创新之树常青——《现代隧道技术》创刊60周年.pdf

创新之树常青 现代隧道技术 创刊60周年现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版收稿日期：2024-02-15修回日期：2024-02-29作者简介：王建宇（1940-），男，研究员，主要从事隧道工程围岩稳定性分析和支护技术研究工作，E-mail：.创新之树常青 现代隧道技术 创刊60周年王建宇（中铁西南科学研究院有限公司，成都 611731）摘要：时值 现代隧道技术 创刊60周年，本文回顾了60年来中国隧道工程技术进步，追赶现代化水平的历史，并展望未来，论述技术创新目标从“长隧道机械化快速施工”到“安全，优质和环境友好”的提升。关键词：现代隧道技术；创刊60周年；中国隧道工程技术进步；技术创新目标中图分类号：U45文献标志码：A文章编号：1009-6582（2024）02-0001-04DOI:10.13807/ki.mtt.2024.02.001引文格式：王建宇.创新之树常青 现代隧道技术 创刊60周年J.现代隧道技术,2024,61(2):1-4.WANG Jianyu.The Tree of Innovation is EvergreenThe 60th Anniversary of Modern Tunnelling TechnologyJ.ModernTunnelling Technology,2024,61(2):1-4.1隧道工程的技术进步1.1刊物的创办背景当交通运输的网络向山区拓展时，建设者们的注意力会聚焦于隧道工程。这个克服地形障碍的关键环节对整体项目的成败优劣，起着决定性的作用。想当年，由于修建长隧道能力的短缺，不少山区铁路或公路不得不采用迂回盘旋的“灯泡线”而“翻山越岭”，锁住了车速和运量，形成整条线路的咽喉。1963年，铁科院西南所承担了“研究和发展长隧道机械化快速施工”和关于不良地质隧道工程的一批重点课题。“长隧道”、“快速施工”、“机械化”和“不良地质”等几个关键词反映的目标非常明确。深感国家建设的迫切需求，出自了解国际先进技术和水平的企望，西南所同四川省科学情报研究所合作，于1964年创办 隧道译丛，刊登国外隧道工程技术文献的译文和述评。读者的反馈信息表明，这些内容给隧道建设者提供了帮助，刊物得到了隧道界同行的普遍重视。那时，我国隧道工程技术同国际先进水平尚有较大的差距。以隧道占线路长度31.5%的成昆铁路为代表的西南铁路建设显示了我国隧道工程的技术进步：隧道的修建速度达到了“百米成洞“的水平，还成功地建成了长度达6 km的长隧道。但是，从总体看，隧道施工处于“半机械化“状态，难属现代化隧道工程之列。成昆铁路还放弃了小相岭长隧道越岭方案，仍采用迂回翻山的沙马拉达“灯泡线”1。国家的改革开放政策给科学技术的进步创造了良好的条件。1979年，中国土木工程学会派出代表团赴亚特兰大出席国际隧道协会（ITA）年会。在会上，高渠清教授以“促进隧道工程的技术交流和合作”为题做了陈述。从此，我国成为ITA会员国1。1990 年，ITA曾经在成都举办第 16届年会和隧道工程国际研讨会。1.2实现隧道工程的“现代化”1989年，长达14.295 km的大瑶山隧道在我国隧道工程史上树立起一个重要的里程碑，成为我国隧道工程赶超“现代隧道技术“水平的标志。矿山法隧道工程的“现代化“，其主要内涵是：（1）采用高效能重型机具，隧道工程的几个施工环节开挖、出渣和支护（包括初期支护和二次衬砌）全盘机械化；（2）藉助以锚杆和喷射混凝土为主的同围岩紧密结合的初期支护以及围岩注浆等岩土改良措施，控制围岩对开挖的力学响应，遏制围岩的离散，最大程度地激发和利用围岩的自承能力。这样一来，对软弱围岩等不良地质条件的矿山法隧道修建理念从根本上进行了更新。1创新之树常青 现代隧道技术 创刊60周年现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024继大瑶山隧道的成功修建，随着隧道工程的机械化程度不断提升以及锚杆-喷射混凝土等新型支护和岩土改良技术的推广，从修建长隧道的能力和进度以及不良地质隧道施工技术等角度看，我国矿山法隧道工程已经达到“现代化”水平。目前，我国已成为长度15 km以上铁路隧道修建最多的国家。