绿色隧道技术发展研究与应用

黄 俊，张忠宇，李志远，邢冬冬

(苏交科集团股份有限公司，南京 210019)

1 城市隧道的发展

随着中国城市化进程的不断加快以及国民经济的快速发展，城市人口与汽车保有量也大幅增长，由此引发的交通拥堵、环境污染以及土地资源稀缺等城市问题也逐步凸显。地下空间开发利用、隧道与轨道交通建设等是缓解城市资源匮乏、改善城市交通问题以及提升居民出行质量的重要途径。全国地下空间开发排名前十的城市[1]如表1所示。

表1 全国地下空间开发排名前十的城市

自20世纪90年代起，城市隧道作为轨道交通的补充，进一步缓解了城市交通压力，并逐渐成为地下空间开发的一个重要引擎，带动城市综合开发。出于对缓解交通拥堵以及提高路网连通性等因素的考虑，全国多座城市开始修建城市隧道，2013年中国共建成城市隧道里程约162 km，至2019年该数据已达1 000 km[2]，中国城市隧道发展之快可见一斑。2019年部分城市的城市隧道规模统计如图1所示。

图1 2019年部分城市的城市隧道规模统计

城市隧道建设规模不断扩大，与其相关的一系列研究也在不断深化，以期提高城市隧道建设与运维的经济性、安全性及绿色环保效果。隧道运维耗电巨大，且隧道洞口尾气环境以及洞口、洞内的行车环境，尤其是人车混行隧道的噪声环境，严重影响出行的安全和舒适[3]。部分重大工程在建设和运维中已摸索出一些节能与环保的绿色隧道新技术，如LED照明节能[4]、长隧道顶部开口分段式通风环保[5]和隧道内降噪[3]等技术。

中国的城市隧道发展历程可以分为4个阶段：起步阶段(2000年及之前)、探索阶段(2001年—2005年)、发展阶段(2006年—2017年)[2]和绿色发展阶段(2018年至今)。

第一阶段(2000年及之前)：起步阶段，城市隧道处于试验性质的开发建设阶段，初步摸索城市隧道在城市道路中的运用。1997年中华人民共和国建设部发布的《城市地下空间开发利用管理规定》标志着我国地下空间开发开始走向有序化与系统化。

第二阶段(2001年—2005年)：探索阶段，探讨城市隧道在解决城市交通问题上的积极意义。2003年11月9日，中国工程院钱七虎院士表示，解决日益严重的中国城市道路交通拥堵问题要有新思路，建议在中国特大城市建设“地下高速路”。各大城市相继出台了关于城市地下空间开发的规划和政策文件，并指出城市隧道发挥着缓解城市道路拥堵、提升城市环境品质的重要作用。

第三阶段(2006年—2017年)：发展阶段，随着城市隧道建设体量的逐渐增加，城市隧道在规划建设、设计标准以及逃生救援等方面取得了系统性成果。2015年全国性《城市地下道路工程设计规范》、2016年江苏省《城市隧道噪声控制技术规程》、2017年上海市《道路隧道设计标准》等一系列规范、标准和指南的出台，标志着这一阶段研究的成熟。

第四阶段(2018年至今)：绿色发展阶段，随着城市隧道理论、规范及标准的不断完善，隧道的节能环保作用获得广泛关注。2018年6月，世界交通运输大会明确了绿色隧道的内涵，标志着城市隧道的发展进入一个新的阶段。江苏省已发布的《江苏省城市隧道建设、运行与维护指南(试行)》和《城市隧道照明设计标准》，以及正在编制的《城市隧道通风设计标准》和《水下隧道健康监测技术规程》等一系列绿色隧道相关的技术标准，是对绿色隧道发展的又一贡献。

2 绿色隧道发展理念

2.1 “绿色”理念的发展

“绿色”一词起源于20世纪60年代，保罗·索勒瑞第一次提出“生态建筑”，即“绿色建筑”理念[6]。2001年的《中国生态住宅技术评估手册》描绘了我国绿色建筑体系的雏形。2003年的《绿色奥运建筑评估体系》和2006年的《绿色建筑评价标准》等文件逐渐完善了“绿色建筑”的概念[7]。

2016年，中华人民共和国交通运输部发布的《关于实施绿色公路建设的指导意见》进一步探索绿色公路的内涵，“绿色”理念逐步应用于公路领域。

城市隧道建设在缓解城市拥堵的同时必须最大化地保护生态环境。中国第一条水底城市公路隧道——上海打浦路隧道[8]的建设很大程度上考虑了黄浦江两岸的景观需求。因此，隧道建设的本身即为“绿色”的，绿色隧道的发展史即为隧道的发展史。

2.2 绿色隧道发展历程

从第一条绿色隧道的建成，到如今的拆桥建隧，从隧道建设所带来的绿色效应，延伸至隧道建造及运维的绿色技术，人们的环保意识不断增强，国家也在不断推进绿色事业发展。

2.2.1 隧道建设释放地面绿色空间

21世纪以来，世界城市化进程不断加快，中国的城市地下空间利用速度显著加快并且规模不断发展，各类型的地下建(构)筑物不断涌现。地下建筑、城市隧道、地下综合管廊、地下管线和地下仓储等开发建设相继完成[9]。城市隧道模式作为发展最迅速的模式，释放地面空间以供广场与绿化设施等建设，其本身就是绿色理念的应用。

