21世纪山岭隧道修建的趋势

21世纪山岭隧道修建的趋势

王梦恕

(中铁隧道集团有限公司󰀁河南洛阳󰀁417009)

󰀁󰀁摘󰀁要:21世纪,我国将修建大量的山岭隧道,而且长隧道占有很大比重。针对这些特点,必须对隧道建设技术从原理、方法、工艺、材料等方面进行深入研究和开发,创立一套适合本国国情的󰀁中国隧道修建法󰀁设计理论,用以指导山岭隧道的设计和施工。以结构可靠性理论为基础,重视隧道工程的可靠性和耐久性,彻底清除隧道病害;提高隧道施工的机械化水平和速度,消除影响隧道快速施工的因素,加强隧道施工通风和运营通风。在确保优质、快速修建隧道工程的前提下,用有限的资金修建更多的隧道及地下工程,以适应21世纪的需要。

关键词:山岭隧道;中国隧道修建法;理论体系

󰀁󰀁中图分类号:U45󰀁󰀁文献标识码:C󰀁󰀁文章编号:100429(2004)09003803

󰀁󰀁我国是一个多山的国家,开发中西部又是今后我国的国策,发展山区交通,使山区人民脱贫致富是我国的具体目标。高速、准高速铁路、公路的发展和建设又是21世纪的特色;21世纪必然出现大量隧道工程,必然带来长隧道的增多。多和长是21世纪山岭隧道修建的两大特点。针对这些特点,要求在隧道修建技术上更好地、全面地开发和应用新原理、新技术、新设备、新方法、新工艺、新材料,迎接21世纪山岭隧道大发展的到来。

1󰀁创立󰀁中国隧道修建法󰀁理论体系

新奥法(NATM)是源自奥地利的一种隧道修建方法,挪威法(NTM)是由挪威人发明的隧道工法。两种方法的共同特点是国小,口气大,应用面窄,内容少;而每年以400km以上的速度在各种不同级别围岩中修建不同用途、不同断面形状的山岭隧道的中国却没有自己的设计理论和方法。21世纪我们应该建立一套适合自己国情的󰀁中国隧道修建法󰀁设计理论。将我国多年来修建山岭隧道的设计、施工方面的宝贵经验进行总结和提高,为今后指导我国可持续发展战略而进行的山岭隧道、地下工程建设服务。

1988年,铁道部基建总局组织编写并颁布实施了󰀁铁路隧道新奥法指南󰀁。该指南是在总结我国10多年来按新奥法原理修建铁路隧道经验的基础上编制的,当时引起并推动了我国隧道修建方法的变革,成为当时隧道设计、施工指导性文件。以后,经过数年的工

收稿日期:20040621

作者简介:王梦恕,男,中国工程院院士。

程实践,在取得了很多成果的同时,更得到了很多的教训,深感新奥法在原理上是合理的,但作为方法,在我们中国这样一个幅员辽阔、地质复杂的国家,应用时还是有许多问题的。为此,1992年铁道部又发布实施了󰀁铁路隧道喷锚构筑法技术规则󰀁(以下简称󰀁规则󰀁)。该规则出台后,引起不同反映和争论,主要认为󰀁喷锚构筑法󰀁的用词不当,易引起混淆。今天,随着工程的实践和发展,我国地下工程在许多方面超越了新奥法和挪威法范畴,有许多独特的见解和成就,有必要编纂、总结中国自己的隧道修建方法,目前时机已经成熟。󰀁中国隧道修建法󰀁的编纂必将为丰富隧道的规划、设计、施工、运营提供新的原理、方法和要点。2󰀁以结构可靠性理论为基础,重视隧道工程百年寿命的建议,彻底清除隧道病害

󰀁󰀁据有关资料统计,截至1995年末,铁道部管理的已建成交付运营的隧道共有4855座,总长为2260km。但在这4855座隧道中,净空不足、侵入建筑限界的有26座,严重漏水的有1428座,衬砌严重腐蚀裂损的有677座,仰拱变形损坏的有212座,通风不良的有112座,照明不良的有817座。当然,与近10多年修建的隧道相比,现在的隧道建造质量还是有较大的提高。统计看出,用传统方法设计、施工的隧道从理论到施工均存在着严重的问题和不足。目前,必须用结构整体可靠性理论来实现合理、快速、优质地建成不裂、不渗漏,通风、照明良好的隧道。

