我国隧道技术现状和未来发展趋势

中国工程院院士 王梦恕

1 高速铁路修建的必要性和紧迫性

我国面对六大难题。

1.1 人口膨胀

全世界人口1850年10亿、1930年20亿（80年增长10亿）、1975年40亿（45年增长20亿）、1999年60亿（24年增长20亿）、2011年70亿（11年增长10亿）。预计2041年增长到100亿，我国将增长到15亿左右。

1.2 水资源紧缺

世界面临水荒。我国有近2/3缺水，人均水量2200t，世界排名122名左右，名列倒数。

1.3 世界能源紧张

煤：消耗量2000年10亿t;2010年34亿t；2011年35亿t；2012年36.5亿t；2013年计划39亿t。照此速度40年煤资源将耗尽。

石油：进口耗量占总量的55.2%，进口量达到60%，意味着国家经济命脉掌握在别人手中。

天然气：按照目前的供销量，可维持60年。南海干冰（天然气）储量可供1000年左右使用，但开采相当困难。

原子铀：我国储量很小，主要靠进口。

1.4 土地沙漠化

已占国土1/3。

1.5 环境污染

非常严重。

1.6 气候变暖

青藏高原温度上升0.2°

这六大难题直接关系着我国的可持续发展的寿命，中国再过60年，会发生什么变化，我们的子孙后代还能延续多少年，这是一个严重的问题。

大量的物种灭绝，大量的病害随着食物的水源、空气的变坏而增加。非理智、非科学的发展，没有科学发展观的理念去追求第一，最大、最快的破坏环境资源的发展是非常可怕的。

图1 利用太空太阳能发电设想高原隧道内径5m，两条平行隧道长2×700km(其中一条为真空)

土木工程大量的占用土地，侵害良田沃土，已到了非常可怕的地步，摊煎饼式的城市扩张，城市间采用双向八车道、十车道高速公路的修建方式，大量油耗的运输已产生了很大的灾难。

图2 京石专线—石家庄隧道（地下线）

结构必须调整，每个人的生活方式必须改变，而且要快。因此，发展铁路快速交通体系，发展城际铁路高速体系，发展城市地铁交通体系是非常必要的，也是非常紧迫的。轨道交通也是属于低碳交通的范畴，尽快调整运输方式的转变迫在眉睫。

“可持续发展”作为国策提出来了，摆在每个学科、每个产业的面前，谁违背了六大难题的挑战，谁就会被调整掉。

我们土木工程也应顺潮流而检讨自己，大量的土建工程拔地而起，人们要进入城市，城市化发展，大量的交通、房屋要建，我们每天都看到大片良田被钢筋混凝土所取代。

能否把地面沃土多留点给农业和环境，把地下岩土多开发点给道路交通、工厂和仓库，从而使地下空间成为人类在地球上做为安全舒适生活的第二个空间。

我国21世纪要把交通、能源、水源等基础设施在西部抓紧早上、快上，要把开发西部、移民2～3亿的做法真正落实，以充实我国的实力。

综观当今世界，有识之士已把对地下空间开发利用作为解决城市资源与环境危机的重要措施，这是解决我国可持续性发展的重要途径。可以预测21世纪末将有1/3的世界人口工作、生活在地下空间中。

2 中国是世界隧道和地下工程最多、发展最快、水文地质及结构形式最复杂的国家

21世纪是地下空间做为资源开发的世纪。

2.1 山区铁路

山岭隧道向长大发展，早进晚出；中吉乌通道、泛亚铁路、城市铁路入地。正在施工的山区隧道7000km，待开工的山区隧道10000km。如兰渝铁路线路长800km，其中隧道长度占600km，被称为地下铁路。用钻爆法施工的最长关角隧道32km，用TBM施工的西秦岭隧道长29km。已开工或即将开工超过10km长的隧道有65座，高震区成兰铁路440km,其中隧道有320km。郑州到重庆的山区铁路即将开工，重庆到北京时间将缩短到5个多小时。

2.2 城市交通

以地下铁、城市轻轨为主，已开工32座城市，北京、广州、深圳、上海、南京、重庆、成都、天津、沈阳、哈尔滨、杭州、西安、武汉、苏州、郑州、无锡、宁波、温州、大连、长沙、合肥、石家庄、青岛、长春、厦门等相继开工。

2.3 城际铁路

介于大铁路与城市地铁之间的快速交通网络，如珠江三角洲、长江三角洲、京津唐地区以及省内主要城市之间快速轨道交通，是节省土地、节省能源、经济、减少污染、绿色环保的快速交通工具。

