铁路山岭隧道钻爆法关键技术发展及展望

马 伟 斌

(中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所， 北京 100081)

隧道建造方法主要包括钻爆法、浅埋暗挖法、明挖法、掘进机法、盾构法、沉管法及辅助工法等[1]。钻爆法(Drilling and Blasting Method)是一种通过钻孔、装药、爆破、通风、支护、出渣等一系列工序来实现洞室开挖的方法。与其他方法相比，钻爆法具有灵活性大、适应性广、可靠性强、经济性好的特点，是我国铁路隧道建设最常用的方法。随着施工机械设备、爆破技术、支护技术的发展，钻爆法建造效率和施工环境显著提升。

自1909年京(北京)—张(张家口)铁路建成至今，我国投入运营的铁路隧道已达到16 798座，总长约19 630 km[2]，百余年的隧道建设史也是我国钻爆法技术的发展史。隧道建设从依靠人力开凿逐渐发展为以超前地质预报为前提，以围岩质量评价及分级技术为依据，以精细化开挖技术、高性能支护技术、新型防排水技术、高质量衬砌施作技术、预制装配式技术为手段，以智能装备及配套技术为支撑的钻爆法成套技术体系，技术水平总体处于世界领先[3-4]。本文介绍了钻爆法的发展历程和我国钻爆隧道关键技术现状，并分析探讨了未来研究方向。

1 起源及发展

铁路钻爆隧道起源于1826年英国修建的泰勒山单线隧道和维多利亚双线隧道。19世纪以前，隧道支护多为砖石结构，采用将地下结构视为刚性结构的压力线理论，将作用在支护结构上的压力按照上覆岩层自重计算。在19世纪60年代以前，钻爆法隧道多采用人工凿孔和黑火药明火起爆的方式施工。法国仙尼斯峰铁路隧道于1861年首次应用风洞凿岩机代替人工凿孔，提高了开挖效率。1866年硝化甘油炸药的诞生为开凿坚硬岩石提供了条件。1867年美国胡萨克铁路隧道首次采用硝化甘油炸药爆破和电力起爆方式，被视为现代岩石隧道开挖技术的起源[5]。

19世纪后期，混凝土和钢筋混凝土材料陆续出现并运用到隧道建设中，隧道结构更具整体性。同时，隧道结构内力计算将围岩压力作为结构荷载，考虑地层的弹性反力，并按弹性连续拱形框架用超静定结构力学方法进行计算，该方法至今在隧道设计中仍时有采用[6]。

1914年，喷射混凝土技术首先应用于Denver煤矿，后来逐渐在隧道中普及。早期的喷射混凝土主要以砂浆为主，大量添加具有侵蚀性的速凝剂，喷射混凝土长期强度低并使作业环境恶化，其支护作用也并不受重视，更多是作为防止风化的封闭措施。直到20世纪中叶，奥地利学者将喷射混凝土用于一系列开创性工程之后，喷射混凝土的作用才开始受到广泛的重视。与此同时，锚杆在水电站有压输水隧洞中的成功应用，使其在隧道中得到更广泛应用。当前，我国喷射混凝土主要以C25为主，高性能喷混凝土尚未规模化应用，欧洲普遍采用C40混凝土，北欧国家普遍采用C40钢纤维喷混凝土构建单层衬砌结构。

进入20世纪，隧道理论和技术发展驶入了快车道。20世纪30年代，苏联采矿学家普罗托季亚科诺夫基于“隧道顶部的围岩变形是局限于一定范围的”观点，以均质松散体为基础提出了地层压力的计算方法(普氏地层压力理论)，该方法适用于松散岩体，对整体性好、强度高的岩体存在较大局限，但由于其简便性，仍然被广泛应用。奥地利土力学家Terzaghi[6]也基于该观点提出了地层压力计算方法。

