国内外长大隧道施工技术的综述与展

国内外长大隧道施工技术的综述与展望宋战平吴焕通二〇〇九年三月摘要：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。

21世纪世界隧道与地下空间的开发必将出现大量的长大隧道工程。

本文对国内外长大隧道工程及长大隧道工程的施工技术现状、取得的成就及发展趋势进行了综合分析.系统介绍了山岭隧道施工理念和山岭隧道防排水指导原则,长大山岭隧道的施工开挖技术现状、发展和山岭隧道支护技术现状、发展;讨论了长大隧道通风技术现状和山岭隧道的施工机械配置，指出了山岭隧道施工技术的发展现状;基于以上的分析,结合我国山岭隧道施工技术现状，展望了对21世纪长大山岭隧道的施工技术的发展趋势。

关键词：隧道工程；山岭隧道;施工技术；发展和展望0 前言当前，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。

中国是一个多山的国家，高速、准高速铁路、公路的发展和建设是中国21 世纪的特色；21 世纪的中国必然将出现大量的隧道工程，长大隧道的建设势在必行。

长大隧道的修建给我们带来了无限的机遇和挑战，为能更好地适应当前隧道施工技术的发展，提高我局长大隧道施工技术水平，以便在今后的长大隧道施工中能更好地、全面开发和应用新原理、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,深入了解当前国内外长大隧道施工技术现状，把握国内外长大隧道施工技术发展是十分必要的。

1 国内外长大隧道建设1.1 国外长大隧道建设隧道是一种修建在地下，两端有出入口,供车辆、行人、水流及管线等通行的工程建筑物。

OECD （国际经济合作与发展组织）1970年隧道会议综合各种因素对隧道所下的定义:“以某种用途、在地面下用任何方法按规定形状和尺寸修筑的断面积大于2m2的洞室."均称之为隧道.近代隧道兴起于十七世纪的运河时代，从这一时期起,欧洲陆续修建了许多运河隧道。

1820年前后,随着铁路运输的兴起，英国、法国等欧洲，然后是美国和明治维新后的日本先后开始修建铁路隧道。

在19世纪60年代以前，修建的隧道都用人工凿孔和黑火药爆破方法施工。

1861年修建穿越阿尔卑斯山脉的仙尼斯峰铁路隧道时,首次应用风动凿岩机代替人工凿孔。

1867年修建美国胡萨克铁路隧道时，开始采用硝化甘油炸药代替黑火药，使隧道施工技术及速度得到进一步发展。

在20世纪初期，欧洲和北美洲一些国家铁路形成铁路网，建成的5公里以上长隧道有20座。

20世纪60年代以来，隧道机械化施工水平有很大提高，全断面液压凿岩台车和其他大型施工机具相继用于隧道施工。

其后,喷锚技术的发展和新奥法的应用更是为隧道工程开辟了新的途径，而隧道掘进机的采用则彻底改变了隧道开挖的钻爆方式。

据2000年的统计数据，世界隧道主要分布在中国、日本、意大利、法国、美国、英国、挪威、瑞士、德国、奥地利和加拿大等国，其中，有超过总长1/3的隧道是本世纪五十年代后在中国和日本的铁路线上建成的。

日本在20世纪70年代末之前共建成5公里以上的长隧道达60座，为当时世界上铁路长隧道最多的国家,1981年建成的长22228米的大清水双线隧道，为当时世界最长的山岭铁路隧道；其后建成的长53850米的青函海底隧道为当今世界最长的海底铁路隧道.1。

2 国内长大隧道建设我国第一条铁路隧道是1890年建成的台湾狮球岭隧道，1903年建成第一座长度超过3Km 的兴安岭隧道。

截止2003年年底的统计资料表明,中国大陆上已建成的铁路隧道有7400余座；公路隧道1970余座.在“十五"期间，我国铁路、公路、水利等领域将建造总长超过 3000km 的隧道工程,其中长度大于 10km 的隧道约占 10％。

