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我国隧道及地下工程的历史机遇、发展困局及若干建议

文章来源:隧道建设作者:郭陕云
时间:2019-11-29 19:41 访问量:

 

我国隧道及地下工程的历史机遇、发展困局及若干建议

原文见《隧道建设(中英文)》2019年第10期“专家论坛”

郭陕云

 

 

导语

改革开放40年来,我国隧道及地下工程建设取得了令世人瞩目的成就,但隧道及地下工程建设项目存在的问题同样突出,重视和解决当下的隧道及地下工程困局已经到了刻不容缓的地步。

首先,从国家基本建设的发展态势及隧道与地下工程的优势分析,得出我国隧道及地下工程发展有着良好的历史机遇。通过实例说明目前隧道的发展困局主要是隧道工程巨额亏损。

然后,从工程理念、技术运用、管理体制和实务操作等方面分析导致我国隧道及地下工程发展困局的原因:1)处于主导地位的理念措施造成专业领域建设指导思想的混乱,包括低造价“王者称霸”、“狂躁症”害人害己、旧思维难以生新;2)在技术方面,主要是工法运用不当带来的严重后果;3)隧道工程建设管理体制失调和管理实务操作失控,造成的不良后果明显。

最后,从事业和产业进步的角度出发,提出对我国隧道及地下工程发展的建议:1)改革建设管理体制;2)加大对生态环境保护的投入;3)走机械化、自动化、智能化之路;4)培养和造就隧道建设专业队伍;5)重视和提倡工程经济学研究。

 
 

引言

近40年来我国隧道及地下工程建设取得了令世人瞩目的成就,无论是建设规模、建设速度,还是已经投入运营的工程数量等,皆为世界第一。同时,其技术水平及工程难度总体上也已跨入世界先进行列。尤其是进入21世纪以来,我国隧道及地下工程的进步是惊世骇目的。第1个10年,铁路隧道长度从20世纪末的10 km级跃升到20 km级(石太铁路客运专线太行山隧道);第2个10年,突破了30 km(青藏铁路西格二线新关角隧道);区域性的调水工程隧洞长度从单座85 km(已建成的辽宁大伙房引水1期工程)到单座283 km(在建的新疆北部引水工程喀双隧洞);2018年建成且投入运营的港珠澳大桥海底沉管隧道长达5 664 m。

但是,在乐道于这些辉煌成就的同时,近些年来一些隧道及地下工程建设项目存在的问题也必须引起各有关方面的重视。2019年5月22日,某微信公众号发布的一篇网文《隧之道:何因隧道亏损无尽头》,引起了广大隧道及地下工程建设者的关注和共鸣。如文所述,大家面对动辄亏损数亿、数十亿元的隧道项目,退避三舍、敬而远之。因为揽得越多、干得越多、亏得也越多,谁粘上谁倒霉!这种现象已被业内行家调侃为隧道“黑洞”。笔者也做过一些调研,着实有相当数量的隧道工程项目出现严重亏损,巨额的成本困局使得不少施工单位债务丛生、难以为继。其实,隧道巨亏绝不是单方面的成本问题,带来的还有合同违约、质量事故、环境破坏以及阻碍隧道技术发展进步、瓦解隧道专业队伍等诸多方面的问题。

当前国家倾力进行基本建设的大好时机,为隧道及地下工程的发展提供有力的支持,但要发挥更大的作用,取得更加宏伟的建设成就,则必须重视和解决当下的隧道困局,这已经到了刻不容缓的地步。

 

1

隧道及地下工程建设的历史机遇
 

2013—2017年我国基建、地产、制造业3大下游行业投资占比见表1。纵观国家基本建设的发展态势,当前仍处于高速期。其原因是:

1)国家对于基本建设的刚性需求。交通、能源、水利、采矿、市政、国防等各方面都会有长期的持续投入,以满足人民不断增长的物质生活需要,完善现代化社会服务的基础功能。
2)近些年来国民经济发展主要依靠基本建设拉动的客观事实。基建行业涉及多个行业领域,雄踞产业链之首,有着“一荣俱荣、一损俱损”的链环效应。

