近2年我国隧道及地下工程发展与思考(2019—2020年)

洪开荣，冯欢欢

(1. 中铁隧道局集团有限公司，广东 广州 511458；2. 盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450001)

0 引言

对于我国隧道及地下工程来说，“十三五”是一个黄金发展期。铁路、公路、地铁作为我国隧道及地下工程应用的3大主要领域，截至2020年底，累计运营里程分别达到19 630[1]、21 999.3[2]、6 280.8 km[3]。“十三五”期间，我国铁路、公路、地铁隧道新增运营里程分别达到6 592、9 315.4、3 622.8 km，相比“十二五”期间的新增量，分别同比增长约9%、23%、184%。除此之外，我国水工隧道、综合管廊、地下洞库等方面也都完成了大批工程建设并投入运营。除了数量的显著提升，质量方面也取得了骄人的成就。如先后建设完成了世界最长、埋入海底最深(50 m)、单个沉管体量最大的公路沉管隧道——港珠澳大桥沉管隧道[4]，世界最大直径水下铁路盾构隧道——佛莞城际狮子洋隧道[5]，国内首座位于8度地震烈度区的海底盾构隧道——汕头海湾隧道[6]，国内规模最大、组成最复杂的地下空间工程——武汉光谷广场地下综合体[7]等一批里程碑式隧道及地下工程； 与此同时，新开工建设的世界最长高速公路隧道——乌尉高速天山胜利隧道[8]，国内在建最长双线铁路隧道——川藏铁路色季拉山隧道[9]，世界上首例集超宽超长海底沉管隧道、超大跨海中桥梁、深水人工岛、水下互通“四位”一体的集群工程——深中通道工程[10]，亚洲第二大综合交通枢纽——深圳前海综合交通枢纽工程等在顺利推进。基于大批重难点隧道及地下工程建设，我国在隧道工程勘察技术、隧道建设BIM技术、隧道机械化及智能化建设技术、盾构/TBM制造及再制造技术、海上沉管隧道修建技术、软岩大变形控制技术、岩爆监测及防控技术、新型破岩技术、隧道大数据平台建设技术等方面均取得了长足发展[11-17]。

为更好地促进我国隧道及地下工程技术在“十四五”期间能够取得长足发展，有必要对“十三五”期间的发展状况及存在不足进行总结分析，并提出今后阶段性的建设技术需求及攻关方向。2017—2018年度我国隧道及地下工程行业发展情况已有研究论述[18]，本文着重对近2年的行业发展情况进行总结分析。

1 我国隧道及地下工程近2年的发展

近2年来，在持续推进大瑞铁路高黎贡山隧道[19-20]、滇中引水香炉山隧洞等既有重难点隧道工程建设的基础上，又新开工了川藏铁路色季拉山隧道、天山胜利隧道等一批重难点隧道工程，促进我国隧道建设技术在软岩变形控制、岩爆监测、装备制造等方面取得长足进步。近2年我国修建完成的铁路隧道、公路隧道、地铁隧道长度，相比前2年同比增长分别达到了约49%、49%、62%。

1.1 主要领域的隧道建设情况

1.1.1 铁路隧道

截至2020年底，我国铁路营业里程达14.5万km，其中投入运营的铁路隧道16 798座、总长19 630 km，近2年新增运营的铁路隧道1 681座、总长3 299 km，相比前2年分别同比增长约66%、49%。全国在建铁路隧道2 746座、总长6 083 km；规划建设铁路隧道6 354座、总长16 255 km。

1.1.2 高速铁路隧道

截至2020年底，我国已投入运营高速铁路总长约3.7万km，已投入运营的高速铁路隧道3 631座、总长6 003 km，其中特长隧道87座、总长1 096 km。近2年新增运营的高速铁路隧道603座、总长1 127 km，如银西客运彬县隧道(14.251 km)、京沈客专梨花顶隧道(12.245 km)、太焦客专太谷隧道(11.497 km)等； 我国正在建设的高速铁路隧道1 811座、总长约2 750 km，如西延客专新延安隧道(16 km)、郑万客专小三峡隧道(18 954 km)、渝黔客专白马山隧道(13.407 km)等。截至2020年底，我国规划的高速铁路隧道3 525座、总长约7 966 km。

1.1.3 公路隧道

截至2020年底，我国等级以上运营公路上的隧道有21 316处，总长约21 999.3 km。其中，特长隧道1 394处、总长6 235.5 km，长隧道5 541处、总长9 633.2 km。近2年新增运营的公路隧道3 578处、总长4 763 km，相比前2年分别同比增长约40%、49%。目前已投入运营的最长公路隧道是位于陕西省的终南山隧道，长18.02 km；在建的最长公路隧道是天山胜利隧道，长22.11 km。

1.1.4 地铁隧道

截至2020年底，我国共计有38个城市开通运营地铁线路182条，总长约6 280.8 km； 近2年新增运营地铁隧道总长约1 927 km，相比前2年同比增长约62%。截至2020年底，有57个城市在建城市轨道交通，线路总长6 797.5 km，其中地铁隧道5 662.2 km，占比83.3%。

1.1.5 水工隧洞

自党中央、国务院2014年作出加快推进172项节水供水重大水利工程的决策部署后，截至2020年7月，已经累计开工重大水利工程146项，在建投资规模超过1万亿元。同期，国务院围绕防洪减灾、水资源优化配置、水生态保护修复等，研究部署了2020—2022年期间规划建设的150项重大水利工程，总投资1.29万亿元。