影响隧道结构工程安全性、可靠性、耐久性的因素极其复杂(图1),主要表现在人为的不科学性赶工期上以及低造价上;环境上是围岩级别变化不定性及主观性;荷载沿隧道横向、纵向分布的不确定性,按局部

铁道标准设计RAILWAYSTANDARDDESIGN󰀁2004(9)

38󰀁隧道/地下工程󰀁

或共同变形理论分析结构内力的近似性,计算参数的统计误差及约束条件处理的不定性;施工中开挖内轮廓尺寸误差引起衬砌厚度变化的不规律性;不同施工方法、措施引起内力的变异性;施工工序时间、空间效应不同所引起的危害性等。不科学性、主观性、不确定性、近似性、不定性、变异性、不规律性、时空性构成了不能仅用一种固体力学方法或弹塑性力学去准确地描述力学行为,去求算应力,校验强度而忽视防水所必须的刚度、稳定性分析,忽视结构在施工过程中未构成结构时的稳定性分析。更应消除人为的不科学性的工期和造价所产生的种种灾害,这方面的分析显得更加重要。

高2倍以上,能充分发挥TBM和钻爆法各自的优势,这将是21世纪施工的模式。

(2)必须加大隧道施工机械配套的力度

隧道快速施工的唯一出路在于机械化,机械配套不是越先进越好,要从整体上考虑配套的合理性。除社会环境、生产安全需要外,还要考虑技术条件和经济条件等因素。技术条件包括:工作量、工作效率、能源消耗、劳力资源、设备易操作性、通用性、耐久性、灵活性以及维修的难易性等9个方面;经济条件包括:购置费、使用年限、单位时间利息率、设备在场的工作效率,易损件的储备量等5个方面。在满足技术条件前提下,应重点考虑经济条件。具体配套原则应予以改进,可按以下意见进行。

󰀁施工机械的配套应与施工方法相匹配,更应与施工进度相匹配。要确定合理的施工进度,以确保经济、优质、速成,使这两个指标科学地实现。建议取消盲目抢工期的不合理施工进度。

󰀁增加隧道施工机械投入量的预算费用。实践证明,一般低于工程总预算5%以下的设备购置费,属不合理施工;长大隧道应有10%以上的设备投入费才是合理的。利用设备创造的产值一般应大于设备费5倍,先进企业管理的设备所创造的产值可达10倍以上。当前,施工单位缺设备是主要矛盾,但得到设备又组织管理不好,养、用、管、修较差,又创造不出10倍左右的产值,这是我国施工人员素质不高的主要原因,还

图1󰀁结构设计新理念

󰀁

需适应和提高。

󰀁设备配套时,单机生产能力应大于均衡生产能力的1󰀁2~1󰀁5倍。

󰀁隧道施工机械配套应立足国产化,重复地引进设备而忽视技术的引进倾向应予以克服。必须引进时,应考虑价格是否经济合理,引进的同时应考虑国产化的实现。组织设备国产化的攻关,开展国产化的制造。笔者认为,首先要全面应用液压台车或液压钻,取代风钻势在必行。

(3)机械配套模式

机械配置模式应随隧道长度的不同而采用不同的模式。配套的模式在能实现快速施工的同时,还应具有适应不同地质的应变能力。对于设计单位,只重视隧道纵、横断面,结构支护的设计,而不研究隧道施工所需机械的配套的设计,是不完善的设计。

3󰀁2󰀁消除施工中的塌方是快速施工的主要措施之一(1)超前地质预报必须作为工序列入施工程序之中,已在宜万线长大隧道中开始实现。盲目开挖爆破(尤其在岩溶地区)而引起塌方、涌砂、涌水并造成淹

39采用结构荷载模式进行可靠度设计并配合现场变位监控量测与反馈进行设计修正的方法是简单易行、结合实际的,并可以克服许多不定性的唯一方法。

用信息化设计、施工的全过程来指导施工,修改完善设计的方法,这是工程本身所具有的特点。设计与施工不紧密结合的作法,都是当今影响隧道优质、快速、经济地建成的阻力。

3󰀁快速施工将是21世纪隧道修建的主攻方向3󰀁1󰀁提高隧道机械化施工是快速施工的主要措施

(1)应用小直径TBM掘进机超前掘进导洞,钻爆法扩大并进施工方法的研究

钻爆法+TBM法可实现快速施工,其组合形式有两种:一是先中心导洞超前,用钻爆法施工,这样可提早认清地质,提早进行处理,有利于TBM在不良地层中的掘进;二是用󰀁3~4󰀁5m小TBM快速进行导洞的掘进,后部用钻爆法扩大。该组合造价低,减振30%左右,线性超欠挖少,成洞速度比全断面钻爆法提

