田四明， 王 偉， 楊昌宇， 劉 赪， 王明年， 王克金， 馬志富， 呂 剛

(1. 中國(guó)鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司， 北京 100038； 2. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川 成都 610031； 3. 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 陜西 西安 710043； 4. 西南交通大學(xué)， 四川 成都 610031； 5. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430063； 6. 中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 天津 300142； 7. 中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司， 北京 100055)

0 引言

伴隨著中國(guó)改革開(kāi)放的腳步，1981年11月，采用當(dāng)時(shí)世界上最先進(jìn)隧道施工機(jī)械的京廣鐵路衡廣復(fù)線大瑤山特長(zhǎng)隧道(長(zhǎng)14.295 km)開(kāi)工建設(shè)，拉開(kāi)了中國(guó)鐵路隧道修建技術(shù)快速發(fā)展的序幕[1]。而后，在吸收國(guó)外先進(jìn)建設(shè)理念的基礎(chǔ)上，通過(guò)科研、設(shè)計(jì)、施工相結(jié)合，應(yīng)用“新奧法”修建了大瑤山、軍都山等20余座隧道工程，并積累了大量的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。1988年，原鐵道部編制了《鐵路隧道新奧法指南》，標(biāo)志著中國(guó)鐵路隧道進(jìn)入“新奧法”推廣應(yīng)用階段。至20世紀(jì)末，鐵路隧道建設(shè)完成了由傳統(tǒng)的礦山法向“新奧法”的轉(zhuǎn)變，并在復(fù)合式襯砌支護(hù)體系、大型機(jī)械化施工、瓦斯及軟巖大變形隧道處理技術(shù)等方面開(kāi)展了科技攻關(guān)，積累了經(jīng)驗(yàn)。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)鐵路隧道工程迅猛發(fā)展，特別是隨著高速鐵路、城際鐵路的修建以及國(guó)家“西部大開(kāi)發(fā)”戰(zhàn)略的實(shí)施，鐵路隧道呈現(xiàn)出建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高、長(zhǎng)度長(zhǎng)、斷面大、地質(zhì)復(fù)雜等特點(diǎn)，且高海拔、大埋深、高巖(地)溫、強(qiáng)富水、擠壓性圍巖和有害氣體等特殊隧道逐漸增多，城市復(fù)雜環(huán)境隧道和跨江越海水下隧道工程規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)，這些隧道工程的建成通車(chē)，為中國(guó)交通發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了突出的貢獻(xiàn)，同時(shí)，積累了大量鐵路隧道工程方面的科技成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展，中國(guó)鐵路隧道在基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)方法、施工技術(shù)及裝備研制等方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，建立和健全了鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管控、超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、變形監(jiān)控量測(cè)、運(yùn)營(yíng)防災(zāi)疏散救援等安全體系； 在復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)高速鐵路隧道、大斷面黃土隧道、水下隧道、TBM法隧道等方面取得了重大成果和突破； 高速鐵路大斷面黃土隧道建設(shè)成套技術(shù)、高速鐵路獅子洋水下隧道工程成套技術(shù)等獲得國(guó)家級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)，一批隧道工程獲得國(guó)際大獎(jiǎng)，顯著提升了中國(guó)鐵路隧道修建技術(shù)水平，彰顯了中國(guó)鐵路隧道建設(shè)的國(guó)際影響力[2]。但隨著川藏鐵路建設(shè)的推進(jìn)及跨江越海水下隧道的修建，中國(guó)鐵路隧道還面臨著結(jié)構(gòu)耐久性、高海拔高地震區(qū)大埋深超長(zhǎng)鐵路隧道修建、大直徑盾構(gòu)高水壓長(zhǎng)距離施工及隧道工程安全運(yùn)營(yíng)等方面的技術(shù)挑戰(zhàn)。

本文通過(guò)介紹近40年來(lái)中國(guó)鐵路隧道建設(shè)基本情況和標(biāo)志性工程，系統(tǒng)總結(jié)中國(guó)鐵路隧道取得的主要?jiǎng)?chuàng)新成果，并結(jié)合當(dāng)前鐵路隧道工程面臨的技術(shù)難題和挑戰(zhàn)，提出發(fā)展方向和展望，對(duì)進(jìn)一步提高中國(guó)鐵路隧道建設(shè)水平具有積極意義。

1 中國(guó)鐵路隧道概況

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年底，中國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)14.5萬(wàn)km。其中： 投入運(yùn)營(yíng)的鐵路隧道共計(jì)16 798座，總長(zhǎng)約19 630 km； 高速鐵路隧道共計(jì)3 631座，總長(zhǎng)約6 003 km。分析歷年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，從1980年至2020年的40年間，中國(guó)共建成隧道12 412座，總長(zhǎng)約17 621 km，占中國(guó)鐵路隧道總長(zhǎng)度的近90%。中國(guó)鐵路隧道近40年發(fā)展規(guī)模對(duì)比情況見(jiàn)圖1。另外，在建鐵路隧道共2 746 座，總長(zhǎng)約6 083 km； 規(guī)劃鐵路隧道共6 354座，總長(zhǎng)約 16 255 km[3]。

圖1 中國(guó)鐵路隧道近40年發(fā)展規(guī)模對(duì)比情況(截至2020年底)

截至2020年底，中國(guó)已投入運(yùn)營(yíng)的特長(zhǎng)鐵路隧道共209座，總長(zhǎng)約2 811 km。其中： 長(zhǎng)度在20 km以上的特長(zhǎng)鐵路隧道共11座，總長(zhǎng)約262 km，最長(zhǎng)隧道為新關(guān)角隧道，長(zhǎng)32.69 km，設(shè)計(jì)速度為160 km/h； 高速鐵路特長(zhǎng)隧道共87座，總長(zhǎng)約1 096 km，最長(zhǎng)隧道為太行山隧道，長(zhǎng)27.839 km，設(shè)計(jì)速度為250 km/h。近40年中國(guó)建成的代表性隧道工程見(jiàn)表1。

表1 近40年中國(guó)建成的代表性隧道工程

2 中國(guó)鐵路隧道發(fā)展的主要成果

2.1 設(shè)計(jì)理論和方法不斷發(fā)展

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，中國(guó)一直采用依靠經(jīng)驗(yàn)為主的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和類(lèi)比設(shè)計(jì)方法。近年來(lái)，在借鑒、消化、吸收國(guó)外“新奧法”“挪威法”“新意法”等理念的基礎(chǔ)上，充分結(jié)合中國(guó)鐵路隧道地形、地質(zhì)及氣候條件復(fù)雜多樣的特點(diǎn)，逐漸向半定量和定量的解析設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)變，從容許應(yīng)力法到基于極限狀態(tài)的概率可靠度法，基于有限元、有限差分的數(shù)值模擬法，也開(kāi)始應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，使設(shè)計(jì)質(zhì)量有了大幅度提高。隧道設(shè)計(jì)思想也有了重大轉(zhuǎn)變，從過(guò)去單純依靠襯砌承載的觀點(diǎn)，改變?yōu)橹饕揽繃鷰r，充分利用圍巖自承能力，并在圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及分級(jí)、圍巖變形控制設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了諸多探索、研究和總結(jié)，逐漸形成了以主動(dòng)控制圍巖變形為主的中國(guó)特色隧道修建方法，大大促進(jìn)了中國(guó)鐵路隧道設(shè)計(jì)理論和方法的發(fā)展[2]。

2.1.1 以圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和分級(jí)為主的設(shè)計(jì)方法

中國(guó)鐵路隧道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和類(lèi)比設(shè)計(jì)主要依據(jù)圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和分級(jí)。圍巖的穩(wěn)定性直接關(guān)系到隧道施工安全，是隧道設(shè)計(jì)和施工的核心問(wèn)題。經(jīng)過(guò)大量的工程實(shí)踐和分析，提出以圍巖的自穩(wěn)性為指標(biāo)，制定出統(tǒng)一的圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并長(zhǎng)期指導(dǎo)了鐵路隧道設(shè)計(jì)和施工實(shí)踐。

但在實(shí)際施工過(guò)程中，開(kāi)挖揭示的圍巖并非與圍巖基本級(jí)別相對(duì)應(yīng)，現(xiàn)場(chǎng)判釋困難，容易出現(xiàn)支護(hù)參數(shù)偏弱或偏強(qiáng)。為了提高和強(qiáng)化圍巖定量分級(jí)，近年來(lái)，中國(guó)鐵路建設(shè)者開(kāi)展了大量的科學(xué)研究和測(cè)試試驗(yàn)工作，通過(guò)對(duì)圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ和不同巖性圍巖彈性波速范圍的細(xì)化，提出了圍巖亞級(jí)的概念，分別將Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖各劃分為2個(gè)亞級(jí)，各亞級(jí)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)組合情況即為亞級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，最終確定各亞級(jí)圍巖對(duì)應(yīng)的BQ值范圍[4]。該成果已納入2016年版《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，很好地指導(dǎo)了鐵路隧道的設(shè)計(jì)和施工。鐵路隧道圍巖亞分級(jí)及穩(wěn)定性見(jiàn)表2。

表2 鐵路隧道圍巖亞分級(jí)及穩(wěn)定性

盡管鐵路隧道圍巖分級(jí)方法已經(jīng)較為完善，但隨著超前鉆孔參數(shù)等隨鉆測(cè)量技術(shù)的迅速發(fā)展，以及隧道智能化建造技術(shù)的推廣，建立基于鉆進(jìn)參數(shù)映射巖體質(zhì)量指標(biāo)，進(jìn)而動(dòng)態(tài)自動(dòng)量化判釋圍巖級(jí)別的方法將成為現(xiàn)實(shí)。

