地下施工技术：全球视角

地下施工技术涵盖了用于在地球表面下建造、修复和维护基础设施的广泛方法和技术。从交通隧道和公用设施网络到地基和存储设施，这些技术在现代社会中扮演着至关重要的角色。本文从全球视角对地下施工技术进行了全面概述，探讨了其应用、优势、挑战和未来趋势。

什么是地下施工？

地下施工涉及在地球表面下建造结构和基础设施。这可以包括：

• 交通隧道（公路、铁路、地铁）
• 水、燃气和石油管道
• 电力和通信电缆的公用设施隧道
• 存储设施（例如，石油和天然气储备、数据中心）
• 建筑物和其他结构的地基
• 采矿作业
• 地热能系统

地下施工中使用的技术因项目的具体要求、地质条件和环境因素而异。一些常用的方法包括：

• 常规隧道掘进（钻爆法）： 这种传统方法涉及在岩石或土壤中钻孔，并使用炸药来挖掘材料。它通常用于硬岩地层中的大型隧道。
• 隧道掘进机（TBMs）： TBM是精密的机器，可以在各种地质条件下挖掘隧道。它们通常用于长隧道，并且可以自动化许多挖掘和支护过程。
• 明挖回填法（Cut-and-Cover）： 这种方法涉及从地表开挖沟槽，在沟槽内建造结构，然后回填沟槽。它通常用于城市地区的浅层隧道和地下结构。
• 非开挖技术： 此类别包括多种能最大限度减少地表干扰的方法。这些技术在需要避免干扰交通和商业活动的城市地区尤其有用。

非开挖技术的类型

非开挖技术，也称为无开挖技术，提供了一系列以最小的开挖量来安装或修复地下基础设施的方法。与传统的明挖法相比，这种方法显著减少了地表干扰、环境影响和社会成本。非开挖技术的主要类型包括：

水平定向钻掘（HDD）

HDD涉及沿规划路径钻一个导向孔，然后将孔扩大到所需直径。之后，管道、导管和电缆可以被拉过孔洞。HDD适用于穿越河流、道路和其他障碍物。

示例： 横跨波罗的海的北溪天然气管道的建设就利用了HDD技术，以最大限度地减少对敏感沿海地区的环境影响。

微型隧道

微型隧道是一种远程控制的导向钻掘方法，用于安装公差要求严格的管道。它通常用于较小直径的管道（如污水管、供水管），并需要一个始发井和接收井。

示例： 在日本东京等拥挤的城市地区，微型隧道技术被频繁用于安装新的下水道管线，而不会扰乱交通。

裂管法（Pipe Bursting）

裂管法涉及将现有管道破碎，同时将一根新管道拉入其位置。该方法用于更换老化的管道，而无需进行大规模开挖。

示例： 美国的许多城市利用裂管法来更换老化的铸铁供水总管。

原位固化管（CIPP）内衬

CIPP内衬法涉及将浸渍树脂的内衬插入现有管道中，然后固化树脂，在旧管道内形成一根新的无缝管道。该方法用于修复管道而无需开挖。

示例： CIPP内衬在欧洲被广泛用于修复下水管道，延长其使用寿命并防止泄漏。

螺旋钻孔法

螺旋钻孔法使用旋转的螺旋钻来挖掘土壤，并同时将套管推入孔中。该方法适用于在公路和铁路下安装管道。

示例： 螺旋钻孔法在澳大利亚普遍用于在铁轨下安装管道。

地下施工技术的优势

与传统的地面施工方法相比，地下施工技术具有多项优势：

• 减少地表干扰： 非开挖技术最大限度地减少了开挖，从而减少了交通拥堵、噪音污染以及对商业和居民的干扰。
• 环境保护： 地下施工可以通过避免地表扰动并降低侵蚀和沉降的风险，最大限度地减少对敏感生态系统的影响。
• 成本节约： 虽然某些地下施工方法的初始成本可能较高，但由于减少了干扰、缩短了施工时间并降低了维护成本，长期成本节约可能非常可观。
• 提高安全性： 地下施工比地面施工更安全，因为它减少了与交通、开挖和天气条件相关的事故风险。
• 改善美观： 地下基础设施被隐藏在视线之外，可以改善城市区域的美观并保护自然景观。
• 增强安全性： 地下基础设施不易受到蓄意破坏、人为破坏和自然灾害的影响。

地下施工技术的挑战

尽管有其优势，地下施工技术也面临一些挑战：

• 地质不确定性： 地下情况通常难以完全了解，这可能导致意外的地质条件和施工延误。进行彻底的岩土工程勘察至关重要。
• 地下水控制： 地下水在地下施工期间可能构成重大挑战，需要脱水系统来防止淹没和失稳。
• 密闭空间： 在密闭空间工作可能很危险，需要专门的培训和设备。
• 设备成本： 专用设备，如TBM和HDD钻机，购买和维护成本可能很高。
• 熟练劳动力短缺： 地下施工需要熟练的劳动力，包括工程师、操作员和技术人员。该领域合格专业人员的短缺日益严重。
• 法规合规： 地下施工项目受制于各种与安全、环保和许可相关的法规。
• 公众认知： 公众对噪音、干扰和环境影响的担忧可能会延迟或叫停地下施工项目。有效的沟通和社区参与至关重要。

