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桥梁网 发表于 2012-1-9 14:10:30 |显示全部楼层 |          |
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院士访谈——隧道篇
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. f! s& \2 a4 V6 E. t

文/本刊记者 王少杰' G+ A6 e8 X* f

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$ ]4 S( C* F6 _0 L  s  同样作为跨越交通障碍的工程手段,桥梁和隧道究竟谁更胜一筹,一直是业内的热门话题。随着近年来我国交通建设的大发展,从内陆城市到大江大河再到崇山峻岭、海峡海岛,随处可见到桥梁与隧道短兵相接。两者如何比较,如何取舍,成了我们心中的好奇。" s, ]* X! j- l# C) [
  恰逢重庆召开“国际桥梁与隧道工程技术高峰论坛”,本刊记者有幸采访了四位隧道方面的院士,请他们从隧道的角度谈了对于“桥隧之争”的看法,以及隧道工程技术的发展趋势。
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桥隧之争与桥隧结合
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' W8 O/ [$ d/ e* t% Q4 C  桥梁与隧道孰优孰劣,是竞争还是合作,各自优劣又在哪里,何处适合建桥,何处适合修隧?院士们给出了他们的看法。
6 m' L+ \0 Q, U' @; s; u% ^  钱七虎院士是我国著名的防护工程和地下工程专家,军旅出身的他剑眉虎目、不怒自威,一交谈起来发现钱院士其实是一个非常和蔼的长者。他表示,桥隧的优劣体现了它们各自的特点,应该善于取长补短,对于桥和隧,总的指导思想是宜桥则桥,宜隧则隧,桥隧并举。" F- P$ R4 `* I; b
  宜隧则隧的指导方针主要有:“在有通航要求的地方适合修隧道。”钱七虎院士解释道,“为什么需要建隧道,就是因为通航要求。港珠澳大桥本来就叫大桥,现在采用桥隧结合的形式,因为这里要求通航30万吨油轮,航道很宽,整个修桥的话要建得很高。但是如果港珠澳工程整个做隧道造价又太高。因此,在跨越江面很大的地方适合采用桥隧结合的形式,在轮船通过的地方建隧道,其他地方建桥。”) n4 o; Y: {- [( }3 H4 C& G( |
  “在涉及拆迁较多的地方也适合建隧道,”钱七虎院士表示,“在城市区域建隧道不一定比桥梁贵,这点已经在上海、南京、青岛等城市论证过。在城市修建通道一般是为了开辟新区,修建桥梁就需要建引桥,拆迁的区域较大,在人口密集的地方拆迁费用很高。因此,城市桥梁不一定比隧道便宜。在不涉及过多拆迁的地方,桥梁的造价肯定会低一些。”4 b- M& s( R& R* k
  “在雾与台风较多的地方适合建隧道,” 钱七虎院士道,“日本濑户大桥曾有风把车吹入海里,香港青马大桥甚至根据风力大小会限制通行。如果是雾和台风不强烈的地方,即非通航时间不多的地方,那么桥梁还是很便宜的。”6 H  p+ w0 H- F; y4 h4 A
  周丰峻院士是一位防护工程专家,他在接受本刊采访时也表示“相较桥梁,隧道的使用不会受制于天气,桥有季节性的特点,隧道却没有这道紧箍。”
) c8 S; T, V' P1 L& G7 v. a* i  周丰峻院士认为,建桥还是建隧要看实际情况,但是他更偏爱隧道:“桥梁具有更明显的地标意义,美观方面也优于隧道,因此很多人比较钟爱桥梁。而隧道具有寿命长且占地少的优点,城市发展应加强隧道的建设。虽然隧道的施工比桥梁慢,可能前期投入也要多一些,但是从长远看,隧道比较稳定,实用性好,利用率高,不受天气影响,宜于维护。”
: E. U# G/ I/ I2 b7 C4 y* h  究竟是架桥还是修隧,仁者见仁智者见智。在两者条件都具备的情况下,也许唯有各做一个方案出来才能一较高下了。) U, Y# X# N$ a, t$ C1 Q; Y. W& d

隧道发展与隧道技术
7 C  m: H' V" I- }3 k# o


2 \4 O* _4 {- W( e  建国初期,我国在隧道技术上一片空白。经过了几次大的突破,从无到有、从弱到强。发展到现在,隧道施工技术实现了多样化,国内已经开始研究隧道上尖端的深、长、海底隧道技术。- [+ `% ^9 \4 {3 \" L* u) t# g' X