2.1.2 圍巖變形控制設(shè)計(jì)方法

由趙勇、張頂立等人牽頭的高速鐵路隧道圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過(guò)10余年的努力，創(chuàng)新性地提出了一套有中國(guó)特色的隧道修建技術(shù)方法，其核心思想是以圍巖穩(wěn)定性為前提，以圍巖全過(guò)程變形控制為目標(biāo)，以科學(xué)的支護(hù)措施為手段，實(shí)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)與隧道圍巖結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，從而充分發(fā)揮圍巖的自承能力，構(gòu)建安全、經(jīng)濟(jì)、快速、耐久的隧道穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系，其設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

圖2 隧道全變形過(guò)程控制設(shè)計(jì)原理示意圖

該方法認(rèn)為隧道圍巖由淺層圍巖和深層圍巖復(fù)合而成。淺層圍巖是指隧道開(kāi)挖后周邊一定范圍內(nèi)喪失整體穩(wěn)定性而無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期自穩(wěn)的松動(dòng)區(qū)圍巖，這部分圍巖荷載需要及時(shí)支護(hù)，在此范圍以外整體穩(wěn)定性較好而且能夠承擔(dān)地層荷載的圍巖則為深層圍巖。深層圍巖由結(jié)構(gòu)層和荷載層組成，自淺層圍巖界面開(kāi)始向外并交替出現(xiàn)[2]。該成果獲得中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)特等獎(jiǎng)。

2.1.3 隧道機(jī)械化大斷面設(shè)計(jì)方法

鄭萬(wàn)高鐵湖北段隧道建設(shè)團(tuán)隊(duì)通過(guò)開(kāi)展大規(guī)模隧道機(jī)械化大斷面配套施工相關(guān)科研和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，總結(jié)提出鐵路隧道機(jī)械化大斷面設(shè)計(jì)施工相關(guān)方法[5-6]。在機(jī)械化配套設(shè)計(jì)方面，涵蓋了超前支護(hù)、開(kāi)挖、初期支護(hù)、二次襯砌4大作業(yè)區(qū)，按配置機(jī)械完善程度分為基本型配套和加強(qiáng)型配套； 在施工工法設(shè)計(jì)方面，有全斷面法和微臺(tái)階法； 在掌子面穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面，采用定性評(píng)價(jià)和定量評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式，分為穩(wěn)定、暫時(shí)穩(wěn)定和不穩(wěn)定3種； 在超前支護(hù)設(shè)計(jì)方面，根據(jù)掌子面穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果確定超前支護(hù)措施(包括掌子面噴射混凝土、超前小導(dǎo)管、管棚、掌子面錨桿、超前注漿等)，并采取工程類(lèi)比法、極限平衡法分析確定參數(shù)，掌子面超前支護(hù)設(shè)計(jì)模型見(jiàn)圖3； 在洞身支護(hù)設(shè)計(jì)方法方面，采用荷載-結(jié)構(gòu)模型計(jì)算，淺埋、偏壓段圍巖壓力按隧道設(shè)計(jì)規(guī)范確定，深埋段根據(jù)形變及應(yīng)力實(shí)測(cè)值確定。

Fc、Fφ為掌子面滑移面黏聚力、內(nèi)摩擦合力； p1為掌子面錨桿支護(hù)合力； Fq為掌子面滑移體上方豎向形變壓力合力； Fw為掌子面滑移體自重； D為掌子面高度； Le為隧道未支護(hù)段長(zhǎng)度； θ0為掌子面破壞角； q、q′為豎向形變壓力； α0、α1、α2為折減系數(shù)。

該方法已形成中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——《鐵路隧道機(jī)械化大斷面法設(shè)計(jì)施工暫行規(guī)定》(2021年報(bào)批稿)，該標(biāo)準(zhǔn)的頒布將極大地促進(jìn)中國(guó)鐵路隧道鉆爆法施工的機(jī)械化水平，為中國(guó)鐵路隧道智能化建造提供技術(shù)支撐。

2.1.4 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總安全系數(shù)法

肖明清及其團(tuán)隊(duì)通過(guò)多年的隧道工程設(shè)計(jì)、施工與研究經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)提出了“隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總安全系數(shù)法”。該方法的技術(shù)思路是： 將支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用關(guān)系視為作用力與反作用力的關(guān)系，不嚴(yán)格考慮兩者之間的變形協(xié)調(diào)，從而使需要解決的問(wèn)題大幅簡(jiǎn)化； 隧道是否需要支護(hù)的判斷和支護(hù)力的計(jì)算，需通過(guò)采用各種與實(shí)際情況相符的本構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值分析后確定，而支護(hù)結(jié)構(gòu)本身安全性和變形則采用荷載-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算，從而將現(xiàn)代分析方法與傳統(tǒng)分析方法進(jìn)行有機(jī)綜合，實(shí)現(xiàn)支護(hù)參數(shù)的安全性評(píng)價(jià)與量化設(shè)計(jì)[7]。復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)總安全系數(shù)法計(jì)算模型見(jiàn)圖4，相關(guān)計(jì)算公式如下。

圖4 復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)總安全系數(shù)法計(jì)算模型

施工階段(無(wú)二次襯砌)

Kc=ηK1+K2。

(1)

運(yùn)營(yíng)階段采用耐久性錨桿時(shí)，

Kop=ηK1+ξK2+K3；

(2)

運(yùn)營(yíng)階段采用非耐久性錨桿時(shí)，

Kop=ξK2+K3。

(3)

式(1)—(3)中：Kc、Kop分別為施工階段和運(yùn)營(yíng)階段的總安全系數(shù)；K1、K2、K3分別為錨巖承載拱、初期支護(hù)、二次襯砌的安全系數(shù)；η為錨巖承載拱安全系數(shù)的修正系數(shù)；ξ為初期支護(hù)安全系數(shù)的修正系數(shù)。

該設(shè)計(jì)方法能夠方便地計(jì)算出不同階段隧道的安全系數(shù)。希望通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與模型試驗(yàn)進(jìn)一步完善，為隧道定量設(shè)計(jì)提供一種便捷的計(jì)算方法。

2.2 隧道標(biāo)準(zhǔn)體系更趨完善

2.2.1 隧道修建環(huán)境越趨復(fù)雜，隧道結(jié)構(gòu)類(lèi)型日趨多樣

從20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)初，中國(guó)鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低，以速度為120 km/h客貨共線山嶺普速鐵路隧道為主，受經(jīng)濟(jì)條件、建設(shè)水平限制，多為單線隧道，特長(zhǎng)隧道和大跨度隧道極少，單線隧道開(kāi)挖斷面一般為50～60 m2，雙線隧道開(kāi)挖斷面一般為80～100 m2。

進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，高速鐵路、城際鐵路得以大規(guī)模建設(shè)。為適應(yīng)中國(guó)地質(zhì)及氣候條件復(fù)雜多樣的特點(diǎn)，以原始創(chuàng)新為主，在高鐵長(zhǎng)大隧道、復(fù)雜地質(zhì)隧道等方面攻克了一系列世界性技術(shù)難題，系統(tǒng)掌握了不同地域環(huán)境、不同氣候特點(diǎn)、不同地質(zhì)條件下建造高鐵隧道的成套技術(shù)。高速鐵路必須采用大半徑曲線，穿越山嶺時(shí)路徑選擇靈活性差，因此，長(zhǎng)、特長(zhǎng)隧道，城市隧道及穿江越海隧道越來(lái)越多，如已建成的廣深港高鐵獅子洋隧道、西成高鐵秦嶺隧道群等100多座長(zhǎng)度在10 km以上的長(zhǎng)大高鐵隧道。武廣高鐵、廣深港客專(zhuān)、京張高鐵等項(xiàng)目成功實(shí)現(xiàn)了隧道穿江越海、穿越城市建筑密集區(qū)，把鐵路隧道建設(shè)從山區(qū)發(fā)展到復(fù)雜的城市地區(qū)，甚至是水下海底區(qū)域[8]。為響應(yīng)國(guó)家“西部大開(kāi)發(fā)”戰(zhàn)略，青藏鐵路、西格鐵路、拉林鐵路把隧道建設(shè)拓展到了高原高寒地區(qū)，解決了穿越高原凍土、冰磧體等系列難題。在云貴高原、川西高原建設(shè)了大瑞鐵路、成蘭鐵路，把隧道建設(shè)拓展到了橫斷山脈地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)，解決了深埋特長(zhǎng)隧道、高烈度地震及活動(dòng)斷裂地區(qū)隧道修建等系列難題。隧道開(kāi)挖斷面日趨增大，高速鐵路隧道開(kāi)挖斷面一般在70～160 m2，為滿(mǎn)足功能要求，適應(yīng)特殊地形地質(zhì)條件，在一般隧道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，攻堅(jiān)克難，建成了超大跨隧道、變截面隧道、特殊基礎(chǔ)隧道、橋臺(tái)進(jìn)洞隧道、高回填土隧道、小凈距洞群隧道等多種特殊隧道結(jié)構(gòu)型式。京張高鐵八達(dá)嶺長(zhǎng)城地下站站端渡線段隧道開(kāi)挖跨度達(dá)32.7 m，開(kāi)挖斷面達(dá)494.4 m2，是目前世界上跨度最大的交通隧道[9]。

2.2.2 隧道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)步快，標(biāo)準(zhǔn)體系更趨完善

經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展，中國(guó)鐵路隧道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)已從40年前的以普速隧道(非電氣化隧限-1A和電氣化隧限-2A)為主，發(fā)展成為涵蓋客貨共線、高速、城際、重載、市域市郊等鐵路隧道的完備標(biāo)準(zhǔn)體系。

普速單線隧道軌面以上凈空斷面小，一般為30～32 m2，以機(jī)車(chē)車(chē)輛限界及貨物列車(chē)裝載高度(高度不超過(guò)5 300 mm)控制，電氣化鐵路還需滿(mǎn)足接觸網(wǎng)懸掛、安裝要求。原鐵道部在2000年前后頒布了速度為120 km/h單、雙線鐵路隧道襯砌、明洞、洞門(mén)等系列標(biāo)準(zhǔn)圖。