在全球城市土地资源紧缺、交通拥堵的前提下，全球特大城市均出现城市地下道路。不同规模的隧道不断涌现，尤其是在美国、日本[10]和新加坡[11]等人口密度大、用地紧张的国家。地下道路建设案例如表2所示。

表2 地下道路建设案例

2.2.2 拆桥建隧实现绿色发展

城市隧道建设的优越性被逐渐发掘，世界各大城市先后出现多例将地面桥梁和道路拆除改为隧道的案例，通过隧道的建设，将原有地面和高架道路部分改为城市绿化空间，有效提高城市的绿化率以及周边居民的生活品质，也提高了周边土地的商业价值，实现绿色与经济双丰收。国外拆桥建隧案例如表3所示。美国西雅图Alaskan Way桥改隧如图2所示；美国波士顿6 lines Central Artery桥改隧如图3所示。

(a) 改造前

(a) 改造前

表3 国外拆桥建隧案例

中国城市隧道的出现相比于国外，晚了近一个世纪，但其发展速度远超国外，绿色隧道理念的发展也走在世界前列，南京是中国目前第一个出现拆桥建隧的城市。2013年通车的南京城西干道，由原高架方案调整为节点隧道方案，扩充路网容量、提高绿化面积，有效改善两侧居民的的生活环境。拟于2021年全面通车的扬子江大道改造工程、2024年通车的南京惠民路改造工程等均为拆桥改隧项目，是中国绿色隧道理念应用的典型。南京城西高架改隧道如图4所示。

(a) 改造前

2.2.3 隧道绿色建造及运维技术体系逐步形成

随着隧道越修越长、断面越修越大以及地下空间利用形式越来越复杂，隧道建设和运维技术也不断提高，传统的建设理念与现代交通出行中安全性、舒适性要求之间的矛盾逐渐凸显，隧道内噪声、照明以及尾气等问题须进行系统性研究，以满足节能环保的绿色建造理念。

江苏省率先提出绿色隧道理念[12]，通过不断摸索，未来将形成《绿色隧道评价细则》以提高城市隧道建设和服务水平，建设更低能耗的隧道建筑，实现节能与环保目标。

2.3 绿色隧道的定义

隧道位于地下，且与岩、土、水、气共生，隧道建设中要求对交通疏解、地下水流失、地基变形和周边建筑物的影响降到最低，同时满足运行隧道内人、车安全舒适，对周边环境影响小，养护成本可控等节能环保指标。

绿色隧道是指在隧道全寿命周期内，有效节约资源、合理保护环境并减少可控污染，为人们提供畅通、高效、便捷且舒适的出行环境以及与自然和城市和谐共生的地下建筑。绿色隧道典型案例如图5所示。

(a) 与自然和谐共生的棚洞

3 绿色隧道技术发展

3.1 绿色隧道技术发展方向

绿色隧道技术发展结合隧道建造和运维需求，综合考虑安全、成本及环境保护等一系列因素，通过硬件与软件措施，在隧道规划、设计、施工和运维中逐步实现技术落地。绿色隧道技术研究方向包括隧道毗邻空间利用、装配式建造、噪声控制、照明节能、通风环保、隧道地热利用、防灾减灾及智慧管养等方面，旨在实现隧道全寿命周期内的安全、节能与环保。绿色隧道发展结构框架如图6所示。

图6 绿色隧道发展结构框架

3.2 隧道毗邻空间利用技术

在隧道开发建设过程中，需结合地下空间综合开发绿色理念进行规划，实现地下空间的立体开发和协同建设，即隧道毗邻空间的复合利用。隧道毗邻空间二次开发难度大、浪费严重，必须建立开发利用的系统技术，指导地下空间规划建设。

拆桥建隧的建设模式代表了城市核心区开发建设的趋势。南京是国内较早规划建设城市快速路的城市，在城市内环诸多隧道建设过程中，将井字内环西线由桥梁改造为隧道，并将原集庆门隧道(双向四车道)原位扩建为双向六车道隧道，开辟了拆隧建隧的先河。南京市集庆门隧道拆除中和建成后如图7所示。

(a) 拆除中

南京江北新区临江路下穿隧道改扩建和广西埂大街管廊拆除建隧道等案例表明要充分重视地下空间的综合开发，在规划和建设隧道、管廊等地下工程时要考虑远期的发展和地下建(构)筑物之间的协同规划与建设等问题。

基于拆桥建隧的经验教训，江苏省在隧道、管廊等地下空间协同开发建设方面积极引领全国的技术发展，涌现出一批隧道毗邻空间利用的典型案例，隧道毗邻空间利用案例如表4所示，并率先出台了《江苏省城市地下综合管廊与地下工程协同建设指南》《江苏省城市隧道建设、运行与维护指南(试行)》等地方标准，以提升隧道建设和地下空间开发的科学性。

