科普微课堂 | 穿山过水看隧道
时间：2016年06月02日
——记隧道建设成就与发展
前言
我国是多山多水的国家，阿尔泰山、天山、祁连山、昆仑山、阴山、贺兰山、横断山、喜马拉雅山、太行山、秦岭、长白山、大兴安岭、雪峰山、武夷山和南岭等一级山脉，内蒙古高原、黄土高原、青藏高原和云贵高原等四大高原，以及众多二级山脉和山峦，阻碍了人们的出行；黄河、长江、珠江等江河以及众多湖泊，横亘在大地上，形成了天然的屏障。这些，都增大了公路建设的难度。3 0年来，特别是随着高速公路的加快发展，交通运输行业改变了传统劈山开道的做法，大力建设公路隧道和发展相关技术，取得了瞩目的成就。
在“十三五”开局之时，总结“十二五”期间公路隧道行业的发展成绩和技术成果，展望“十三五”公路隧道的发展趋势和科技方向，将有益于我国公路行业的科技传承与创新，有益于行业的可持续发展。
 |  |
| 世界十大最险公路之一“郭亮隧道” | 云南水麻高速公路螺旋隧道 |
建设成就
“十二五”期间，公路隧道建设成就显著。“十一五”末的2 0 1 0年，全国（不含港澳台地区，下同）公路隧道为7 3 8 4处、5 1 2 2.6公里，其中特长隧道2 6 5处、1 1 3 8公里，长隧道1 2 1 8处、2 0 2 0.8公里；截至2 0 1 4年底，全国公路隧道为1 2 4 0 4处、10756.7公里，特长隧道626处、276.62万米，长隧道2623处、4475.4公里。
“十二五”期间，公路隧道年增长里程超过1000公里，由于2015年统计数据尚未发布，以2014年数据进行比较，公路隧道里程已较“十一五”末增长了5 6 3 4.1公里，增幅超过1 0 0%。（编者注：2015年公路隧道的增速比较平稳，增长幅度应无大的变化。据此估算，2015年底，我国公路隧道至少增长1 4 0 0公里，2 0 1 5年末公路隧道数量、总里程将分别突破1.36万处、1.2万公里。）
目前，我国的隧道工程数量及建设规模，已跃居世界第一。从2012年起，我国公路隧道建设规模已超过铁路隧道，在“十二五”期间，涌现出一批高技术含量的公路隧道工程。
2011年通车的福建弄尾隧道，宽21.90米，单洞四车道，刷新了我国公路隧道开挖宽度的纪录。2011年开工、2 0 1 5年底贯通的青海鄂拉山隧道，海拔4400米，左线全长4715米，右线全长4655米，是世界上最长的高原冻土双洞公路隧道。2 0 1 3年建成通车的广东牛头山隧道，横截面积达243.5平方米，是中国断面最大的单向四车道公路隧道。2014年，我国最大断面黄土隧道——陕西西（安）宝（鸡）高速改扩建工程唐家塬隧道贯通，最大断面达172.4平方米。2 0 1 4年12月，世界最大断面的矩形顶管隧道——河南红专路隧道通车。红专路隧道高7.5米，宽1 0.4米。2 0 1 5年1 1月，海拔高度世界第一的长拉山隧道通车。长拉山隧道全长2400米，位于青海省玉树州杂多县境内，出口海拔4493米。
在水下隧道方面，“十二五”期间建成了中国最宽的湖底隧道——安徽方兴湖隧道，跨度16.45米，于2012年主体结构竣工；2014年建成通车世界上最大直径的单洞双层公路隧道——江苏瘦西湖隧道，隧道盾构段长1275米，直径14.5米。
在“十二五”期间，我国的公路路网不断向崇山峻岭、江河湖泊挺进，已出现越来越多的高海拔、高寒、高温、高地应力、富水岩溶隧道以及越江跨海水下隧道。
技术特点
1.勘察设计的新变化
“十二五”期间，公路隧道勘察与设计中应用与推广了一些数字技术。在勘察中，G I S（地理信息系统）、G P S（全球定位系统）、遥测遥感等技术，为复杂地质、复杂地形条件的公路隧道建设，提供了精度更高、速度更快的勘测手段。
在公路隧道设计中，B I M（建筑信息模型）技术被逐步引入，提高了设计协同度与工作效率，为复杂结构形式的隧道设计创造了条件。
同时，大跨、小净距、连拱、分岔、立交、螺旋、棚洞等非常规隧道逐渐增多，隧道抗震技术研究已取得一定进展。