21世紀(jì)以來(lái)，隨著對(duì)高速鐵路的深入研究，形成了考慮空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的高速鐵路隧道設(shè)計(jì)方法，確定了控制瞬變壓力的隧道凈空面積建議值，制定了隧道洞口微氣壓波控制標(biāo)準(zhǔn)，提出了設(shè)置洞口緩沖結(jié)構(gòu)、合理布置洞內(nèi)輔助坑道或豎井，以緩解微氣壓波的工程措施。經(jīng)過(guò)系列研究及工程實(shí)踐，建立了速度為250、300、350 km/h的高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)體系，以及速度為120、160、200 km/h的客貨共線鐵路隧道系列標(biāo)準(zhǔn)體系。編制的主要標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)達(dá)46項(xiàng)，涵蓋了速度為160～350 km/h的單、雙線鐵路隧道襯砌、鋼架、明洞、洞口等標(biāo)準(zhǔn)圖。同時(shí)，經(jīng)過(guò)研究和實(shí)踐，建立了城際鐵路、重載鐵路等隧道的標(biāo)準(zhǔn)體系[4]。這些標(biāo)準(zhǔn)體系的建立和發(fā)展，豐富和完善了中國(guó)鐵路隧道標(biāo)準(zhǔn)體系，使中國(guó)鐵路隧道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)覆蓋范圍更廣、適應(yīng)能力更強(qiáng)。中國(guó)電氣化鐵路不同建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的隧道最小凈空有效面積見(jiàn)表3。

2.3 隧道結(jié)構(gòu)體系持續(xù)完善

隧道結(jié)構(gòu)體系包含支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)、防排水、建筑材料等。20世紀(jì)80年代以前，鐵路隧道以傳統(tǒng)礦山法的整體式襯砌為主，施工開(kāi)挖后采用木支撐、噴混凝土錨桿支護(hù)等方式，施工方法以先拱后墻的臺(tái)階法為主要工法，襯砌類(lèi)型包括大拱腳薄邊墻襯砌、直墻襯砌、曲墻襯砌等，并有偏壓襯砌、斜交洞口襯砌、車(chē)站大跨及燕尾式隧道襯砌等特殊類(lèi)型，其主要特點(diǎn)是襯砌較厚、多為素混凝土、防排水措施簡(jiǎn)單。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及技術(shù)的進(jìn)步，“新奧法”設(shè)計(jì)理念在鐵路隧道修建中逐步推廣，錨網(wǎng)噴支護(hù)、防排水及二次襯砌構(gòu)成的復(fù)合式襯砌得到應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)以后，隨著鐵路隧道修建理念及建造技術(shù)的快速發(fā)展，鐵路隧道系統(tǒng)建立了以“新奧法”理論為基礎(chǔ)的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)體系，并隨著高速鐵路隧道的大量工程實(shí)踐，隧道結(jié)構(gòu)體系得以持續(xù)完善[10]。

表3 中國(guó)電氣化鐵路不同建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的隧道最小凈空有效面積

2.3.1 隧道襯砌結(jié)構(gòu)形式的統(tǒng)一和完善

隧道襯砌主要由復(fù)合式襯砌和單層襯砌結(jié)構(gòu)形式，中國(guó)鐵路隧道主要采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)主要由初期支護(hù)和二次襯砌組成，其中初期支護(hù)承受施工期間的全部荷載，二次襯砌承受后期由圍巖蠕變、初期支護(hù)損傷等因素增加的荷載，二者與周邊圍巖共同構(gòu)成隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)，從而形成人工支護(hù)與圍巖協(xié)同受力變形的隧道結(jié)構(gòu)體系。20世紀(jì)90年代末，為了在鐵路隧道建設(shè)中推廣復(fù)合式襯砌，將隧道結(jié)構(gòu)統(tǒng)一為曲墻結(jié)構(gòu)形式，取消了直墻結(jié)構(gòu)[4]，并廢止了相關(guān)通用圖。此后，各鐵路項(xiàng)目的隧道設(shè)計(jì)開(kāi)始采用自編的參考圖，且形成了曲墻復(fù)合式結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)方法。

為滿(mǎn)足鐵路隧道快速發(fā)展的需要，統(tǒng)一鐵路隧道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，原鐵道部再次組織標(biāo)準(zhǔn)圖和通用圖的編制，形成了速度為160、200、250、350 km/h等的系列通用圖，并結(jié)合工程實(shí)踐，不斷的發(fā)展、完善和更新。

2.3.2 隧道結(jié)構(gòu)防排水體系的發(fā)展完善

20世紀(jì)80年代，隨著大量電氣化鐵路項(xiàng)目的建設(shè)，隧道防排水越來(lái)越受到重視。但是基于整體式襯砌的特點(diǎn)，更多的是利用結(jié)構(gòu)自防水、施工縫構(gòu)造防水，以及采用邊墻腳泄水孔排水，對(duì)地下水發(fā)育段則采用人工砌筑盲溝排水或預(yù)埋管引排措施等。至20世紀(jì)90年代，開(kāi)始逐步建立中國(guó)鐵路隧道的防排水系統(tǒng)，采取局部防水板、襯砌后排水盲管、施工縫的止水條等措施。20世紀(jì)90年代末，隨著復(fù)合式襯砌的大量使用，在拱墻范圍初期支護(hù)和二次襯砌之間大規(guī)模使用防水板。此后，逐步研究確定了隧道防排水標(biāo)準(zhǔn)、防排水措施等，并初步構(gòu)建防排水體系[11]。后來(lái)，在系統(tǒng)總結(jié)渝懷、宜萬(wàn)等鐵路隧道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了由地表處理、圍巖防滲、襯砌結(jié)構(gòu)防水等因地制宜的隧道防水體系，結(jié)合不同的環(huán)境要求，將隧道分為防水型、控制排水型和排水型3種類(lèi)型； 而針對(duì)排水型隧道，還建立了襯砌結(jié)構(gòu)外和結(jié)構(gòu)內(nèi)的排水體系。

隨著技術(shù)的進(jìn)步及防水材料的發(fā)展，近些年還研發(fā)出了自粘式防排水板、自粘式防水板、自粘式止水帶與防結(jié)晶排水盲管等一系列新材料[2]。自粘式防(排)水板革新了防水板鋪掛工藝，解決了防水板脫落切割襯砌等突出問(wèn)題，提升了鋪掛工效和質(zhì)量，大幅度提升了拱墻結(jié)構(gòu)防排水能力。自粘式止水帶提升了襯砌接縫防水能力，提高了止水帶安裝質(zhì)量。防結(jié)晶排水盲管能有效緩解排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞，提升了排水能力與使用壽命。但是，這些新材料的應(yīng)用效果尚需在工程實(shí)踐中進(jìn)一步驗(yàn)證和完善，隧道防排水系統(tǒng)的設(shè)置方案、防水材料、施工工藝等還有待進(jìn)一步深化提升。

2.3.3 耐久性設(shè)計(jì)及建筑材料的發(fā)展

安全、高質(zhì)量的發(fā)展要求，讓鐵路隧道更重視全壽命周期的安全問(wèn)題。從21世紀(jì)初，開(kāi)始構(gòu)建鐵路工程耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并相應(yīng)建立鐵路隧道結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求。隧道二次襯砌的材料從20世紀(jì)的低標(biāo)號(hào)素混凝土，發(fā)展到采用強(qiáng)度等級(jí)不低于C30的高性能混凝土，并建立了適應(yīng)于各類(lèi)侵蝕環(huán)境的結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)措施，極大提升了隧道結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

噴射混凝土強(qiáng)度指標(biāo)從早期的C20，發(fā)展到現(xiàn)在的C25、C30、C35，錨桿材料從一般的砂漿錨桿，發(fā)展到中空注漿錨桿、自進(jìn)式錨桿、低預(yù)應(yīng)力錨桿、讓壓錨桿等。隨著川藏鐵路的規(guī)劃建設(shè)，適應(yīng)能力更強(qiáng)、耐久性更好的建筑材料將不斷地應(yīng)用于鐵路隧道建設(shè)中。

川藏鐵路隧道工程遵照“主動(dòng)控制的支護(hù)理念”，初期支護(hù)采用早高強(qiáng)噴射混凝土，錨固系統(tǒng)采用低預(yù)應(yīng)力錨桿(索)[12-13]。預(yù)應(yīng)力錨桿主要包括預(yù)應(yīng)力實(shí)心錨桿、機(jī)械或粘結(jié)錨固的預(yù)應(yīng)力空心錨桿等，可在安裝完成后迅速?gòu)埨纯坍a(chǎn)生錨固力，盡早約束圍巖變形，延緩圍巖松動(dòng)圈(塑性區(qū))發(fā)展過(guò)程，保持圍巖參數(shù)及穩(wěn)定性，防止圍巖持續(xù)惡化。對(duì)于成孔困難的特殊圍巖，研發(fā)了自進(jìn)式錨桿，可實(shí)現(xiàn)鉆孔、注漿同步施工。錨索主要為高預(yù)緊力高強(qiáng)度低密度錨索，合理支護(hù)密度、排布及預(yù)緊力的錨索支護(hù)對(duì)控制軟弱圍巖大變形具有良好的效果。錨固材料主要采用快凝早強(qiáng)的水泥基注漿材料、水泥卷錨固劑和樹(shù)脂錨固劑，其凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度、限制膨脹率、氯離子含量等物理、力學(xué)和耐久性能優(yōu)異，有利于實(shí)現(xiàn)快速錨固，提高錨桿的耐久性。