1.2 重难点工程

近2年，国内成功建设了佛莞城际狮子洋隧道、郑万铁路小三峡隧道、南京长江五桥夹江隧道等一批重难点隧道工程，成功攻克了高强度硬岩地层的镶齿型滚刀技术、极硬极软复合地层盾构直接掘进技术、水下超大直径盾构隧道施工技术等；同时，在铁路、公路、水利等领域均涌现出了大量代表性工程，如国内在建最长双线铁路隧道——川藏铁路色季拉山隧道、世界在建最长高速公路隧道——天山胜利隧道、国内水利工程领域在建最大直径TBM隧洞——滇中引水香炉山隧洞等，在大断面TBM极高地应力硬岩岩爆和软岩大变形防控、超长距离独头通风及运输、大埋深超长距离公路隧道TBM施工等方面还面临着众多技术难题需要进一步突破。

1.2.1 佛莞城际狮子洋隧道

佛莞城际狮子洋隧道全长6 150 m，其中明挖隧道长1 250 m，盾构隧道长4 900 m。隧道穿越珠江狮子洋，最大埋深64 m，最大水深17 m，采用直径13.61 m的泥水盾构施工。地下水丰富，水位高，隧道洞身段基岩及破碎带富存中等透水—强透水性承压水，盾构隧道洞身主要穿过第四系沉积层、软弱土层、软硬不均地层、全断面砂岩、泥岩等地层(见图1)。

图1 佛莞城际狮子洋隧道纵断面图

全断面硬岩长度达2 380 m，占隧道总长48.5%，岩石最大饱和抗压强度为75.7 MPa，石英含量达70%～80%，对刀具质量和掘进参数控制要求较高。针对高强度、高石英含量地层对刀具的不良影响，创新开发了“低硬材料作母体、硬度材料作牙齿、耐磨材料作外衣”的技术路线(见图2)，成功解决了刀具一直存在的“耐磨不耐撞，耐撞不耐磨”难题。该隧道于2019年12月17日实现贯通，是世界上已建成的最大直径水下铁路盾构隧道，它的贯通标志着广东珠三角佛莞城际铁路建设取得重大进展。

图2 自主研发适合硬岩掘进的镶齿型滚刀

1.2.2 汕头海湾隧道

汕头海湾隧道全长6 680 m(其中过海段长3 047 m)，采用2台直径分别为15.01、15.03 m的超大直径泥水平衡常压刀盘盾构掘进施工，于2020年8月7日实现双线贯通。隧道上覆土主要为淤泥地层，始发和到达段埋深浅(始发段8 m，到达段12.5 m)，东、西线盾构分别经历了始发段64、184 m孤石群和海域区间3段岩石强度最高达216 MPa的基岩凸起段。隧道建设过程中成功攻克了海域环境条件下极硬极软复合地层盾构直接掘进施工技术难题，并成功开发了智慧盾构工程大数据平台、极软极硬复合地层刀盘刀具配置技术、常压刀具防后退及报警装置(见图3)等，达到了盾构施工“可感、可知、可掘、可稳”新的先进水平。

图3 常压刀具防后退装置

汕头海湾隧道是国内首座位于8度地震烈度区、按9度地震烈度设防的超大断面海底盾构隧道，工程地质复杂、施工难度大、管控要求高，被孙钧、钱七虎、周福霖等院士誉为“世界级挑战性工程”。该隧道连接汕头市中心城区南北两岸，于2020年8月7日实现双线贯通，对加快“一湾两岸”城市发展、推动城市扩容提质具有重大意义。

1.2.3 嘉兴顶管隧道

嘉兴市市区快速路环线下穿南湖大道顶管隧道，开挖断面达123 m2，埋深5.68～6.45 m，为世界上首座双向6车道超大断面矩形顶管隧道，南北线结构净距1.2 m。工程所处区内第四系土层的形成及其结构与长江三角洲的发育、江海变迁、气侯等自然变化有着密切的联系，具有层序复杂、相变剧烈、厚度较大的特点。针对大断面顶管始发/接收、下穿道路沉降控制、顶进姿态控制和长距离顶进过程中纵向密封止水等方面的技术难题，项目研发了多刀盘组合式顶管机、减阻泥浆自动补偿系统、三螺机出渣系统(见图4)、整体吊装翻转技术，顺利建成国内外第一座双向6车道小净距顶管隧道。工程于2020年10月20日实现全隧贯通，开创了双向6车道超大断面矩形顶管施工先河，标志着我国超大断面矩形顶管制造和隧道建造水平达到新高度。

图4 三螺机出渣系统

1.2.4 深圳春风隧道

春风隧道工程线路全长5 078 m，隧道最小埋深6.9 m，最大埋深46.3 m，采用直径15.8 m泥水盾构施工，为当时国内最大直径泥水平衡盾构法公路隧道。穿越地质由东向西依次为花岗岩、糜棱岩、凝灰质砂岩、碎裂岩、片岩和变质砂岩，最硬岩层单轴抗压强度值最大为173.7 MPa。主要为上软下硬及硬岩地层，其中硬岩段占掘进通过地层80%以上，并穿过9条断层破碎带和2条次生断裂带，地质情况相对复杂、围岩破碎(见图5)。盾构一次性连续掘进3 603 m，穿越软硬不均地层、全断面硬岩、构造碎裂岩层、糜棱岩断层等极具挑战性复杂地层；穿越城市老城区，沿线连续下穿高层建筑物、地铁、铁路、桥梁等建(构)筑物，对刀盘刀具管理及地面沉降控制要求极高。针对盾构掘进过程中长距离软硬不均地层、糜棱岩破碎带等刀盘易结泥饼地层，采取加强刀盘面板冲刷、化学药剂浸泡泥水舱、高压水刀冲刷、辅助气压掘进等措施，顺利安全通过糜棱岩断层破碎带等不良地层[21]。该工程是深圳市“东进战略”重大交通项目之一，建成后将与现有的春风高架桥共同构成罗湖区南部东西向复合通道，实现春风路段通行能力提升1倍左右，有效缓解片区交通拥堵；也将开创深圳市盾构施工机动车隧道之先河，并成为深圳首条“单洞双层”构造的机动车隧道，对丰富和完善深圳地下工程建设技术具有重要意义。

