摘要:近些年來世界隧道工程技術發展較快,突破性地建成多項宏偉的隧道工程,工程技術的主流趨勢正朝著更加安全、經濟、綠色和藝術等方面發展。在理論研究、工程設計、節能減排、新材料應用等諸多領域有較大的進步。總結闡述其主要發展與進步,包括:大斷面軟巖隧道通過超前加固實現機械化全斷面開挖;不僅在硬巖而且在地質條件較好的軟土地層隧道采用單層噴射混凝土襯砌;采用纖維部分或全部取代鋼筋的混凝土管片;隧道不僅可以是傳統的單一功能,而且可以是復合的多功能,如排洪和道路隧道、地鐵和道路隧道等;隧道在滿足其主要功能的基礎上,還可以作為能源為附近的建筑供暖;隧道和地下工程,特別是地鐵車站應因地制宜設計,不僅與周圍環境協調,而且應該“強本減末”,減少裝修,通過藝術設計實現混凝土結構與車站內其他設施的完美混搭。建議我國隧道技術不僅應該發揮隧道量的優勢,還應把量的優勢轉化為質的優勢、創新的優勢和效益的優勢,實現隧道建設從高速度發展到高質量發展的轉變。

　　關鍵詞:世界;隧道工程;襯砌;大斷面開挖;纖維混凝土管片;多功能隧道;能源隧道

　　0　引言近些年來,世界隧道工程技術發展較快,突破性地建成多項宏偉的隧道工程。其中,57km長的瑞士圣格達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,如長55km、連接意大利和奧地利的布倫納山底隧道;長57km、連接法國和意大利的仙尼斯峰山底鐵路隧道;長18km、連接丹麥和德國的費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模宏大,其工程技術的主流趨勢也正朝著更加安全、經濟、綠色和藝術等方面發展。在理論研究、工程設計、節能減排、新材料應用等諸多領域有著明顯的進步。本文對其主要發展與進步進行闡述,并對我國隧道工程技術發展提出了建議。

　　隧道工程論文范例：橋梁隧道工程施工中灌漿法加固技術的運用研究

　　1　世界隧道技術發展主要趨勢

　　1.1　從分部開挖到全斷面機械開挖

　　軟巖隧道,特別是軟巖大斷面隧道,傳統上是采用分部開挖。但隧道分部開挖(如采用側壁導坑法、CRD或CD法),由于斷面小很難實現機械化施工,而且通常工序復雜,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,隧道的安全和質量難以控制,且施工效率較低。與傳統的分部開挖方法不同,新意法(巖土控制變形法ADECO)強調通過對開挖面前方的核心土進行超前加固,把不良地層改良為穩定地層后進行全斷面機械化施工,以便更好地控制隧道施工安全、進度和造價,變被動為主動。

　　采用此方法的一些隧道工程的斷面很大,而且地層較差,如意大利羅馬環形高速公路上的AppiaAntica隧道,跨度大于20m,斷面達190m2,而地層則為土層,埋深僅4m[1],見圖1。目前,通過超前加固實現軟巖大斷面隧道全斷面機械化開挖已在歐洲、亞洲、美洲等許多國家推廣應用。《隧道設計與施工———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、韓文等版本廣為發行,中文版由中國鐵道出版社于2011年11月出版。

　　1.2　從復合襯砌到單層襯砌

　　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、地下體育設施等,基本上均采用錨桿和噴射混凝土支護作為永久支護。除了北歐外,這種方法在加拿大、美國、巴西、智利等國家也有較多應用;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施中;澳大利亞在公路和地鐵隧道中也有應用。

　　近些年來,噴射混凝土單層襯砌已突破硬巖應用范圍,在英國倫敦的黏土軟層中得到了成功應用。倫敦CrossRail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4mm的噴涂防水層的噴射混凝土結構,以增強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的黏接強度,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,也不用進行繁瑣的土工布和防水板鋪設,大大簡化了施工,施工質量易于控制,工程造價也大幅降低,在適當的地層中具有很好的推廣應用價值。

　　1.3　從鋼筋混凝土管片到纖維混凝土管片

　　盾構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、鋼筋籠制作勞動強度高、作業環境較差。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用取得較大進展。其主要目標是提高隧道管片的耐久性,簡化施工,節省造價。目前應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用。鋼纖維的摻量一般為每m3混凝土30~50kg。

　　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。在地質條件較好的隧道,采用純鋼纖維混凝土管片;在隧道斷面較大、地質條件較差的情況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,近些年在合成纖維、合成纖維筋、玄武巖纖維等材料性能研究和應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,試驗結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用較多外,其他纖維混凝土管片大多處在研究試驗階段,實際工程應用還不多。

　　2　對我國隧道工程技術發展的建議

　　1)近20年來,我國隧道工程建設高速發展,已成為名副其實的隧道大國,隧道數量約占全球隧道數量的50%。特別是我國在各種復雜地質和環境條件下修建的大量隧道,如在巖溶、瓦斯、高地應力、高水頭、高地溫、凍土等復雜和不良地質,以及在高海拔等艱苦環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。除采用傳統方法在復雜地質和環境下修建的一大批特長鐵路、公路隧道外,還有在各種復雜環境下成功修建的一批大斷面盾構隧道。

　　新建成的港珠澳隧道是當前世界規模最大的沉管隧道;在建的深中通道沉管隧道,在規模和難度上比港珠澳沉管隧道更大。我國在隧道修建技術方面進步很快,積累了豐富經驗。在鋼纖維混凝土管片的應用研究方面,在深圳、青島和大連地鐵等個別項目中進行了現場試驗和應用。青島地鐵1號線的2個區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,現場監測數據表明,應用效果良好。

　　2)發揮我國隧道工程數量的優勢,對我國隧道技術從高速度發展到高質量發展的轉變十分重要。及時改進隧道建設存在的問題,強本減末,大幅提高隧道建設質量,把量的優勢轉變為質的優勢,成為世界上隧道修建質量最好的國家。隧道工程是實踐性很強的學科,大量的工程實踐為重大技術創新提供了條件。

　　形成中國獨特的隧道工程新理論,不僅能促進國內隧道技術進步,而且對世界隧道工程技術進步也能做出貢獻。要通過優化隧道設計和施工,降低工程造價;對于運營隧道而言,要通過節能、減排設計,減少維修,延長使用壽命,創造效益。隧道工程的使用壽命可遠超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劃和設計階段高度重視隧道工程效益的重要性。

　　參考文獻(References):

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　　[2]　THOMASAH,DIMMOCKRH.Thedesignphilosophyforpermanentsprayedconcretelinings[C]//ProceedingsoftheWorldTunnelCongress2017.Bergen:InternationaTunnellingAssociation,2017.

　　[3]　RIVATBDe,GIAMUNDON,MEDAA,etal.Hybridsolutionwithfiberreinforcedconcreteandglassfiberreinforcedpolymerrebarsforprecasttunnelsegments[C]//ProceedingsoftheWorldTunnelCongress2019.Landon:Taylor&FrancisGroup,2019.

　　[4]　MANUELEG,BRINGIOTTIM,LAGANàG,etal.Fiberglassand“green”specialcompositematerialsasstructuralreinforcementandsystems:UseandapplicationsfromMilanMetro,BrennerTunneluptohighspeedtrainMilan-Genoa[C]//ProceedingsoftheWorldTunnelCongress2019.Landon:Taylor&FrancisGroup,2019.

　　[5]　嚴金秀.大埋深特長山嶺隧道技術挑戰及對策[J],現代隧道技術,2018,55(3):1

　　作者：嚴金秀