铁道标准设计RAILWAYSTANDARDDESIGN󰀁2004(9)󰀁隧道/地下工程󰀁

没、人身伤害等,其损失的费用远远大于增加超前预报工序的费用。应重视施工水文、地质勘测的研究和应用,应开展综合预报方法和设备的国产化研究,盲目引进国外设备不可取。

(2)在不良地质的隧道施工中推广辅助工法的技术开发与应用,努力增强施工队伍的技术水平,使之具有较强的应变能力,如各种超前支护的施工技术,各种注浆方法和参数的选取技术,格栅拱架加工、施工技术,降、排水施工技术,快速量测反馈技术,一次喷锚支护技术从上向下做,二次衬砌从下向上施工的技术,合理开挖方法的技术等,只有这样,才能防止塌方。

(3)作到严格施工纪律、严格施工工艺,严格施工管理,确保施组的实现,确保光面爆破、喷锚支护、监控量测,及时反馈四大关键技术的落实。4󰀁减少辅助坑道设置

横洞、平行导坑、斜井、竖井等统称辅助坑道,长隧短打,设置辅助坑道费用很高,应合理布置,配置设备发挥进出口的功能,是减少投资、快速掘进的发展方向。山岭隧道施工,一般6~8km长的隧道不设辅助坑道,将辅助坑道费用的一部分投入设备上是合理的方向;尤其对于埋深超过500m的长隧道,采用多斜井、竖井设计的施工不尽合理。因斜、竖井所发挥的作用不足进出口的50%,其本身的造价也很高。

从运营、维修、防灾的角度出发,对山岭隧道长度在10km以上的,应设服务性平导,尤其双线单洞长隧道及隧道处于地质较差之地更应设置,并作为永久建筑交付运营单位。另外,当需要建造一座双线单洞隧道时,从通风、防灾要求出发,最好改为2座单线隧道为宜,这样可不设服务性平导。两座单线隧道的间距应遵循宜近不宜联的原则。联拱隧道施工困难,易裂、易漏,已被不少事实所验证。5󰀁隧道运营通风和施工通风

必须重视施工通风和运营通风。施工通风的设计应满足卫生国标的要求,单线隧道必须采用有轨运输,严禁无轨运输,杜绝损害施工人员健康的野蛮做法;双线隧道也应在可能的条件下,从无轨向有轨运输转化,尤其在地质条件不好的大断面隧道,无轨运输造成隧道基底围岩的破坏,给运营带来翻浆冒泥的后果,此种实例很多。加强节能、低噪声、大风量风机的研制,加强对大直径低漏风率(百米漏风率<1%)表面摩阻力小的(P<0󰀁017)高强软风管的研制,彻底改变隧道施工的工作环境,是21世纪必须解决的问题。施工预算40铁道标准设计RAILWAYSTANDARDDESIGN󰀁2004(9)

中通风电费、设备的费用不能少,施工不能简化设计要求,加强管理是隧道地下工程施工人员的责任。

在运营通风方面,铁路隧道应大力推广洞口堆放式射流通风的方案,充分利用列车活塞风,选用单向行驶的隧道设计方案,以减少运营通风的电费。对运营的公路隧道,当前用分散式纵向射流加竖井通风方案的做法很受欢迎,其造价相对在洞口设置1~4级堆放式射流风机组会更经济。但这仅适用于10km以下的中、短隧道,而且分散式布置不宜维修管理。对于长大隧道,通风选用全横向式或半横向式,可使全洞的CO浓度、粉尘浓度不超标,司机能见度可以提高。所以,这两种通风方式仍是长大隧道不可弃舍的方案。当前,山岭隧道和其他地下工程是人类向自然界要空间、进行资源开发的主要方向之一,󰀁上天入地󰀁是人类向立体空间发展的必然趋势。然而,地下工程从衬砌结构理论、设计、室内试验到现场应用;从地质勘测到洞内精密施工量测;从如何消除当前数千座隧道的各种病害,封堵渗漏水、整治翻浆冒泥等等;从各种非标设备的单机制造到开挖、装运、衬砌各条作业线的机械配套;从在隧道内由中速向高速、准高速运行等的研究,都给隧道工程带来了一系列的技术难题。这些都是跨行业、相互交叉、相互融合在一起的边缘学科,结合工程实践进行研究,把地下工程的全过程进行分类、分工序攻关,在确保优质、快速修建隧道工程的前提下,用有限的资金修建更多的隧道及地下工程,以适应21世纪的需要。参考文献:

[1]󰀁王梦恕.大瑶山隧道修建新技术[M].广州:广东科技出版社,

1994.