图5 春风隧道工程地质纵断面图

1.2.5 深圳妈湾隧道

深圳妈湾跨海通道线路全长8.05 km，盾构隧道段长2.06 km，隧道最大埋深35 m，最大水深约9 m，左右线净间距最小13 m、最大23 m，采用直径15.53 m盾构施工，为深圳首条海底隧道，也是国内最大直径跨海盾构隧道。该隧道穿越地层主要为全断面土层、全断面岩层、软硬不均地层，分别占比16%、32%、52%，如图6所示。

图6 深圳妈湾隧道盾构段地质纵断面图

深圳妈湾隧道盾构段地质纵断面如图6所示。盾构段岩面起伏大，岩层为混合花岗岩，石英含量平均为34%(最高54%)，长石含量平均为55%(最高69%)；岩石单轴抗压强度平均值为44.9 MPa(最大193 MPa)，对刀具质量和掘进参数控制要求高。针对上述地层特点，该项目采用48.26 cm(19英寸)光面滚刀、前装式刀筒(见图7)解决硬岩、软硬不均地层掘进中刀具破岩能力不足及刀具螺栓松动问题。该隧道于2019年2月开工建设，建成后对于完善“特区中的特区”前海周边路网结构，实现城市发展空间的拓展与整合具有重要作用。

图7 前装式刀筒

1.2.6 川藏铁路色季拉山隧道

新建川藏铁路雅安至林芝段色季拉山隧道全长37.965 km，为国内在建最长双线铁路隧道，于2020年11月开工。设计采用4台10.2 m敞开式TBM+钻爆法联合施工，最大埋深1 687.85 m，最大水平主应力为45.52 MPa，强度应力比为2.07～5.37，隧道进口海拔3 158 m，出口海拔2 969 m。隧道洞身地层主要为喜山期花岗岩及闪长岩、加里东期花岗岩(见图8)，花岗岩饱和单轴抗压强度平均为82.9 MPa，闪长岩饱和单轴抗压强度平均为88.9 MPa，片麻岩饱和单轴抗压强度平均为88.67 MPa。隧道主要不良地质有岩爆、节理密集带和蚀变岩，面临大断面TBM极高地应力硬岩岩爆和软岩大变形地段安全施工难题、高原缺氧地区长距离独头通风难题、软弱富水围岩段突泥涌水防治难题。为应对色季拉山隧道建设难题，中铁隧道局从高原特长TBM隧道施工效率与安全防控、高应力环境下断层与破碎岩体隧道围岩变形控制、高原高寒脆弱生态环境特长隧道施工环境保护等方面开展针对性科研攻关。色季拉山隧道计划工期92个月，预计2028年7月10日完工，对于巩固边疆稳定、强化国防保障、促进民族团结、维护国家统一具有重大的战略意义。

图8 色季拉山隧道地质纵断面图

1.2.7 大瑞铁路高黎贡山隧道

高黎贡山隧道全长34 538 m，最大埋深1 155 m，最大地应力30 MPa，具有“三高”、“四活跃”地质特征，共穿越18种地层、19条断层破碎带，隧道最大涌水量19.2万m3/d，涵盖高地震烈度、活动断裂、高地温(热害段落10 122 m)、岩爆(2 020 m)及软岩大变形(3 185 m)、滑坡、岩溶(920 m)、放射性、顺层、有害气体、特殊岩土等不良地质。隧道进口端21.2 km采用钻爆法施工，出口端13.3 km正洞、平导分别采用直径9.03、6.39 m敞开式TBM施工。针对花岗岩不均匀风化易造成TBM频繁卡机、超高压富水花岗岩深竖井治水、高地温施工等技术难题，项目首次采用基于人工神经网络的TBM卡机预测方法、花岗岩地层铁路深竖井地表受控定向钻深孔预注浆技术(见图9)、机械制冷等措施，大幅提高了卡机预测准确率，治理了花岗岩高角度裂隙超高压地下水，将隧道内环境温度降低了4～6 ℃。

图9 竖井地表受控定向钻深孔预注浆技术

截至2020年底，在地质条件复杂情况下，高黎贡山隧道TBM综合进度指标达180 m/月，1#、2#竖井分别于2019年11月、2020年5月掘砌到底，1#斜井地处高地温段落，是我国横断山脉第一条采用“TBM+竖井工法”联合施工的隧道，它的修建标志着中国铁路隧道施工技术正迈向世界隧道施工技术的前端。

1.2.8 引汉济渭秦岭隧洞

引汉济渭工程秦岭隧洞全长81.8 km，最大埋深2 012 m，设计流量为70亿m3/s，工程采用“2台TBM+钻爆法”施工方案。秦岭隧洞是人类首次尝试从底部横穿世界十大山脉之一的秦岭，成功克服了隧道施工过程中极硬岩、大涌水、强岩爆等工程挑战。工程范围内地下水发育，主要涉及地层为下元古界长角坝岩群黑龙潭岩组石英岩、印支期花岗岩、华力西期闪长岩以及断层碎裂岩、糜棱岩，具有高围岩强度、高石英含量、高温湿、强岩爆、强涌水、长距离施工等技术难题，围岩完整性系数超过0.8，岩石最大干燥抗压强度317.6 MPa，平均石英含量为64%、最高达92%，掘进速度缓慢，刀具磨损严重；同时，岩爆防治是施工组织常态，采取有效措施防治岩爆(见图10)是施工管理的重点与难点[22]。

(a) 喷高压水软化围岩 (b) 水锤钻机安装及钻孔施作

(c) 应急喷混系统 (d) 型钢拱架+McNally系统钢筋排

通过采用“钻孔分流+表面嵌缝+浅层封堵+深层加固”的断面分流与加固方案，辅以特殊浆材，硬岩地段涌水封堵率达到90%；通过刀具试验、优化刮板座结构和新材料引进，刀具消耗由0.86把/m降低至0.72把/m，节省了刀具成本。工程建成后，可解决陕西省关中地区水资源短缺问题，有效遏制渭河水生态环境恶化，减轻关中地区环境地质灾害，是实现陕西省水资源优化配置且影响长远的永久性措施。