20世纪50年代由于电子计算机的应用以及量测手段的改进，岩石力学获得迅速发展，“围岩既是荷载，又是支撑结构的组成部分”的观点开始流行，利用连续介质力学理论计算隧道结构内力的方法也逐渐发展。同时期，奥地利学者根据本国多年隧道施工经验，提出了新奥法(New Austrian Tunneling Method，NATM)的概念[7]，于60年代取得专利权并正式命名。新奥法是利用薄层支护手段来保持围岩强度、控制围岩变形，以发挥围岩的自承能力，并通过监控量测来指导隧道工程设计与施工的隧道工程理念[8-11]。新奥法基本组成要素包括喷射混凝土、锚杆和监控量测。20世纪60年代我国就已经在铁路隧道中使用锚喷支护。大瑶山隧道是我国采用新奥法修建隧道的典型案例，实现了快速施工(最高月成洞521 m)和高质量建设(质量合格率100%，优良率86.2%)。1988年，基于我国20 a时间里按新奥法修建铁路隧道的经验，编写了《铁路隧道新奥法指南》，我国铁路隧道进入新奥法推广应用阶段。新奥法已成为我国铁路隧道建设使用最多的方法，但在应用中仍存在问题。新奥法在围岩自承能力较差时，需要初期支护快速提供支护抗力以保持围岩稳定，但目前在软弱围岩段的临时支护和初期支护方面较为薄弱，材料及支护技术有待提升；在机械化施工方面仍然存在普及程度低、管理调度水平不高的问题；在风险评估及管理机制方面，缺乏有效控制风险、规避风险的手段。

20世纪60年代，得益于计算机和岩土本构关系理论发展，隧道工程数值计算方法迅速发展。Eastman对建筑信息系统(Building Information Modeling，BIM)技术做了开创性研究，提出了建筑描述系统(Building Description System，BDS)的概念性设计[12]。2002年，Autodesk基于BDS等提出了BIM技术，逐渐运用于隧道工程，2019年开通运营的京(北京)—张(张家口)高速铁路(以下简称“高铁”)为我国首条全线采用BIM设计的高铁线路。

20世纪70年代，意大利学者在研究围岩的压力拱理论和新奥法施工理论的基础上提出了新意法[13-14]，又称为岩土控制变形分析法(Analysis of Controlled Deformations in Rock and Sock and Soils，ADECO-RS)。新意法是一种隧道动态设计和施工指导原则，按照掌子面超前核心土的稳定性类型设计围岩变形控制措施，通过监控量测反馈优化设计，提高围岩稳定性从而实现全断面机械化开挖[14-17]。兰(兰州)—渝(重庆)铁路桃树坪隧道是我国首座引入新意法修建的隧道，并取得了较好应用效果。但新意法在我国并未大规模采用，原因在于对一般地质条件，新意法相较新奥法投资较大，需对不同地质条件下安全性、经济成本和工期等进行系统评估，我国未建立不同地质条件下的建造成本评估体系。此外，我国也未完全掌握新意法实施所依赖的量测技术、施工机具等。新意法应用于我国复杂艰险铁路隧道时，需开展系统的专题研究。

20世纪80年代，挪威根据本国隧道工程修建技术总结出挪威法[18](Norwegian Method of Tunneling，NMT)。挪威法围岩分级采用经验性系统Q系统确定。Q系统以钻孔取芯率RQD值为基础，引入5个岩体参数定量计算得到岩石质量等级Q，综合考虑了岩体结构完整性、节理面及填充物性质、主动应力条件[19-22]。支护设计依据按照Q系统中的9种支护类型匹配。支护材料方面，喷混凝土多采用C50以上高品质钢纤维喷射混凝土；永久锚杆一般采用预应力锚杆，如CT锚杆和D锚杆。由于挪威隧道多富水，在隧道施工中一般采用高压注浆控制地下水，并能够有效改善围岩质量。自20世纪90年代以来，我国铁路隧道开始了对挪威法的引进和吸收工作，先后在西(西安)—康(安康)铁路秦岭隧道、西(西安)—南(南京)铁路磨沟岭隧道和万军回隧道等隧道开展了现场试验和应用，但至今未能在我国铁路隧道大规模应用。我国隧道施工机械化水平较挪威有差距，而挪威法不论是超前预注浆作业、开挖作业、装药作业及支护作业对机械化程度要求较高。挪威法施工采用高品质的钢纤维喷射混凝土，混凝土强度多在50～60 MPa以上，最高可达100 MPa，而目前我国铁路隧道常用的喷射混凝土等级普遍较低，多釆用C25或C30，施工材料性能不满足其要求。挪威隧道施工多采用喷钢纤维混凝土，由于钢纤维混凝土存在价格高、施工易堵管等缺点在国内未全面采用。挪威隧道永久锚杆多采用防腐涂层、塑料壳、注浆等多重防腐措施，耐久性能好。此外，挪威隧道大多为公路隧道且不设置二次衬砌或设置离壁式衬砌，而我国铁路隧道尤其是高速铁路隧道综合考虑高速动车组气动效应及运营安全性影响，均设置了复合衬砌结构。