三个里程碑) }% N! `1 u2 g5 \- r0 t3 S  A

0 f& B0 S7 d0 V9 s4 z, d! o. s: ]* q5 l
  王梦恕院士是一位隧道及地下工程专家,他亲历了中国隧道的发展历程,回首往事,他向我们讲述了我国隧道发展的三个里程碑:( X( X. u8 g3 W) p: H
  第一个里程碑是上世纪50年代修的从宝鸡到成都的宝成线,这个阶段隧道水平只有2公里长,那时施工全部要人工打眼,建成后运量只有900万吨。$ j& n4 ]  h  H7 v8 ~) y  U  y2 W
  60年代建成的成昆线,其最长的隧道——沙马拉达隧道,长达7公里,年运量可以达到3000万吨,代表了我们国家当时的隧道水平,是隧道发展的第二个里程碑。2 a# \7 U0 t5 _0 ]6 c; L& q
  80年代开工的大瑶山隧道工程,是我国隧道修建史上的第三个里程碑。大瑶山隧道定为14.3公里双线隧道,当时外国人断言中国人没有能力完成,所有技术人员憋了一口气,一定要修成这条隧道。
1 \+ l7 D4 ?( y  大瑶山隧道位于京广铁路广东省北部大瑶山的坪石至乐昌间,从湖南衡阳到广州全线都是山区,制约了整条线上运量的发展。当时中央非常重视,因为改变我国交通运输能力已经十分必要,修建的过程中多位领导人到现场视察。复线修好后,衡阳到广州、长沙到广州的线路运量从900万吨提高到5000万吨。整个工程采用新技术、新方法、新原理、新设备、新结构、新材料、新工艺,达到了“7新”的水平。最终大瑶山隧道总共10项配套技术,其中有3项达到国际领先水平,其他7项达到国际先进水平,把我们国家铁路发展提升到一个新的阶段。# H" V4 P  T2 a; [
  1965年,我国第一条地铁——北京站到苹果园的地铁一号线开工建设,5年建成。1号线修建背景比现在要复杂得多,在前期研究时中苏交恶,苏联撤走了所有的专家,也带走了所有的图纸,中国工程师只能重新进行研究计算;工程修建过程中又正值越战,为加强1号线的战备功能,这条隧道要做到8米以下,难度可想而知。“这是一条能够抵御100架飞机地毯式轰炸的地铁线,”王梦恕视它为一个超越时代的工程,“处处都是创新技术的结晶,譬如前门车站的柱子也不是一般的柱子,而是一个拉压柱,有荷载时产生压力,没荷载时便是拉力。”

隧道施工的方法4 H$ a8 p* {7 R: \1 d2 o" w$ p' O# L


4 F& y7 J, I( ~, q6 J$ m  c  隧道的施工方法有哪些?周丰峻院士向我们介绍了工程中经常采用的四种隧道施工方法:钻爆法、盾构法、掘进法、沉管法。0 l7 i* h. s7 r4 j+ ?9 [
  “钻孔爆破是常用的方法,经济实用;盾构法通过后面的管片支撑向前推进,靠机器旋转切削;而掘进机没有管片依托,只能靠侧向撑,”周丰峻院士把它形象地称为“撑靴”,“像人的脚一样撑在墙壁上取得向前的动力;沉管隧道是将管材连接好,然后慢慢排水下沉。”
: P6 v% ~. T0 H1 q- X  港珠澳大桥是目前备受瞩目的在建工程,本刊之前对港珠澳大桥进行了采访,了解到该工程主要技术难点不在桥梁,而在隧道上。几位院士都参加过港珠澳大桥的专家会,对隧道的施工技术难点最为了解,他们讲述了关于港珠澳隧道施工方法的讨论:: w9 q: c6 h& }% x
  当时有两套隧道施工方案,第一个是沉管隧道方案。大桥因为有30万吨油轮的通航要求,所以沉管要挖得很深,一般沉管隧道位置在水下-10米左右,而港珠澳隧道工程沉管位置达到了-45米。虽然首尔在建的一条隧道沉管位置更深,但是却不像港珠澳隧道工程有20米淤泥这样难以逾越。钱七虎院士回忆道,“头疼的就是沉降问题,因为沉降很难计算精确,例如国内某大桥原来计算会沉降20多厘米,而现在已沉降了40多厘米。”* O- z& v6 ^) @) L2 t& P% F  u
  第二个是盾构法方案。采用此方案的难度在盾构机上。由于香港与内地的标准不同,同样是三车道,车道却要更宽一些,这就要求盾构直径要更大。目前已有的最大盾构直径的隧道是上海隧桥工程,而港珠澳大桥已经超过了它的直径,这就意味着必须购置更大直径的盾构机才能实施。1 N% R/ v: ^: E9 p( u. n- Q3 O
  “在比较两套方案时,考虑到盾构依赖周围土壤,而这里的淤泥显然有些靠不住,如果成不了完整的结构,隧道很容易解体,风险太大。”周丰峻院士表示:“在珠海有时会发生第一年在海中淤泥土上修路,第二年就下沉不见了的现象,这就是几十米深的淤泥沉降造成的,再加上在风浪作用下沉降就更厉害了。”& L0 C, V% q# V
  王梦恕院士指出:“港珠澳隧道工程如果采取盾构法断面会很大,将近16米多,相当于6层楼高,这样的高度如果出现压力失衡,很可能造成群死群伤的事故。再加上水利部门考虑到盾构隧道一般比沉管隧道的人工岛修建的长,会增大阻水率,对盾构法投了否决票。因此最终放弃了盾构法,采用了沉管隧道方案。”
' D7 ~7 o4 k; X% F7 G4 \0 Z  方案确定后,港珠澳工程建设单位专门购置了挖淤设备解决淤泥问题,以此降低施工的风险。为杜绝后患,采用了更为坚实的下部支撑——水下桩。说到这里,周丰峻院士指出:“其实海上进行水下桩施工还是很有难度的,但值得欣慰的是,我国的施工单位已经有这个实力了。”
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隧道的技术难题1 V4 J; p+ y% g- @# S% l