1.2.9 YE供水KS隧洞

YE供水二期输水工程KS隧洞全长约283 km，为目前世界上最长输水隧洞。KS隧洞Ⅴ标隧洞全长43.847 km，工程具有“一洞双机”“独头掘进距离长”“长距离皮带出渣”“小断面”等特点，采用TBM掘进及钻爆施工相结合的方案进行施工(见图11)，其中TBM掘进施工段长41.115 km，采用2台敞开式TBM施工。隧道岩性主要以Ⅱ类花岗岩、凝灰岩为主，穿越2条次级断层破碎带，局部夹石墨矿化凝灰岩，埋深较大段伴有中度滞后性岩爆，其中，花岗岩围岩强度高，最高抗压强度达182.9 MPa，平均抗压强度在120 MPa以上。针对“一洞双机”超特长TBM独头掘进施工，国内无成熟经验可参照，项目从掘进与支护、皮带机系统、运输系统、风水管线系统、其他保障系统等方面出发，对其施工技术和方法进行了深入探索和实践，创新形成了“特长TBM隧道一洞双机施工”的施工方法，实现了2台TBM同时组装、同时始发，具有较为明显的社会和经济效益。2020年10月实现了采用单台TBM独头掘进15.474 km隧洞并贯通，标志着我国超特长隧洞TBM独头施工技术又取得新突破。

图11 KS隧洞工程布置示意图(单位： m)

1.2.10 滇中引水香炉山隧洞

滇中引水工程香炉山隧洞线路全长62.596 km，最大埋深1 450 m。隧洞设计断面为圆形、设计流量135 m3/s、设计纵坡1/1 800，采用“钻爆法+TBM”组合施工(见图12)，所采用“云岭号”TBM于2020年5月8日成功下线(国内在建水利工程最大直径TBM，为9.83 m)。隧洞穿越多个地质构造和区域性大断裂，岩溶水系发育，围岩变换频繁，工程地质条件极为复杂。隧洞施工过程中软岩大变形、涌突水、高外水压力、高地应力岩爆、高地温、岩溶溶洞等地质灾害问题突出[23-24]； 同时，还面临23 km级超长距离独头通风、超长距离独头运输等施工技术难题。

图12 香炉山隧洞施工方案布置图(单位： km)

通过升级、强化施工通风、运输设备性能，优化运输线路形式，加强超前地质预报工作，强化TBM针对性设计和辅助配套施工设施，并开展施工过程中的科研攻关、技术优化等工作，以保证隧洞安全、高效施工。滇中引水工程是解决云南省滇中地区水资源短缺问题的战略性基础工程，具有显著的经济、社会和生态效益。香炉山隧洞是滇中引水工程全线最具代表性的深埋长隧洞，为全线重点控制性工程。

1.2.11 其他重难点工程

1.2.11.1 深圳高速公路莲塘隧道

2018年12月，世界最大断面高速公路隧道——深圳高速公路莲塘隧道成功贯通，该隧道开挖断面达428.5 m2，全长2 650 m，包括2车道和3车道、超大断面、渐变段和标准4车道等多种隧道形式。

1.2.11.2 厦门轨道交通2号线

厦门轨道交通2号线海沧大道站—东渡路站区间，是国内首条采用盾构法施工的过海地铁隧道[25]，区间线路分为盾构段和钻爆法段，其中盾构区间长度约2.3 km，区间隧道覆土厚度为8.7～65.7 m，最大水土压力约600 kPa，采用2台直径6.99 m复合式泥水平衡盾构施工，成功克服了跨海段孤石密集段的不良影响，于2019年3月实现隧道贯通。

1.2.11.3 青岛地铁8号线

青岛地铁8号线大洋站—青岛北站东侧过海段为国内最长过海地铁隧道，采用“盾构法+矿山法”相向施工(见图13)，最小曲线半径800 m，线路最大坡度28‰，区间最大埋深约51 m，最小埋深约26.49 m，于2020年1月20日贯通，创造了国内首例泥水盾构3节分体始发和过海隧道泥水盾构月均掘进220 m共2项全国纪录[26]。

图13 青岛地铁8号线过海段地质纵断面图

1.2.11.4 南京长江五桥夹江隧道

南京长江第五大桥夹江隧道全长1.159 km，管片外径15 m，采用直径15.46 m盾构施工，为国内当时在建最大直径水下公路盾构隧道。隧道施工过程中先后克服了浅覆土盾构始发、下穿夹江大堤、超深基坑盾构接收等施工风险，于2020年5月13日实现双线贯通，为连接南京主城和江北新区起到了重要纽带作用。

1.2.11.5 郑万铁路小三峡隧道

新建郑州至万州铁路重庆段小三峡隧道全长18.954 km，为全线最长隧道和控制性工程，处于水平循环带，岩溶发育，穿越可溶岩地段长达7.3 km，是目前亚洲时速350 km单洞双线最长高铁隧道，于2020年7月26日实现贯通，为我国高速铁路特长隧道建设积累了宝贵经验。

1.2.11.6 济南黄河隧道

济南黄河隧道全长4 760 m，其中盾构段长2 519 m，设计为双管双层、市政道路与轨道交通合建，上层为双向6车道公路，下层为轨道交通，采用直径15.76 m盾构施工，是目前我国最大直径公轨合建盾构隧道[27]。其具有盾构开挖断面大、掘进距离长、浅覆土、深基坑、高水压、地质情况复杂多变、穿越既有物等特点，先后克服了大断面、长距离、浅覆土、深基坑、高水压、钙质结核和粉质黏土不规则分布等技术难题，于2020年10月30日实现了东线贯通。

