2.11 深圳前海綜合交通樞紐工程

深圳前海綜合交通樞紐工程建筑面積294.9萬m2，建成后將是亞洲第2大綜合交通樞紐，項目剖面示意圖見圖9。地下部分共6層，深度達32.5 m，為國內(nèi)樞紐中深度最大的項目，同時要橫跨3條地鐵運營隧道。由于前海幾乎是填海而成的，地下基本是以海積淤泥混雜填石為主，工程地質(zhì)及水文條件極其復(fù)雜。

1.2.12 武漢光谷廣場地下綜合體

武漢光谷廣場地下綜合體工程主體為直徑約200 m的圓形，總建筑面積約16萬m2，集合了3條地鐵和2條市政公路隧道，是目前國內(nèi)規(guī)模最大、組成最復(fù)雜的地下空間工程，規(guī)模罕見。圖10為建設(shè)中的武漢光谷廣場地下綜合體。

圖9 深圳前海綜合交通樞紐工程剖面示意圖

圖10 建設(shè)中的武漢光谷廣場地下綜合體

Fig. 10 Underground Complex of Wuhan Optics Valley Plaza under construction

1.3 主要技術(shù)進步

2年來，我國在隧道工程勘察技術(shù)、隧道建設(shè)的BIM技術(shù)、隧道機械化及智能化建設(shè)技術(shù)、盾構(gòu)/TBM制造及再制造技術(shù)、海上沉管隧道修建技術(shù)、異形盾構(gòu)隧道修建技術(shù)、隧道大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)技術(shù)等方面取得了長足發(fā)展。

1.3.1 隧道工程勘察技術(shù)

近年來，隨著高分航遙等先進勘察手段的逐步引入應(yīng)用，以及無人機勘察技術(shù)水平的快速提升，在隧道工程勘察技術(shù)方面逐漸形成了“空、天、地”三位一體的綜合勘察技術(shù)。通過應(yīng)用空基系統(tǒng)(包括GPS衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星等)、天基系統(tǒng)(包括臨近空間的浮空器和近地無人機搭載的高清攝像機、雷達、激光掃描儀等)、地基系統(tǒng)(包括軌旁災(zāi)害監(jiān)測、綜合視頻監(jiān)控等)，建立了“空、天、地”三位一體的新型勘察體系，解決了復(fù)雜艱險山區(qū)傳統(tǒng)勘察方式難以實現(xiàn)“上山到頂，下溝到底”的難題[15]。

1.3.2 隧道建設(shè)的BIM技術(shù)

近2年來，BIM技術(shù)在隧道及地下工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。BIM技術(shù)平臺整合多源數(shù)據(jù)，以數(shù)字化、信息化和可視化的方式提升了規(guī)劃、設(shè)計階段的精度和深度，實現(xiàn)了施工階段的動態(tài)模擬和信息化管理，并為運維階段實現(xiàn)信息化、精細化資產(chǎn)管理提供技術(shù)支持[16]。

1.3.3 隧道機械化及智能化建設(shè)技術(shù)

近年來，三臂液壓鑿巖臺車、三臂拱架安裝機、濕噴機械手、全液壓自行式仰拱棧橋、新型隧道襯砌臺車、襯砌自動養(yǎng)護臺車等一系列隧道專業(yè)設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用，推進了我國隧道施工機械化發(fā)展，明確了智能化的發(fā)展方向。圖11為國產(chǎn)三臂鑿巖臺車。圖12為國產(chǎn)拱架安裝機。

（4）研制通用性自動鋪地機器人。研發(fā)可從電腦中載入作業(yè)區(qū)域面積、瓷磚尺寸等數(shù)據(jù)的鋪地機器人，內(nèi)含智能控制芯片可自動計算、規(guī)劃、調(diào)整工作程序，可在作業(yè)區(qū)域預(yù)先自動涂抹砂漿或粘合劑，機械臂可實現(xiàn)吸附、搬運瓷磚功能，可利用設(shè)定參數(shù)或掃描設(shè)備捕獲瓷磚間隙寬度，自動調(diào)整瓷磚位置。可自動掃描和切割瓷磚大小、形狀等功能。