3)我国正处于向城镇化转变的关键时期。大量的农村富余劳动力流向城市,基建行业为其提供了数以千万计的就业机会,为社会大局稳定做出了重大贡献。

2016—2018年我国交通基建重点工程规划项目数及投资额见表2。在国家基本建设的许多领域,隧道及地下工程作为建设项目的重要组成,其地位和作用也日益突出,进而得到大家的高度关注。因此,隧道及地下工程的发展有着良好的历史机遇。

从技术角度看,特长隧道及大型地下工程建设项目的实施是必然的:

1)特长隧道修建技术的突破为山区高速铁路、高速公路的实现提供了可能。如高速铁路要求线路平面曲线半径为8 000~10 000 m,一般最小为7 000 m,个别最小为5 500 m;高速公路要求设计运行速度为120、100、80 km/h时,最大线路坡度分别为3%、4%、5%。设计中必须采用的“截弯取直”“压低线位”等措举,也只能依靠加长隧道或增设隧道群来解决。换句话说,没有隧道这个工程元素,就没有山区的高速铁路和高速公路。
2)即使是在平原地区或市区,充分利用和发挥隧道优势也应该引起政府部门和业界的重视。如国内许多城市的高铁站远离市中心,群众出行很不方便,而且行程费用并不经济、耗时长。若高铁近市走入地下,效果会大不一样;不单是方便出行,还节约了土地,降低了噪声干扰。在这种情况下,虽然隧道方案会带来较高的建筑成本,但把土地成本、环保效益、高铁车站与城市中心的连接设施建设费用和群众的出行成本等加在一起综合考虑,就可自见分明。
3)穿江越海的交通物流路径主要由水下隧道成功实施。我国有多处海峡、众多海湾和江河湖泊需要进行通道建设或完善通道设施,在穿江越海的诸多方案中,只有隧道方案能够实现全天候运输,而且安全可靠、方便快捷、节约土地、利于环保。就拿琼州海峡和渤海湾的运输通道来说,如有可能使用隧道连通,其优势显而可见;如果采用桥梁方案,不但存在的技术问题多,且有海洋生态保护和民防的难题。
4)向广阔的干旱及半干旱地区引水,改善穷困地区的生态环境,是我国基础设施建设的又一重点。这些年大力兴建的区域性调水工程多由隧洞构成,其长度已创造了世界隧道之最,且我国在这方面的需求量非常大,尚未实施的南水北调西线方案和西部更大规模的引水工程将把隧道建设成就推向更高的巅峰。
5)市政基础设施规划和建设的重点走入地下是必然趋势。近些年来,各大、中、小城镇急剧扩张,建设项目星罗棋布,施工场面热火朝天。然而,城市土地资源稀缺,可开发的空间有限,最好的出路是向地下发展。除地铁和地下管廊之外,地下道路、地下车场、地下商店、地下物流和地下仓储等,都有较大的发展余地。国内外许多实例说明,成功的地下工程设施不但能够更好地满足人们的生活需求,而且在靓化城市、环境保护等方面有着举足轻重的作用。

6)油气能源和淡水资源的地下储存在我国仍是弱项,或者说是处于起步状态。虽然最近几十年来我们引进了地下水封油气(LPG)库技术,也做了相当数量的工程,单个项目从几十万m³发展到了数百万m³,但还远远不能满足应对灾害风险和国防战备的需求。水资源的储存在干旱地区尤为重要,我们经常看到和听到的是雨季洪涝成灾、旱季滴水难求。在这些地方,前人都知道修窖窨水,而如今却是深受洪患之害,或任由可贵的水资源白白流失。所以,地下工程大有用处,不单应有地面上的水库,还应有大量的“地下水库”。

 

2

隧道发展困局的现状和成因
2.1

何谓隧道困局?