1.2.11.7 天山胜利隧道

乌鲁木齐—尉犁高速公路天山胜利隧道全长22.11 km，最大埋深1 112.6 m，是目前世界在建最长的高速公路隧道，采用2台直径8.43 m多模式TBM施工。TBM于2020年4月28日下线，实现了TBM在国内高速公路隧道中的首次应用。该隧道地质条件复杂，存在岩爆、突涌水、高地应力等不良地质条件[28]，预计于2025年建成通车。

1.2.11.8 深中通道沉管隧道

深中通道沉管隧道全长约6.8 km，为世界首例双向8车道海底沉管隧道，也是目前世界上最宽的海底沉管隧道[29]，其断面宽度达46～55.46 m，是世界上最长、最宽的钢壳混凝土沉管隧道，2020年6月18日实现首节沉管、西人工岛实现对接。

1.3 主要技术进步

1.3.1 行业规范

随着大量的公路隧道工程的实施，公路隧道施工经常面临断面大、地质条件复杂、施工风险高等困难，“四新”技术得到不断应用，新型建筑材料和施工机械不断出现，环保安全要求进一步提升。为进一步保障隧道工程施工的安全和质量，交通运输部组织完成对JTG F60—2009《公路隧道施工技术规范》的修订工作，发布了JTG/T 3660—2020《公路隧道施工技术规范》作为公路工程行业推荐性标准，自2020年8月1日起施行。新规范对3车道、4车道开挖方法选择，支护参数选定，预留变形量设置，对向开挖两工作面安全施工距离控制，质量控制标准，监控量测测点布置等均给出了规定；在规定公路隧道施工过程控制标准的基础上，对施工各工序、各环节的技术、工艺、质量、材料进一步给出了具体的要求，增加了公路隧道施工安全环保技术的强制性要求。

JTG/T 5440—2018《公路隧道加固技术规范》、JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》，自2019年5月1日起施行，原JTG D70—2004《公路隧道设计规范》及其英文版废止。

1.3.2 隧道勘察设计

1)GIS技术。通过计算机信息系统对信息实现资源共享、勘察设计的优化、更科学更系统的策划，更多的地质信息在建筑工程中得到了很好的应用。

2)无人机倾斜摄影测量技术。集成遥感传感器技术、POS定位定向技术和GPS差分技术具备自动化、智能化特点，能够获取国土、资源、环境等空间信息，采用数据快速处理系统作为技术支撑，进行实时处理、建模。

3)数字摄影测量技术。数字摄影测量是以计算机视觉代替人眼的立体观测，所使用的仪器最终只是通用计算机及其相应外部设备；其产品是数字形式的，传统的产品只是该数字产品的模拟输出。其全数字化、全自动化的优良性能为数字化勘察设计提供了可靠的数据源。

4)高分辨率卫星遥感技术。应用航天遥感技术所获得的卫星相片，具有广阔的视域、逼真的影像、丰富的信息。随着卫星遥感图像的定位精度越来越高，空间分辨率越来越细，为宏观地分析地质情况提供了方便的条件，能解译出区域路网和经济布局，道路沿线的各种最新的自然、经济现象。

5)高精度GPS-RTK技术。该技术能真正实现高精度的一次测量、三维定位，大大减少甚至取代繁琐、困难、精度难保证的常规地面测量作业，工作效率大幅提升，加快了隧道勘察设计进度。

1.3.3 高地应力软岩变形控制技术

在大埋深及高地应力作用下，部分软质岩层和破碎岩体强度不足以承受隧道开挖后重新分布的围岩应力，易发生挤压性大变形，变形量大、变形速率高、持续时间长、具有明显的流变现象，对工程安全影响极大。以前多采用“强支硬顶”的方式，导致要多次拆换拱；后来在兰渝铁路木寨岭隧道按照“先放后抗、抗放结合、锚固加强”理念，采用“超前导洞释放+圆形4层支护结构”方案使变形得到了控制[30]，但仍存在优化空间。

近年来，高地应力软岩变形控制技术得以逐步完善，目前主要采用“预留余量、先柔后刚、先放后抗”理念，并在渭武高速公路木寨岭隧道施工中进行了应用。该隧道全长15.2 km，最大埋深629.1 m，全隧均为Ⅴ级围岩，岩性为砾岩、断层压碎岩、炭质板岩、千枚化炭质板岩、砂岩等，以软质炭质板岩为主；隧址范围内褶皱带活动强烈、近东西走向断层发育，地质构造极为复杂，共有3个背斜、3个向斜构造、6处褶皱、12条断层，最大水平主应力为24.95 MPa，以“极高地应力软岩”著称。通过采用NPR锚网索新技术施工(见图14)[31]，解决了频繁拆换拱和多层支护问题，起到很好的效果。

(a) NPR锚索技术原理示意图 (b) 实施效果图

NPR锚索在锚杆(索)轴力大于恒阻力后，仍有一定的抵抗变形能力，因而不会出现突然断裂失效的破坏现象。当围岩产生一定形变时，NPR锚索随之拉伸变形，围岩变形能得以缓解释放；当围岩重新稳定后，NPR锚索在拉伸变形之后仍保持稳定的支护阻力，并可在地层基本稳定后，进行二次张拉，长期受力。

1.3.4 高地应力岩爆监测及处治技术

岩爆是指在具有高地应力的岩体中进行洞室开挖，洞周岩体受内部集中应力释放，经历张性劈裂、破裂成块和岩块弹裂等阶段，从岩面以一定初速度释放出来。脆性硬质岩石及高地应力是岩爆发生的主要条件，按岩爆的不同特征和影响程度一般分为4级： 轻微、中等、强烈和极强。利用系统工法和综合措施，通过诱导、释放、锁锚和防护等方式及围岩自身控制以尽量降低岩爆的危害。近年来，微震监测技术在隧道施工中得到了更深入的应用，针对即时型岩爆、滞后型岩爆的发生位置、岩爆等级等信息预测有了新的突破[32-33]。针对各类型岩爆的防治技术，基于引汉济渭引水隧洞建设，中铁隧道局摸索建立了一套岩爆防治措施。1)轻微岩爆：φ12钢筋排+普通钢筋网片+预应力锚杆+局部格栅拱架+C20喷混凝土。2)中等岩爆： H125型钢拱架(间距0.6～0.9 m)+φ18钢筋排+φ25涨壳式预应力锚杆+C20纳米纤维混凝土。3)强烈岩爆： 超前应力释放孔+H150型钢拱架(间距0.6 m)+φ22钢筋排+纵向型钢连接+φ32涨壳式预应力锚杆+C20纳米纤维混凝土。4)极强岩爆： 遵循“加强监测、超前释放、锚杆加密、拱架消能”的施工原则。引汉济渭工程岩爆分级处理措施见图15。

