隧道工程是一門古老的學科,幾千年前人類就掌握了開挖隧道的技術?,F(xiàn)代隧道開挖技術的產生是在火藥的發(fā)明和19世紀的產業(yè)革命后出現(xiàn)的,尤其是鐵路的出現(xiàn)對隧道建造起到了很大的推動作用。第一座隧道是用蒸汽機車牽引的鐵路隧道,建于1826-1830年,在英國利物浦至曼徹斯特的鐵路線上,全長1190m。以后又陸續(xù)修建了更多的鐵路隧道?;鹚幍母倪M和鉆眼工具的創(chuàng)制,促使隧道的修建技術有了顯著的提高,其中比較有影響的是1898年建成了穿越阿爾卑斯山的辛普郎隧道。在該座隧道中,第一次應用了TNT炸藥(硝化甘油)和鑿巖機。1857-1871年間,建成了連接法國和意大利的仙尼斯山隧道,長為12850m;1989年意大利又建成了辛普倫隧道,長達19700m;1971年日本新干線上修建了大清水隧道,全長22230m,是目前世界上最長的鐵路山嶺隧道。
隧道工程又是一門快速發(fā)展中年輕的科學,因為近30多年來隨著長大隧道和特殊地質狀況隧道的增多、綜合化機械化施工技術的采用和相關學科的發(fā)展,現(xiàn)代隧道設計、施工理念和方法發(fā)生了重大變化和改觀。如新奧法施工理念的提出和應用,以可靠度理論為基礎的概率極限狀態(tài)設計法引入隧道結構計算,使得隧道設計施工理論不斷得到補充和完善。
在克服不良地質的困難條件方面,已經取得了修建各種隧道的豐富經驗,實踐證明,我國已經能在各種不良地質條件下修建隧道。
進一步提高隧道施工機械化施工水平。20世紀80年代在大瑤山隧道施工中開始應用大型全液壓的鉆孔臺車。修建襯砌已由磚石壘砌,進而用混凝土就地模筑,混凝土泵送,又進而采用噴射混凝土的柔性襯砌,目前已普遍推廣使用雙層復合式襯砌。開挖程序已由小導坑超前,進而采用少分塊的大斷面開挖;從木支撐、鋼木支撐、進而采用錨桿支撐。施工方法上,從礦山法逐步過渡到新奧法,以量測信息指導并調整施工。20世紀90年代中期,又引進全斷面掘進機用于西康線的秦嶺隧道施工中,而在廣州、上海、南京、深圳等城市的地下鐵道建造中,已普遍開始使用機械化盾構。
完善和提高隧道工程的理論分析和計算水平。分析隧道結構內力的方法,已經從結構力學計算轉到以矩陣分析的方式用計算機計算,并進一步應用有限元、數(shù)值流行等方法進行分析;從把地層壓力視為外力荷載,到把圍巖和支護結構組成受力統(tǒng)一體系的共同作用理論;從過去認為地層巖體為松散介質,進而考慮巖體的模型,進行受力的分析。
隧道工程還要進一步做好地質勘測和發(fā)展完善地質超前預報技術。由于隧道工程穿越的地質條件復雜,有許多不可預見的因素,其建筑風險比地面工程大,使得地質勘測對隧道預算、選線極為重要。超前投入地質勘測資金是為了減少隧道工程建設階段的資金投入和施工匯總的風險。地質雷達和TSP超前探測技術取得了良好的工程效果,今后不僅要完善超前探測儀器的性能,而且要進一步提高超前預報地質條件的判釋水平。
應當指出,盡管近年來隧道工程建設取得了一定的成就,但是還存在著許多問題和不足。從總體來看,隧道結構還比較粗大厚實,施工環(huán)境還很惡劣,工人勞動強度還很大,環(huán)境保護意識不強,工程進度不快和工程造價較高。具體說,截止到目前,我們對圍巖的性質還沒有深入地了解,計算模型的選用和計算的理論還不完全符合實際,施工技術水平和管理方法還比較落后,大量的隧道工程仍舊依靠經驗設計和施工,人力和物力的消耗和浪費較大。
今后應當加強隧道環(huán)境和地質的現(xiàn)場量測及實驗室的試驗,以便對各種不同性質的圍巖能擬出較為符合實際的計算模型和計算理論;施工方面要進一步提高開挖技術和支護方法,配備完善的施工機械,從目前的半機械化程度,提高到全機械化,再進一步達到洞內無人,洞外遙控的高度安全化;要提倡采用科學的管理方法,用調查的信息,制定施工計劃,又用實測信息反饋,不斷調整計劃達到最優(yōu)方案,使之實現(xiàn)質量高、速度快、浪費少、造價低的目的。
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