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表4 隧道毗邻空间利用案例

3.3 装配式建造技术

随着隧道建设体量的增加，装配式技术也在其中得到了应用，包括盾构隧道、沉管隧道、顶管隧道以及顶涵隧道等暗挖隧道中的应用，而在体量最大的明挖隧道中[13]，仅有很少一部分隧道应用了预制装配式技术。隧道装配式建筑建造案例如表5所示。

表5 隧道装配式建筑建造案例

3.4 噪声控制技术

隧道噪声控制案例如表6所示。

表6 隧道噪声控制案例

隧道暗埋段为封闭式结构，敞开段为扩大的喇叭式结构，封闭式结构噪声反复震荡，对驾乘人员的影响较大，而扩大的喇叭式结构对周边居民影响较大[14]。近年来，越来越多的隧道建设管理者对隧道噪声问题有了更清晰的认识，对已有隧道的改造和对新建隧道的调整等案例也在不断增加。

3.5 照明节能技术

据统计，照明是城市隧道运营中耗能最大的部分，对照明新技术和新材料的应用也是隧道节能研究的重点，目前光导管、LED灯、中长隧道遮光棚[15]以及智能照明控制系统已在部分隧道中得到应用，取得较好的经济效益。隧道照明节能案例如表7所示。

表7 隧道照明节能案例

3.6 通风环保技术

中长隧道因其长距离的封闭环境，机动车的尾气会产生聚集现象，对行车安全与人身健康有较大影响，且在隧道火灾事故下烟雾难以迅速排除，将导致救援无法进行，由小灾引发成大灾难[16]。因此隧道的通风问题对隧道内安全运行有着重要影响。隧道通风环保案例如表8所示。

表8 隧道通风环保案例

目前应用较多的高风塔方案并不能彻底解决汽车尾气排出问题，除尘和净化等设施只在极少部分隧道中得到应用，且因其运行成本问题使用频率均较低。因此如何实现隧道通风环保的低成本、高效率仍是绿色隧道研究领域中的一大难点。

3.7 隧道地热利用技术

隧道结构大多位于地下，结合地源热泵技术可以有效为隧道自身或附属建筑物提供热能。目前国内地源热泵技术在隧道领域应用尚少，仅在南京市部分隧道有所应用，地源热泵技术的应用及提升还有很大空间。隧道地热利用案例如表9所示。

表9 隧道地热利用案例

3.8 智慧管养技术

隧道运维技术主要包括运维管理和防灾救援这两个方面。运维管理主要包括管理机构、隧道运维环境和运营管理等，防灾救援主要包括救援机构、隧道防灾和应急管理等。隧道运维技术框架构成如图8所示。

图8 隧道运维技术框架构成

1) 运维管理

隧道管理机构设置形式取决于隧道规模、位置分布、施工方式和运维管理规模等。过江隧道或隧道群宜建立隧道管理中心，特长隧道或孤立隧道宜建立隧道管理站，中短隧道应建立隧道现场控制室。

隧道满足不同工况运维要求和良好的运维环境是车辆在隧道内安全行驶的前提条件。环境要求在隧道建造阶段已经确定，并结合环境条件和工况要求确定隧道照明灯具、风机、摄像机、环境检测器和交通控制器等设备的数量以及安装位置。路面和结构完好也是隧道良好运维的前提条件。

运维状态监测和评价是隧道安全运维必不可少的环节，其主要包括土建结构、交通环境、交通工程与附属设施技术状态、交通状态的监测和评价，以及交通工程与附属设施配置合理性评价等。隧道内设备配置如图9所示。

图9 隧道内设备配置

2) 防灾救援

隧道救援机构设置取决于隧道规模、位置分布、交通量、车型组成和救援需求等。过江隧道、隧道群或特长隧道应独立设置消防中队和事故救援队，中短隧道消防中队和事故救援队可借用市政配套救援机构。

隧道运维管理机构应结合所管辖路段内隧道规模和分布等建立规范化、标准化的应急体系与预案。应急体系与预案应包含隧道交通事故和火灾事故等一系列可能发生的应急事件，并借助大数据、云计算、互联网技术分析隧道事故位置和种类等，完善隧道应急体系与预案。

3) 智慧运维技术

隧道智慧管养技术是在新一代信息技术环境下对传统隧道交通工程设施的全新演绎，是未来隧道运维管理的发展趋势。为解决隧道管养过程中隧道设备运行状态、环境、结构等管养监测不到位的情况，应利用云计算、大数据、物联网和互联网等技术，建立起智慧化隧道管养平台。隧道智慧管养案例如表10所示。

表10 隧道智慧管养案例

4 结语

对地下空间开发程度较高的几座城市的城市隧道规模进行调研统计，根据统计调研结果，结合多年来城市隧道的设计和研究经验，提出绿色隧道理念。针对现有绿色隧道领域已有案例和经验进行收集整理，并进行初步总结和探索，为绿色隧道进一步发展提供一定研究基础。