(a) 轻微岩爆 (b) 中等岩爆

(c) 强烈岩爆 (d) 极强岩爆

尽管岩爆监测和预测技术有了较大进展，但极强岩爆在时间、空间上难以准确预测和控制。TBM针对极强岩爆的应对手段有限，应先采用超前水锤钻机实施应力释放或超前应力解除爆破(水锤钻机顶部钻孔爆破应力释放、掌子面中部手风钻钻孔爆破应力释放、超前小导洞应力释放等模式)，然后再评估能否继续采用TBM施工，能施工则参照强烈岩爆治理措施进行施工。目前，对于岩爆发生时间还不能准确预测，且滞后性强岩爆发生频率逐步增大，对岩爆的治理形成较大制约。岩爆作为世界性技术难题，其治理措施还需要继续摸索与实践验证。

1.3.5 高地震烈度区复杂地层大直径盾构隧道修建技术

为实现汕头海湾隧道在8度地震区的安全修建及安全运营，柔性消能节点特殊结构的创新及应用(见图16)是我国水下隧道的一项重大突破[34]。该技术基于“连接加强、诱导变形、集中消能、低模隔震记忆恢复”的总体思路，采用C60钢筋混凝土管片，局部连接螺栓由6.8级提高到8.8级，对于地层刚度变化大的部位，设置诱导、消能节点，并采用形状记忆合金构件。该合金具有超弹性，可恢复应变达8%、极限应变达17%甚至更多，震后能够自恢复变形。

(a) 柔性消能节点结构原理图

(b) 柔性减震管片环

同时，针对强度达216 MPa岩石与海相淤泥组合地层所带来的掘不进、易失稳、掘进参数控制难等问题，开发了刀具与掘进状态智能感知与判释系统，开创了水下极硬岩与极软土体组合地层盾构直接掘进的先河，创建了“可感、可知、可掘、可稳”的复杂地层盾构施工技术体系[35]。2020年8月7日，我国自主研制的国产首台15 m级超大直径泥水盾构成功穿越汕头海湾。

1.3.6 国产盾构/TBM装备制造技术

2019年6月22日，首台采用4.8 m级国产主轴承再制造盾构(直径11.7 m)在天津下线，用于浙江舟山鲁家峙海底公路隧道项目； 2020年10月27日，我国首台采用国家强基工程国产3 m级主轴承(见图17)盾构成功通过试掘进验收。

图17 国家强基工程国产3 m级主轴承

2020年10月，世界最大直径(15.08 m)国产单护盾TBM主机在国内组装完成，用于格鲁吉亚南北走廊Kvesheti—Kobi公路项目建设。针对长距离、大埋深、岩石硬度高带来的施工难题，该TBM采用超大直径主动铰接系统、双速减速机系统、箱涵同步拼装等针对性设计，实现了主机姿态精确调整和大埋深设备强脱困功能，使设备在不同地质条件下具有良好掘进能力。国内最大直径(9.83 m)国产敞开式TBM于2020年5月8日在德阳下线，用于滇中引水工程建设，该TBM具备拼装型钢骨架的新型拱架安装器、自动接杆能力的锚杆钻机、L1区具备应急湿喷能力的自动化喷头等，可解决“岩爆、大变形、断层破碎带”等行业性难题。应用于浙江嘉兴下穿南湖大道工程的世界最大断面国产土压平衡矩形盾构，采用6前8后多刀盘组合开挖设计、盾体分块优化设计、多螺机出渣设计、自动减摩等技术，解决了超大断面矩形盾构施工一次开挖成型、主机姿态控制以及土体沉降控制等技术难题，并于2020年10月21日成功下穿南湖大道。

针对断层破碎带地层，中铁装备成功开发了双结构TBM(见图18)，在不改变传统敞开式TBM主要结构和主要功能的基础上，增加了管片支护和辅助推进的功能。目前已成功应用于川藏铁路色季拉山隧道。

图18 双结构TBM

1.3.7 新型破岩技术

当遇到超硬岩石时，TBM便会出现破岩困难、掘进效率低、主轴承寿命短、刀具磨损严重等系列问题，提高TBM在极硬岩地层破岩效率，用“水刀”和“滚刀”共同破岩成为一种可行途径。高压水耦合破岩技术利用超高压水力射流冲切岩石成槽，为滚刀切割岩石提供自由面，同时水力劈裂岩石形成不规则裂缝，形成的环痕与滚刀的环痕有效叠加，可显著提高滚刀贯入速度，减少滚刀法向推力，延长主轴承使用寿命，不仅能解决TBM施工中超硬岩破岩问题，还能进一步加快中硬岩掘进速度[36]。2019年6月18日，国内首台高压水力耦合破岩掘进机(敞开式TBM)下线，应用于福建万安溪引水隧洞工程建设。

1.3.8 大数据应用技术

隧道机械化配套成为趋势，智能终端开始规模化的改进和应用，群组装备全方位监测和统一信息化管理，为大数据在隧道及地下工程中的智能应用奠定了一定基础。BIM技术开始应用于隧道及地下工程，实现了设计/施工协同，有助于提升隧道及地下工程设计-施工-运维全生命周期管理。工程管理信息系统已经成熟应用于隧道工程，实现了工程建造数字信息化管控；行业大数据中心已经初具规模，基于大数据挖掘技术的盾构/TBM巡航掘进开始行业应用，为隧道及地下工程智能建造提供了辅助决策。

