中國(guó)路橋技術(shù)（七）：隧道涵洞的世界奇觀

就像魯迅先生說(shuō)的，這世界本沒(méi)有路，走的人多了就有了路。道路是人類(lèi)足跡的，也是人類(lèi)意識(shí)形態(tài)交匯的脈絡(luò)，人類(lèi)的財(cái)富和文化在這之上碰撞交融；道路的延伸就是人類(lèi)對(duì)這個(gè)世界認(rèn)知的延伸。源遠(yuǎn)流長(zhǎng)的中華文明對(duì)人類(lèi)進(jìn)步做出了偉大貢獻(xiàn)，在漫漫的歷史長(zhǎng)河中鐫刻下無(wú)數(shù)的輝煌，是中華民族凝聚力與創(chuàng)造力的源泉，中國(guó)的路橋技術(shù)也隨著這些文明的烙印在不斷發(fā)展延伸。然而，近代的中國(guó)曾經(jīng)在工程技術(shù)領(lǐng)域全面落后，直到新中國(guó)成立特別是改革開(kāi)放后，中國(guó)的路橋技術(shù)才又有了重回漢唐一般的飛躍式發(fā)展，找回了昔日的榮光。

第七節(jié) 隧道涵洞的世界奇觀

隧道在上世紀(jì)修建的數(shù)量并不高，因?yàn)槠涫钦麄€(gè)道路工程中最難以預(yù)測(cè)的部分，難預(yù)測(cè)就意味著難度也是最大的。為什么這么難，是因?yàn)樗淼拦こ痰淖畲髷橙恕刭|(zhì)因素。

前期的地質(zhì)勘查工作，并不能夠在后期的施工過(guò)程中，防止不出現(xiàn)任何問(wèn)題，而是為了下面幾點(diǎn)：第一，能夠選擇合適的隧道施工方式和方法；第二，對(duì)隧道工程的施工難度和施工量有所預(yù)計(jì)；第三，就是能夠預(yù)測(cè)未來(lái)將要遇到的問(wèn)題，以此為依據(jù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的預(yù)案，保證工程能夠順利延續(xù)。所以探明地質(zhì)問(wèn)題是隧道建設(shè)的首要問(wèn)題，如果不能相對(duì)精確的工區(qū)的地質(zhì)情況，那么將是災(zāi)難性的結(jié)果，比如從預(yù)計(jì)修建5年半的大柱山隧道工期延長(zhǎng)到了13年，就像電影中的臺(tái)詞，我猜中了開(kāi)頭卻沒(méi)有猜中結(jié)尾，雖然在勘查工程中，得出了“本隧道構(gòu)造發(fā)育，巖體完整性差，斷層破碎帶結(jié)構(gòu)松散，易產(chǎn)生突水、涌泥及塌方；隧道可溶巖比例高．巖溶發(fā)育，含豐富地下水；部分地層含炭質(zhì)泥頁(yè)巖，具有產(chǎn)生瓦斯的條件；隧道洞身侵入體發(fā)育。侵入體與母巖接觸帶圍巖較差。”的結(jié)論，并給予了相應(yīng)的施工建議，但在實(shí)際施工中，難度還是大大超出預(yù)期，其燕子窩段最大涌水量達(dá)到了1.22萬(wàn)立方米/小時(shí)，水壓之高能降重達(dá)近20噸的挖掘機(jī)沖出40米遠(yuǎn)，遠(yuǎn)超報(bào)告中全段隧道日涌水量8萬(wàn)立方米。156米的燕子窩斷層足足挖了26個(gè)月，其工程難度吸引來(lái)了超過(guò)500多位專(zhuān)家前來(lái)會(huì)診，其中還有中國(guó)工程院院士王夢(mèng)恕、我國(guó)施工設(shè)計(jì)名師史玉新?？梢哉f(shuō)大柱山隧道90%的時(shí)間是用來(lái)處理險(xiǎn)情的。