因此,中国是当前世界上隧道工程最多、最复杂、今后发展最快的国家。

中国大陆山岭隧道施工大致经历了上个世纪五十年代以前的以钢钎、铁锤和人力斗车为代表的“人力开挖时代”；六、七十年代以手持风钻、风动装岩机和电瓶机车、斗式矿车为代表的“小型机械化施工时代”.1956前后建设的2km 长的宝成铁路秦岭隧道施工中首次使用风动凿岩机和轨行式矿车，是中国大陆隧道施工由“人力开挖"过渡到“机械开挖"时代的标志。

1970年前后成昆铁路大于6km 的关村坝等长隧道施工中采用轻型“小型机械化”，创造了“百米成洞”,标志着中国大陆隧道建设进入了“机械化时代”。

八十年代修建长14.295 km 的大瑶山双线隧道，采用了进口液压凿岩台车、履带或轮式装载机、轨行式扒装机和大型运输汽车、组合列车等型机具综合机械化施工，标志着中国隧道“大型机械化作业时代”的开端。

大瑶山隧道的修建缩短了中国隧道同国际隧道先进施工水平的差距。

在此以后修建的长大隧道基本上都按照“大瑶山模式”进行施工，且在南昆铁路长9 388 m 米的花岭隧道施工中创造了单口月成洞502。

2 m 的山岭隧道施工记录。

以九十年代西康铁路秦岭1号线隧道采用大型全断面隧道掘进机(TBM ）为代表，我国隧道建设步入了现代隧道修建技术阶段。

秦岭隧道1号线采用8。

8 m 直径的全断面掘进机创造了单口平均月进度312m,最高月进尺528m ，单口最高日进尺40。

5m 的掘进记录.秦岭1号隧道的成功改变了中国大陆长大山岭隧道施工中采用钻爆法为唯一手段的施工现状,标志着我国隧道建设进入了“现代隧道修建技术时代"。

2。

长大隧道施工技术现状及发展就当前国内外长大隧道施工技术而言，隧道施工方法，除钻爆法与掘进机法外，在一些特殊条件下,还可采用其它一些施工方法，常见隧道施工方法见图1所示.但就世界范围内的隧道建设总体而言,当前量大面广的仍然是采用矿山法.中国大陆矿山法隧道施工在施工机械化程度、修建速度、长大隧道的修建能力(包括独头通风深度)等方面均同国际先进水平相差无几。

2.1隧道分类及相关概念根据其所在位置可分为山岭隧道、水下隧道和城市隧道三大类。

为缩短距离和避免大坡⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧盾构法沉埋法水底隧道施工方法盾构法浅埋暗挖法盖挖法明挖法法浅埋及软土隧道施工方掘进机法钻爆法矿山法山岭隧道施工方法隧道施工方法)( 图1 隧道施工方法道而从山岭或丘陵下穿越的称为山岭隧道；为穿越河流或海峡而从河下或海底通过的称为水下隧道；为适应铁路通过大城市的需要而在城市地下穿越的称为城市隧道。

这三类隧道中修建最多的是山岭隧道。

对山岭隧道，根据隧道长度将隧道区分为特长隧道（长度大于10Km)、长隧道（长度大于3Km）、中长隧道（长度大于500m）和短(长度小于500）;根据隧道开挖断面面积，以国际隧协建议标准将隧道分为特大断面隧道(开挖面积大于100m2）、大断面隧道（开挖面积50－100m2)、中等断面隧道（开挖面积10-50m2)、极小断面隧道（开挖面积小于3m2）。

