全球播报:两端同时施工的隧道如何解决对准问题？

2022-09-10 07:52:46 来源：科普中国

出品 | 科普中国

作者 | 荆博（地质工程师）

【资料图】

监制 | 中国科普博览

8月17日，位于广西环江毛南族自治县的贵南高铁九万大山四号隧道顺利贯通，至此，贵南高铁全线108座隧道全部贯通。建设中的贵南高铁是我国“八纵八横”高速铁路主通道包头至海口通道的重要组成部分，设计时速350公里，全线预计2023年底开通运营。

无人机镜头下的贵南高铁桥隧丨图片来源：新华社

随着中国高铁和中国高速公路等交通工程的兴建，中国成为世界上隧道和桥梁工程最多、最复杂的国家，修建了2万多条隧道和超过100万座桥梁，其中更是不乏长度超过3公里的超长隧道。那么这些动辄十几公里几十公里的隧道是怎样实现分毫不差地贯通的呢？

测量——隧道能否如愿贯通的关键

一条隧道最终实现顺利贯通，是整个隧道工程各个部门通力合作完成的，其中就包括了勘查、设计、施工、监理和验收等。掌控隧道工程位置形态精度的便是测量部门，隧道能否按照预期的位置开凿，测量是毫无疑问的核心。一般来说，隧道的测量分为平面和高程两方面才能保证隧道的姿态。

测量工作从整个工程准备阶段就开始了，测量部门从这时就要为道路设计部门提供相应线路的周边地形情况。这将最终确定是否要修隧道，以及隧道的开口位置等。当隧道设计阶段完成，施工阶段开始，也是土方未动，测量先行。

施工队伍会首先在工区内架设测量控制网，它起着衔接国家测绘控制网和工区测绘控制点的作用，并依据施工控制网的结构强度决定工区范围内测量结果的精度。简单讲就是在正式施工之前，需要在工区周围设置一些特殊的点，其分布既要满足工区中快速的测量，又需要尽可能少受施工的影响。这些控制点通过国家基准点相联系测得其相应的位置，后面的所有测量工作都是依据这些特殊点开始（起算）和结束（验算）。

高精度测量离不开先进的测绘工具

架设好施工控制网后，就是相应的施工放样了。放样同木工弹墨线或者家中装修时的划线一样，是引导施工队伍进行施工的工作。在隧道掘进过程中既要指示掘进的方向，又要标定隧道的中线和腰线，这就限定了隧道施工的界线，也就是所谓指哪儿打哪儿。只不过，由于隧道的特殊环境，电磁波难以穿透厚厚的岩壁，所以不能用现代测量最常用的RTK（实时动态差分技术）等GPS测量方法，一般常用全站仪等光电测量设备，完成平面测量和水准测量。

在隧道中使用的全站仪丨图片来源：作者

全站仪利用了光是沿直线传播的原理而设计，现实工作之中会受隧道中粉尘等影响产生测量误差，同时由于仪器操作也要由工作人员完成，所以各种误差无法从理论上避免。但通过多次测量平差计算和合理布设导线网或三角网，加上新式全站仪自带的计算能力和高度自动化的光学设备，可以快速平差计算。现代全站仪将光学度盘换为光电扫描度盘，将人工光学测微读数代之以自动记录和显示读数，使产生的误差最终非常微小，达到每公里只有几厘米或者几毫米的误差。

而修建隧道工程中使用越来越广泛，且效率更高的TBM（Tunnel Boring Machine隧道掘进机）更是配备了激光靶纠偏，保证工程设备能够按照设计行进。

超长隧道积累误差怎么办？

那么修建超长隧道会不会随着公里数上升进而使误差积累呢？理论上这个情况确实会出现，但由于修建超长隧道时，随着长度的增长，工程难度和修建成本的提升速度要远高于控制测量误差累积的速度。所以一般都会选择长隧短打的方法进行修建——即在隧道中修建横洞、斜井和竖井的方式，将长隧道分解成一段段的短隧道。这样的施工方案虽然会提高修建成本，但也有隧道工期缩短、改善施工时通风排水条件等好处。施工过程中开挖的竖井斜井等在隧道建成后还可以担当通风井、消防通道、维护和应急通道等，提升整个隧道的安全系数。

如我国已经修建完成的世界最长的高原隧道——青藏铁路西宁至格尔木段及关角隧道，全长32.690公里（隧道进口高程为3380.75米，出口高程为3324.05米）。由于施工条件恶劣，为适应这种高原气候，采用了斜井分割风道技术，即10座斜井辅助正洞施工，大幅增加了供风量，满足了高海拔，长距离多工作面施工的需要。

关角隧道线路施工示意图丨图片来源：作者

不仅如此，随着隧道掘进过程中，已经完成的工段还需接受监理和测量的验算工作，一旦发现与设计线路存在偏差，马上就会补救，使得最终隧道按设计贯通，精度比你双手食指对在一起都高得多。所以在现代修建隧道过程中，完全见不到隧道打偏了的新闻。

曾经的隧道建造真的会两头对不上

当然，如果没有相应的测量工程则是另一番景象。测量技术作为一门应用数学技术，随着计算科学和光电磁技术的进步而发展得异常迅速，几乎每10年技术都会更新换代。

人类在上世纪初期还在使用经纬仪等发展了几个世纪的测绘工具，测绘效率和精度都相当低下。那时修建隧道除了掘进技术上的不成熟，控制测量精度难以达到要求也是重要的原因。所以在早期线路设计中，宁肯多绕些路，也不会设计为隧道。故而，在上世纪上半页中，铁路的展线和公路中的盘山公路都异常活跃。而且由于这两种翻山形式多建造在峻山深谷处，其周边秀丽雄伟，往往成为一道重要的景观。但随着桥隧技术的发展，这种交通形式越来越少，反而正在逐渐消逝。

成昆铁路中乐武展线景色丨图片来源：作者

除此之外，当修建隧道不可避免时，还可以使用明挖和盖挖法，或者干脆开天窗等方式。这其中比较有名的就是壁挂公路，虽然名字带公路，但它其实是隧道的一种。虽然这些方法将动用更多的土石量，增高修建成本，但它们的纠偏相对简单易操作，使用非常简单基本的测量工具就可以胜任测量要求。

虽然选择不修建隧道既可以实现地表直接观测，又可以在一定程度上降低施工难度，但对工程项目本身存在很大局限性。此外，设计隧道只使用直线方式也会降低在没有很好测量能力下的贯通难度，容错率比较大。曾经隧道施工时多使用单侧打洞，这样虽延长了工期但却没有了隧道对接的问题。上述这些办法在早期道路建设中都发挥了重要的作用。

一刀一斧靠双手打通的穽底挂壁公路丨图片来源：作者

中国在基础设施建设上挑战了一系列的不可能，中国工程人员一直在研究和突破，解决各种难题，这充分展现出了中国的强大基建实力和毅力。

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关键词：隧道工程隧道掘进