[2]󰀁王梦恕.中国是世界上隧道和地下工程最多、最复杂、今后发展最

快的国家[J].铁道标准设计,2003(1).

小资料

󰀁󰀁资料表明,在各种运输方式中,铁路所消耗的

能源最少。据测算,在运量相等的条件下,铁路、公路、民航耗油量之比为1󰀁9󰀁3󰀁18󰀁6。在各种运输方式中,航空、汽车、水运、铁路内燃机车都依靠石油资源,铁路电力机车则可以使用煤炭和其他的能源。由于铁路比其他运输方式具有占地少、耗能低、污染小、运输量大等优点,加上铁路自身科技创新和技术升级步伐也在不断加快,对相对脆弱的生态环境有很好的保护作用。因此,要实行可持续发展战略,铁路自然成为运输能源的主力军。

(据󰀁人民铁道󰀁)

RAILWAYSTANDARDDESIGN

No.9,2004AbstractsandKeywords

ApplicabilityofSiltyClayasFillingMaterialforSubgradeofQinShenPassen󰀁

ger󰀁dedicatedRailwayandModificationDesign

GuoShaoying,ZhaoYanan,PengZeren,SunMingzhi

Abstract󰀁Alargenumberofindoor,outdoorandsitetestswerecarriedoutofo󰀁riginalandmodifiedsiltyclay,andalargequantityofdatawerecollected.There󰀁lationshipbetweenthephysicalandmechanicalindexofthesiltyclaywasdiscussedthroughanalysisoftestresult,andtheidentificationstandardforsiltyclayapplica󰀁bilitywasdefined.Thephysicalmodificationmethodforsiltyclayandapplicableconditions,andthestrengthdesignmethodandstepsforchemicalmodificationofsiltyclaywereputforward.

Keywords󰀁Qinhuangdao󰀁Shenyang(QinShen)PassengerDedicatedRailway,siltyclay,modificationoffilling,modificationdesign

ApplicationofGeogridtoSubgradeWorkofQinghai󰀁RailwaySuYi,XuZhaoyi,WangLianjun

Abstract󰀁Bycomparativeanalysisofhorizontaldisplacementcharacteristicsofreinforcedandunreinforcedembankment,anintroductionisgiventotheuseofgeogridforpreventionoflongitudinalcracksonsubgradeofQinghai󰀁Rail󰀁way,andabasicappraisalwasgivenoftheapplicationeffectofgeogridatper󰀁mafrostzone.

Keywords󰀁Qinghai󰀁Railway,geogrid,horizontaldisplacement,longitudi󰀁nalcrack

ApplicationofGeogridReinforcedRetainingWalltoSubgradeofHeavy\\|haulRailway

ZhouJikai,WangRongdi

Abstract󰀁Anintroductionisgiventothesubgradeshoulder󰀁typereinforcedre󰀁tainingwallforthesubgradeofaheavy󰀁haulrailwaywithanaxleloadof40t.Adiscussionwascarriedoutonmajordesignelementssuchasgeogrid,wall,surfaceplate,waterproofanddrainage,andfilling,etc.

Keywords󰀁geogrid,reinforcedretainingwall,heavy󰀁haulrailway

AResearchovertheTrackBedStatusIndexofQinShenPassenger󰀁dedicatedRailway

LiuYanfeng,GaoLiang

Abstract󰀁Acomprehensivetestwasmadeofvariousindicesconcerningtrackbedstatus,andsystematicanalysisandresearcheswereconducted.Rationalrecom󰀁mendationswereraisedwithrespecttothedeterminationoftrackbedstatusin󰀁dicesandconstructioncontrol.