2.4 山区公路

公路隧道、多跨、两个单跨，最长终南山隧道18.4km。目前已建成公路隧道近5000座，总长约4000km。高速公路已进入山区。

2.5 水电工程

压力隧道、交通隧道、大型调压竖井、各种大洞室、尾水洞室。

2.6 西气东输工程、南水北调及各种供水水利工程

如已建成的长86km隧洞沈阳大伙房引水、供水工程；即将开工的长77km隧洞引汉济渭引水工程、吉林110km引水工程等各种洞室及跨江、河隧道；辽西供水工程230km已经开工；松花江到北京900多km供水隧道工程正在筹划中。

2.7 城市地下空间开发

地下商场、地下会议室、地下停车场、地下仓库、地下共同沟、地下过街道、地下公交隧道（如南京、杭州等水下隧道）。

所以，城市共同沟的修建，地下铁道、地下停车场、地下仓库、地下商业街、娱乐场所等都在进行设计施工，但很少统筹。城市地下设施很多，谁占什么标高，也需要技术立法,以人为本的思想应贯穿在当前地下工程的设计中。

2.8 LPG地下水封液体库

1000万t汽油库、1万亿t原油库等,可提供全国90t用油储量。地下油库比地面油库造价节省一半,安全、寿命长、节省管理费用。

2.9 水下隧道

如高速铁路过狮子洋盾构隧道方案；武汉市内公交水底隧道；沿江铁路;渤海湾通道110km;琼州海峡；青岛海底隧道已开工,待开工隧道有50多座。

2.10 军工、人防工程

地下军事设施，人均1m2地下防护设施。

3 铁路规划和发展

3.1 铁路发展的优点

铁路是国情、世情的必然选择。铁路运输自身具有节能、环保、快捷、经济、运量大、安全等6大优势。如能源成本额公路占83.7%、民航占14%，铁路仅占1.9%。高速铁路因其速度高、安全、舒适，扩大了城市通勤范围，快速连接各大城市，几乎形成同城化的理念。铁路已是促进世界经济、社会发展的基础设施。如英国率先发展铁路，推进英国走在世界工业化进程的最前沿。铁路发展首先带动了世界钢铁、建材、机械制造业的迅猛发展，构成了工业化的发展。高铁的发展又融合了交流传动技术、复合制动技术、现代控制诊断技术、高速转向架技术、减阻降噪技术、密封技术、高强轻型材料与结构技术等一系列当代最新科技成果。我国是一个东西跨度达5400km、南北5200km，人口众多，能源、资源严重紧缺且分布不均的现状，迫切需要运能充足、功能完善、点线协调的快速铁路网。我国有高速铁路网、快速铁路网、常速铁路网三个档次的铁路网。

高速铁路是一个具有国际性和时代性的定义和概念，列车在区间段能以200km/h以上速度运行的铁路称为高速铁路，最高时速可达300km/h左右，如已建成运行的武汉至广州、郑州至西安的客运专线；快速铁路是指最高时速为140km/h～160km/h的铁路，如石家庄至太原、合肥至武汉、宁波至温州、温州至福州、福州至厦门、厦门至深圳；常速铁路是指最高时速为120km/h～140km/h的铁路，如既有线近6万km的旧线就为常速铁路。

图3 设计时速250km的合武铁路大别山隧道

图4 设计时速350km的武广高铁大瑶山隧道

以上3种速度的定义是国际通用的概念，但我国铁路的修建和运营均提高了速度标准，对既有铁路线进行改造，提速到140km/h～160km/h的快速铁路水平，费了不少周折，进展很缓慢，投入工程费也很大，施工中严重影响行车安全。通过既有线提速，得出铁路速度不同于其他土建工程，可以随时整修和扩建。但铁路的建设年代和寿命一般都在百年以上，因此，在新建的铁路中，应眼光放远，均把修建标准提高到250km/h（运行速度200km/h）的水平，个别区段能按350km/h（运行速度300km/h为修建标准的80%左右）标准修建的也进行提高。这样，在每条铁路线全面建设中，三种铁路运行速度标准均可在不同区段开不同速度的列车，实现高速、快速、常速3种速度进行套跑的特点。这样高标准的一次建成给今后带来很大好处，缺点是建设费用增大，但总比今后再提高标准要大量节约投资。我们这一代人、二代人要为今后人口增加到16亿时的生活出行提前考虑，这是一种责任，是非常必要的，尤其铁路更应考虑长远。