以近些年来某些重点铁路隧道工程为例,其成本统计分析见表3。

表3中27个铁路隧道项目累计中标合同价额478.6036亿元,累计验工计价收入430.712 7亿元,累计总成本为491.583 3亿元,亏损总计60.870 6亿元,亏损比率为收入的14.13%。其中,14个收尾项目是在合同外调价平均增加7.62%的情况下仍然亏34.797 1亿元,亏损率为11.7%;而13个在建项目累计亏损额26.0736亿元,亏损率高达19.56%。这是截至2019年5月底的统计数字,在建工程的累计亏损额随着工程进展还在进一步地增长和累加。

从以上隧道工程的成本分析结果可知,在其表面异常光鲜、创造了多少个“XX第一”的名头下,铁路施工企业的日子该有多么难过。

遭遇以上困难情形的施工企业有不少,业内要求改变这一现状的呼声很高。如大理—瑞丽新建铁路大理—保山段,以4座特长隧道(秀岭隧道、大坡岭隧道、杉阳隧道、大柱山隧道)为主的3个标段,由4个工程集团中标承包,截至2019年6月底,累计完成工程验工收入49.39亿元,实际成本支出71.83亿元,累计亏损22.44亿元,平均亏损率为收入的45.43%,共垫资约29亿元; 再如已经投入运营的兰新客运专线祁连山隧道项目,至今施工单位的3.75亿元垫资仍呆在账上,无从处理。看看近些年来那些工程所处条件复杂、长隧较多的一些新建铁路(如云桂、兰渝、郑万、衢宁、大瑞等)的被动局面,就会明白问题的严重性。
2.2

建筑工程中,为什么隧道困局尤为突出?

譬如,新建铁路(也有其他行业的)隧道工程大量出现巨额亏损,且在不同的地区和单位普遍发生,其成因虽然复杂,但也有较多的共性。综合起来有工程理念、技术运用、管理体制和实务操作等几个主要方面。

2.2.1

处于主导地位的理念错误会造成专业领域建设指导思想的混乱

工程理念就是关于工程的“意识形态”,也可以说是工程建设的“价值观”。它是建设者专业素养的高级体现,会影响到项目规划、勘察设计、施工组织、现场管理、工程评估等整个建设流程的各个方面、各个阶段和各个环节。近些年来,隧道及地下工程界的主流理念存在着以下问题。

2.2.1.1

低造价“王者称霸”

不求工程综合效益最大化,把片面压价当律条:

1)所使用的工程定额长期脱离实际,连基本人工费和主要建材价都不能保证,且不能及时核算结清;
2)优质优价的公平法则在建筑市场荡然无存,取舍承包商的最大砝码为最低报价,肯定是压价中标;
3)“重表轻里”,不惜浪费资财“装面子”,却不舍得在主体结构、“隐蔽工程”上下功夫。甚至为了降低造价导致局部工程布局不合理,或忽视及取消必要的功能设施。
我们的工程标准可以与国际接轨,但工程造价却有着天壤之别,所带来的后果可想而知。
 

2.2.1.2

“狂躁症”害人害己

好大喜功,为新而新。新闻报道“XX之最”“厉害了,我的X”随处可见,却少有同别人比质量、比性能、比效益的。

一种“狂躁症”的表现是自吹自擂、哗众取宠。说什么“以我们现在的技术能力,没有打不通的隧道”,这种无畏于大自然的态度欺骗了某些无知者。随意定调,吃尽苦头,却说是克服了“世界级难题”,创造了多少个“第一”。不顾实际情况,在十分软弱、破碎的地层中也要坚持采用大断面隧道通过;盾构直径也越做越大,以大为荣。这些做派,不仅加大了工程成本,造成巨额浪费,还大幅增加了工程风险。最终,转嫁给施工承包方来承受。
 
 
另一种“狂躁症”表现是为“新”而“新”。不断地花样翻新,不断地编造新名词,能够蒙住查新的眼睛,却没有多少实质性的创新内容,甚至于移花接木、弄虚作假。这些行为无非是为个别人捞取名利好处。所以,近些年来虽然出现了不少“重量级”的创新成果、发明专利,但是较为明显的行业技术进步除盾构及掘进机的引进、使用和消化外,其他方面几乎乏善可陈。现场施工一旦遭遇较大的困难或灾害事故,则迟迟不能摆脱,费用消耗大幅增加。