圖11 國產(chǎn)三臂鑿巖臺車

1.3.4 盾構(gòu)/TBM制造及再制造技術(shù)

最近2年是我國盾構(gòu)等高端設(shè)備快速發(fā)展的關(guān)鍵時期。在盾構(gòu)及TBM再制造方面，國產(chǎn)盾構(gòu)主軸承取得突破，裝配國產(chǎn)主軸承的盾構(gòu)圓滿完成了合肥地鐵的開挖任務(wù)。首臺再制造TBM已經(jīng)應(yīng)用到高黎貢山隧道的施工中，并通過了多個不良地質(zhì)段。在盾構(gòu)國產(chǎn)化方面，我國自主制造的盾構(gòu)已達到15 m級，應(yīng)用到汕頭蘇埃通道的國產(chǎn)泥水平衡盾構(gòu)直徑達15.03 m，應(yīng)用到深圳春風(fēng)隧道的國產(chǎn)泥水平衡盾構(gòu)直徑達15.80 m。我國盾構(gòu)/TBM制造水平已邁入國際前列。圖13為直徑為15.03 m的“中鐵海灣號”盾構(gòu)。圖14為直徑為15.80 m的“中鐵春風(fēng)號”盾構(gòu)。

圖12 國產(chǎn)拱架安裝機

圖13 直徑為15.03 m的“中鐵海灣號”盾構(gòu)

Fig. 13 "China Railway Bay" shield machine with diameter of 15.03 m

1.3.5 海上沉管隧道修建技術(shù)

2017年7月7日，港珠澳大橋主體工程貫通，標志著我國沉管隧道修建技術(shù)達到國際領(lǐng)先水平。在沉管隧道的修建過程中突破了包括自穩(wěn)式巨型鋼制圓筒海上圍護結(jié)構(gòu)、半剛性管段接頭、“三明治”鋼-鋼筋混凝土倒梯形最終接頭等在內(nèi)的數(shù)個世界級難題[17]。港珠澳大橋沉管隧道倒梯形最終接頭見圖15。

圖14 直徑為15.80 m的“中鐵春風(fēng)號”盾構(gòu)

Fig. 14 "China Railway Chun Feng" shield machine with diameter of 15.80 m

圖15 港珠澳大橋沉管隧道倒梯形最終接頭

Fig. 15 Inverted trapezoidal final joint of immersed tube tunnel of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge

1.3.6 雙線鐵路馬蹄形盾構(gòu)隧道修建技術(shù)[18]

在深埋山嶺隧道中，圓截面需要在底部進行預(yù)制仰拱塊鋪設(shè)等處理，造成了開挖空間的浪費，而空間利用率較好的矩形盾構(gòu)隧道在結(jié)構(gòu)形式方面又存在受力較差的缺點，難以滿足大埋深大斷面山嶺隧道的受力要求。在結(jié)合矩形與圓形隧道技術(shù)優(yōu)勢的前提下，研制了馬蹄形盾構(gòu)，解決了系列關(guān)鍵技術(shù)，主要包括低擾動多刀盤多驅(qū)動協(xié)同開挖技術(shù)、多曲率管片拼裝技術(shù)、雙螺旋輸送機聯(lián)合排渣技術(shù)、馬蹄形盾體設(shè)計及姿態(tài)控制技術(shù)等。馬蹄形盾構(gòu)成功應(yīng)用于蒙華鐵路白城隧道施工，標志著我國盾構(gòu)與盾構(gòu)工程技術(shù)向多元化方向發(fā)展。圖16為應(yīng)用到蒙華鐵路的馬蹄形盾構(gòu)。

圖16 應(yīng)用到蒙華鐵路的馬蹄形盾構(gòu)

Fig. 16 Horseshoe-shaped shield machine applied to the Inner Mongolian-Jiangxi Railway

1.3.7 隧道大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)技術(shù)