根据这种理念，我国编制了铁路中长期发展规划。2004年初，国务院批复了“中长期铁路网规划”，到2020年全国铁路营运里程从原7万km要增加到12万km，其中规划了“四纵四横”铁路高速、快速客运通道及3个城际快速客运网，高速铁路线路总长达1.6万km以上，要求从北京到各省会（除乌鲁木齐、拉萨外）运行时间要低于8h以内。

3.2 城际铁路发展

我们把短距离城市之间连接的客运专线铁路称为城际铁路（如北京至天津、广州至珠海、南京至合肥东），同样，我们把各省会和本省之间的城市用快速铁路相联的铁路网叫省内城际铁路，一般要求省会至本省各市之间的运行时间应小于1h，这样很方便老百姓在省内的快速出行和交流。

图5 2008年通车的京津高铁350km/h试验段

对用高速公路，尤其搞双向6车道、8车道、10车道这样大规模进行城际运输的方式应予限制，因其占地多、扰民拆迁大、浪费资源、运行速度慢、运量小、运费高。对于许多无车族、收入少的广大农民用不起，又严重污染环境的这种出行方式，必须改掉，必须用省内城际铁路所取代。如珠江三角洲，许多高速公路被闲置，在规划建设1800 km长珠江三角洲城际铁路时，从节约土地出发将一些区段铁路规划到高速公路上。城际铁路的建设标准也按200 km/h和140km/h～160km/h进行建设，以适应发展的需要。

目前，中国高铁正以前所未有的建设速度向前冲刺，郑西高铁、武广高铁已投入运营，为全长1318km京沪高铁已建成通车提供了全方位的技术实践；2010年4纵4横高铁也即将相继建成。高速铁路建设在“改建”与“新建”的争论对比中，确定以“新建为主、改建为辅”指导方针下进行的；是在“高速轮轨”与“磁悬浮”争论全面对比之后，确定采用高速轮轨运营方式进行建设的。时至今日，转眼之间，高速铁路建设在我国广阔的大江南北、东北部、中西部的崇山峻岭之间飞速展开，高铁从一个梦想走到了中国的现实之中。

表1

仅用5年走完国际上40年高速铁路发展历程,公式“5年=40年”。我国高速铁路的修建原则是严格遵照“安全、可靠、适用、经济、先进”十个大字的次序进行创新、发展的，是具有了广阔的实践基础，是在不断循环、不断提高、不断自主创新的，绝不是靠钱把系统技术买回来的。

我国高速铁路建设是在绝对确保安全的前提下科学严格地进行的。这是人命关天的大事，我们从运营线路的绝对安全到高速机车车辆的生产制造两大体系开始创新。这是从室内试验、新建试验段试验，到中间正线区段试验，到短交线路运营试验如京津线，由局部走向全系统试验，走向长交高速运营之后的郑西段、武广段的再检测、再反馈、再修改、再提高的过程。

不同区段的试验是非常严格、严密、科学、一丝不苟的，是从理论到实践再反复试验、应用，再试验、再应用的数十次的多反复过程。

铁路今后的发展方向：①高速、快速、重载;②向西部和沿海发展;③省级城际铁路以1h到达为半径;④2020年铁路通车里程12万km;⑤2040年左右通车里程17万km;⑥本世纪末达到28万km，超过美国现在通车里程（27.2km）。

图7 中长期铁路网规划

3.3 高速铁路设计、施工总承包模式

高速铁路是一个非常大的系统工程，不是任何国家都可以进行设计和施工的。我国高速铁路的建成与通车得到了许多国家的敬仰和认可，纷纷要求我国进行技术咨询帮助和设计施工建设的有17个国家之多。

3.4 三条国际高速铁路的国内外意义

首先，在欧亚大陆架用高速铁路恢复中国和欧洲的丝绸之路，从中国西北部的乌鲁木齐开始，经过吉尔吉斯斯坦、乌兹别克斯坦、土耳其、伊朗等国家到德国。这条通道比国际航线估计要长30%左右，对发展、恢复各国祖先所建立的世界友好、物资和文化交往的丝绸之路具有重要意义。任何一个国家和政党的建设必须把和平、友好、提高民生水平之中的“衣食住行”做好，这是衡量每个国家执政好坏的基本指标。中国很愿意作这条线路的总规划设计师，把欧亚大陆架用高铁快速建起来。目前，我国国内青藏铁路已经建成通车，并进行格尔木—西宁段改建，其中32km关角隧道，改善了线路标准，到西藏的时间缩短了6h，并增加到西藏的其他线路。丝绸之路所经过的国家也在开始计划，包括融资模式的研究。这条丝绸之路对我国西部的发展有很大的促进作用，对发展新疆、青海、甘肃等省意义很大，对均衡我国人口西移、合理布置发展产业结构、强大我国意义重大。它可以快速扩大沟通东欧各国的文化、科技、物资的运输方式。