2.2.1.3

旧思维难以生新

最为明显的实例是隧道“新奥法”在本土的演绎过程。20世纪80、90年代,从引进新奥法到推广使用,有关隧道建设的技术文件或新闻报导中经常会看到“摈弃了陈旧的矿山法,采用了先进的新奥法”等字眼,隧道新奥法成为了行业时髦。几十年过去了,现在的一些人似乎不太喜欢新奥法这个名词。譬如:有许多设计文件又回归到了“矿山法隧道”的称谓; 现场的技术操作距离隧道新奥法的要求也越来越远; 甚至于在国内某大学的校刊里有了“矿山法包括新奥法”“新奥法是矿山法的一个分支”这样的论述;个别技术刊物及媒体公然连篇累牍地把新的隧道技术操作硬塞进矿山法,用来“覆盖”新奥法。所有这一切只能说明他们根本不知道新奥法新在哪里、它的实质是什么。

与矿山法对比,新奥法有着显著不同的工程机理和“技术法则”。新奥法视支护与围岩为一体,共同承载地层压力,要求减少扰动,及时支护,快速封闭,以尽可能地维护、提高和利用围岩承载能力; 必须采用信息化动态管理手段掌控隧道工程建设,要求在现场建立完善的监控量测和信息处理体系,实行两阶段的地质调查和两阶段的施工设计;并在现场成立建设、设计、施工、监理、监测等多方一体的项目联合管理机构。实践证明,新奥法贴合隧道工程的实际特点,是对隧道工程科技的重大贡献,新奥法的推广运用极大地提升了我国隧道建设的技术水平。
我们首先应该领会新奥法的实质内容,明了和熟悉新奥法的工程机理和技术法则,并在此基础上有所发展。而非浅尝辄止,自以为是。如果真正能够按照新奥法的技术要点去做,就不会出现前面所列的那些被动局面。
更重要的是,我们要有不断扬弃的科学精神。如果仍抱着矿山法死不丢手,认为它可以包罗万象,寻找机会来“借尸还魂”,那么我们纵是建成了再多、再大的隧道工程,也难以产生像新奥法那样举世公认的技术突破和创新。

2.2.2

在技术方面,主要是工法运用不当带来的严重后果

自从21世纪初“三台阶七部”成为国家一级工法,隧道施工被空前“简化”。各大勘测设计院从新形势下如何编制隧道概预算的迷茫中终于找到了“出路”。三台阶工法进度快、造价低、易操作,又是施工单位自己创造出来的,何乐而不为呢?大家可以去翻阅各条新建铁路线的隧道设计资料,就会发现无论隧道断面是单线、还是双线,从Ⅱ级围岩到Ⅴ级围岩统统采用三台阶法。不过也有例外,一旦有富水及软弱破碎带的情况,就加上一句话“留核心土,加临时仰拱”(岂不知一旦这样做,就不能称“台阶法”了)。设计中采用其他工法的隧道可谓是凤毛麟角。

这样一来,进入施工组织中的隧道施工平均进度与工法宣扬基本一致,即在Ⅴ级软弱破碎地段,双线断面成洞速率也会是40 m/月上下(实际平均能达到20 m/月就不错了)。那么在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级好一些的围岩中,计划施工进度不得而知。这种被“简化”了的隧道工法,带来的肯定是合同工期短、概预算造价低。事实上,被滥用的台阶法成了隧道行业的“新生魔咒”。
隧道施工台阶法本身并没有错,早在20世纪的50、60年代就有,翻一翻较早的隧道技术书籍就可以找到。比较权威的说法是“正台阶开挖法是全断面开挖法在缺乏大型钻眼设备时采用,适用于整体较好的坚固岩层(Ⅴ、Ⅵ类围岩),但不宜用于节理发达的岩层”。进入了21世纪,绝大部分隧道掘进施工依然使用着20世纪就有的带支腿手持风钻,竟能“创造”出三台阶国家一级工法?莫不是在嘲笑隧道老前辈们智商太低?着实令人费解!
隧道掘进应极其慎重地选择工法。业内人士都懂的一个道理是: 在软弱地层中打隧洞就如同在豆腐块中挖洞,隧道开挖方法和支护形式必须安全可靠。否则,围岩被扰动破坏,就变成在“豆腐脑”中挖洞,风险剧增,事倍功半!