在高性能?chē)娚浠炷练矫?，研發(fā)了新型無(wú)堿速凝劑和早高強(qiáng)摻合料，并在此基礎(chǔ)上制備了高性能?chē)娚浠炷?。新型液體無(wú)堿速凝劑具有早期強(qiáng)度高、氯離子含量低、均質(zhì)性好、與水泥兼容性好等特點(diǎn)。早高強(qiáng)摻合料具有早期強(qiáng)度高、后期強(qiáng)度持續(xù)發(fā)展的特點(diǎn)，通過(guò)添加適量的摻合料，可實(shí)現(xiàn)C30噴射混凝土8 h抗壓強(qiáng)度≥10 MPa，1 d抗壓強(qiáng)度≥15 MPa，且56 d強(qiáng)度保持率為100%。高性能?chē)娚浠炷凉ぷ餍阅芰己?，可滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)噴射施工要求，并具有快凝結(jié)、低粉塵、低回彈和早高強(qiáng)的特點(diǎn)，長(zhǎng)期力學(xué)性能優(yōu)異，且耐久性良好。

2.4 特殊巖土和不良地質(zhì)隧道修建技術(shù)漸成體系

隨著鐵路隧道的快速發(fā)展，近40年在黃土地區(qū)、西南復(fù)雜山區(qū)、東北寒區(qū)、青藏高原等建成了大量的特殊巖土和不良地質(zhì)隧道，在經(jīng)過(guò)大量的科學(xué)探索和工程實(shí)踐后，形成了獨(dú)具特色的設(shè)計(jì)理論和方法，并已形成專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)規(guī)范[2]，如《鐵路黃土隧道技術(shù)規(guī)范》《鐵路巖溶隧道勘察設(shè)計(jì)規(guī)范》《鐵路擠壓性圍巖技術(shù)規(guī)范》《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》等，為大規(guī)模、高質(zhì)量鐵路隧道建設(shè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

2.5 隧道風(fēng)險(xiǎn)管理體系日趨健全

鐵路隧道工程發(fā)生各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)的概率較其他工程大，且一旦發(fā)生，造成的損失較大。從2003年宜萬(wàn)鐵路建設(shè)開(kāi)始，針對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)巖溶隧道，開(kāi)展了隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和分級(jí)管理的研究和嘗試，在系統(tǒng)分析宜萬(wàn)鐵路隧道工程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，首次建立了巖溶隧道地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系，將91座巖溶隧道劃分為8座高風(fēng)險(xiǎn)隧道、26座中等風(fēng)險(xiǎn)隧道和57座低風(fēng)險(xiǎn)隧道，有效提升了宜萬(wàn)鐵路巖溶隧道的風(fēng)險(xiǎn)管理水平[14]。后續(xù)在認(rèn)真總結(jié)中國(guó)鐵路隧道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)和借鑒國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展了必要的理論研究和調(diào)查統(tǒng)計(jì)工作，于2007年編制并頒布了中國(guó)第1部隧道工程風(fēng)險(xiǎn)管理辦法——《鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理暫行規(guī)定》。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)近10年的工程實(shí)踐，于2016年編制并頒布了《鐵路隧道工程風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)規(guī)范》，形成了中國(guó)鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理體系。鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)管理體系的建立有利于決策的科學(xué)化，提高了政府、業(yè)主、設(shè)計(jì)單位、施工單位的風(fēng)險(xiǎn)管理意識(shí)和風(fēng)險(xiǎn)管理能力，減少了工程事故的發(fā)生，達(dá)到了控制風(fēng)險(xiǎn)、減少損失的目的。

2.6 隧道運(yùn)營(yíng)防災(zāi)疏散救援體系逐步建立

隨著大規(guī)模鐵路隧道工程的建設(shè)，中國(guó)鐵路隧道充分貫徹“以人為本”“安全第一”的思想，在借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)理念的基礎(chǔ)上，通過(guò)太行山隧道(長(zhǎng)27.839 km)、烏鞘嶺隧道(長(zhǎng)20.05 km)、呂梁山隧道(長(zhǎng)20.785 km)、新關(guān)角隧道(長(zhǎng)32.69 km)、西秦嶺隧道(長(zhǎng)28.236 km)等多座長(zhǎng)大鐵路隧道的建設(shè)實(shí)踐和科學(xué)研究，建立了運(yùn)營(yíng)隧道防災(zāi)疏散救援標(biāo)準(zhǔn)和模式，形成了適應(yīng)中國(guó)鐵路隧道發(fā)展并具有中國(guó)特色的技術(shù)體系，填補(bǔ)了中國(guó)鐵路隧道運(yùn)營(yíng)防災(zāi)的空白。

運(yùn)營(yíng)隧道防災(zāi)疏散救援體系可概括為“兩設(shè)施兩系統(tǒng)一模式”，如圖5所示，即土建結(jié)構(gòu)設(shè)施、機(jī)電設(shè)備設(shè)施、監(jiān)控系統(tǒng)、管理系統(tǒng)及疏散模式。土建結(jié)構(gòu)設(shè)施包括緊急救援站、橫通道、緊急出口以及各類(lèi)標(biāo)線等； 機(jī)電設(shè)備設(shè)施主要為放置于隧道內(nèi)的防災(zāi)風(fēng)機(jī)風(fēng)閥、應(yīng)急照明、疏散指示與水消防設(shè)施； 監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)在鐵路運(yùn)營(yíng)公司機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置的各類(lèi)服務(wù)器等，遠(yuǎn)程監(jiān)視、管理、維護(hù)、控制機(jī)電設(shè)備設(shè)施； 管理系統(tǒng)可調(diào)動(dòng)災(zāi)害條件下的應(yīng)急預(yù)案，與疏散模式相結(jié)合，開(kāi)展救援工作[15]。

目前，中國(guó)鐵路行業(yè)已頒布了TB 10020—2017《鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，極大地促進(jìn)了中國(guó)長(zhǎng)大鐵路隧道的安全發(fā)展。

圖5 鐵路隧道防災(zāi)疏散救援體系

2.7 隧道建造技術(shù)飛速發(fā)展

近40年來(lái)，隨著中國(guó)制造業(yè)的崛起，鐵路隧道施工技術(shù)與裝備也取得了快速發(fā)展，為隧道的安全、快速施工提供了保障。

2.7.1 信息化設(shè)計(jì)施工技術(shù)方面

在近40年的發(fā)展歷程中，通過(guò)不斷總結(jié)鐵路隧道工程施工信息化的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以安全和質(zhì)量管理為主線，借鑒國(guó)內(nèi)外工程施工信息化經(jīng)驗(yàn)，形成了以超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)為主的信息化設(shè)計(jì)施工技術(shù)，編制并頒發(fā)了中國(guó)第1部隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)規(guī)程——《鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)指南》(2008年)，第1部監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程——《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》(2007年)。

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是隧道施工過(guò)程中必不可少的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于防止隧道施工過(guò)程中的地質(zhì)災(zāi)害、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)、提高施工綜合效益具有重要的意義和作用。傳統(tǒng)的超前探測(cè)方法主要集中在超前鉆探、地震發(fā)射、電磁類(lèi)、電法類(lèi)等方面。近年來(lái)，隨著鉆孔設(shè)備的發(fā)展，超前探孔技術(shù)也得到了飛速發(fā)展，超前探孔長(zhǎng)度從數(shù)十米到上千米均能實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，一些新的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)思想被提出(如隧道激發(fā)極化技術(shù)、隧道核磁共振技術(shù)、單孔定向雷達(dá)技術(shù)、地震波探水技術(shù)等)，對(duì)推動(dòng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)步和提升工程服務(wù)能力起到了有益的積極作用。山東大學(xué)提出的可定量估算掘進(jìn)面前方30 m內(nèi)含水體水量的三極測(cè)深激發(fā)極化法、可識(shí)別并定位掘進(jìn)面前方80 m內(nèi)含水體的全空間瞬變電磁法，是在不良地質(zhì)定量探測(cè)方面取得的重要進(jìn)展，特別是提出了含水體水量估算的可行方法，建立了綜合超前探測(cè)技術(shù)及體系[16-18]。上述成果在成蘭鐵路、成昆鐵路、京張高鐵等多個(gè)復(fù)雜地質(zhì)條件的隧道工程中得到了較成功的應(yīng)用，充分體現(xiàn)了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的快速發(fā)展為中國(guó)鐵路隧道的安全、高效建設(shè)提供了重要支撐。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)是隧道施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)信息化設(shè)計(jì)施工的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)主要依靠人員進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)，使用傳統(tǒng)測(cè)量工具進(jìn)行人工操作測(cè)量。近年來(lái)，隨著自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)的提出與發(fā)展，出現(xiàn)了自動(dòng)化全站儀監(jiān)測(cè)技術(shù)、光纖傳感技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)、數(shù)字近景攝影技術(shù)、基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)等，大大提高了監(jiān)控量測(cè)的精度，為隧道信息化施工提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

信息化設(shè)計(jì)施工技術(shù)是目前鐵路隧道建造的主流。通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和監(jiān)控量測(cè)獲得地質(zhì)資料、圍巖力學(xué)動(dòng)態(tài)、支護(hù)工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)，利用多種手段進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析，判斷圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性和工作狀態(tài)，確定更符合圍巖動(dòng)態(tài)的支護(hù)參數(shù)和施工工法，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。近年來(lái)，隨著信息化設(shè)計(jì)施工技術(shù)的發(fā)展，智能化建造技術(shù)也被提出，2020年在鄭萬(wàn)高鐵高家坪、?？怠⑴d山、新華等4個(gè)標(biāo)段圍繞智能建造協(xié)同管理平臺(tái)各大子系統(tǒng)成功開(kāi)展了試驗(yàn)與驗(yàn)證，初步實(shí)現(xiàn)了隧道智能化建造的目的[19-20]。

2.7.2 鉆爆法隧道輔助工法方面

中國(guó)鐵路隧道常用的輔助工法主要有超前錨桿、超前小導(dǎo)管注漿、超前管棚注漿、洞內(nèi)超前預(yù)注漿和地表注漿等。隨著鉆孔和注漿設(shè)備的發(fā)展，輔助工法的工效也大幅提升，特別是洞內(nèi)超前注漿和地表注漿技術(shù)的發(fā)展，為處理隧道突泥(水)，加固軟弱、破碎地層及塌方等不良地質(zhì)提供了重要的技術(shù)手段。