采用长隧道方案（欧洲称“Base tunnel-山底隧道”）使交通运输从“翻山越岭”改变为“穿山越岭”，路网水准和运输能力显著提升，在地形复杂的山区修建高速铁路和高速公路也成为可能。中国隧道工程技术对现代化的赶超还反映于隧道修建方法的多元化。盾构法和水下隧道沉埋管段法的崛起是两个十分明显的例子。国产盾构机研发成功和大量运用，使盾构法很快就被列入我国多元化隧道修建方法的行列。特别是在我国城市交通主要设施地下铁道的建设中发挥了重要作用。说到修建水下隧道的沉埋管段法，还记得1993年建成的广州珠江隧道，由5节管段组成的沉管总长457 m。此工程的完成是我国隧道工程的一个突出业绩。再看看2017年建成的港珠澳海上通道的水下隧道，长达5 664 m，由33节管段和长12 m、质量达6 500 t的“最终接头”拼接而成。最大安装水深达40 m，修建难度大。管段预制的机械化程度，浮运、沉放、拼接安装技术都显示了“现代化水平”。过去说“逢山开洞，遇水架桥”，随着用各种不同方法修建水下隧道的技术进步，“遇水开洞”也成为选项，如今，用隧道跨越河流和海湾的工例层出不穷。隧道建设者的智慧和创造给了刊物编辑人员“更上一层楼”的信心和为此而努力的激情。经国家科委批准，该刊从1995年起由 隧道译丛 改名为世界隧道，开始刊登我国学者和技术人员的文章，并于1998年被定为中国土木工程学会隧道及地下工程分会的会刊。进入21世纪，我国经济规模的增长和可持续发展战略对隧道工程提出了更高的要求。考虑到科技人员阅读外文文献已不困难，本刊基本上不再刊登译文，从2001年开始，世界隧道 改名为 现代隧道技术。此刊成为我国隧道界总结经验、探讨问题和学术交流的论坛。每篇文稿均加注英文摘要，以便对国外交流。从2015年至2023年，国际隧协每年举办“ITA隧道和地下空间奖”的评选，评选出的奖项共计74项。其中，中国隧道工程获奖 23项。2019年，严金秀研究员当选为国际隧协主席。2技术创新的目标：“把隧道修得更好一些”2.1“安全”“优质”“环保”我国隧道工程技术实现了对“现代化”水平的赶超，并不意味着到达了技术进步的终点。关于“可持续发展”（Sustainable Development），联合国环境与发展委员会(WCED,UN)取得的共识是：“既满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害。”1992年，联合国环境与发展大会在宣示环保理念的时候，采用了“环境友好”一词来表达人类活动与大自然的关系。面对可持续发展战略，如何调整隧道工程技术的发展和创新目标？刊物应结合工程实际，更好地发挥总结经验、探讨问题和学术交流的论坛作用。从适用范围、修建规模等角度看，在隧道修建方法多元化的今天，矿山法仍然是现代隧道工程中量大面广的“重头戏”。中文文献中的“矿山法”，国际隧协称“Conventional Tunnelling”（“传统隧道工程”），其定义是2：采用包括开挖（凿岩爆破或除全断面TBM外的机械开挖）、出渣和支护等三个环节的循环工序施工，洞室形状不拘的隧道工程。本文就以“传统隧道工程”矿山法隧道工程为例，对现代隧道工程技术的未来进行一番展望。矿山法隧道工程特点是对地质体原有平衡的破坏。隧道工程师的责任在于在规避安全风险，确保工程品质的前提下重建地质体的平衡，实现人和大自然的“友好”。因此，对隧道工程技术进步的追求和创新的主题当从“把隧道修得快一点，长一点”更新为“把隧道修得更好一些”，正如国际隧道协会用“为改善对地下空间的利用而努力”（Towards an improveduseofundergroundspace）的口号所概括的那样。“把隧道修得更好一些”的内涵可以用“安全”“优质”和“环保”表达3。这三个土建工程熟见的关键词对矿山法隧道工程有独特的深刻含义。这要从矿山法隧道工程的特异性谈起。2.2矿山法隧道工程的特异性（1）地质环境的不确定性地质环境的不确定性是安全风险的主要缘由。在多元化的隧道修建方法中，矿山法隧道工程安全风险较为突出。（2）隧道工程的隐蔽性2创新之树常青 现代隧道技术 创刊60周年现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版封闭的隧道衬砌，给隧道工程品质的管理、检测以及运营期的健康诊断和维护带来了特殊性和难度。（3）隧道工程对自然环境的负面影响隧道开挖对地质体原有平衡的破坏会对自然生态和人居环境产生负面影响。