2 基本理论与设计方法

2.1 我国隧道理论和设计方法概述

我国第一座铁路隧道是始建于1888年的基隆至台北的狮球岭隧道[18]，全长261 m，1890年建成。至2020年川(成都)—藏(拉萨)铁路雅安至林芝先期段开工，我国铁路隧道钻爆法经历了130余年的发展。铁路隧道理论研究和设计方法的发展与围岩压力和围岩分级研究紧密相关，其大致分为4个阶段[23]。

(1)第1阶段：1954年以前

由于对隧道工程和地质条件的关系认识不充分，缺乏有效的地质勘测手段，也未开展系统性研究，我国尚未形成适合隧道工程专门的围岩分级方法。修建铁路隧道时，围岩分级基本上是沿用以岩石极限抗压强度及岩石天然重度为基础的、适用于土石方工程的土石分类方法。

在隧道设计时，以经验类比为主，少数情况下采用将拱圈当作支承于实体墙上的无铰拱，按极限平衡原理用图解法核算的方法，没有考虑地层的弹性抗力，因此设计的衬砌截面较厚。隧道衬砌结构型式也不统一，衬砌材料各异。

(2)第2阶段：1954—1975年

1953年，引进前苏联计算理论，即普氏地层压力理论，根据普氏地层坚固性系数(f值)将围岩分为10类，后通过工程实践，开始结合围岩物理状态、风化状态及破碎程度等确定f值。

在围岩压力计算方面，20世纪60年代，根据我国隧道工程实践，提出了浅埋隧道地层压力计算公式和偏压地层压力计算公式。

该阶段的隧道设计学习前苏联的普氏地层压力理论，普遍采用考虑地层弹性抗力的“荷载-结构”计算模式。假定曲墙式衬砌抗力分布的方法从1955年开始用于标准设计，1956年以后在直墙式衬砌计算中长期采用弹性地基梁法，这两种方法都是基于温克尔假定计算衬砌内力。同时，相关院所和高校也对这两种方法进行了改进和扩充，提出了有荷载的弹性地基梁计算公式。此外，不假定抗力分布的弹性链杆法也传入国内，但由于其计算耗费大量时间，因此直到计算机普及以后才广泛采用。

(3)第3阶段：1975—1992年

随着大量铁路隧道工程经验积累和现场量测的实践证明，普氏公式计算的围岩压力不能正确地反映隧道实际情况，在岩层较好等情况计算压力值大于实测值，在松软地层等情况侧压力又偏小。为了确切地了解围岩压力的实际情况，在成(成都)—昆(昆明)铁路建设期间，开展了大量试验和研究，首次提出了以岩体完整性和地下水状况为主要参考因素的我国铁路隧道围岩分级表，为建立我国自己的围岩分级法和围岩压力计算方法奠定了基础。1972年基于对成(成都)—昆(昆明)、贵(贵阳)—昆(昆明)、川(重庆，当时未直辖)—黔(贵阳)等线隧道调研资料，提出了以围岩稳定性为主要考虑因素的铁路隧道围岩分级方法，得出了以6级分类为基础的铁隧道围岩压力计算公式。该方法和计算公式被纳入1975年发布试行的《铁路工程技术规范·第三篇隧道》中[24]，结束了我国铁路隧道袭用普氏地层压力理论及以地层坚固性系数的围岩分级方法的历史。