洞內(nèi)超前注漿技術(shù)適用性廣、針對(duì)性強(qiáng)、作業(yè)靈活，隨著工程需求和技術(shù)的發(fā)展，目前的主要工藝有前進(jìn)式分段注漿、鉆注一體化后退式分段注漿、水平袖閥管束精細(xì)化注漿、全孔一次性定壓定流量注漿，可根據(jù)不同的地質(zhì)特點(diǎn)和加固要求合理選擇。受洞內(nèi)超前注漿工效與工藝的影響，近些年洞外地面深孔注漿技術(shù)得到了快速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于各類(lèi)軟弱、富水、破碎巖質(zhì)隧道的超前加固，注漿孔施工深度可達(dá)150 m，經(jīng)過(guò)加固后的軟巖隧道，月均開(kāi)挖進(jìn)尺達(dá)80 m[21-22]。洞內(nèi)超前預(yù)注漿和地表注漿施工如圖6和圖7所示。

圖6 洞內(nèi)超前預(yù)注漿施工

上述技術(shù)已在京沈客專(zhuān)、哈牡高鐵、蒙華鐵路、銀西高鐵、太焦高鐵、張吉懷鐵路、川藏鐵路等諸多項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用。

為適應(yīng)工程注漿需要，鉆孔、注漿機(jī)械設(shè)備也取得了較大的發(fā)展，鉆孔設(shè)備由原來(lái)肩扛人抬的坑道鉆機(jī)，發(fā)展為現(xiàn)在的履帶式多功能鉆機(jī)，其施工效率和鉆孔能力得到大幅度提高。同時(shí)，注漿材料也從傳統(tǒng)的普通水泥基注漿材料發(fā)展到快硬硫酸鹽水泥基注漿材料，該材料凝結(jié)時(shí)間可控、早期強(qiáng)度高、抗分散性強(qiáng)，大大提高了超前注漿施工效率和堵水加固效果。

圖7 地表注漿施工

注漿效果檢查及評(píng)定方面，在傳統(tǒng)的分析法、檢查孔法、開(kāi)挖取樣法、變位推測(cè)法等基礎(chǔ)上，發(fā)展了孔內(nèi)成像、跨孔CT 等物探手段，從而使注漿效果的檢查更加直觀、客觀。

2.7.3 鉆爆法隧道機(jī)械化大斷面施工技術(shù)

隨著中國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，高速鐵路隧道施工技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，鉆爆法隧道的機(jī)械化施工有了新突破，從單一工序機(jī)械化逐步轉(zhuǎn)向全工序機(jī)械化。鄭萬(wàn)高鐵和成蘭鐵路機(jī)械化大斷面隧道施工，實(shí)現(xiàn)了各級(jí)圍巖條件下的全(大)斷面開(kāi)挖[6]，如圖8所示。隧道機(jī)械化配套涵蓋開(kāi)挖、初期支護(hù)、防水、二次襯砌等各作業(yè)工區(qū)的主要工序，主要裝備包括鑿巖臺(tái)車(chē)、錨桿鉆機(jī)、濕噴機(jī)械手、鋼架安裝臺(tái)車(chē)、自行式仰拱棧橋等，如圖9所示。機(jī)械化施工能夠加快施工進(jìn)度、節(jié)約勞動(dòng)力、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、改善施工條件、提高工程質(zhì)量、降低工程成本，是高速鐵路鉆爆法隧道施工的發(fā)展方向。機(jī)械化大斷面隧道施工在中國(guó)鐵路鉆爆法的長(zhǎng)大隧道建設(shè)中逐步得以推廣應(yīng)用。

(a) 全斷面法(含仰拱)

(b) 微臺(tái)階法Ⅰ(上斷面-仰拱)

(c) 微臺(tái)階法Ⅱ(含仰拱)

圖9 隧道全工序機(jī)械化配套示意圖

2.7.4 盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)

盾構(gòu)法對(duì)地層的適應(yīng)性較強(qiáng)，能適用于黏土、砂層、基巖等各種地層，在城市鐵路隧道、水下鐵路隧道修建中，其安全性、經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)明顯。同時(shí)，為適應(yīng)地質(zhì)條件的復(fù)雜性，盾構(gòu)設(shè)備由以往單一功能的土壓盾構(gòu)、泥水盾構(gòu)等向雙模式盾構(gòu)、多模式盾構(gòu)發(fā)展。

盾構(gòu)隧道采用預(yù)制管片拼裝及時(shí)形成襯砌結(jié)構(gòu)，保證了隧道工程建設(shè)的安全可靠和優(yōu)質(zhì)。預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)具有建設(shè)速度快、質(zhì)量好、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。目前，盾構(gòu)隧道內(nèi)軌下結(jié)構(gòu)也逐漸推廣應(yīng)用預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)，如京張高鐵清華園盾構(gòu)隧道等，實(shí)現(xiàn)了軌下結(jié)構(gòu)的全預(yù)制拼裝[23]。

管片由盾構(gòu)自帶拼裝設(shè)備完成拼裝，底部結(jié)構(gòu)通過(guò)配套的箱涵拼裝機(jī)完成，實(shí)現(xiàn)中箱涵和邊箱涵的快速拼裝施工。中箱涵塊與塊之間、邊箱涵塊與塊之間均采用三元乙丙橡膠條進(jìn)行密封。中箱涵和邊箱涵安裝如圖10所示。

(a) 中箱涵安裝

(b) 邊箱涵拼裝

采用此技術(shù)建造的隧道，洞內(nèi)干凈整潔，一次成洞，減少了軌下結(jié)構(gòu)施作時(shí)間，施工效率大幅度提高，是今后盾構(gòu)法隧道的發(fā)展方向[24]。

2.7.5 TBM法隧道施工技術(shù)

TBM集開(kāi)挖、出渣、支護(hù)、通風(fēng)除塵、導(dǎo)向等功能于一體，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)大硬巖隧道施工的工廠化作業(yè)。近40年來(lái)，中國(guó)采用TBM修建技術(shù)成功修建了秦嶺隧道、磨溝嶺隧道、桃花鋪1號(hào)隧道、中天山隧道、西秦嶺隧道等。自秦嶺隧道TBM開(kāi)工以來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)TBM相關(guān)技術(shù)難題展開(kāi)研究，國(guó)家和部委層面持續(xù)部署多項(xiàng)科技計(jì)劃，開(kāi)展TBM設(shè)計(jì)施工中的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題研究，逐步構(gòu)建并完善了中國(guó)TBM設(shè)計(jì)制造和設(shè)計(jì)施工的技術(shù)理論體系，為實(shí)現(xiàn)TBM自主設(shè)計(jì)、制造奠定了技術(shù)支撐。2010年后，以鐵建重工、中鐵裝備為代表的國(guó)內(nèi)廠家在大量工程項(xiàng)目的拉動(dòng)下得到快速發(fā)展，國(guó)產(chǎn)掘進(jìn)裝備快速實(shí)現(xiàn)了從依賴(lài)進(jìn)口到批量出口的轉(zhuǎn)變，從2014年首臺(tái)國(guó)產(chǎn)TBM下線并成功應(yīng)用后，國(guó)產(chǎn)TBM已經(jīng)完全占領(lǐng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，并占據(jù)國(guó)際大部分市場(chǎng)。

通過(guò)國(guó)內(nèi)工程建設(shè)、設(shè)計(jì)、施工、裝備制造等相關(guān)單位的共同努力，國(guó)產(chǎn)TBM在功能、造價(jià)、可靠性、自動(dòng)化程度和地質(zhì)適應(yīng)性等方面有了很大提升，并在國(guó)內(nèi)多個(gè)領(lǐng)域、不同地質(zhì)條件的隧道工程中廣泛應(yīng)用，為中國(guó)今后TBM技術(shù)在鐵路山嶺隧道工程更大規(guī)模的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[25-27]。

3 標(biāo)志性重點(diǎn)隧道工程

3.1 衡廣復(fù)線大瑤山隧道

衡廣復(fù)線大瑤山隧道是中國(guó)第1座特長(zhǎng)(長(zhǎng)14.295 km)鐵路雙線隧道，且是第1次在長(zhǎng)大隧道中采用“新奧法”的原理指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工的隧道。該隧道設(shè)置3座斜井和1座豎井，推行當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)的大型機(jī)械，實(shí)現(xiàn)了鉆爆、支護(hù)、裝運(yùn)等主要作業(yè)線的機(jī)械化施工。大瑤山隧道于1980年11月開(kāi)工，于1988年12月建成，為中國(guó)隧道事業(yè)開(kāi)辟了新紀(jì)元，填補(bǔ)了中國(guó)10 km以上隧道的空白，修建技術(shù)先后獲原鐵道部和國(guó)家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)。

大瑤山隧道的建設(shè)是“新奧法”原理在中國(guó)鐵路隧道建設(shè)應(yīng)用中的成功典范，也是中國(guó)鐵路隧道建設(shè)新舊方法的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，是鐵路隧道修建技術(shù)的一次大飛躍[28]。大瑤山隧道洞口如圖11所示。

圖11 衡廣復(fù)線大瑤山隧道洞口

3.2 南昆鐵路家竹箐隧道

家竹箐隧道是20世紀(jì)90年代中國(guó)西南復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)最具代表性的隧道工程之一，全長(zhǎng)4 990 m，是第1座煤系地層高瓦斯、煤與瓦斯突出及煤系地層軟巖大變形隧道。隧道通過(guò)煤層段總長(zhǎng)約981 m，實(shí)測(cè)最大瓦斯壓力為1.58 MPa，最大瓦斯含量為20.17 m3/s，最大絕對(duì)瓦斯涌出量約為10.56 m3/min； 煤系地層大變形范圍為390 m，實(shí)測(cè)拱頂最大下沉240 cm，側(cè)壁內(nèi)移160 cm，隧底上鼓80～100 cm，被稱(chēng)為當(dāng)時(shí)鐵路建設(shè)“天下第一險(xiǎn)洞”。