開(kāi)挖隧道本來(lái)是先破而后立的工程，但遇到地質(zhì)條件復(fù)雜的施工地段，當(dāng)隧道穿越軟弱破碎圍巖時(shí)，開(kāi)挖擾動(dòng)會(huì)引起較大的圍巖變形，有時(shí)候還會(huì)涌水、涌砂層，引起隧道塌方。為了避免出現(xiàn)這樣的問(wèn)題，隧道工程人員探索出一種先立而后破的隧道施工方法——超前支護(hù)方法，即在隧道開(kāi)挖前,先對(duì)圍巖進(jìn)行加固,使開(kāi)挖面周?chē)鷳?yīng)力干擾達(dá)到最小。管棚超前支護(hù)施工技術(shù)更是將超前支護(hù)發(fā)揮至極，管棚剛度較大，施工時(shí)如再次發(fā)生塌方，塌渣也是落在管棚上部巖渣上，起到緩沖作用。

從上世紀(jì)80年代直到世紀(jì)末，工程技術(shù)、管理和設(shè)備都開(kāi)始同國(guó)際接軌，一方面開(kāi)始使用TBM（全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)）等大型設(shè)備，施工裝備大大優(yōu)化；另一面，其他科學(xué)技術(shù)水平的提高，如GPS的應(yīng)用、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的推廣，提高了對(duì)地質(zhì)條件的認(rèn)知能力，提高了我國(guó)隧道建設(shè)的水平，有了建設(shè)超長(zhǎng)隧道（長(zhǎng)度≥10千米）的能力。

2007年11月開(kāi)工的青藏鐵路西寧至格爾木段的關(guān)角隧道，是目前全球最大的高原隧道,也是中國(guó)國(guó)內(nèi)第一個(gè)長(zhǎng)隧，2014年4月全線(xiàn)貫通。隧道結(jié)構(gòu)為兩條分離式單線(xiàn)隧道組成，全長(zhǎng)32.46公里，隧道進(jìn)口高程為3380.75米，出口高程為3324.05米。工區(qū)位于青藏高原亞寒帶半干旱氣候區(qū)，年平均氣溫-0.5℃，極端最高氣溫28.0℃，極端最低氣溫-35.8℃，最大月平均日溫差24.7℃，平均氣壓672.67兆帕。為了滿(mǎn)足這種高原氣候,引入了斜井分割不動(dòng)的工藝,大大提高了給氣量,適應(yīng)了高海拔,長(zhǎng)時(shí)間的作業(yè)面的要求;另外,為解決高海拔狀態(tài)下的施工困難,提高效率,還在七號(hào)斜井和九號(hào)斜井上首次引入了鉆爆法工藝,以及斜井皮帶機(jī)出砟工藝等,為我國(guó)的建筑施工技術(shù)提供了一個(gè)全新的方法。

同鐵路隧道相比，公路隧道除了正常的修建難度，由于行駛的機(jī)動(dòng)車(chē)輛的可能產(chǎn)生的情況要比列車(chē)多得多，所以在設(shè)計(jì)線(xiàn)路的時(shí)候需要考慮的事情更多：首先是機(jī)動(dòng)車(chē)在行駛過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的尾氣，這些尾氣在封閉空間中會(huì)產(chǎn)生不良反應(yīng)，這就需要更高效率的通風(fēng)系統(tǒng)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)能夠順暢運(yùn)行，保障乘車(chē)人員的正常生存需要，這也是公路隧道的建設(shè)長(zhǎng)度一般不超過(guò)10公里的原因；然后就是駕駛員在超長(zhǎng)公路隧道中，還會(huì)因?yàn)榫跋髥我欢a(chǎn)生視覺(jué)偏差，影響駕駛員的判斷，對(duì)此需要采用更加科學(xué)的照明方式和隧道內(nèi)景觀設(shè)計(jì)，抵消這種不良影響。終南山公路隧道無(wú)疑遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了10千米的最大建議長(zhǎng)度，為減少在入隧道和出隧道時(shí)形成的"黑洞"和"白洞"效應(yīng),使駕駛員可以更迅速地適應(yīng)照明環(huán)境和輕松查看道路情況,，設(shè)計(jì)人員針對(duì)性的將隧道分為五個(gè)區(qū)域——引入?yún)^(qū)、閥值區(qū)、過(guò)渡區(qū)、內(nèi)部區(qū)和出口區(qū)，每個(gè)區(qū)域的光源強(qiáng)度都通過(guò)計(jì)算機(jī)控制，形成一個(gè)完整的照明系統(tǒng)（終南山隧道的LED誘導(dǎo)燈系統(tǒng)）。