1.3.9 科技创新系统又添新成员

2020年3月，依托重庆交通大学建设的省部共建山区桥梁及隧道工程国家重点实验室正式获批，其主要围绕“山区桥梁结构行为与控制、山区桥梁智能感知与维护、山区隧道力学行为与运营安全”3个方面开展研究；广东省隧道结构智能监控与维护企业重点实验室于2020年2月获批建设，其着力构建隧道结构智能监控与评价、隧道结构全寿命周期维护2大体系，建立以隧道结构智能监控系统等大型试验平台资源共享为核心的开放型科研创新机构，形成广东省乃至全国隧道工程全寿命周期健康状况数据库，为隧道建设和运营管理提供病害预报、成因评价及智能维护等方面的科学方法。

2 隧道及地下工程的建设技术需求

近年来，随着我国社会与经济的飞速发展，我国隧道工程呈现出建设标准高、速度快、长度长、断面大、地质复杂、工期短等显著特点，并且高海拔、大埋深、高岩温、强富水、挤压性围岩和有害气体等复杂地质隧道逐渐增多，城市区复杂环境隧道和跨越江海的水下隧道也呈快速增长之势。同时，国家“十四五”规划提出“加快建设交通强国，实施川藏铁路、西部陆海新通道、国家水网等重大工程，推进一批强基础、增功能、利长远的重大项目建设”。未来，我国隧道及地下工程将获得更大的发展空间，同时也将面临前所未有的难题和挑战。

2.1 穿江越海隧道建设技术

在《国务院关于依托黄金水道推动长江经济带发展的指导意见》、《长江经济带综合立体交通走廊规划(2014—2020年)》等政策相继发布之后，国家发展改革委于2020年又发布《长江干线过江通道布局规划(2020—2035年)》。规划中指出，目前过江通道仍存在通道总量偏少、部分通道负荷较重、资源利用水平不高等亟待解决的矛盾和问题，到2025年，建成过江通道180座左右，到2035年，建成过江通道240座左右，另长江下游等重点河段应坚持“少桥多隧”“宜隧则隧”的原则。

随着长江经济带规划、粤港澳大湾区等政策的推进落地，跨江越海隧道将会越来越多，同时也将遇到更多、更难的技术问题，如在建和即将开工建设的深圳望海路隧道、汕头湾隧道、江阴海太过江隧道等，均或多或少面临10 km以上超长距离、15 m以上超大直径、超深覆土、超高水压等建设难题。超长跨江越海隧道工程在建设理念、建设目标、标准体系、设计方法、施工工艺、设备材料、运维管理等方面，亟需进行系统的创新与改进，同时为渤海海峡、琼州海峡等跨海通道建设奠定技术基础。

2.2 极端复杂地质TBM施工技术

川藏铁路沿线自然环境恶劣、交通不便、基础资料匮乏，传统人工野外勘察技术可靠性低、效率低、周期长、时效性差，区域地质复杂，地勘资料难以准确，为工程设计和施工带来了极大困难。其中，新建雅安—林芝段正线长度为1 011 km，隧道总长占比83%，沿线地质复杂，主要体现为： 地质构造多(4个一级构造、12个二级构造)、活动断裂发育(3条一级构造边界断裂、3条二级构造边界断裂、7条一般构造断裂)、高地震烈度(全线50%路段设计地震动峰值加速度达到0.2g及以上)、高地应力(最大水平主应力为64 MPa)、高地热(约15条隧道可能存在高温热害)等。川藏铁路长大隧道密集，区域板块活动强烈，高地应力软岩大变形和硬岩强烈岩爆问题突出，预计软岩大变形段长147 km、岩爆段长170 km，高地应力隧道软岩变形控制和硬岩岩爆防治是川藏铁路隧道建设的2大工程难题。

针对川藏铁路隧道极软地层大变形、极硬地层岩爆等问题，应逐步建立完善TBM法隧道场解重构理论、革新极端地质隧道设计理念，开发集超前感知、超前加固、及时支护于一体的广域适应性TBM装备，建立理论-装备-工法协同及大数据智能导航的极端复杂地质TBM施工技术体系。

2.3 新型破岩方法

TBM和盾构刀盘的设计与岩石性质和地质条件具有密切关系。岩石强度是影响TBM盘形滚刀寿命和贯入度的重要参数，而微波照射可显著降低岩石强度，岩石强度的降低可在一定程度上提高盘形滚刀的寿命和贯入度，降低CAI耐磨性指数以及滚刀切入岩石所需要的推力。因此，将硬岩微波致裂技术引入到TBM和盾构中，通过微波预裂坚硬岩石或孤石，使岩石强度降低，从而降低刀具的磨损程度，增加刀具使用寿命，显著提高掘进效率，进而解决TBM开挖硬岩隧道刀具磨损严重和盾构破碎孤石的问题。另外，电弧破岩、激光破岩等新型破岩方式也值得进一步探索与尝试。

2.4 新型多功能混合型TBM

针对软岩大变形地层，开发双支护TBM，既具备护盾式TBM的基本功能，又有能适应大变形洞段、避免主机被卡的措施。针对大埋深高水压地层，突破了多种出渣方式同时共存的结构设计技术，开发了具有闭式TBM-土压平衡-泥水平衡3种掘进模式的多模式TBM(见图19)。