隧道建設(shè)過(guò)程中通過(guò)設(shè)置高位平導(dǎo)、主副井等輔助坑道形成巷道式通風(fēng)，采用遠(yuǎn)距離超前鉆孔、瓦斯監(jiān)測(cè)、瓦斯抽排放、防突揭煤等措施確保施工安全，運(yùn)營(yíng)階段創(chuàng)立了瓦斯防治標(biāo)準(zhǔn)，配置了瓦斯自動(dòng)監(jiān)測(cè)及運(yùn)營(yíng)通風(fēng)系統(tǒng)，保障了運(yùn)營(yíng)安全。針對(duì)煤系地層高地應(yīng)力大變形問(wèn)題，提出“加固圍巖、改善變形、先柔后剛、先放后抗、變形留夠、底部加強(qiáng)”的防治原則，采用了鴨蛋型襯砌、特長(zhǎng)系統(tǒng)錨桿等綜合防治措施[29]。家竹箐隧道洞口如圖12所示，鴨蛋型大變形襯砌斷面如圖13所示。

圖12 家竹箐隧道洞口

圖13 鴨蛋型大變形襯砌斷面(單位： cm)

家竹箐隧道于1993年4月開(kāi)工，于1996年5月完工，該隧道的成功修建，極大地推動(dòng)了中國(guó)瓦斯隧道及高地應(yīng)力隧道建造技術(shù)的進(jìn)步。

3.3 西康鐵路秦嶺隧道

西康鐵路秦嶺隧道長(zhǎng)18.46 km，是中國(guó)當(dāng)時(shí)最長(zhǎng)的鐵路隧道，為2條平行的單線隧道。Ⅰ線隧道采用2臺(tái)直徑為8.8 m的敞開(kāi)式掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工，Ⅱ線隧道采用“新奧法”施工。西康鐵路秦嶺隧道是中國(guó)首座采用TBM施工的特長(zhǎng)鐵路隧道，實(shí)現(xiàn)了全程電腦監(jiān)控，無(wú)爆破、無(wú)振動(dòng)、無(wú)粉塵的工廠化快速掘進(jìn)，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，創(chuàng)造當(dāng)時(shí)單口月掘進(jìn)528 m和日掘進(jìn)40.5 m 2項(xiàng)全國(guó)最高紀(jì)錄，于1995年1月開(kāi)工，于1999年9月貫通，于2000年8月開(kāi)通運(yùn)營(yíng)[30]。該隧道榮獲魯班獎(jiǎng)、詹天佑獎(jiǎng)，秦嶺特長(zhǎng)鐵路隧道修建技術(shù)榮獲國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

秦嶺隧道的設(shè)計(jì)與施工以“高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)、高速度、高效益，決策科學(xué)化、施工規(guī)范化、作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、管理現(xiàn)代化”為指導(dǎo)方針，使中國(guó)隧道由鉆爆法施工上升到采用敞開(kāi)式全斷面掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工的新臺(tái)階，標(biāo)志著中國(guó)鐵路隧道機(jī)械化施工跨入世界先進(jìn)行列，在20 世紀(jì)末為中國(guó)鐵路隧道史樹(shù)立起一座跨世紀(jì)的里程碑。西康鐵路秦嶺隧道洞口如圖14所示。

圖14 西康鐵路秦嶺隧道洞口

3.4 石太客專(zhuān)太行山隧道

太行山隧道是石太客運(yùn)專(zhuān)線最長(zhǎng)的隧道，長(zhǎng)27.839 km，設(shè)計(jì)速度為250 km/h，是目前中國(guó)最長(zhǎng)高速鐵路山嶺隧道，采用雙洞單線形式。隧道修建面臨高速鐵路隧道斷面有效凈空面積標(biāo)準(zhǔn)、長(zhǎng)段落膏溶角礫巖地層以及特長(zhǎng)隧道防災(zāi)救援系統(tǒng)設(shè)置等技術(shù)難題[31]，于2005年6月開(kāi)工，于2009年4月通車(chē)。通過(guò)該隧道的建設(shè)，構(gòu)建了速度為250 km/h高速鐵路隧道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，建立了膏溶角礫巖隧道修建技術(shù)，首創(chuàng)了鐵路隧道防災(zāi)救援疏散技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)成果納入了《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》和《鐵路隧道防災(zāi)救援疏散工程設(shè)計(jì)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)中，為推動(dòng)中國(guó)高速鐵路隧道技術(shù)發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。石太客專(zhuān)太行山隧道洞口如圖15所示。

圖15 石太客專(zhuān)太行山隧道洞口

通車(chē)后，石家莊與太原間客車(chē)旅行時(shí)間由5 h縮短至1 h以?xún)?nèi)，區(qū)域客貨運(yùn)輸結(jié)構(gòu)得到完善，運(yùn)輸水平得到充分提升，對(duì)促進(jìn)沿線社會(huì)進(jìn)步，推動(dòng)太行山以西地區(qū)與東部沿海地區(qū)的協(xié)同發(fā)展具有重要的意義，并被國(guó)際咨詢(xún)工程師聯(lián)合會(huì)授予“FIDIC2014年工程項(xiàng)目?jī)?yōu)秀獎(jiǎng)”。

3.5 獅子洋水下鐵路隧道

獅子洋隧道位于廣深港客運(yùn)專(zhuān)線東涌站至虎門(mén)站之間，穿越珠江入海口的獅子洋，是廣深港鐵路客運(yùn)專(zhuān)線的關(guān)鍵工程。隧址處獅子洋江面寬度為6 100 m，隧道建筑全長(zhǎng)為10.8 km，暗洞段長(zhǎng)為10.49 km，最大水壓力為0.67 MPa，按速度目標(biāo)值350 km/h設(shè)計(jì)，最大縱坡20‰。由2條單線隧道組成，越江段采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)段總長(zhǎng)9 340雙洞m。盾構(gòu)隧道外徑為10.8 m，軌面以上凈空有效面積為66 m2。隧道內(nèi)設(shè)置框架式板式軌道。盾構(gòu)段采用4臺(tái)泥水平衡式盾構(gòu)施工，4臺(tái)盾構(gòu)兩兩相向掘進(jìn)，地中對(duì)接，洞內(nèi)解體。獅子洋隧道是目前國(guó)內(nèi)里程最長(zhǎng)、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)最高的第1座水下鐵路隧道。獅子洋隧道縱剖面圖如圖16所示。

圖16 獅子洋隧道縱剖面圖

隧道于2006年5月開(kāi)工，于2011年12月開(kāi)通運(yùn)營(yíng)。該工程克服了行車(chē)速度快、掘進(jìn)距離長(zhǎng)、地質(zhì)復(fù)雜多變、盾構(gòu)地中對(duì)接、水壓力大、安全標(biāo)準(zhǔn)高等諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，解決了大直徑泥水盾構(gòu)地中對(duì)接施工技術(shù)、復(fù)合地層基巖覆蓋層厚度設(shè)計(jì)技術(shù)、復(fù)合地層大直徑盾構(gòu)長(zhǎng)距離掘進(jìn)技術(shù)、特長(zhǎng)高鐵水下隧道洞內(nèi)緊急救援站技術(shù)等難題[32]，形成了系列創(chuàng)新成果，獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

3.6 西格二線新關(guān)角隧道

新關(guān)角隧道是青藏鐵路西寧至格爾木增建二線的重點(diǎn)工程，全長(zhǎng)為32.69 km。隧道最大埋深為910 m，平均海拔為3 600 m，設(shè)計(jì)為2座平行的單線隧道，線間距為40 m，設(shè)計(jì)速度為160 km/h，采用鉆爆法施工，共設(shè)置10座斜井，總長(zhǎng)為15 350 m，是中國(guó)首座長(zhǎng)度突破30 km的鐵路隧道，于2007年11月開(kāi)工建設(shè)，于2014年12月開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，是中國(guó)目前投入運(yùn)營(yíng)的高海拔第一長(zhǎng)隧，也是世界高海拔第一長(zhǎng)隧。新關(guān)角隧道的建成將該段越嶺線路縮短了約37 km，列車(chē)運(yùn)行時(shí)間由2 h縮短至20 min。新關(guān)角隧道平面示意圖如圖17所示。

隧道修建中克服了高原長(zhǎng)距離施工通風(fēng)、區(qū)域性寬大斷裂帶變形、長(zhǎng)大段落高壓富水帶涌水、高原特長(zhǎng)隧道運(yùn)營(yíng)防災(zāi)疏散救援安全等多項(xiàng)技術(shù)難題[33]，形成了高海拔特長(zhǎng)隧道修建成套技術(shù)，項(xiàng)目榮獲國(guó)際隧協(xié)(ITA)重大工程獎(jiǎng)、菲迪克(FIDIC)優(yōu)秀工程獎(jiǎng)、青海省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、中國(guó)建筑業(yè)協(xié)會(huì)和施工企業(yè)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、中國(guó)土木工程詹天佑獎(jiǎng)等多項(xiàng)國(guó)內(nèi)外獎(jiǎng)項(xiàng)。新關(guān)角隧道的成功修建，極大地推動(dòng)了中國(guó)隧道技術(shù)的進(jìn)步，為中國(guó)修建30 km以上特長(zhǎng)隧道，尤其是高海拔特長(zhǎng)隧道提供了良好的技術(shù)支撐。

