隧道工程的发展展望-隧道工程

隧道设计与计算理论的发展

隧道及地下工程是现代公路、铁路、城市地铁、水电工程、城市地下空间建设中的重要组成部分，在现代综合交通运输体系建设、地下空间开发利用中发挥着越来越重要的作用。近年来，随着我国社会与经济的飞速发展和交通强国战略目标的明确提出，我国的交通建设由规模速度型发展转向质量效率型发展，在综合交通运输基础设施加速成网、交通运输业加快转型升级、现代治理能力持续提升、现代综合交通运输体系加快构建的黄金机遇期，隧道及地下工程领域在得到了全面发展的同时，也在一路前行中不断迎接新的机遇和挑战。

（1）高海拔、高烈度地震区、大埋深超长隧道大规模建设。

随着中国经济的发展，西部地区铁路、公路建设规模逐年加大，高海拔、高烈度地震区、大埋深超长隧道将越来越多，特别是刚刚开工建设的川藏铁路雅安至林芝段，隧线比高达82%，分布有72座隧道，其中：长度在20 km以上的隧道有16座，长度在30 km以上的隧道有6座，最长隧道超过40 km；埋深超过1 000 m的隧道段长610 km，且处于印度洋板块与欧亚板块强烈挤压的“喜马拉雅东构造结”，新构造运动强烈，穿越新构造板块活动强烈的横断山区，地质条件极端复杂，隧道建设将要面临的硬岩岩爆、软岩大变形、高地温、活动断裂、超高压富水断裂等不良地质问题十分突出。目前，我国虽然在拉林、成兰等艰险山区铁路隧道建设中积累了一定的工程经验，但在川藏铁路建设中遇到的诸多世界级难题必然会超出认知，特别需要广大隧道建设者齐心协力，坚持科技创新，攻坚克难。

在全国范围内，近年来建设的各类交通路网中隧道占比越来越高，而且持续向着超长隧道发展。除前述已建成和在建的超长隧道外，我国近期规划特长铁路隧道340座，总长5 078 km，其中长度在20 km以上的特长铁路隧道37座、长999 km。可见超长隧道修建技术水平既是隧道技术发展的必然方向，也是实现交通强国战略的客观要求。

超长山岭隧道一般都穿越人迹罕至的地区，有大埋深的特点，隧道建设将要面临的硬岩岩爆、软岩大变形、高地温、活动断裂、超高压富水断裂等不良地质问题十分突出，给超长山岭隧道勘察、设计、施工、运维带来了多方面技术挑战。在高原、高寒地区修建长大隧道面临的技术挑战还包括：生态环境保护的巨大挑战，保护建设人员职业健康的重大挑战，高效低耗新能源装备的挑战，工程品质受制因素多的挑战。

（2）修建跨海或越江隧道将成为必然发展趋势。

我国自1981年在上海的黄浦江建成第一座水下隧道以来，已先后应用不同工法建成了数十座水底隧道，如港珠澳大桥沉管隧道等，代表着我国水底隧道的施工技术水平。随着珠江口水底隧道、汕头湾海底隧道、甬舟海底隧道的开工建设，以及琼州海峡、渤海海峡、台湾海峡跨海通道规划研究的逐步深入，超长深水跨海铁路隧道的建造技术亟须取得突破。地震防御、隧道长度急剧增长和过高的水压、长距离水上通风等将这些隧道的修建难度推向了一个顶峰，现有的修建技术必须进行全方位的提升才能满足建设需求。

与此同时，一种新概念的水中悬浮隧道吸引了世人的关注和研究。2016年，挪威耗资250亿美元打造的松恩海峡水中悬浮隧道正式开建，预计将于2035年完工。水中悬浮隧道，又称阿基米德桥，它既不是搁置于地层上，也不是从地层中穿过，而是依靠本身的结构浮力及必要的支撑或固定系统来保持悬浮于水中。因其具有单位长度造价低、对环境整体影响小、受天气影响小、过往车辆能耗低等优势，建设水中悬浮隧道逐渐成为跨越大面积水域交通工程的热门候选方案，挪威、意大利、美国、日本、中国等对此均有不同程度的研究。采用这种方案正在进行规划设计的工程实例主要有连接西西里岛至意大利本土的墨西拿海峡隧道和挪威赫格峡湾水下隧道等。