2007年1月20日正式通車(chē)的秦嶺終南山公路隧道為雙洞隧道，單洞長(zhǎng)18.02公里，為中國(guó)第一長(zhǎng)雙洞公路隧道，僅比位于挪威西部地區(qū)的世界最長(zhǎng)的洛達(dá)爾單洞公路隧道的24.51公里短5.49公里。超長(zhǎng)公路隧道的通風(fēng)，照明和消防設(shè)計(jì)和施工的工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)都有其特殊性。秦嶺終南山隧道工程的多個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例成為了全國(guó)參考的重要標(biāo)準(zhǔn)。如2015年末建成通車(chē)的東湖隧道，更是將這種分段照明系統(tǒng)發(fā)揚(yáng)換大，隧道燈光的顏色雖然依舊沒(méi)有使用單一顏色的照明設(shè)備，但是更加追求模仿自然照明，同時(shí)在引入?yún)^(qū)和出口區(qū)都是使用自然光和燈光結(jié)合的方法，結(jié)合了人體工程學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)行了多段變光、變色，讓人進(jìn)入隧道時(shí)逐步適應(yīng)隧道燈光，出隧道時(shí)再逐步適應(yīng)外部自然光，如同“潛虬隱水，層林盡染”，整個(gè)設(shè)計(jì)格局顯得更加的大氣和諧。

修筑隧洞施工的其中一個(gè)技術(shù)是沉管法,亦稱(chēng)為預(yù)制管段沉放法。這種方法針對(duì)跨水域通道，其要求是水道河床穩(wěn)定和水流并不過(guò)急。沉管法相對(duì)于常規(guī)的掘進(jìn)方法,如同打開(kāi)了外掛門(mén)一樣:由于管段的事前準(zhǔn)備,便于控制管理,實(shí)施工期較短,環(huán)境狀況好,安全系數(shù)較大;同時(shí)節(jié)約了大量的開(kāi)挖土地,工程造價(jià)也較低;而且隧洞的截面形式、尺寸等也比傳統(tǒng)的盾構(gòu)方法簡(jiǎn)單的多,效率提高。1810年英國(guó)在倫敦的泰晤士河修建了水底隧洞后,英國(guó)工程技術(shù)人員就開(kāi)展了沉管法實(shí)驗(yàn)工作；1894年在美國(guó)波士頓修建世界上第一條城市排水隧道時(shí)，使用了沉管法。在中國(guó)采用預(yù)制管段沉放法建設(shè)的水底隧洞雖然起步較晚,但進(jìn)展較快，1993年在廣州珠江下修建了中國(guó)大陸的首條沉管截面隧洞。