圖17 新關(guān)角隧道平面示意圖

3.7 蘭渝鐵路西秦嶺隧道

蘭渝鐵路西秦嶺隧道長(zhǎng)28.2 km，設(shè)計(jì)速度為200 km/h，位于甘肅省隴南市武都區(qū)境內(nèi)。隧道最大埋深為1 400 m，設(shè)計(jì)為2條單線隧道，進(jìn)口采用鉆爆法施工，出口采用2臺(tái)直徑為10.23 m的開(kāi)敞式TBM施工，是目前中國(guó)鐵路建設(shè)史上TBM掘進(jìn)最長(zhǎng)的隧道，創(chuàng)造了大直徑硬巖開(kāi)敞式TBM月掘進(jìn)843 m、周掘進(jìn)235 m、日掘進(jìn)42 m的世界紀(jì)錄，同時(shí)也創(chuàng)造了大直徑硬巖掘進(jìn)機(jī)連續(xù)掘進(jìn)14.9 km的最長(zhǎng)掘進(jìn)紀(jì)錄。隧道于2008年9月開(kāi)工建設(shè)，于2016年12月開(kāi)通運(yùn)營(yíng)[34]。西秦嶺隧道TBM裝備如圖18和圖19所示。

西秦嶺隧道首創(chuàng)了TBM掘進(jìn)與二次襯砌同步施工技術(shù)，通過(guò)分階段通風(fēng)模式，很好地解決了大直徑TBM施工20 km超長(zhǎng)距離通風(fēng)世界性難題，相關(guān)技術(shù)成果填補(bǔ)了中國(guó)大直徑TBM快速長(zhǎng)距離掘進(jìn)技術(shù)的空白，推動(dòng)了中國(guó)TBM產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

圖18 TBM主機(jī)刀盤(pán)圖

圖19 隧道出口TBM拼裝場(chǎng)地

3.8 鄭西客專(zhuān)特大斷面黃土隧道

鄭西鐵路客運(yùn)專(zhuān)線全長(zhǎng)為458 km，設(shè)計(jì)速度為350 km/h，是中國(guó)“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)的重要組成部分，是世界上第1條長(zhǎng)距離穿越黃土地區(qū)的高速鐵路，共有28座、總長(zhǎng)為53 km的黃土隧道，隧道開(kāi)挖斷面達(dá)164 m2。鄭西客專(zhuān)黃土隧道洞口如圖20所示。

圖20 鄭西客運(yùn)專(zhuān)線黃土隧道洞口

結(jié)合鄭西高鐵長(zhǎng)為53 km的黃土隧道建設(shè)，克服了斷面超大、淺埋段落長(zhǎng)、黃土遇水軟化、濕陷強(qiáng)烈等系列工程難題，建立了大斷面黃土隧道穩(wěn)定性控制技術(shù)體系，形成了大斷面黃土隧道空間變形設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)了三臺(tái)階七步開(kāi)挖工法等施工新技術(shù)[2]，相關(guān)研究成果獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。三臺(tái)階七步開(kāi)挖工法示意圖如圖21所示。

圖21 三臺(tái)階七步開(kāi)挖工法示意圖

3.9 宜萬(wàn)鐵路巖溶高風(fēng)險(xiǎn)隧道

近年來(lái)，中國(guó)先后在巖溶地區(qū)建成了宜萬(wàn)鐵路、貴廣客專(zhuān)、滬昆高鐵等鐵路工程，積累了大量的高風(fēng)險(xiǎn)巖溶隧道修建技術(shù)。

宜萬(wàn)鐵路是中國(guó)在巖溶地區(qū)修建的一條最具代表性的復(fù)雜山區(qū)鐵路，線路全長(zhǎng)為377 km，70%的線路穿越喀斯特地區(qū)，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，暗河系統(tǒng)四通八達(dá)，補(bǔ)給水源豐富。隧道工程遭遇體積超過(guò)1萬(wàn)m3的超大型溶洞48處、高壓富水充填溶洞10處、水壓大于2.0 MPa的高壓富水大斷裂8處，工程施工難度極大，風(fēng)險(xiǎn)極高，被國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家稱(chēng)為“世界級(jí)難題”。項(xiàng)目于2004年1月開(kāi)工，于2010年12月建成運(yùn)營(yíng)。隧道建設(shè)過(guò)程中開(kāi)展了大量科技攻關(guān)，攻克了復(fù)雜巖溶山區(qū)鐵路工程建設(shè)重大技術(shù)難題，成功打通了沿江鐵路蜀道，創(chuàng)造了世界鐵路修建史上的奇跡。該項(xiàng)目首次開(kāi)展了巖溶隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和分級(jí)管理，創(chuàng)建了多種巖溶隧道支護(hù)新結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖22)，創(chuàng)新了高壓富水充填溶洞隧道修建技術(shù)，取得了系列巖溶隧道修建技術(shù)成果[2，35]，如《宜萬(wàn)鐵路高壓富水大型充填巖溶及斷裂帶隧道修建技術(shù)》獲中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)特等獎(jiǎng)、《深埋巖溶隧道地質(zhì)勘察綜合技術(shù)》和《宜萬(wàn)鐵路復(fù)雜山區(qū)巖溶隧道設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)》獲中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)。相關(guān)成果已納入《鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)規(guī)程》《鐵路隧道工程風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)規(guī)范》《鐵路巖溶隧道勘察設(shè)計(jì)規(guī)范》等規(guī)范，促進(jìn)了中國(guó)巖溶高風(fēng)險(xiǎn)隧道的建設(shè)。

另外，滬昆高鐵、貴廣客專(zhuān)等鐵路建設(shè)中，隧道工程也遇到了大量的巖溶，進(jìn)一步豐富了巖溶高風(fēng)險(xiǎn)隧道修建技術(shù)，如滬昆高鐵朱砂堡2號(hào)隧道超大型空溶洞大體積空心混凝土回填技術(shù)等。

(a) 大型溶洞雙向拱型新結(jié)構(gòu)

(b) 超大型溶洞立柱支頂+雙層框架式新結(jié)構(gòu)

3.10 深港高鐵城市地下車(chē)站隧道

深港高鐵是中國(guó)第1條穿越既有城市中心區(qū)，并在密集中心區(qū)設(shè)站的全地下跨境高速鐵路，由深圳福田站、香港西九龍站2座地下高鐵站和益田路隧道、深港隧道組成，全長(zhǎng)37.1 km，是京廣深港高鐵的重要組成部分。 福田站是中國(guó)第1座深埋于城市中心地下的鐵路車(chē)站，是亞洲最大的地下火車(chē)站，面積僅次于美國(guó)紐約中央火車(chē)站[36]。福田站及相關(guān)工程平面圖如圖23所示。

圖23 福田站及相關(guān)工程平面圖

福田站為地下3層，共設(shè)8線4站臺(tái)，長(zhǎng)1 023 m，采用明挖法施工?；訉挾冗_(dá)78 m，平均挖深為32 m，地處深圳市中心區(qū)，周?chē)邩橇至?，主體結(jié)構(gòu)外側(cè)離建筑物地下室最近距離僅為12 m，安全風(fēng)險(xiǎn)高。車(chē)站采用5跨3層大型地下結(jié)構(gòu)，集明挖順作、蓋挖逆作于一體，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工組織協(xié)調(diào)難度大。與正在運(yùn)營(yíng)的地鐵1號(hào)線和正在施工的地鐵2號(hào)線、11號(hào)線垂直交叉； 下穿福華、福中、深南等5條城市干線，交叉干擾多。福田站剖面圖如圖24所示。

圖24 福田站剖面圖

益田路隧道長(zhǎng)6 236 m，由明洞、盾構(gòu)段、鉆爆法段組成。深港隧道長(zhǎng)3 886 m，由鉆爆法段、盾構(gòu)段組成。隧道大直徑盾構(gòu)下穿地層復(fù)雜，掘進(jìn)控制要求高； 建筑物密集，變形控制及保護(hù)難度大。

該工程于2008年12月開(kāi)工建設(shè)，深圳福田站段于2015年12月30日建成運(yùn)營(yíng)，香港西九龍站段于2018年9月23日建成運(yùn)營(yíng)。建設(shè)者們攻克了超大超深基坑支護(hù)體系與安全控制、大型客站特殊結(jié)構(gòu)、核心城區(qū)復(fù)雜地層大直徑盾構(gòu)隧道系統(tǒng)設(shè)計(jì)建造、地下車(chē)站與隧道區(qū)間的綜合防災(zāi)等關(guān)鍵技術(shù)，并研發(fā)了淺埋暗挖隧道新工法——先墻后拱交叉中隔壁法(即PBCRD工法)[37]，實(shí)現(xiàn)了高速鐵路大斷面隧道超小凈距下穿運(yùn)營(yíng)地鐵，相關(guān)成果榮獲中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、中施企協(xié)工程建設(shè)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)，該工程獲得了菲迪克(FIDIC)年度工程優(yōu)秀獎(jiǎng)、魯班獎(jiǎng)和中國(guó)土木工程詹天佑獎(jiǎng)。

3.11 京張高鐵新八達(dá)嶺地下車(chē)站隧道

新八達(dá)嶺隧道是京張高鐵最長(zhǎng)的隧道，全長(zhǎng)為12.01 km，設(shè)計(jì)速度為250 km/h，單洞雙線，洞身最小埋深4 m，最大埋深432 m，連續(xù)穿越居庸關(guān)、水關(guān)、八達(dá)嶺長(zhǎng)城等重要風(fēng)景名勝區(qū)。八達(dá)嶺長(zhǎng)城站是京張高鐵的1座地下車(chē)站，設(shè)置在新八達(dá)嶺隧道內(nèi)，距離隧道出口3 km，位于八達(dá)嶺風(fēng)景區(qū)滾天溝停車(chē)場(chǎng)下方，毗鄰八達(dá)嶺長(zhǎng)城。車(chē)站側(cè)式站臺(tái)有效長(zhǎng)度為470 m，總建筑面積為6.83萬(wàn)m2，軌面最大埋深為102 m，兩端渡線段隧道最大開(kāi)挖跨度為32.7 m，最大開(kāi)挖斷面面積為494.4 m2，是目前開(kāi)挖斷面最大的交通隧道。車(chē)站地下部分為暗挖密集洞群，由下至上依次為站臺(tái)層、進(jìn)站層、出站層3層結(jié)構(gòu)，含大小洞室78個(gè)、斷面型式88種、洞室交叉口63處，洞室間最小巖墻厚僅為1.2 m，是目前世界上建設(shè)規(guī)模最大、埋深最大、開(kāi)挖跨度和斷面面積最大、洞室結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的地下暗挖高鐵車(chē)站工程。新八達(dá)嶺隧道于2016年4月開(kāi)工建設(shè)，于2019年12月建成通車(chē)。八達(dá)嶺地下車(chē)站剖面透視圖如圖25所示。八達(dá)嶺地下車(chē)站超大跨隧道斷面示意圖如圖26所示。