  T. A) N! T+ M; r$ R. a  @8 Z
  隧道技术发展到现在,主要有哪些技术难题要攻克?我们向院士提出了这个问题,钱七虎院士的回答很全面,他表示主要的技术难题集中在特长隧道、深埋隧道、海底隧道这三方面。
$ Y0 D3 {  g6 T0 z2 q1 y' A% i/ w, V  第一个难题是特长隧道。因为隧道采取封闭施工,特长隧道在施工与运营时送风都是难题,处理不当的话通车后尾气污染严重。例如规划中的琼州海峡工程长达50公里,钱七虎院士认为:“如果修建隧道的话,通风、救援、防火都是难点,而且施工较慢,这些都是需要攻克的技术难题。”王梦恕院士也持相同的观点,他认为在琼州海峡“如果修建公路隧道需要考虑尾气排放问题,大概10公里就要做竖井,但是根据这里的地理条件中间不能放置竖井,隧道通风解决不了,因此不太可行。”为此他又提出了“采用铁路隧道的形式,以汽车坐火车的方式”往返海岛。9 [( q) b8 t0 }! w
  第二个难题是深埋隧道。这里的深埋隧道包括矿山的巷道和水中的隧道。讲到这里,身为中国岩石力学与工程学会理事长的钱七虎院士给我们上了一节岩石力学的扫盲课:“根据岩石力学理论,石头的自重应力和岩体的构造应力偏高会导致深埋隧道处岩层的初始地应力偏高。埋得越深,压在隧道上的石头的自重应力就越大,当应力过高时就会出现挤压大变形。例如乌梢岭隧道出现顶板变形达1米多的现象,侧板变形也有80厘米,而一般情况下才几厘米。如此巨大的变形也将钢的拱架挤成了麻花。地应力过高导致的另外一个后果是可能诱发岩爆,例如2500米深的锦屏二级水电站曾发生威力惊人的岩爆,砸弯了大型TBM机的钢梁,造成7人死亡。”! r( h9 g! h8 D& x3 G: s
  第三个难题是海底隧道。钱七虎院士表示:“海底隧道本身就较长,再加上有的海底隧道要通过很深的海沟,由于公路上限制坡度不能大于百分之四,因此难度更大。针对这种情况,现在又有了悬浮隧道技术,但是建设难度较大,目前还没有建成的案例。”1 C! t5 ]0 g$ \, i/ r/ K