根据以上概念，我国当前在建的长度大于3km的铁路、公路双线隧道均属于长大隧道。

这类隧道不但长度大，而且一般埋深也较大，且常常要穿越断层、涌水、高温、瓦斯、溶洞、暗河、岩爆、泥石流等水文地质及工程地质条件十分复杂而多变的地层。

因此长大隧道的生产系统十分复杂，包含了开挖、运输、衬砌、通风、风水管、供电、通讯、灾害防治和预警等子系统。

2.2 长大隧道施工理念及相关问题2.2.1 矿山法隧道施工概念山岭隧道的常规施工方法又称为矿山法，因最早应用于采矿坑道而得名。

在矿山法中,多数情况下都需要采用钻眼爆破进行开挖，故又称为钻爆法.从隧道工程的发展趋势来看,钻爆法仍将是今后山岭隧道最常用的开挖方法.在矿山法中，坑道开挖后的支护方法，大致可以分为钢木构件支撑（传统矿山法）和锚杆喷射混凝土支护（新奥法）两类。

作为施工方法，人们习惯上将采用钻爆开挖加钢木构件支撑的施工方法称为“传统的矿山法”；而将采用钻爆开挖加锚喷支护的施工方法称之为“新奥法”。

我国从20世纪60年代开始引用锚杆和喷射混凝土技术,近几十年来，通过工程实践积累了丰富的在不良地质等困难条件下用新奥法修建隧道工程的成功经验。

2.2。

2 新奥法基本原理“新奥地利隧道修建方法”(NATM)简称“新奥法”的概念是奥地利学者腊布希维兹(L。

V。

Rabcewicz）教授于20世纪50 年代首先提出的。

它是以既有隧道工程经验和岩体力学理论为基础，将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为主要支护手段，通过监测控制围岩的变形,便于充分发挥围岩的自承能力的施工方法.经过奥地利、瑞典、意大利等国的许多隧道与地下工程实践和理论研究及科学论证，于20 世纪60 年代取得专利权并正式命名为新奥法(NATM）。

之后新奥法在欧洲、美国、日本等国家的隧道和地下工程中获得了快速发展，已成为现代隧道工程新技术的标志之一。

新奥法的核心是充分利用围岩的自承与自稳能力，开挖后及时锚喷(网)支护，封闭围岩,控制围岩变形。

同时在施工中连续监测围岩动态，根据监测到的信息,随时调整设计、施工参数。

因此，所谓新奥法不是单纯的开挖、支护的方法和顺序，而是按照实际观察到的围岩动态的各项指标来指导开挖隧道的方法,因此,新奥法应该理解为新奥法原则而不能将其片面理解为施工的一种方法.基于以上的理解,可归纳新奥法的原则为充分保护、利用围岩自身的承载能力;其施工要点为控制爆破、锚喷支护和施工监测，其实施方法为设计、施工和监测三位一体的动态模式.中国在20世纪70年代末开始了解和接受新奥法的概念,从20世纪80年代开始在一些隧道的设计中贯彻了新奥法基本原理，采用了信息化设计方法，例如大瑶山隧道、南岭隧道、军都山隧道等。

1988年中国批准发布了《铁路隧道新奥法指南》，并编写了“喷锚技术法规则”等作业标准.随着新奥法基本原理在隧道工程实践中的应用，以及开挖方法、辅助工法、锚喷技术、现场监测技术等的不断完善和提高，逐步形成了具有中国特色的隧道修建方法,如“浅埋暗挖法”，即“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测"十八字决”和“复合式衬砌”等技术，丰富和发展了新奥法原理。

2。

2。

3 挪威隧道工法和新意法隧道工法所谓挪威法(NTM：Nonwegian Method of Tunneling),简单地说就是由正确的围岩评价（采用巴顿法(N.Barton）的Q系统）、合理的支护参数和高性能的支护材料（即，锚固支护＋喷射钢纤维混凝土相结合）三部分组成的一种经济而安全的隧道施工方法，它适用于公路隧道、铁路隧道、水工隧洞及大型地下工程中节理发育与极度松散破碎的岩体.挪威法在支护体系上的最大特点是把一次支护作为永久衬砌，只是在运营后，如果有涌水、冰霜等危害的情况下，才修筑二次衬砌。