圖25 八達(dá)嶺地下車(chē)站剖面透視圖

圖26 八達(dá)嶺地下車(chē)站超大跨隧道斷面示意圖(單位： m)

八達(dá)嶺長(zhǎng)城站是中國(guó)第1座暗挖高鐵車(chē)站，具有“環(huán)保嚴(yán)、埋置深、跨度大、洞室密、地質(zhì)差”5大特點(diǎn)，建設(shè)過(guò)程中面臨“防災(zāi)救援疏散、環(huán)境和文物保護(hù)、超大跨隧道建造、密集洞室群建造”4大技術(shù)難題。經(jīng)過(guò)科研攻關(guān)，建立了隧道下穿長(zhǎng)城微震爆破和下穿風(fēng)景名勝區(qū)環(huán)境保護(hù)技術(shù)，研發(fā)了深埋地下車(chē)站環(huán)境營(yíng)造及防災(zāi)救援技術(shù)，提出了超大跨隧道圍巖承載拱構(gòu)件化設(shè)計(jì)方法、超大跨隧道“品”字形開(kāi)挖新工法、高性能快速?gòu)埨A(yù)應(yīng)力錨索新技術(shù)、超大跨隧道變形分步控制理論及控制標(biāo)準(zhǔn)，形成了軟弱破碎圍巖超大跨隧道及密集洞群修建技術(shù)，為今后類(lèi)似工程建設(shè)提供了技術(shù)參考[9]。

4 發(fā)展方向及展望

近40年的成就表明，中國(guó)鐵路隧道的數(shù)量和長(zhǎng)度已占據(jù)世界鐵路隧道之首，所處的地形地質(zhì)、地域環(huán)境等也是世界上最復(fù)雜的，隧道工程類(lèi)型、標(biāo)準(zhǔn)和功能涵蓋齊全，技術(shù)成就斐然。然而隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段，信息化、數(shù)字化、智能化等新技術(shù)的應(yīng)用，使中國(guó)鐵路隧道的發(fā)展迎來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

4.1 基于隧道圍巖主動(dòng)支護(hù)理念，進(jìn)一步完善隧道主動(dòng)支護(hù)體系

隨著國(guó)外“新奧法”“挪威法”“新意法”等隧道建造理念的深入人心，大大促進(jìn)了中國(guó)鐵路隧道設(shè)計(jì)理論和方法的發(fā)展，隧道工程界逐漸認(rèn)識(shí)到保護(hù)和充分利用圍巖的自承能力是隧道建造的核心思想。從力學(xué)角度看，隧道支護(hù)的本質(zhì)是將開(kāi)挖后的圍巖由二維應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S應(yīng)力狀態(tài)，從而抑制圍巖松弛發(fā)展，提升圍巖自穩(wěn)性。

主動(dòng)支護(hù)強(qiáng)調(diào)在圍巖松弛前及時(shí)設(shè)置支護(hù)，對(duì)圍巖進(jìn)行主動(dòng)保護(hù)、加固、改良，主要通過(guò)錨桿(索)等支護(hù)構(gòu)件深入圍巖內(nèi)部，形成組合拱作用，改善圍巖連續(xù)性，增強(qiáng)圍巖的抗剪強(qiáng)度，從而保持、提升圍巖的自支護(hù)能力。

川藏鐵路雅安至林芝段分布有69座隧道，總長(zhǎng)為842 km，工程規(guī)模巨大，地質(zhì)條件異常復(fù)雜，且處于高原低壓、缺氧等惡劣環(huán)境中。為滿(mǎn)足隧道工程安全高效施工的需求，全線隧道采用主動(dòng)支護(hù)體系，系統(tǒng)錨桿采用低預(yù)應(yīng)力錨桿，初期支護(hù)采用早高強(qiáng)噴射混凝土[38-40]。希望通過(guò)川藏鐵路隧道工程的建設(shè)，結(jié)合科研試驗(yàn)，進(jìn)一步完善和推廣隧道主動(dòng)支護(hù)理念，完善中國(guó)特色鐵路隧道修建技術(shù)體系。

4.2 盡快打通BIM+GIS在隧道勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維全生命周期中應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

隨著B(niǎo)IM(Building information modeling)技術(shù)在全球的推廣應(yīng)用，近些年中國(guó)勘察設(shè)計(jì)單位和施工單位也在積極推進(jìn)基于BIM的信息化建設(shè)，探索 BIM 技術(shù)在鐵路隧道勘察設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、安全運(yùn)維全生命周期中的應(yīng)用。目前，正由“建模為主”階段向“多維度數(shù)據(jù)應(yīng)用為主”階段跨越。然而，BIM三維信息模型在尺度表達(dá)、一致分析、空間統(tǒng)一基準(zhǔn)、整體定位等方面存在不足，而GIS(Geographic information system)是以空間三維可視化為基礎(chǔ)，基于空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，面向海量三維地理空間數(shù)據(jù)，集成地上、地下、洞內(nèi)外完整的三維空間實(shí)體，具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、檢索和分析功能。

因此，將BIM與GIS進(jìn)行結(jié)合，將BIM模型集成到GIS場(chǎng)景中，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，是今后隧道工程數(shù)字化、信息化發(fā)展的方向[41]。

4.3 穩(wěn)步推進(jìn)鐵路隧道施工少人化(高風(fēng)險(xiǎn)工序無(wú)人化)的智能建造技術(shù)

近年來(lái)，隨著勞動(dòng)力成本的不斷提高，隧道現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)豐富的施工技術(shù)人員數(shù)量在逐年減少，隧道工程建設(shè)“以機(jī)代人”成為現(xiàn)實(shí)需求，少人化(甚至無(wú)人化)是未來(lái)隧道工程建設(shè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。在機(jī)械化、數(shù)據(jù)化、信息化、人工智能高度融合的基礎(chǔ)上，發(fā)展具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自實(shí)施功能的機(jī)器人，進(jìn)行隧道建造主要工序的智能化作業(yè)，對(duì)提高施工效率、保障施工安全、提高施工質(zhì)量具有重要意義。

綜合當(dāng)前中國(guó)鐵路隧道建設(shè)需求、現(xiàn)階段技術(shù)水平及發(fā)展現(xiàn)狀，鐵路隧道智能化建造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)為： 隨著智能化建造體系的試驗(yàn)與推行，不斷積累完善各類(lèi)地質(zhì)條件下的隧道設(shè)計(jì)與施工方法，最終突破基于深度學(xué)習(xí)的隧道智能化建造技術(shù)理論，實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的隧道智能化建造體系，隨后建立動(dòng)態(tài)感知、實(shí)施分析、精準(zhǔn)決策、自主執(zhí)行的隧道智能化建造體系，全面推廣、實(shí)現(xiàn)隧道智能化建造。

目前，鄭萬(wàn)高鐵湖北段在隧道機(jī)械化大斷面快速建造技術(shù)的基礎(chǔ)上，初步構(gòu)建了高速鐵路隧道智能化建造技術(shù)體系，并成功進(jìn)行了工點(diǎn)試驗(yàn)。川藏鐵路雅安至林芝段新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，穿越新構(gòu)造板塊活動(dòng)強(qiáng)烈的橫斷山區(qū)，地質(zhì)條件極端復(fù)雜，特別是隧道巖爆段落長(zhǎng)、等級(jí)高、危害大，加之高原低壓、缺氧，為確保施工安全，推廣智能化建造勢(shì)在必行。

4.4 加快開(kāi)發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的隧道智能運(yùn)維新技術(shù)

隨著中國(guó)鐵路隧道工程數(shù)量的逐年增加，襯砌缺陷和病害也逐漸增多，高鐵隧道安全運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)壓力突顯，隧道運(yùn)營(yíng)維養(yǎng)需求遠(yuǎn)超現(xiàn)有維養(yǎng)能力，研發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的隧道狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)、運(yùn)維和病害整治技術(shù)迫在眉睫[42]，包括研發(fā)適用于隧道與地下工程的結(jié)構(gòu)健康智能檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、基于大數(shù)據(jù)的隧道狀態(tài)評(píng)估智能決策系統(tǒng)、高效率的隧道與地下工程維護(hù)技術(shù)及智能化裝備等。

5 結(jié)語(yǔ)

近40年來(lái)，中國(guó)鐵路隧道總體上建立了隧道規(guī)劃、勘察設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維養(yǎng)等成套技術(shù)體系，在鐵路隧道的建設(shè)規(guī)模、工程品質(zhì)和科技創(chuàng)新等方面取得了重大成就。然而，在面對(duì)超長(zhǎng)深埋隧道、川藏鐵路高海拔隧道、城市復(fù)雜環(huán)境隧道、長(zhǎng)距離海底隧道等方面，仍有大量的技術(shù)難題需要突破，尤其是在鐵路山嶺隧道智能化建造、運(yùn)維等方面，還需要開(kāi)展大量的科學(xué)研究和攻關(guān)工作，這是鐵路隧道建設(shè)者的任務(wù)和責(zé)任。希望廣大鐵路隧道建設(shè)者齊心協(xié)力，繼續(xù)發(fā)揚(yáng)科技創(chuàng)新精神，推動(dòng)中國(guó)鐵路隧道建設(shè)事業(yè)取得更大發(fā)展。