图8

第二条欧亚大陆架之路是从东北黑龙江满洲里出境，经西伯利亚等地区和国家到德国的高速铁路，它和中国至俄罗斯莫斯科的常规铁路方向基本一致。这条铁路对俄罗斯开发西伯利亚、东部国土意义重大，对我国资源的引入也起到积极作用，可以发展东北增加一个出入口，对我国的均衡发展很有好处。

亚泛铁路是一条以快速为主的高速铁路，它从我国的西南大理到缅甸、老挝、泰国，分支西经马来西亚到新加坡,东到柬埔寨、昆明至越南河内、胡志明市，是一条连通东南亚的经济大动脉。目前该铁路正在规划分段修建，从西南出国，北上印度、巴基斯坦等地，和丝绸之路在伊朗相交，形成东欧至东南亚的路网，对我国和东南亚友好互助帮助很大，尤其缅甸是个没有铁路的国家，要求迫切，愿急用矿山资源换取铁路建设的费用，目前正在国内开工建设，尽快进入该国，对该国的快速发展意义重大。

中国高速外交已被世界各国所认可，因为我国高速铁路的水平可以概括为：①高速铁路的轨下土建工程如桥隧、路基已具备国际领先水平；②轨道结构技术同样处于国际领先水平;③机车车辆技术已处于国际先进水平；④高速铁路的总体设计、施工、运营、快速建设技术，从安全、可靠、适用、经济、先进五大指标进行对比，总体技术已处于国际领先水平。这已被许多国家所公认，也是中国高铁敢于走出国外的原因。中铁、中铁建等4大公司已在国外进行高铁的交流与合作。高铁技术在本质上也反映了我国科学技术的整体水平，是我国的自豪和骄傲。

3.5 重要技术

3.5.1 轮轨技术

快速铁路的核心是轮轨技术，是轨道结构下部基础的空间耦合，由“车型——无缝线路——道床——下部基础”组成，形成车轮与钢轨相互耦合的高风险、高安全的技术。一旦轮轨技术出问题，就会形成车毁人亡的特重大事故。其中：长大无缝线路，桥梁、隧道、高架车站的无缝线路和无缝道岔的设计、高精度施工；100多度的温差控制伸缩，确保钢轨长期稳定性的技术措施和安全检测；无渣轨道板的抗裂、抗静动荷载强度的百年寿命；抗摇摆快速道岔的研制等，是高铁工程的重大技术难题。

3.5.2 弓网供电技术

各种荷载包括风载，确保正常供电技术。我国目前风速35m/s，不分内地、海边，杆距60m。日本海边风速50m/s，杆距30m。国内标准应区分内地和海边的不同。

3.5.3 移动自动闭塞技术

防止列车运行机车追尾的安全技术。加密列车发出密度,如地铁间隔2min，高铁间隔6min。

3.5.4 高速列车CRH380A

2020年将建成1.6万km高速铁路，需要数千台高速列车。该列车具有高可靠性、轻量化、节能环保、适用条件复杂等特点。具有9个方面的创新。

①流线型头型；

②气密强度与气密性好，车体安全可靠、乘坐舒适；

③车体振动小；

④高速转向架强，寿命长（30年）；

⑤噪声控制在65dB以下（300km/h速度时）

⑥制动系统准确、灵活、紧急制动距离在380km/h为7500m，低于标准值；

⑦高速双工受流稳定，离线火化率低于6次/km；

⑧牵引传动系统，16辆编组总功率20440kW能耗指标优良，人均百公里能耗5.12kW/h；

⑨旅客界面合理。VIP：一等：二等为1：5：28。

3.6 几个思考警示的问题

①整合铁路市场，以一个窗口、一种声音开始对外技术引进的谈判，避免了中国人间互相压价、肥水外流的弊端，同时最大限度地保护了国内市场，为中国高铁的发展和创新注入了源源不断的动力，成就了举世瞩目的中国高铁模式，也提供了中国各产品技术对外引进谈判的可能借鉴的好模式。