（3）发展新型隧道，提高列车运行速度。

经过多年的积累，我国已掌握了高铁核心技术，能保证时速300 km下列车的安全运行（若不计运营成本，时速甚至可以超过400 km）。在世界范围内，德国城际高速铁路系统（ICE）、日本新干线以及法国高速列车（TGV）均可达到这个速度量级，并已经向更高运行速度发展。由此给我国在高速和超高速铁路发展方面带来了巨大的挑战，提供了技术前行的压力与动力，需要创新思维，发展新型隧道。

目前，从我国多条高速铁路勘察设计来看，隧桥比已占线路全长85% 以上，因此，整条线路采用真空管（隧）道来解决空气阻力问题以及噪声问题，从经济性和修建技术上具备可行性。同时考虑到我国在高温超导磁悬浮方面取得的技术成果，发展低真空管（隧）道磁悬浮高速铁路技术具有较大的技术优势和可行性。同时，我们也看到这一技术距离实现大规模应用还需要一个时期的发展，需要跨学科、系统性地解决大量技术难题。

（4）提高超大地下空间利用的技术。

社会经济发展还对隧道及地下工程提出了大规模地下空间利用的需求。京津冀、长三角、珠三角、环渤海湾等区块经济体模式要求其成员城市与中心城市之间具有大规模交通吞吐能力，修建功能强大、环境友好、与城市紧密结合的超大地下交通枢纽推进城市区块化发展成为必然。另外，超大跨地下洞室能为能源和国防安全提供保障。

随着断面尺寸的一再增大，从支护结构受力和施工手段上来讲，超大断面地下工程与小断面地下工程发生了“由量到质”的改变。这方面的工程实践在不断前进，地下洞室的跨度和体量持续突破，但相关的设计理论仍处于工程类别和半理论、半经验阶段，对其开挖后的受力机理不清，各类岩石应力、应变本构关系应用上较为不清晰，造成了在某些条件下设计保守，造成巨大的工程浪费，而在有些条件下则可能使得工程存在较大的安全风险。目前，世界上最大跨度地下洞室的开挖断面面积达到1 000 m2，我国大跨地下洞室也达到了760 m2（重庆轨道交通红旗河沟站）。对于该类断面应采取何种工法进行开挖尚处于摸索阶段，如何通过设置合理的参数达到安全高效施工是超大跨洞室工程要解决的重大技术难题。另外，因地制宜地研发超大断面地下洞室的施工装备是该类工程大规模发展急需解决的技术难题。

我国地下空间开发数量和规模逐年增加，并呈现爆发性的增长态势，浅部和中部地下空间资源的消耗速度日益增快，城市发展建设对地下空间资源需求的持续增大，使地下空间开发利用正向深层发展和延伸。我们常说的城市深层地下空间主要是指地下50～100 m的垂直距离范围内的地下空间。这一深度的地下空间开发要面临设计方法、施工技术等多个方面的挑战。(www.xing528.com)

（5）全面采用可靠度理论进行隧道结构设计。

隧道结构所处的环境条件极为复杂，很多作用机理人们还没有充分认识，许多因素都不是定值而是随机变量，它们的离散性和随时空的变异性也较地面结构更为突出，计算模式的不定性尤为明显。因此，应用结构可靠度理论和推行概率极限状态设计法，制定与隧道结构相适应的结构设计标准，是当前国内外发展的必然趋势。目前，我国采用可靠度理论的《铁路隧道设计规范（极限状态法）》（Q/CR 9129—2018）^[1]已经颁布，并于2019年6月实施。