地下施工技术的全球应用

地下施工技术在全球范围内应用于各种领域：

• 交通运输： 用于公路、铁路和地铁的隧道对于城市交通和城际连接至关重要。例子包括连接英国和法国的英吉利海峡隧道、瑞士的哥达基线隧道，以及纽约、伦敦和北京等城市的地铁系统。
• 水和废水管理： 用于供水、废水收集和雨水排放的管道对于公共卫生和环境保护至关重要。例子包括利比亚的大人工河项目，该项目将地下含水层的水输送到沿海城市，以及新加坡的深层隧道排污系统（DTSS），该系统为废水输送提供了一个深层隧道系统。
• 能源： 用于石油和天然气运输的管道、用于能源储备的地下储存设施以及地热能系统对于能源安全和可持续性至关重要。例子包括连接俄罗斯和德国的北溪天然气管道、欧洲和北美的地下天然气储存设施，以及冰岛和新西兰的地热发电厂。
• 电信： 用于光纤电缆和其他通信基础设施的地下导管对于现代通信网络至关重要。例子包括连接各大洲的全球海底电缆网络以及支持城市地区蜂窝网络的地下基础设施。
• 采矿： 地下采矿作业从地球中提取宝贵资源，包括矿物、金属和煤炭。例子包括智利的铜矿、南非的金矿和澳大利亚的煤矿。

地下施工技术的未来趋势

地下施工技术领域正在不断发展，新的创新和趋势不断涌现：

• 自动化和机器人技术： 更多地使用自动化和机器人技术来提高地下施工的效率、安全性和精度。这包括自动化TBM、机器人检查和修复系统以及自主挖掘设备。
• 数字化和BIM： 采用建筑信息模型（BIM）和其他数字技术来改进地下基础设施的规划、设计、施工和运营。这包括3D建模、虚拟现实模拟和数据分析。
• 可持续施工实践： 关注可持续施工实践，以最大限度地减少环境影响、减少浪费并节约资源。这包括使用再生材料、节能设备和环保施工方法。
• 先进材料： 开发和使用先进材料，如高强度混凝土、纤维增强聚合物和智能材料，以提高地下结构的性能和耐久性。
• 远程监控和传感： 实施远程监控和传感技术，以监测地下基础设施的状况并在潜在问题变得严重之前检测到它们。这包括使用传感器、无人机和卫星图像。
• 人工智能（AI）： 利用AI进行预测性维护、风险评估和施工流程优化。AI可以分析大量数据以识别模式并预测潜在故障，从而实现主动维护和改进决策。
• 增加非开挖技术的使用： 进一步开发和采用非开挖技术，以最大限度地减少地表干扰和环境影响。这包括开发新的非开挖方法和改进现有技术。

岩土工程的作用

岩土工程在地下施工的各个方面都扮演着至关重要的角色。岩土工程师负责调查地下条件、分析地层稳定性、设计支护系统以及监测地下结构的性能。关键的岩土工程考虑因素包括：

• 土壤和岩石特性： 确定土壤和岩石的强度、刚度、渗透性及其他特性。
• 地下水条件： 评估地下水位、流速和化学成分。
• 边坡稳定性： 评估地下开挖附近斜坡和路堤的稳定性。
• 沉降分析： 预测因地下施工将发生的沉降量。
• 地基改良技术： 实施地基改良技术以稳定地层并改善其特性。
• 仪器测量与监测： 安装仪器以监测地下结构的性能并检测潜在问题。

给专业人士的可行性见解

以下是为在地下施工领域工作的专业人士提供的一些可行性见解：

• 投资于彻底的岩土工程勘察： 对地下条件的全面了解对于成功的地下施工至关重要。
• 拥抱数字技术： BIM和其他数字技术可以提高效率、协作和决策水平。
• 将安全放在首位： 地下施工可能很危险，因此优先考虑安全并提供充分的培训和设备非常重要。
• 与社区沟通： 有效的沟通和社区参与有助于为地下施工项目建立支持。
• 与最新技术保持同步： 地下施工领域在不断发展，因此与最新技术和趋势保持同步非常重要。
• 考虑可持续实践： 采纳可持续施工实践，以最大限度地减少环境影响并节约资源。
• 解决技能差距： 投资于培训和发展计划，以解决地下施工行业日益严重的熟练劳动力短缺问题。
• 制定强有力的风险管理策略： 实施稳健的风险管理策略，以识别和减轻潜在风险。

结论

地下施工技术是一个在现代社会中扮演着至关重要角色的领域。随着人口增长和城市地区变得更加拥挤，对地下基础设施的需求将继续增加。通过拥抱新技术、优先考虑安全并促进合作，我们可以在地球表面下建设一个更可持续、更有弹性的未来。全球视角至关重要，因为不同地区在地下施工方面面临着独特的挑战和机遇。跨国界分享知识和最佳实践对于推动该领域的发展并确保其长期成功至关重要。