中国路桥技术（七）：隧道涵洞的世界奇观

就像鲁迅先生说的，这世界本没有路，走的人多了就有了路。道路是人类足迹的，也是人类意识形态交汇的脉络，人类的财富和文化在这之上碰撞交融；道路的延伸就是人类对这个世界认知的延伸。源远流长的中华文明对人类进步做出了伟大贡献，在漫漫的历史长河中镌刻下无数的辉煌，是中华民族凝聚力与创造力的源泉，中国的路桥技术也随着这些文明的烙印在不断发展延伸。然而，近代的中国曾经在工程技术领域全面落后，直到新中国成立特别是改革开放后，中国的路桥技术才又有了重回汉唐一般的飞跃式发展，找回了昔日的荣光。

第七节 隧道涵洞的世界奇观

隧道在上世纪修建的数量并不高，因为其是整个道路工程中最难以预测的部分，难预测就意味着难度也是最大的。为什么这么难，是因为隧道工程的最大敌人——地质因素。

前期的地质勘查工作，并不能够在后期的施工过程中，防止不出现任何问题，而是为了下面几点：第一，能够选择合适的隧道施工方式和方法；第二，对隧道工程的施工难度和施工量有所预计；第三，就是能够预测未来将要遇到的问题，以此为依据设计相应的预案，保证工程能够顺利延续。所以探明地质问题是隧道建设的首要问题，如果不能相对精确的工区的地质情况，那么将是灾难性的结果，比如从预计修建5年半的大柱山隧道工期延长到了13年，就像电影中的台词，我猜中了开头却没有猜中结尾，虽然在勘查工程中，得出了“本隧道构造发育，岩体完整性差，断层破碎带结构松散，易产生突水、涌泥及塌方；隧道可溶岩比例高．岩溶发育，含丰富地下水；部分地层含炭质泥页岩，具有产生瓦斯的条件；隧道洞身侵入体发育。侵入体与母岩接触带围岩较差。”的结论，并给予了相应的施工建议，但在实际施工中，难度还是大大超出预期，其燕子窝段最大涌水量达到了1.22万立方米/小时，水压之高能降重达近20吨的挖掘机冲出40米远，远超报告中全段隧道日涌水量8万立方米。156米的燕子窝断层足足挖了26个月，其工程难度吸引来了超过500多位专家前来会诊，其中还有中国工程院院士王梦恕、我国施工设计名师史玉新。可以说大柱山隧道90%的时间是用来处理险情的。

开挖隧道本来是先破而后立的工程，但遇到地质条件复杂的施工地段，当隧道穿越软弱破碎围岩时，开挖扰动会引起较大的围岩变形，有时候还会涌水、涌砂层，引起隧道塌方。为了避免出现这样的问题，隧道工程人员探索出一种先立而后破的隧道施工方法——超前支护方法，即在隧道开挖前,先对围岩进行加固,使开挖面周围应力干扰达到最小。管棚超前支护施工技术更是将超前支护发挥至极，管棚刚度较大，施工时如再次发生塌方，塌渣也是落在管棚上部岩渣上，起到缓冲作用。

从上世纪80年代直到世纪末，工程技术、管理和设备都开始同国际接轨，一方面开始使用TBM（全断面隧道掘进机）等大型设备，施工装备大大优化；另一面，其他科学技术水平的提高，如GPS的应用、超前地质预报的推广，提高了对地质条件的认知能力，提高了我国隧道建设的水平，有了建设超长隧道（长度≥10千米）的能力。

2007年11月开工的青藏铁路西宁至格尔木段的关角隧道，是目前全球最大的高原隧道,也是中国国内第一个长隧，2014年4月全线贯通。隧道结构为两条分离式单线隧道组成，全长32.46公里，隧道进口高程为3380.75米，出口高程为3324.05米。工区位于青藏高原亚寒带半干旱气候区，年平均气温-0.5℃，极端最高气温28.0℃，极端最低气温-35.8℃，最大月平均日温差24.7℃，平均气压672.67兆帕。为了满足这种高原气候,引入了斜井分割不动的工艺,大大提高了给气量,适应了高海拔,长时间的作业面的要求;另外,为解决高海拔状态下的施工困难,提高效率,还在七号斜井和九号斜井上首次引入了钻爆法工艺,以及斜井皮带机出砟工艺等,为我国的建筑施工技术提供了一个全新的方法。

同铁路隧道相比，公路隧道除了正常的修建难度，由于行驶的机动车辆的可能产生的情况要比列车多得多，所以在设计线路的时候需要考虑的事情更多：首先是机动车在行驶过程中会产生大量的尾气，这些尾气在封闭空间中会产生不良反应，这就需要更高效率的通风系统，保证发动机能够顺畅运行，保障乘车人员的正常生存需要，这也是公路隧道的建设长度一般不超过10公里的原因；然后就是驾驶员在超长公路隧道中，还会因为景象单一而产生视觉偏差，影响驾驶员的判断，对此需要采用更加科学的照明方式和隧道内景观设计，抵消这种不良影响。终南山公路隧道无疑远远超出了10千米的最大建议长度，为减少在入隧道和出隧道时形成的"黑洞"和"白洞"效应,使驾驶员可以更迅速地适应照明环境和轻松查看道路情况,，设计人员针对性的将隧道分为五个区域——引入区、阀值区、过渡区、内部区和出口区，每个区域的光源强度都通过计算机控制，形成一个完整的照明系统（终南山隧道的LED诱导灯系统）。