（6）大力发展创新技术导致施工方法的革新。

隧道工程建设“以机代人”，少人化（甚至无人化）是未来隧道工程建设发展的必然趋势。尤其是在长大隧道和重点地下工程中，推行施工综合机械化，将成为一个重要发展对策。

① 全域性大直径隧道掘进机的应用。全断面隧道掘进机是目前最为高效的隧道开挖设备。在我国，习惯上将用于软土和复合地层的具备压力平衡功能的隧道掘进机称为盾构机，将用于硬岩地层的不具备建立压力平衡的隧道掘进机称为全断面隧道掘进机（TBM）。近年来，伴随着大规模的交通与水利基础工程建设，盾构和TBM得到了广泛应用，在设计制造方面出现了多项技术创新，其工作性能得到了持续的提升。该技术领域今后一个时期的技术发展方向可以概括为两点：一是体量上会朝着更大直径的方向发展；二是地层适应性上会朝着全域性方向发展。全域性大直径隧道掘进机的采用将会越来越普及，从而彻底改变我国山岭隧道开挖以钻爆为主的方式。

② 随着我国隧道建设中面临的复杂地质和环境问题的增多，以及对隧道修建机械化的迫切需求，预切槽技术将在砂黏土、土砂、黄土地层等大断面隧道施工中显示出极大优势，具有广阔的应用前景。

③ 新式破岩机理研究与应用也将成为施工方法革新的热点，如大断面激光破岩技术和非爆破开挖技术。另外，据文献报道，应用高压水的射流破岩技术已经过关，这种技术能以很快的速度在坚硬岩层中打出炮眼，再在隧道周边用高压水切槽，然后爆破破岩。其优点是减少超挖，可以开凿任意断面形状的隧道，保护围岩，降低支护成本，并能增加自由面以降低炸药消耗和炮眼数量，但目前还需解决消耗功率较大、设备成本较高的缺陷。可以预计，在未来的20年内，该技术将会正式在隧道工程中应用。

（7）重视隧道健康评估与重置技术。

随着各种隧道的大量修建，我国需要越来越重视隧道运营养护工作。经过数十年运营的隧道大都存在着隧道渗漏水、衬砌裂损（裂缝）、冻害、衬砌腐蚀及隧底翻浆冒泥等类型病害，我国现有的很多隧道工程已经进入了“老龄化”，需要进行健康监测与诊断，必要时进行适当的修复。在目前的基础上，如何发展出针对不同类型隧道病害的快速监测和诊断技术以及修复效果经济高效的高性能材料是该领域面临的重大挑战。

（8）隧道建造技术的信息化和智能化。

近十年来，大数据与深度学习相关技术发展的日新月异极大促进了跨界技术结合的兴起，这些技术变革在隧道行业的多个技术方面都存在广阔的应用空间。

① 发展应用深度学习方法，如基于深度学习方法的隧道衬砌病害识别判识方法、提取掌子面图片信息进行围岩分级及其在地质超前预报方面的应用。

② 发展隧道修建方面的大数据技术。当今世界已处于互联网高度发达的高科技时代，大数据技术正是这种互联网发达的产物。将大数据技术应用于隧道工程的勘察、设计、施工、监测与运营管理全过程，为隧道工程的建设、维护与防灾提供信息共享平台，利用信息技术的手段实现隧道工程全生命周期的数字化管理，并通过隧道空间数字地层及工程模型在隧道建设各个阶段的灵活运用，能够对工程中各类数据进行高效化查询与管理，从而可实现建养一体化。可以预见，大数据技术（包括人工智能）将会在隧道与地下工程中发挥越来越重要的作用。

③ 在隧道工程领域发展应用BIM（building information modeling，建筑信息模型）技术。近年来发展起来的BIM技术在隧道及地下工程领域得到了广泛的应用。BIM技术平台整合多源数据，以数字化、信息化和可视化的方式提升了规划、设计阶段的精度和深度，实现了施工阶段的动态模拟和信息化管理，并为运维阶段实现信息化、精细化资产管理提供技术支持。然而，目前国内针对隧道与地下工程的BIM技术缺乏顶层合计，各自为政，缺乏行业统一标准和中国自主知识产权平台，对今后发展不利，需要政府、学会、企业、高等院校、科研院所各界同仁多方面齐心协力，为数字隧道、智慧隧道的建设努力。