現(xiàn)代信息技術(shù)的積累與突破性發(fā)展，為隧道行業(yè)構(gòu)建大數(shù)據(jù)平臺奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。開發(fā)了多個基于多維海量信息構(gòu)建的隧道大數(shù)據(jù)平臺，利用平臺深挖掘與自學(xué)習(xí)能力，提高工程決策水平，促進隧道智能化建設(shè)的發(fā)展。圖17為隧道大數(shù)據(jù)基本構(gòu)架。

2 各領(lǐng)域隧道及地下工程的建設(shè)技術(shù)需求

川藏鐵路、京津冀協(xié)調(diào)發(fā)展、長江經(jīng)濟帶、粵港澳大灣區(qū)等一系列國家發(fā)展戰(zhàn)略、規(guī)劃的啟動與實施，從各個方面對隧道及地下工程領(lǐng)域提出了技術(shù)需求。

2.1 跨海隧道修建技術(shù)需求

根據(jù)我國交通和經(jīng)濟發(fā)展需要，中長期規(guī)劃在瓊州海峽、渤海海峽以及臺灣海峽修建3座海峽通道，采用隧道形式修建的長度分別達到28、126、147 km左右。海峽環(huán)境水深大，地質(zhì)復(fù)雜，海峽通道的長度前所未有，目前的工程技術(shù)在工程勘察、設(shè)備性能、隧道運維等諸多方面還難以完全滿足建設(shè)需要[19]。

2.2 復(fù)雜條件超長隧道修建技術(shù)需求

即將開建的川藏鐵路隧道全長789 km，隧線比約為82%，將會有16座長度20 km以上的隧道，其中5座隧道長度在30 km以上，1座隧道長度將達到42.5 km，隧道修建面臨著高地震烈度、高地應(yīng)力、高落差、高地溫、強活動斷層等技術(shù)挑戰(zhàn)[20]。除了眾多技術(shù)挑戰(zhàn)之外，川藏鐵路以其復(fù)雜惡劣的修建環(huán)境給隧道領(lǐng)域在修建理念上提出重大挑戰(zhàn)，從隧道修建技術(shù)的深遠發(fā)展來看，必須徹底摒棄“長隧短打”的修建思想，盡快將提升單作業(yè)面的施工效率作為今后的技術(shù)發(fā)展方向，也是解決地形對輔助坑道設(shè)置的制約、工程活動對自然與生態(tài)環(huán)境保護的需要[21]。圖18為川藏鐵路線路示意圖。

圖17 隧道大數(shù)據(jù)基本構(gòu)架

圖18 川藏鐵路線路示意圖

2.3 生態(tài)脆弱區(qū)隧道施工環(huán)保技術(shù)需求

在今后一個時期內(nèi)，我國穿越脆弱生態(tài)區(qū)的隧道將越來越多，動物與植物資源保護、水土資源保護等問題日益突出，如何考慮隧道施工階段和全壽命運營周期內(nèi)的隧址區(qū)域環(huán)境保護問題已經(jīng)成為迫切需求[22]。

2.4 城市地下大型綜合體的開發(fā)技術(shù)需求

隨著我國長江經(jīng)濟帶、粵港澳大灣區(qū)等集群式發(fā)展戰(zhàn)略的提出和落實，現(xiàn)有城市基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)能力將遠遠無法滿足發(fā)展要求。近年來繁華城區(qū)的大型、超大型地下綜合體越來越多，如前文提到的深圳前海綜合交通樞紐工程和武漢光谷地下綜合體工程，這些體量空前、功能多樣綜合體的大規(guī)模修建迫切需要從立法、規(guī)劃設(shè)計、建造運營和風(fēng)險防控等方面進行系統(tǒng)性研究。

2.5 高寒環(huán)境新材料研發(fā)需求

隨著我國在極端環(huán)境條件下施工的隧道及地下工程日益增多，傳統(tǒng)建筑材料難以滿足要求，研發(fā)適應(yīng)高寒環(huán)境、長距離運輸?shù)男虏牧?，保障隧道結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全，提高服役年限，是未來的一大需求。