 兰渝新建铁路线上的某隧道开挖工法由台阶法迫不得已变更后的造价对比统计见表4。原设计中该隧道除洞口及个别地段有特殊支护加固外,大部分为三台阶法施工,全隧原概算指标均价7.46万/m。掘进严重受阻后要求设计变更,无非是CD、CRD或双侧洞工法,成本价却需要26.41万/m。更重要的是,隧道围岩被强烈扰动,岩层位移和变形严重超限,成段支护拆除重做,这样的工程质量该如何评判?

2.2.3

工程建设管理体制失调和管理实务操作失控不良后果明显

由于隧道工程的介质是地层,影响工程进展的因素有较大的不确定性,所以隧道工程建设管理层应贴近于现场。否则,他就不能准确、及时地收集信息、发布指令。前面讲到,尽管新奥法是技术法则,却对隧道工程建设项目管理提出了相应的要求。现今的实际情况是有事权、物权(设计变更及费用结算)的管理者远在后方,又没有向现场工作人员有效授权,只能是等问题“成了堆”,才来召开所谓的“现场办公会”,或搞什么“专家院士行”。实际上有相当多的项目,其工程投资、计划工期和合同履行处于不同程度的失调、失控状态。

目前多数隧道工程现场存在的主要问题是能力不足,其中部分工点可以说是十分薄弱,表现为管理能力不足、操作技能不足、资源配置不足。所谓的项目管理徒有虚名,本部资源缺位,“架子队”应时而生,主要依靠工程分包,个别如同转包。施工队伍素质参差不齐,技术工人、专业人员奇缺。类似于过去在洞内带工把关的“领工员”职务早已消失,工地上很难找到有高级职称的技术人员,常因“低级错误”引发安全和质量事故。技工无来路,培训跟不上。因此,隧道施工中一些专业性较强的操作方式(如有轨运输、控制爆破)在多数工地难以实施。在这种情况下,不可能产出好的效益。
 

3

关于隧道及地下工程发展的建议

俗话说“冰冻三尺,非一日之寒”,要解决目前的隧道发展困局绝非易事,需要从上到下各方面的共同努力。本文仅从事业和产业进步的角度出发提些建议,供有关方面参考。

3.1

建设管理体制改革

尊重工程建设事业管理体制的客观规律,与国际接轨。特别是大型隧道工程,宜施行设计施工总承包。由于隧道工程建设在履行过程中不确定因素多,首先,要依据初步勘测资料做出预设计;开工后,需要对已暴露的地层进行调查、描绘或补充勘察,进而修正原设计。因此,设计与施工须穿插进行,关系密切。所以工程实施阶段实行设计施工总承包是国际惯例,为了能够顺利进行,FIDIC条款还规定意外的地质风险应由建设方承担。我们当前设计与施工分离的基建体制信息流程长,纠错能力差,是不合适的。它的病根在于制人,而非治事。
3.2

加大对生态环境保护的投入

水土自然状态与隧道及地下工程建设高度敏感。历史上由于隧道及地下工程建筑使得地表径流干枯、地下水位下降的案例多之又多,不胜枚举。其危害之巨,令人痛心。在国家经济贫困、能力不足时,只能牺牲局部、顾全大局。而现在,牺牲环境就是大事,因为环境是大众乃至国家更加长远的利益。如今国家对生态环境保护极为重视,工程建设者更应积极响应。首先要坚决改正长期以来形成的“重建设、轻环保,出了问题再补救”的习惯思维。工程设计中对有可能造成水土流失、环境破坏的因素应予以回避或防范;施工中应杜绝盲目蛮干,严格按照设计精益求精原则,全数达到环保要求。隧道严重漏水后全由施工单位负责的做法不可取。