20世纪70年代，随着计算机的普及，弹性链杆法得到广泛应用。70年代末，新奥法被广泛接受，隧道设计更加重视发挥围岩的自承能力，并开始采用施工中修正设计的动态设计方法；复合式衬砌的研究也逐渐展开，形成了不同围岩条件下，二次衬砌应按安全储备和承载结构进行设计的原则。1986年基于“铁路隧道复合衬砌”项目研究，提出了复合衬砌的黏弹塑性的计算理论。

(4)第4阶段：1992年至今

围岩分级开始由经验判断向定量判断、从设计阶段预判向施工阶段判定的方向发展。1992年发布的《铁路隧道喷锚构筑法技术规则》[25]明确了铁路隧道围岩分级的定量判定方法。此后经多次修订，引入围岩基本质量指标BQ和施工阶段围岩亚分级，形成了目前的铁路隧道围岩分级方法。

20世纪80年代中期，隧道设计开始研究可靠度方法，直到90年代中期，引入了以可靠性理论为基础的概率极限状态设计方法。隧道衬砌设计通过工程类比和结构计算进行确定，必要时通过试验论证。复合式衬砌设计时，将复合式衬砌均按“围岩-结构”模式进行计算或将初期支护按“围岩-结构”模式、二次衬砌按“荷载-结构”模式进行计算。

2.2 围岩变形主动控制设计理念

围岩变形主动控制设计是将围岩变形作为隧道安全性控制的核心，基于围岩协调变形确定控制标准并分阶段控制围岩变形的方法，是基于我国隧道工程经验形成的隧道设计理念。

围岩变形控制设计方法利用超前支护调动围岩承载。超前支护目标为急剧变形量累计值最小，使围岩有足够自稳时间。超前支护通过拱效应、梁效应和强化围岩效应来控制掌子面挤出变形及前方的超前变形，防止掌子面拱部塌方掉块。设计时主要采用类比设计和解析设计方法进行，并根据支护的目的和必要性选定超前支护的结构形式和设定超前支护的规格(长度、厚度、强度、刚性、材料等)，针对超前支护的掌子面稳定性、结构的承载力及下沉量开展研究，可尽量采用三维的解析设计方法。我国铁路隧道设计时，超前支护在固结性差的地层中应用较多；挪威等国家利用注浆进行超前支护以提高围岩强度和围岩自稳能力，并作为一种防水手段；新意法中，将超前支护作为实现隧道全断面开挖的保障手段。

将初期支护作为支护主体。初期支护的主要形式为锚喷支护，在不同围岩条件和不同建造理念的隧道中具有不同的支护作用定位。初期支护设计主要采用类比设计、标准设计和解析设计方法进行。设计内容包括喷射混凝土的设计、锚杆设计和钢拱架设计等。喷射混凝土的设计项目包括混凝土的强度、厚度和耐久性的设计。锚杆的设计项目包括锚杆类型、锚杆布设方式(长度、数量、间隔等)以及锚固材料选择等。之后依据围岩条件确定钢拱架的形状、断面型式、材质、间距等。初期支护设计应以尽可能调动围岩的自承能力为目的，在围岩不具备自稳能力时，应具有足够的支护强度。

二次衬砌作为安全储备。二次衬砌包括拱墙衬砌和仰拱，设计时主要采用类比设计、标准设计和解析设计方法进行。二次衬砌应根据初期支护的应力状态判断其功能类型，原则上二次衬砌应在围岩和初期支护稳定后施作，但在软弱围岩、不稳定的偏压地形的围岩条件以及要考虑附加荷载的场合，二次衬砌设计时需要考虑土压的作用。二次衬砌设计内容主要包括形状、厚度、耐久性、变形缝等设计。二次衬砌的形状和厚度设计应尽量减小其弯矩并使其能够传递轴力；仰拱的设计要兼顾施工和排水。