港珠澳大橋工程于2009年12月15日開(kāi)始施工興建，2018年10月24日開(kāi)通運(yùn)營(yíng)。其巨大的施工規(guī)模、前所未有的施工難度、最頂級(jí)的施工技術(shù)水平聞名世界，是世界上總體跨度最長(zhǎng)的跨海大橋，也是將橋梁與隧道完美結(jié)合起來(lái)的典范。港珠澳大橋橫跨珠江口地區(qū)外伶仃洋水域,東至港澳國(guó)際機(jī)場(chǎng)旁邊的港澳邊境口岸人工島,西接廣東珠海與澳門(mén)。單純的橋梁工程無(wú)法滿(mǎn)足相應(yīng)的通航需求，所以最終選擇的橋隧結(jié)合的方式。大橋全長(zhǎng)55千米，其中包含22.9千米的橋梁工程和6.7千米的海底隧道。其中橋梁部分非通航孔橋選擇單墩等跨箱梁橋，但通航孔橋采用我國(guó)經(jīng)驗(yàn)最為豐富的斜拉橋。由于斜拉橋的最高通過(guò)空率和主塔高度有直接關(guān)聯(lián),受香港機(jī)場(chǎng)的通航限高要求,故在主航道上安排了隧道段,并采取沉管工法，沉管段總長(zhǎng)5664m，共分33節(jié)，每節(jié)長(zhǎng)180m，寬37.95m，高11.4m，單節(jié)重約7.4萬(wàn)噸，最大沉放水深44m。其施工流程主要分為沉管基礎(chǔ)，沉管預(yù)制和沉管安裝三部分組成，七萬(wàn)噸級(jí)的沉管設(shè)計(jì)使每一步都面臨巨大的挑戰(zhàn)。

七萬(wàn)噸是什么概念呢，其噸位相當(dāng)于最大級(jí)別的常規(guī)動(dòng)力航空母艦，比滿(mǎn)載的遼寧艦還要重10000噸。這么龐大的重量,且不提在沉管預(yù)制中需要冰水混合骨料系統(tǒng)（混凝土溫控）及管節(jié)封閉恒濕養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)才能保證如此龐大的預(yù)制件各部分受力均勻不開(kāi)產(chǎn)生開(kāi)裂，而在混凝土的澆筑過(guò)程中，全程需要計(jì)算機(jī)控制的液壓自平衡支撐系統(tǒng)——192臺(tái)850噸主動(dòng)支撐千斤頂（6臺(tái)/節(jié)段/軌道），采用三點(diǎn)支撐，超過(guò)16萬(wàn)噸支撐力進(jìn)行支撐；澆筑和養(yǎng)生完成后從預(yù)制區(qū)到淺塢區(qū)的牽引只能通過(guò)液壓力量頂推才能完成；即便沉管預(yù)制完成，也只能通過(guò)裝配式剛端封門(mén)封閉依靠自身的浮力再通過(guò)大馬力拖輪拉至安裝位置。

安裝如此沉重的預(yù)制沉管，并且需要在柔軟的海床上做到總沉降﹤15cm，差異沉降﹤2cm的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)目標(biāo)，不同位置需要不同的復(fù)合地基加固總體方案，才能使目標(biāo)完成。與荷蘭企業(yè)合作研發(fā)專(zhuān)用的清淤船,進(jìn)行基槽清淤;專(zhuān)用溜管型拋夯一體船舶,進(jìn)行基礎(chǔ)拋石夯平;最后采用了擁有全面智能化管理能力的自動(dòng)升降、皮帶運(yùn)輸、高精度聲納檢測(cè)與控制等三個(gè)重要系統(tǒng)的中國(guó)自主研發(fā)的國(guó)內(nèi)第一個(gè)全平臺(tái)式整平船舶進(jìn)行碎石基礎(chǔ)床鋪設(shè),沉管基礎(chǔ)才能達(dá)標(biāo)。如此一系列的超大型建筑生產(chǎn)除了積攢了大量超大預(yù)制件的生產(chǎn)安裝經(jīng)驗(yàn)，更是藉此契機(jī)帶動(dòng)了相應(yīng)的大型生產(chǎn)設(shè)備，如超大直徑的盾構(gòu)機(jī)、超級(jí)吊裝設(shè)備等，一舉打破了超大型設(shè)備的國(guó)外壟斷。