3.3

隧道技术进步的路径在于机械化、自动化和智能化

隧道及地下工程的发展史证明,施工手段一直处在主导地位。施工手段是工具和技术,与劳动者共称为生产力。总体上看,除盾构、掘进机外,我们隧道建设的装备十分落后,而且进步缓慢。在软弱破碎地段开挖隧道,为什么大家不乐于接受较为安全的CD、CRD和双侧洞工法?因为工序复杂,举步维艰。究其原因,是缺少与工法配套的机械设备。所以,应加大力度尽快改变目前隧道施工机械化程度低的落后面貌。在机械化程度没有明显提高的前提下,隧道工法不可能有大的进步。在隧道施工机械化方面我们还有很长的路要走,国家在这方面要予以扶持。但在当前这样“隧道巨亏无尽头”的困局下,谈何隧道施工机械化?

3.4

培养和造就隧道建设专业队伍

从目前国内特长隧道(洞)建设的总体进展情况来看,专业化的隧道建设队伍必不可少,否则重点隧道工程将会成为国家基本设施建设的“绊脚石”。比较典型的实例就是在建的大理—瑞丽铁路。何况更为艰巨和宏伟的隧道(洞)工程有待我们去完成。事实已经证明单靠目前的这种分包机制是要吃苦头的,主要是工程建设能力低下。应当看到,已经严重存在的隧道发展困局会毁掉老前辈们几十年呕心沥血培育出来的、为数不多的隧道建设力量。要“放水养鱼”而不是“竭泽而渔”。隧道工程建设是项技术要求很高、非常艰苦且极具风险的事业,要按照现代化的标准来培养和造就能够满足国家建设需要的专业队伍。

3.5

应该重视和提倡工程经济学研究

评价工程项目及其实施方案是否能够成立的重要依据是它的适用性和综合效益。然而建立科学、合理的评价体系并据以实施难度很大。这些年来,项目越做越大,创新越来越多,赞誉之声不绝于耳。但是,工程为什么要这样做,实际效益又如何,却少见于文。

给笔者思触较深的是关于琼州海峡的通道方案。最早的报道是公铁两用大桥、通过能力世界第一、静态投资1 400多亿元人民币。如此宏大的工程规模究竟是运量的需要,还是受制于技术方案,或是就需要这么个“第一”? 不得而知。 最近又听说有可能是盾构隧道方案,公铁两用,其直径又会是“XX第一”。曾试想,如果隧道方案成立,且海峡两岸通路线位不受限制,为什么非要采用特大直径盾构,而不优先考虑使用普通直径盾构、多管分修单线铁路隧道或双线公路隧道呢?这样做分期投资较为合理,工程建设风险相对较低,设备营运防灾能力最强。所以何去何从,工程方案的取舍应当在工程经济学中寻找答案。

结语

综上,隧道及地下工程的发展前景是远大的,破解和克服目前的发展困局是当务之急。其现实意义在于举世关注、即将开工建设的川藏铁路和更加宏伟的西部引水工程。那里有更多、更长、更大、更艰巨的隧道(洞)工程需要我们去建设。隧道工程建设者必须甩掉包袱才能够轻装前进。

 

 

               

专家简介

郭陕云(1946~),男,河南偃师人,1970年毕业于长沙铁道学院,铁道工程专业,本科,教授级高级工程师,曾任铁道部隧道工程局局长,中铁隧道集团有限公司董事长、总经理,中国土木工程学会第八届理事会常务理事,中国土木工程学会隧道及地下工程分会第六届、第七届、第八届理事长,中国工程爆破协会第三届理事会常务理事、第四届特邀常务理事;现任中国土木工程学会监事、中国土木工程学会隧道及地下工程分会名誉理事长。长期从事隧道及地下工程管理和技术研究工作。

 

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