2.3规避施工安全风险有资料表明，施工阶段的安全风险主要来自围岩的坍塌。延性的软弱围岩，随着变形的发展，有一个从松弛到离散的过程：当围岩变形发展至某一阈值,岩体会分解成互不关联，脱离了地应力背景的无应力离散体，从基岩体塌落或以自重形成“离散压力”荷载，作用于支护结构。如若初期支护不能将围岩的变形控制在小于离散阈值的程度，围岩坍塌或离散压力荷载将随之发生。对这个同坍塌风险相关的离散阈值的探索显然是一个重要的课题。此外，还可以通过对监控量测所得时态曲线的“形象化判识”做出坍塌风险的预警。但是，多年来，监控量测的技术进步主要体现在数据的采集和传输方面，很少将注意力集中到数据的判识和信息反馈上。在施工前把握全隧道地质条件是困难的。因此，与隧道掘进同步进行的超前地质预报也是规避施工安全风险的有效措施。2.4隧道工程品质的管理既有隧道病害调查表明，工程品质的管理是矿山法隧道工程的薄弱环节。隧道工程的品质的管理牵涉诸多方面，重点是隧道的安全度和耐久性。（1）隧道工程的设计和安全度评估4在地面工程结构已广泛采用“失效概率”这一定量指标表达工程结构可靠度的今天，矿山法隧道工程仍然不能通过数值计算定量地提供安全度指标。早年，按普氏卸载拱理论，隧道设计普遍采用“作用和反力”模型（Action and Reaction Models），亦称“荷载结构”模型。我国学者曾通过对不同围岩塌方高度和弹性抗力系数等参数的数理统计分析提出了基于可靠度理论的概率极限状态设计方法，适用于整体式衬砌5。与隧道设计规范中的“荷载结构”模型不同，现代矿山法隧道工程的基本理念是围岩与支护结构共同承受来自地应力的“荷载”，须采用“连续体”模型（Continuum Models）进行计算。这个“连续体”的荷载（称“作用”）并非来自“塌方高度”描述的离散岩土体自重。作为承载体组分的围岩介质性态的模糊性和数量化表达的困难，岩土体极限状态判定准则的准确性，支护构件同围岩耦合的时差等问题都会影响“连续体”数值计算结果的仿真程度。因此，基于“连续体”模型的数值计算主要用于围岩力学响应的定性判识，还不能苛求通过数值计算定量地获得设计参数和安全度指标。与地面结构工程不同，矿山法隧道工程的设计手段的特点在于“数值计算+工程类比+监控量测”的综合以及按“勘察设计施工”循环流程进行的“信息化”动态设计。定量地提供复合式衬砌的安全度指标（或称“总安全系数“）是现代矿山法隧道工程设计中的难题，大有文章可做。我国已有专家正在着力研究6。（2）隧道的耐久性隧道的耐久性牵涉到诸多方面。面对矿山法隧道衬砌的裂损，人们首先想到的是衬砌厚度和混凝土强度是否达标。其实，在现代隧道工程机械化施工条件下，影响耐久性的关键常常并不在二次衬砌厚度和混凝土品性，须强调的是：（A）被隐蔽的初期支护品质由喷射混凝土组合的包含钢筋网、加筋肋、型钢或格栅钢架等组件的结构之整体性也是初期支护品质管理的要点。此外，锚杆施工的不规范常常影响初期支护的功能。建立一套初期支护的施工管理、品质检测和评定办法十分必要。（B）复合式衬砌的整合性“整合性”的含义是“围岩+初期支护+防水板+二次衬砌”四者相互贴合，避免空洞和间隙的形成。整合性的缺陷，不但会劣化支护结构的力学性能，而且给岩体离散提供了空间，严重影响隧道的耐久性解决复合式衬砌的整合性问题也是矿山法隧道工程技术中的一个重要课题。2.5矿山法隧道工程和地质体的和谐矿山法隧道工程直接面对地质体，同自然环境的“友好”不仅在于“三废处理”，降低能源和建筑材料消耗，直接或间接地控制碳排放量等内容，重点是按现代隧道工程的新理念，通过支护手段和岩土改良，最大限度地激发和利用围岩的自承能力，重建地质体的平衡，遏制围岩的离散坍塌，最大限度减少对地质体的伤害，实现隧道工程和地质体的和谐。值得强调的还有地下水资源的保护。对于不能封堵衬砌的高水头地下水情况，须认真研究通过围岩注浆减小渗透系数的排水量控制技术，控制地下水的流失，恢复流态的稳定。3创新之树常青 现代隧道技术 创刊60周年现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024同时，必须根据自然生态和人居环境制定隧道工程地下水排放量的允许值。3结 论除了矿山法隧道工程，TBM(包括盾构)和沉埋管段法等其它修建方法也大有创新余地。隧道工程的技术进步不但支持了交通路网的发展，也全面促进了地下空间的开发和利用。