初期支护和二次衬砌目标是以最小支护代价达到最优的围岩稳定性控制效果。该方法的关键是对围岩变形量的预测，因此获取可靠的围岩参数和监控量测是评价围岩变形阶段的关键。目前该方法处于不断完善和优化阶段。

国内学者基于围岩变形主动控制提出了隧道支护结构体系的刚度设计理论[26]，基于牛顿第二定律推导的隧道掌子面前方围岩变形表达式为

(1)

(2)

公式(1)揭示了围岩变形与围岩条件、支护刚度、支护时机以及刚度空间分布等的关系，可对围岩变形过程进行预测和安全性评估，并形成了以围岩变形控制为目标的支护刚度设计准则，建立了结构强度校核方法，据此对支护刚度和变形控制目标进行调整，并建立了支护刚度设计方法，较传统强度设计具有突破性。

近年来，隧道建设的管理、科研、设计、施工等领域已经对围岩变形主动控制达成基本共识。围岩变形主动控制的设计理论，即以围岩稳定性为前提，以变形主动控制为目标，充分发挥锚杆、初支混凝土径向约束作用，实现围岩变形动态主动干预及围岩与结构协同作用，一方面充分发挥围岩自承作用，另一方面，充分发挥锚喷结构主动支护作用，达到安全耐久、内实外美的稳定支护体系。

现代隧道修建重视围岩的自承载作用，多采用锚杆、锚索以及注浆方式主动控制围岩变形，由于围岩变形主动控制的应用条件和适用范围尚未形成量化标准，其在实际使用中往往缺乏科学性指导，导致在建造经济性、合理性方面无法形成统一认识。在“支护—围岩”的协同作用研究方面，通常采用协同学、最优化理论结合隧道力学进行研究分析，但目前仍停留在科学现象阶段，缺乏系统深入的实践认识。隧道主动支护体系整体架构尚未完善，有待深入研究，以指导主动支护体系系统性应用。

2.3 理论分析方法

2.3.1 隧道设计方法

理论分析方法主要包括：特征曲线法、荷载-结构法、围岩-结构法。

特征曲线法即收敛-约束法，首先依据变形模量、弹性模量、内摩擦角、黏结力等计算出围岩特征曲线，利用监控量测修正围岩特征曲线；并将围岩、支护结构特征曲线的交点作为支护依据；最后对支护设计进行安全性验算。特征曲线法采用解析解，适用于静水应力场的圆形隧道，在地质复杂隧道支护结构设计时存在局限性，目前主要通过数值计算方法克服求解问题。

荷载-结构法是一种解析设计方法，以支护结构作为承载主体，将支护结构与围岩分开考虑，将围岩作为荷载，并考虑围岩对隧道支护结构的变形约束。荷载-结构法通过将围岩和支护结构简化，利用数值计算方法求解，计算结果整体偏于保守，因此安全系数较高。荷载的处理是荷载-结构法的关键，目前主要通过经验公式或围岩分级确定。荷载-结构法适用于围岩发生松弛和坍塌，并由支护结构承担荷载的情况。由于荷载及围岩参数多采用统计值和经验值，也未考虑围岩的非线性特征等，因此计算结果与实际情况存在一定差异。

围岩-结构法与荷载结构法相反，是以围岩作为承载主体，支护结构限制围岩向隧道内变形，将支护结构与围岩视作为共同承受荷载的隧道结构体系的一种解析设计方法。通过支护结构与围岩的共同作用确定压力，利用连续介质原理及变形协调条件计算结构与围岩的应力、应变。确定围岩的初始应力场、材料参数及其变化情况等是围岩-结构法的关键，主要通过地勘和现场测试获取地层参数，计算时也依赖设计人员的经验判断。围岩-结构法适用于复杂地质条件下的围岩稳定性及支护结构内力分析。