2.6 隧道病害智能診斷與快速修復(fù)技術(shù)需求

我國各領(lǐng)域運營隧道(洞)已接近5萬km，已進入建維并重時期，隧道老齡化問題日漸凸顯，迫切需要開發(fā)隧道病害智能診斷、快速修復(fù)與自修復(fù)技術(shù)。圖19為具有自修復(fù)功能的微膠囊混凝土[23]。

圖19 具有自修復(fù)功能的微膠囊混凝土[23]

2.7 超長復(fù)雜隧道及地下工程智慧防災(zāi)技術(shù)

超長復(fù)雜隧道及大規(guī)模地下工程發(fā)生火災(zāi)時，人員疏散救援困難，易致群死群傷，如何設(shè)置工程設(shè)施，發(fā)展信息化及數(shù)字化方法，實現(xiàn)火災(zāi)防護及疏散救援的智慧化是未來的重大需求[24]。隧道智能預(yù)警防災(zāi)系統(tǒng)見圖20。

圖20 隧道智能預(yù)警防災(zāi)系統(tǒng)[24]

Fig. 20 Tunnel intelligent prewarning and disaster prevention system[24]

3 問題與思考

多年超大規(guī)模、超大體量的工程實踐使我國隧道及地下工程領(lǐng)域的整體技術(shù)水平已經(jīng)位居世界前列。同時，高速發(fā)展也給行業(yè)帶來了一些引人思考的問題。

3.1 如何提升隧道工程建設(shè)管理理念

隧道工程的邊界條件和關(guān)鍵要素總是隨著地質(zhì)的變化而變化，而目前的建設(shè)管理理念和方法對此缺乏適應(yīng)性，如何提升和改善這一問題值得進行深入研究和思考。

1)從“定式”設(shè)計模式走向動態(tài)設(shè)計。從設(shè)計方面來講，目前的“定式”設(shè)計模式顯然與富于變化的地質(zhì)情況不相適應(yīng)，在隧道及地下工程中應(yīng)科學(xué)地采用動態(tài)設(shè)計和動態(tài)施工。

2)推行設(shè)計施工一體化的單價承包模式。從長期的工程建設(shè)經(jīng)驗和當前管理現(xiàn)狀來看，工程建設(shè)模式應(yīng)采用設(shè)計施工一體化的單價承包模式，有利于設(shè)計、施工資源向著最優(yōu)組合的方向發(fā)展，提高效率，優(yōu)化最終成本。

3)在工程建設(shè)中及時變更、按時計價。在目前的工程建設(shè)管理中，普遍存在工程造價與市場脫離的問題，行業(yè)的發(fā)展缺乏最為基本的保障。在目前未能全面實行動態(tài)設(shè)計和工程造價不夠合理的情況下，及時變更、按時計價是解決當前眾多工程困境的有效途徑。

3.2 如何深入推進鉆爆法機械化施工進程

目前，我國多個重大項目的建設(shè)都在大力推行鉆爆法隧道的機械化配套，并在隧道開挖、支護等關(guān)鍵工序相繼研發(fā)出了先進的機械化設(shè)備?！皺C械化減人，自動化解放人” 符合隧道技術(shù)進步的前進趨勢，但是在推進過程出現(xiàn)的新問題，也需要我們積極面對和解決。

1)切實管用是機械化的出發(fā)點和落腳點。在具體工程中必須結(jié)合工程地質(zhì)情況因地制宜地制定機械化配套等級，不應(yīng)盲目提升配套等級，單純追求“高大全”。

2)設(shè)計和工法選擇應(yīng)與機械化配套相匹配，才可以最大程度地發(fā)揮機械化配套效率。

3)構(gòu)建良好的管理環(huán)境是推進機械化施工的關(guān)鍵。

4 結(jié)語

“十三五”是交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展、服務(wù)水平提高和轉(zhuǎn)型發(fā)展的黃金時期，我國隧道及地下工程事業(yè)將會有更大的進步及更為廣闊的發(fā)展空間。我們既要看到以往取得的輝煌成就，也要對未來即將面臨的重大技術(shù)挑戰(zhàn)充滿信心。