2.施工技术的进步
我国公路隧道施工目前仍以钻爆法为主，盾构、T B M（全断面隧道掘进机）的应用在“十二五”期间有所增加。
针对钻爆法施工，形成了一批自主研发的凿岩台车、铣挖机、模板台车等装备，编写了一批施工标准与指南，规范了开挖支护作业流程，提升了施工质量，确保了施工安全。
面对盾构、T B M依赖进口的问题，“十二五”期间国产盾构、T B M已逐步站稳了国内市场，并在超浅埋、大断面、软弱地层等方面实现了技术突破。
3.复杂地质的处治技术
隧道面临的地质问题主要有断层、岩溶突涌水（泥）、高地应力、大变形、岩爆、瓦斯等。在“十二五”期间，随着公路隧道建设量的增大，以及向西部偏远地区发展，公路隧道建设中面临的这些复杂地质问题不断涌现。总体来看，在复杂地质处理技术方面，虽然尚未从根本上全部解决问题，但已有了一定的技术积累，形成了一批研究成果，编制了一批技术指南，有效保障了建设安全。
4.新材料新技术的应用
“十二五”期间，一些新材料、新技术、新工艺在公路隧道工程中不断得到应用。在防水方面，研发了喷射防水层；在衬砌结构方面，应用了高性能防腐蚀混凝土；在照明方面，推广了L E D（发光二极管）照明，出现了自发光材料、太阳能照明；在监控方面，应用了无线远程监测技术；在检测方面，引进与研发了隧道结构健康检测车。
在建设里程高速增长之后，公路隧道工程运营养护工作已愈发引起重视，但是，整体来看，公路隧道运营管理及养护技术还在智能化、信息化、标准化方面有较大发展空间。
“十三五”技术发展趋势
按照交通运输部建设“综合交通、智慧交通、绿色交通、平安交通”四个交通的要求，对标技术发达国家的标准，我国公路隧道行业应在“十三五”期间，着力对“十二五”期间面临的以下问题继续开展深入研究：隧道耐久性，勘测与地质预报，岩溶、瓦斯、大变形、岩爆及冻土处治技术，水下隧道，大型掘进机施工技术。
尤其应在建设、养护和运营等方面，整体提高隧道机械化、装配化和信息化、低碳化水平。
1.隧道施工机械化
隧道建设有钻爆法、盾构掘进机法、沉管法三大类，目前以钻爆法为主。
长期以来，我国钻爆法隧道工程施工机械化程度不高，在爆破钻孔、锚杆打设、围岩注浆、混凝土喷射、防水板铺挂、衬砌浇筑、施工通风和出渣运输等方面，存在劳动力密集的问题，对人员健康、安全保障、施工效率和工程质量存在不利影响。随着劳动力成本持续攀升和安全质量环保理念提升，公路隧道施工对机械化的需求日益提高，如何减少隧道开挖面人员、提高施工机械化程度是摆在公路建设者面前的紧迫任务。
“十三五”期间，应大力引入和应用隧道施工与养护成套机械：提高爆破钻孔和锚杆打设效率的多臂凿岩台车、减少回弹的大体积混凝土湿喷射机械、实现隧道“开挖—支护—衬砌”三维数字成像的快速扫描系统、不中断交通的隧道病害车载检查和处治系统，同时，积极开展T B M在山岭隧道开挖中的应用。
总体上，实现隧道施工主要工序的机械化。
2.隧道建设装配化
隧道三大类工法中，盾构掘进机法在装配化方面做得比较好，主要工序“护盾下的安全高效开挖、自动或半自动出渣、衬砌工厂化预制—现场自动拼装、全工序一体化”均实现了装配化，其施工效率和施工质量有一定的保障。相比而言，钻爆法隧道衬砌及其构件，基本上均为现场浇筑施做，施工环境恶劣，施工质量难以保障；“开挖—支护—衬砌”被分为彼此独立的工序，缺乏配合，施工效率难以提高。稍有不慎，易引发安全事故和质量问题。
“十三五”期间，应大力引入和提高隧道工序、结构和构件的装配化水平：实现隧道内“检修道—电缆沟—水沟”整体结构的工厂预制化、现场拼装；逐步实现衬砌结构的工厂预制化、现场自动拼装技术；采用初期支护大体积喷射混凝土高质量施工技术，完全避免支护及衬砌背后脱空；积极研发“开挖—支护—衬砌”全工序一体化施工平台，提高全工序的装配化水平。
3.隧道建管养信息化
公路隧道的信息化应用主要在两个方面：施工控制信息化和运营管理信息化。