各种地下建筑物的修建，可以有效地改善生活环境，创造良好的生产作业或贮存物资的条件，防御灾害，节约能源，适应城市高速发展的需要。对现代隧道工程技术发展的展望，向隧道建设者显示了旷阔的创新空间。也给 现代隧道技术 提供了丰富的稿源。相信创造了隧道修建史上令人瞩目的工程奇迹的一大批真才实学的同行将不断向刊物提供自己精彩的作品。参考文献References1 王建宇.隧道工程的技术进步M.北京:中国铁道出版社,2004:216-230+206.WANG Jianyu.Technological Progress in Tunnel EngineeringM.Beijing:China Railway Publishing House,2004:216-230+206.2 Working Group 19.General Report on Conventional Tunnelling Method:ITA Report No002R.Geneve:ITA-AITES,2009.3 王建宇.对矿山法隧道工程创新主题的思考J.现代隧道技术,2022,59(3):1-9.WANG Jianyu.A Critical Reflection on Innovation Themes of Conventional TunnellingJ.Modern Tunnelling Technology,2022,59(3):1-9.4 王建宇.追求隧道工程与地质体的和谐矿山法隧道工程若干热点问题探讨J.现代隧道技术,2023,60(4):1-5.WANG Jianyu.For the Harmony between Tunnelling and Geological BodyDiscussion on Focused Hot Issues in ConventionalTunnellingJ.Modern Tunnelling Technology,2023,60(4):1-5.5 景诗庭,朱永全,宋玉香.隧道结构可靠度M.北京:中国铁道出版社,2002.JING Shiting,ZHU Yongquan,SONG Yuxiang.Reliability of Tunnel StructureM.Beijing:China Railway Publishing House,2002.6 肖明清.隧道支护结构设计总安全系数法M.北京:人民交通出版社,2020.XIAO Mingqing.Total Safety Factor Method of Tunnel Support Structure DesignM.Beijing:China Communications Press,2020.The Tree of Innovation is EvergreenThe 60th Anniversary of Modern Tunnelling TechnologyWANG Jianyu(China Railway Southwest Research Institute Co.,Ltd.,Chengdu 611731)Abstract:On the occasion of the 60th anniversary of the publication of Modern Tunnelling Technology,this paperreviews the history of Chinas progress in tunnelling technology and catching up with modernization over the past 60years.It looks forward to the future,discussing the evolution of technical innovation goals from mechanized rapidconstruction of long tunnels to safety,quality,and environmental friendliness.Keywords:Modern Tunnelling Technology;60th Anniversary;Progress in Chinese Tunnelling Technology;Technical Innovation Goal4