关注问题及未来趋势
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8 V& V+ V3 g( _  S' z  近几十年来,我国的桥梁、隧道技术进步神速,我们也步入了隧道大国、桥梁大国,然而院士们关注的是如何能让我们从大国走向强国。他们分析的是我们桥隧发展的不足之处,他们描绘的是更为广阔的蓝图。1 M# ]8 A6 z! |* |. M
  虽然是隧道方面的专家,但是院士们对于桥梁也很关注,正如王梦恕院士所说的“桥隧不分家”。他认为我国钢桥所占比例仍然很低,“我国从卢浦大桥才开始建造钢桥,而我去莫斯科考察时发现那里的百年大桥没有混凝土桥,全部都是钢桥。在海上不能用钢筋混凝土建桥,要用全钢才能保证寿命。”因此,他呼吁多建钢桥,增加钢桥的比例。另外,他还建议:“桥梁设计应注重横跨比,长宽比不合理会造成桥梁震动。桥上的梁应多选用更加稳定的箱形梁,即使目前还达不到这个要求,至少地铁、高架桥必须要采用箱形梁。最近某高铁采用32米箱形梁获得国家二等奖,就是因为其长宽比设计合理,刚度、强度、稳定性好,服务寿命可以达到100年。”
: \/ }2 b* f# n; A  谈到我国隧道技术的发展,院士们提醒道,在为成绩感到喜悦的同时,也要看到与国外的差距。钱七虎院士评价:“中国是世界上隧道最多的大国,但还算不上强国,因为我们依赖于进口技术与装备。我国虽然就岩土工程技术水平而言已经列入先进大国行列,但是在岩石力学的研究理论、试验规程以及装备方面仍有差距。”他特别强调我国的隧道装备“要实现国产化,缩短在大盾构机和水下装备上和国外的差距”。
. G, |+ Q4 m& @% x2 i* n  M  岩土工程与地下工程专家,工程院院士郑颖人目前在做隧道的理论研究,他认为“隧道设计理论方面国内外到现在也没有一个合理的、科学的设计理论,这点不如桥梁。边坡、地基设计都有安全系数,而隧道至今还没有安全系数的概念。隧道现在在设计、施工等方面还只是凭经验,设计半天,可能都不知道方案是好是坏,安全不安全。尤其在我国隧道衬砌设计很混乱,《铁路隧道设计规范》中对双线深埋隧道,Ⅱ、Ⅲ级围岩平均厚度为37cm和44cm,《公路隧道设计规范》也大致如此,而国标锚杆与喷射混凝土技术规范,同样的跨度只有10cm和12.5cm,相差3~4倍,而且都使用了20余年,至今仍在应用。亟待政府管理部门和规范制定部门的关注,也反映了我国设计理论的认识上还有很大的差异。”
1 r8 J. ^$ p0 b. o  他提醒道:“我们自己创新的东西相对比较少。现在我们的状态是能赶得上,世界上先进国家能做的我们也能做,但是水平还是有一些差距,要成强国还需努力。”
0 W4 b4 {$ f0 }: f1 e' A  对于隧道未来发展,周丰峻院士认为:“首先要形成地下交通网,进一步形成地下分层交叉网络。”他表示地铁的设计要便于换乘,“便捷换乘是地下工程的重要宗旨,地铁环形线路比井字线路更便于不同类型的交通及地下枢纽的连接,这个枢纽既可以走地铁也可以走公共汽车,这一点日本已经做到了,我国以后也必然向这个方向发展。”
. P* v  [. z5 n5 i; M' f7 u  院士们认为未来要深入发展地下空间。郑颖人院士表示:“我国地下空间发展的政策、法规、规划还没有形成。国外地下空间发展较早,已经有100多年的历史,其地下空间已经如同平地一样,汽车火车都是联动的。现在国外利用地下空间深度已经达到了40、50米,而我国仅10、20米。目前我们国内城市地下空间发展很快,但只有北京、广州、上海、重庆发展较好,还有很大的潜力,但也需要平稳发展。”
# H0 q8 s0 Z& }! p, c7 |  C4 y8 L  通过采访几位院士,不难看到,我国仍处于桥隧高速发展的战略机遇期,一大批世界级的桥隧工程仍然在建或处于规划期间。相信不远的将来,在我国的山河上将会出现更多隧道,连接全国的交通,缩短城市间的距离。然而,正如院士们所说,不能满足于已有成绩,要成为隧道强国,仍需踏踏实实的继续努力。
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钱七虎(1937.10.26—)
' M- x1 _/ [- n  防护工程及地下工程专家。江苏省昆山市人。1960年毕业于哈尔滨军事工程学院,1965年毕业于原苏联莫斯科古比雪夫军事工程学院,获副博士学位。现任中国人民解放军工程兵工程学院教授、总参谋部军事科学技术委员会副主任。1994年当选为中国工程院院士。
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王梦恕(1938.12.24—)
6 L' p" U+ i  |/ d  隧道及地下工程专家。河南省温县人。1964年毕业于唐山铁道学院获硕士学位。铁道部隧道工程局高级工程师、副总工程师,北京交大隧道及地下工程试验研究中心主任、博导教授。1995年当选为中国工程院院士。
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周丰峻(1938.7.8—)
4 c- [% W3 e. N# e  防护工程专家。出生于山东省黄县,1961年2月毕业于清华大学,获学士学位。现任总参工程兵第三研究所研究员,河南省力学学会理事长,防护工程学会名誉理事,中国空气动力学学会理事,中国岩石力学与工程学会常务理事。1999年当选为中国工程院院士。
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郑颖人(1933.11.05—)
1 G# G5 ~# U+ k! g5 x% y$ l  岩土工程与地下工程专家。浙江镇海县人。1956年毕业于北京石油学院。先后在哈尔滨军事工程学院、空军工程学院工作,兼任中国土木工程学会隧道与地下工程分会、防护工程分会常务理事。现任后勤工程学院教授,重庆市科协副主席等多种学术职务,2001年当选中国工程院院士。" w) @+ X# V8 s# y* Q$ c# q+ I& @

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xiahuan12345 发表于 2013-1-5 23:43:53 |显示全部楼层
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