目前，公路隧道施工控制信息化水平普遍较低，体现在：施工监控量测基本上还停留在人工采集数据、室内分析，采集频率低、报警不及时。要实现对隧道施工安全的全天候监控、数据“实时采集—传输—分析—报警”，必须采用信息化技术和手段；施工现场管理、人员管理和环境管理还存在盲区，隧道施工现场封闭、环境恶劣、事故易发等特性，亟需采取措施实现对其的监控管理。
运营管理方面，目前高速公路虽然都配置有较为完善的监控、通信、通风、消防和照明系统，但其在日常运营和应急事件处置中，暴露出不少问题：交通异常自动化识别能力低，逃生救援引导手段缺乏，机电设施联动控制水平低下等，严重威胁到司乘人员生命、财产的安全，整体信息化水平还有待提高；同时，低等级公路如何实现在低成本下的运营管理信息化，也是当务之急。
“十三五”期间，应大力引入和提高隧道施工控制和运营管理的信息化水平：隧道施工现场普遍采用信息化平台，实现对施工“开挖—支护—衬砌”主要工序点的视频监控、隧道内施工人员的准确定位、隧道内环境信息（有害气体、二氧化碳、氧气、温度、湿度、灰尘等）全天候监控、隧道危险断面和工序转换断面的围岩位移—应力全天实时数据采集、分析和报警；提高隧道运营管理平台的信息化水平，实现对日常交通流和异常交通流的“实时监控—分析—统计—报警”等功能，应急事件发生后的自动智能高效联动控制和逃生救援的高效引导等、机电设施运营状态的全天候监控、分析和报警等。
4.隧道建管养低碳化
低碳环保是当今世界发展的主题，更是我国“十三五”发展的理念，同时，公路隧道高额的营运成本也成为制约隧道建设的重要因素，节能降耗、低碳环保应该是“十三五”期间需要重点加强研究与取得突破的方向。低碳化方面主要包括：低碳环保基础理论与技术的建设技术、理念与原则的系统整理总结，将低碳环保理念深入工程各方人员人心，并贯彻到过程中。从工程选址、路线比选、结构设计、施工方案、营运策略等各方面，进行充分的环保与节能研究论证；基于行车舒适性、驾驶视觉特征、驾驶心理特征的公路隧道机电系统研究与应用；基于隧道交通特征、环境条件、行车速度的的隧道照明与控制系统研究与应用；隧道废气净化技术及装置的研发与应用。
“十三五”关键技术展望
在“十二五”时期公路隧道科技发展的基础上，紧密结合当前交通基础设施大建设和重运营的实际，针对所面临的核心技术难题，“十三五”期间需突破一批重大关键技术，强化科技成果的转化和应用，全面提升交通技术领域的科技含量，为交通全面协调可持续发展提供有力保障。
未来5年，公路隧道在勘察设计、施工技术、运营养护等方面需解决一批关键技术难题，保障基础设施建设顺利实施；建设技术和养护技术全面提高，整体达到国际先进水平，在以下重点研究方向上进行突破：
v高寒地区隧道建设和运营管理；
v复杂异形地下结构设计施工技术；
v钻爆法隧道局部TBM掘进技术；
v超长海底公路隧道建设与运营关键技术及设备；
v深海悬浮隧道理论设计及施工关键技术；
v不中断交通的公路隧道高效检测和维修加固技术与装备开发；
v公路隧道节能减排与环境保护技术，包括公路隧道超长通风区段运营通风新技术与防排烟技术、基于远程变频技术的公路隧道节能通风系统、基于物联网的公路隧道按需照明运营技术、按需公路隧道高浓度污染空气净化技术等；
v特长公路隧道火灾事故点精准定位及数字化动态监测评估、智能疏散救援技术；
v公路隧道运营期养护管理决策智能系统；
v隧道改扩建设计施工关键技术；
v新技术、新材料、新工艺在隧道工程建设中的应用。
“十二五”期间，我国公路隧道行业开展了公路隧道基础理论、实验技术、结构型式、环保建设、复杂条件建设、安全节能等方面的研究，总体建立起了公路隧道“规划—勘设—施工—运营—养护”成套技术体系，实现了跨越式发展，但按公路隧道技术强国的标准来要求，尚有差距。“十三五”期间，公路隧道行业应在“四个交通”纲领指引下，在机械化、装配化、信息化、低碳化等方面持续创新、不断进步，进一步提高我国公路隧道行业的技术水平，依靠科技进步实现隧道大国向隧道强国的转变。
（撰稿人：吴梦军、李科）
上一篇：科普微课堂 | 天门奇险索虹桥
下一篇：桥在云蒸霞蔚间