2007年1月20日正式通车的秦岭终南山公路隧道为双洞隧道，单洞长18.02公里，为中国第一长双洞公路隧道，仅比位于挪威西部地区的世界最长的洛达尔单洞公路隧道的24.51公里短5.49公里。超长公路隧道的通风，照明和消防设计和施工的工程建设标准都有其特殊性。秦岭终南山隧道工程的多个系统设计实例成为了全国参考的重要标准。如2015年末建成通车的东湖隧道，更是将这种分段照明系统发扬换大，隧道灯光的颜色虽然依旧没有使用单一颜色的照明设备，但是更加追求模仿自然照明，同时在引入区和出口区都是使用自然光和灯光结合的方法，结合了人体工程学进行设计，进行了多段变光、变色，让人进入隧道时逐步适应隧道灯光，出隧道时再逐步适应外部自然光，如同“潜虬隐水，层林尽染”，整个设计格局显得更加的大气和谐。

修筑隧洞施工的其中一个技术是沉管法,亦称为预制管段沉放法。这种方法针对跨水域通道，其要求是水道河床稳定和水流并不过急。沉管法相对于常规的掘进方法,如同打开了外挂门一样:由于管段的事前准备,便于控制管理,实施工期较短,环境状况好,安全系数较大;同时节约了大量的开挖土地,工程造价也较低;而且隧洞的截面形式、尺寸等也比传统的盾构方法简单的多,效率提高。1810年英国在伦敦的泰晤士河修建了水底隧洞后,英国工程技术人员就开展了沉管法实验工作；1894年在美国波士顿修建世界上第一条城市排水隧道时，使用了沉管法。在中国采用预制管段沉放法建设的水底隧洞虽然起步较晚,但进展较快，1993年在广州珠江下修建了中国大陆的首条沉管截面隧洞。

港珠澳大桥工程于2009年12月15日开始施工兴建，2018年10月24日开通运营。其巨大的施工规模、前所未有的施工难度、最顶级的施工技术水平闻名世界，是世界上总体跨度最长的跨海大桥，也是将桥梁与隧道完美结合起来的典范。港珠澳大桥横跨珠江口地区外伶仃洋水域,东至港澳国际机场旁边的港澳边境口岸人工岛,西接广东珠海与澳门。单纯的桥梁工程无法满足相应的通航需求，所以最终选择的桥隧结合的方式。大桥全长55千米，其中包含22.9千米的桥梁工程和6.7千米的海底隧道。其中桥梁部分非通航孔桥选择单墩等跨箱梁桥，但通航孔桥采用我国经验最为丰富的斜拉桥。由于斜拉桥的最高通过空率和主塔高度有直接关联,受香港机场的通航限高要求,故在主航道上安排了隧道段,并采取沉管工法，沉管段总长5664m，共分33节，每节长180m，宽37.95m，高11.4m，单节重约7.4万吨，最大沉放水深44m。其施工流程主要分为沉管基础，沉管预制和沉管安装三部分组成，七万吨级的沉管设计使每一步都面临巨大的挑战。

七万吨是什么概念呢，其吨位相当于最大级别的常规动力航空母舰，比满载的辽宁舰还要重10000吨。这么庞大的重量,且不提在沉管预制中需要冰水混合骨料系统（混凝土温控）及管节封闭恒湿养护系统才能保证如此庞大的预制件各部分受力均匀不开产生开裂，而在混凝土的浇筑过程中，全程需要计算机控制的液压自平衡支撑系统——192台850吨主动支撑千斤顶（6台/节段/轨道），采用三点支撑，超过16万吨支撑力进行支撑；浇筑和养生完成后从预制区到浅坞区的牵引只能通过液压力量顶推才能完成；即便沉管预制完成，也只能通过装配式刚端封门封闭依靠自身的浮力再通过大马力拖轮拉至安装位置。

安装如此沉重的预制沉管，并且需要在柔软的海床上做到总沉降﹤15cm，差异沉降﹤2cm的基础设计目标，不同位置需要不同的复合地基加固总体方案，才能使目标完成。与荷兰企业合作研发专用的清淤船,进行基槽清淤;专用溜管型抛夯一体船舶,进行基础抛石夯平;最后采用了拥有全面智能化管理能力的自动升降、皮带运输、高精度声纳检测与控制等三个重要系统的中国自主研发的国内第一个全平台式整平船舶进行碎石基础床铺设,沉管基础才能达标。如此一系列的超大型建筑生产除了积攒了大量超大预制件的生产安装经验，更是藉此契机带动了相应的大型生产设备，如超大直径的盾构机、超级吊装设备等，一举打破了超大型设备的国外垄断。