(a) 双支护TBM

(b) 多模式TBM

2.5 低真空管道磁浮隧道建设技术

真空管道运输系统作为一种新型交通系统，具有快速、便捷、安全、环保、高效等优势，目前各国研究机构正在对真空管道系统进行不断设计和改良。关于真空管道运输系统的研究主要集中在列车空气动力学方面，而管道是整个系统的载体，对系统的安全可靠和成本控制有着至关重要的作用，因此，非常有必要针对低真空管道磁悬浮隧道建设开展研究。由于现有的拼装管片接缝较多，如何保证接头处的密封性能成为关键问题。开展低真空环境下现有管片结构的密封材料研究，以及管片结构型式的针对性优化设计研究，并通过试验验证材料及结构型式的可靠性，探索适用于低真空环境的隧道管片结构(见图20)。

图20 低真空原型管片试验方案效果图

2.6 隧道运维及病害智能诊断与快速修复技术

我国公路隧道即将进入到建设与运维并重的阶段，但重建轻养的现象依然很严重。目前公路隧道运营养护与设计、施工存在明显的脱节现象。一方面，前期隧道建设过程中对后期运营环节考虑不足； 另一方面，后期养护管理对隧道规划设计思路、建设过程不了解，造成养护工作存有盲目性、养护效率低、养护资源浪费等。距离科学养护管理仍然差距较大，仍存在“建、管、养”分离、基础数据混乱、评定系统不完善等挑战。

我国公路隧道建设技术和理论水平发展迅速，已逐渐步入“绿色建设期”，采用隧道建养并行模式。利用大数据、云计算、5G、AI等数字化技术手段，将隧道运营期的结构病害整治与建设期的结构施工数据有效融合，实现隧道结构病害原因的可追溯性。基于全寿命周期管理理念，建立隧道建养一体化平台，以信息化、智能化实现建养一体化来引领公路隧道工程现代化发展；进一步加强3D打印混凝土技术、隧道衬砌智能检测技术、隧道健康管理大数据平台等技术的研发与应用，力争到2030年实现“人工+物联网+机器”的半自动化诊断与维护，到2035年实现全智能作业。

3 问题与思考

3.1 隧道场解重构理论

隧道是在地质域中通过开挖形成的、与地层融合为一体的、具有一定净空面积的条形构筑物。建造隧道实质上是对一定范围地质体的解构与重构的活动，并形成隧道场(见图21)。

图21 隧道场示意图

对岩土体不确定性的认知，加上建设过程中的变异性，期望用纯力学方法解决隧道工程问题是不现实的。隧道的形成过程，首先是隧道场的解构，然后是隧道场的重构。解重构理论从隧道场的刚度分布、诱导应力调整、形变能转移，构建解构度和重构度(见图22)。隧道场的解构使得隧道临空面由三维应力状态转变为二维应力状态，其能量大幅度释放。隧道场解重构引起能量变化： 隧道场解构释能如岩石断裂、裂隙扩展、早期变形等释放，这是不可逆的。隧道场重构吸能： 在支护的协同作用下，一部分由支护体吸收消化，一部分由隧道场中的岩土体储存。传统隧道工程理念方法难以解决川藏铁路隧道等极端复杂地质隧道工程的关键性难题，隧道场解重构理论方法可能是一个新的途径[35]。

图22 隧道场解重构原理图

3.2 大数据与智能化技术应用

由于隧道建设环境的复杂多变性，隧道建设技术的智能化程度相对其他行业要滞后许多。但随着“智能化”“智慧化”“智能建造”等概念的普及，相关政策的落地，以及大数据等辅助技术的日趋完善，“十四五”期间，隧道建设部分工序的智能化水平将得到进一步深化，整体智能化建造水平也将会得到明显提高。应坚持以定性思维促进定量化隧道技术的实施，开展以建立地质信息、解构行为、重构效应、场态感知、装备信息互馈为主体的隧道工程大数据研究，充分应用大数据、人工智能、机器学习等技术深度挖掘分析隧道全生命周期数据的优势，推进隧道建造与运维技术的提升。

3.2.1 隧道工程实现智能建造的难点

1)微观层面的实时地质智能感知； 2)隧道场岩土体随隧道开挖后，围岩的物理力学性能感知； 3)隧道开挖过程中，隧道场岩土体不同时段的位移感知； 4)隧道工程的微震监测与判识。

3.2.2 隧道工程智能建造步序设想

1)地质勘察： 区域地质调绘与大地勘测(宏观)—地质钻探及试验(局部细观)—施工中实时地质智能感知(微观)。

2)隧道设计： 量化趋势的定性设计—定性的动态量化设计。由于对隧道场岩土体不确定性的认知及其建造过程中的变异性，采用传统的力学模型进行隧道设计会妨碍隧道工程的智能建造。鉴于隧道工程地质不确定性认知和不同行为导致变异的差异性，在高速度、低延时通讯下，数字信息AI技术为隧道工程智能建造与运维提供了契机。

3)隧道施工： 智能决策开挖方法—智能决策支护参数—智能实施各工序。隧道施工各工序的智能化、自动化、机械化，主要体现为盾构/TBM法的掘进智能化、支护自动化，钻爆法的钻孔及装药自动化、喷射混凝土智能化、锚杆施作智能化、拱架安装机械化、防水板铺设自动化、衬砌施工半智能化等。

4)隧道运维： 智能巡检隧道状态—智能评估与决策—智能维护和病变修复。

实现隧道工程建造与运维全链路智能是“网络+数字”时代的必然选择，但应清醒地认识到仍任重道远。隧道工程多源异构数据的融合治理机制、隧道场解重构的场变机制与控制方法、隧道表层变异对隧道场安全的评价等科学问题，高效实时的地质感知、隧道施工与维护的智能装备等技术问题，都有待进一步研究并取得突破。

4 结语

我国隧道及地下工程在“十三五”期间取得了长足的进步与发展，对于“智能化”“智慧化”“5G”等先进理念与技术在“十四五”期间的进一步落地，既要抓住历史机遇、紧跟时代步伐，同时也要充分结合隧道及地下工程的复杂性、多变性、不可预测性等特点，有目的、有计划地促进先进技术与隧道及地下工程的有机融合，以期为我国隧道及地下工程领域带来更好的发展。