Keywords󰀁Qinhuangdao󰀁Shenyang(QinShen)PassengerDedicatedRailway,one󰀁timelaying,crosssectionaljointlesstrack,trackbedstatus,indexTheTendencyofMountainTunnelinthe21stCenturyWangMengshu

Abstract󰀁Alotofmountaintunnelswillbebuiltinthe21stcenturyinChina,andlongtunnelswillcoveralargepart.Forsuchreasons,in󰀁depthstudyandde󰀁velopmentoftunnelconstructiontechnologymustbeperformedonsuchaspectsasprinciple,method,technology,andmaterial,andadesigntheoryof󰀁Chinesetunnelingmethod󰀁shouldbeestablishedtoguidethedesignandconstructionofmountaintunnels.Thetheoryshouldbebasedonstructurereliabilitytheory,pay󰀁ingattentiontothereliabilityanddurabilityoftunnels,thoroughlygettingridoftunneldefects,raisingthemechanizedconstructionlevelandspeed,removingfac󰀁torsaffectingrapidconstruction,andimprovingtunnelventilationbothduringconstructionandinoperation.Limitedcapitalshouldbeusedforbuildingmoretunnelsandundergroundworks,however,highqualityandrapidnessareprereq󰀁uisite.

Keywords󰀁mountaintunnel,Chinesetunnelingmethod,theorysystemAResearchovertheReconstructionSchemeofaHighway󰀁railwayGradeSepara󰀁

tionBridgeanditsImplementation

LiJian

Abstract󰀁Anargumentationisgiventothefeasibilityofdemolitionbyblastingoftwoframebridges(5󰀁5m󰀁9m󰀁5󰀁5m),andafterthat,jackingintwonewframebridgesinoriginallocations(14󰀁5m󰀁13󰀁0m󰀁13󰀁0m󰀁14󰀁5m).Techno󰀁logicalindicesfordemolitionofoldbridgesweregiven.

Keywords󰀁highway󰀁railwaygradeseparationbridge,demolitionofoldbridge,jackingin,schemestudy

NonlinearStabilityAnalysisofLargeSpanCable󰀁stayedBridgewithCalmXiongZhengyuan

Abstract󰀁Incrementiterationmethodwasusedforanalyzeandcalculatenonlin󰀁earaerostaticstabilityoflargespancablestayedbridgeswithconsiderationofcalmloadnonlinearimpactaswellasgeometricalnonlinearimpact,andcorrespondingcalculationprogramwasdeveloped.Thefeasibilityofthismethodwasverifiedthroughacable󰀁stayedbridgewithmainspanbeing1,000m.Discussionswerecarriedoutovertheimpactofsuchelementsascalmloadnonlinearandinitialangleofattackonunstabilitycriticalvelocityoflargespancable󰀁stayedbridgeswithcalm.

Keywords󰀁largespancable󰀁stayedbridge,calmnonlinear,aerostaticstability,geometricalnonlinear

KeyTechnologyforBodyRotatingofBeipanjiangRiverBridgeonShuiBaiRail󰀁way

ChenKejian

Abstract󰀁BeipanjiangRiverBridgeisadeck󰀁typesteeltubularconcretearchbridgewithmainbridgebeing236mlong.Singlehingeplanerotatingmethodwithbalanceweightwasusedfortrussofthearch,andtheweightofrotationamountedto104,000kN.Anintroductionisgiventokeytechnologiesofrotationdesign,andauthor󰀁sunderstandingofrotationdesignandconstruction.

Keywords󰀁ShuiBaiRailway,BeipanjiangRiverBridge,steeltubularconcretearchbridge,body󰀁rotationdesign,rotationconstruction.

DynamicAnalysisofaCable󰀁stayedBridgewithOpenSectionMainBeamLuoNingan

Abstract󰀁Consideringtheimpactofwarpinganddeformationofthemainbeamofopentypesuperposedbeam,therigidityandqualitymatrixofthinwallbeamu󰀁nitwasdeduced,andthreedimensionaldynamicanalysismodelwasestablished.Themodelcaneffectivelysimulatetherigidityandqualitysystemofbridgedecksystem,andcanalsogreatlyreducefreedomandcalculationwork.Themodelwasusedtocalculatethedynamiccharacteristicofacable󰀁stayedbridge,andtheresultconformedtomeasuredresult,provingthecorrectnessofthemethodandthemodel.

Keywords󰀁superposedbeamcable󰀁stayedbridge,openthinwallbeamunit,nat󰀁uralvibrationcharacteristic

TheGuidingActionofPartsFiniteElementStressCalculationtoCatenaryDe󰀁sign

RuanYunbin

Abstract󰀁Acomputerthreedimensionalmodelwasestablishedofthepartsofcatenary,andbasedonwhich,finiteelementanalysiswasconducted,directlyandquantitativelyshowingthestressdistributionofcatenaryparts.Thisworkcanprovidefirmtheoreticalbasisforcatenarypartsdesignandcatenarysystemdesigninthefuture.

Keywords󰀁catenary,finiteelement,railwayelectrification,stressanalysis