②中国高铁模式与汽车市场换技术模式和钢材铁矿石引起的相互压价，从正反两方面给我们巨大的启示。说中国是“世界工厂”而感到自豪，这是一种错误的看法和做法，中国不能出卖资源、能源和劳力得微利而丢大利。

③汽车是典型的既丢了国际市场又没换到技术的民族悲剧，若让长春、青岛、株洲、大同、唐山、大连等铁路机车厂采用机车争拼的做法，中国高铁机车的牌号就不是和谐号，而是多国的牌子，如果多种互不兼容制式的外国高铁的机车分割着中国的市场，给人民带来的是更大的灾难。

④计算机有机无芯。

⑤飞机有3种病：一是心脏病，发动机是国外的；二是皮肤病，机身材料是国外的；三是精神病，控制操作系统也是国外的。

⑥盾构机。硬岩掘进机（TBM）的主轴承也是外国的，中国在关键技术上走不上顶峰。

4 隧道及地下工程面临的十大技术领域

4.1 江、河、海底隧道

厦门公路越海隧道，由于隧道穿越地层为质地良好的花岗岩，决定采用双向六车道钻爆法施工，中间设管廊式服务通道。

武汉长江第一隧，由于隧道穿越粉细沙不稳定地层，决定采用双向四车道、泥水加压式盾构，盾构直径11.4m，采用复合式刀具，以实现长距离不换刀掘进。

4.2 钻爆法施工技术

快速单线120m／月、双线150m～150m／月，应变能力强、以排为主，向以堵为主、以排为辅过渡。

4.3 浅埋、超浅埋暗挖法施工技术

穿越各种软岩、土质隧道。

4.4 TBM全断面掘进机施工技术

开敞式、单护盾法双护盾法大TBM;小TBM加钻爆法；主要用于硬岩。

TBM由8大主要技术系统组成:刀盘、刀具切割系统;精确导向系统；支撑推进系统；液压控制系统；运碴转载系统；电器控制系统；通风消音系统；拼装与支护系统。

4.5 盾构法施工技术

插刀盾构法；土压平衡盾构法；泥水盾构法；复合式盾构法；顶管法。

盾构整机8大构成系统：液压传动系统;电气控制系统;集中润滑系统;同步注浆系统;盾尾密封系统;地面监控系统;发泡加泥系统;油温冷却系统.

整机7项支持技术:土压平衡自动控制技术;衬砌拼装遥控技术;刀盘驱动密封技术;注油润滑技术;盾构姿态态控制技术;PLC程序控制技术;施工数据管理技术。

4.6 沉管法施工技术

沉埋管段法；悬浮管段法。

浅埋管段建设关键技术：干坞制造；管段制造；通风竖井施工；水下基槽开挖；浮运与就位；接头联接方式；注浆；回填与防护；引道的浅埋暗挖法施工技术。

4.7 辅助工法

注浆法（单液、双液）；管棚法；超前小导管法；水平旋喷法；冻结法；降水法（轻型井点、深井泵降水）；降水回灌法。

4.8 地下深基坑围护结构施工技术

地下连续墙法；钻孔桩法；人工挖孔桩法；咬合挤压钻孔桩法；锚钉墙法；SMW法；水泥搅拌桩法；高压旋喷法；粉喷桩；钢板桩。

4.9 地铁车站施工技术

暗挖法（柱洞法、中洞法、侧洞法、CD法。CRD法、眼镜法）；敞口明挖法；复工板明挖法；钢支撑法、锚索法。盖挖法；盖挖逆筑法；盖挖半逆筑法。

4.10 提高隧道施工质量、环境保护施工技术

防沉降技术、防水技术、文明施工无燥音、无粉尘施工技术、弃碴利用造田技术。

高新技术改造、提高隧道施工质量技术：不留后患耐久性施工技术；非接触量测技术；高性能防水混凝土施工技术；各种复杂地层、各种工法机械配套快速施工技术；自动化管理指挥、控制系统等。

钻爆法和浅埋暗挖法是今后永恒的施工方法；TBM是实现快速施工的新的机械化程度很高的施工方法；小TBM或小导洞超前+钻爆法扩大是经济快速的施工方法。

5 建设创新型国家是我们的责任

方针：自主创新、重点跨越、支撑发展、引领未来。

开发：空间资源、地下资源、海洋资源、生物资源。

四种精神：爱国主义精神、求真务实精神、敢于探索精神、团结协作精神。

建立科技平台和创新平台。