2.3.2 经验设计方法

经验设计方法包括类比设计和标准设计。类比设计，是对具有类似围岩条件、断面型式、使用功能的既有隧道工程案例的综合分析，开展新建隧道设计的方法。主要用于隧道支护参数的确定，包括类比工程的资料收集、与类比工程的对比分析、支护结构参数的拟定、支护结构参数的调整等。采用类比设计时，需尽量满足几何相似性、物理相似性、荷载相似性、使用功能及施工方法的相似性。类比设计适用于地质条件复杂、结构受力不明确的隧道，但工程的安全性状况还需要采用解析设计法进行验证。

标准设计是根据隧道的埋深大小、围岩级别、运输方式、速度目标值、股道数量、轨道形式、防排水方式等内容，依照标准图、通用图开展工程设计的方法。应用的前提是隧道断面型式标准化、衬砌支护方式标准化、施工方法标准化，适用于围岩条件(地形地质埋深)和断面型式、周边环境的影响等条件均属一般的情况。我国铁路隧道标准设计主要内容包括建筑限界、衬砌内轮廓、设计荷载、结构计算方法、支护结构设计参数、衬砌断面图、建筑及防水材料、施工方法、监控量测设计等。

2.3.3 信息反馈法

信息反馈法以施工前的地质信息为主进行预设计和施工，并通过监控量测信息修改预设计，施工与监测同步，最终形成长期稳定的洞室结构体系，其设计流程见图1。信息反馈法依赖监控量测信息的真实性和准确性，量测数据分析依赖人工经验，且缺少完善的反馈理论、反馈计算方法。将量测数据与数值计算结果结合使用，能够相对准确的反应围岩及支护结构的受力状态。随着信息化手段的丰富以及在线协同管理平台的发展，能够实现反馈信息的自动采集和分析，使结果比对更为便捷，有效提升了信息反馈设计的效率。现场采用信息反馈法设计时，应尽可能采用自动测量、采集的设备和在线协同管理平台，提高数据真实性、反馈及时性和闭环效率。

图1 信息反馈法流程图

2.4 现状及问题

目前我国铁路隧道建造以新奥法为主，经验设计法是我国隧道设计中最常用的方法，常结合理论分析方法及动态设计方法使用。其本质是对于围岩力学响应和支护结构作用的认识不够，对于支护与围岩相互作用缺乏深入研究，导致设计方案缺乏科学性和可靠性。因此，应重视基础理论研究，将理论知识应用到工程实践，方能在支护设计上有所突破。

此外，现阶段由于隧道设计理论与工程实践仍存在差距，依据经验设计仍是有必要的，其应用的关键在于如何科学、系统地采用经验进行设计，统计学、模糊数学的引入使经验设计更具科学性。近年，大数据和人工智能的发展使经验设计法更具发展前景，但仍需解决地层及结构真实数据获取、标准化数据分析及判释等问题。

随着隧道建设增多，复杂地质条件下的隧道建设更为普遍，尤其是复杂艰险山区铁路面临的高地应力岩爆、软岩大变形、活动断裂带、高地温等不良地质条件，复杂高能地质环境下的隧道建造设计及施工难度必将更大。

3 钻爆法施工关键技术

3.1 钻爆法施工概述

钻爆法在我国铁路隧道建造中有悠久的历史，因其具有灵活多变、适应性强等优势，是我国铁路隧道建造最广泛采用的方法。自从衡(衡阳)—广(广州)铁路复线大瑶山隧道引进了四臂液压凿岩台车起，我国铁路隧道钻爆法施工开启了机械化施工的序章。自此，在国内隧道修建中基本得以坚持使用的机械设备有装载机、挖掘机、干喷机、自卸汽车、混凝土输送泵、钢模板衬砌台车等装备。随着隧道建造标准的提高，快速施工的要求，以及装备技术水平的进步，我国从“整机进口，配件全力国产化”发展到拥有自主知识产权的成套钻爆法施工装备。近50年以来，伴随着青(西宁)—藏(拉萨)铁路、京(北京)—沪(上海)高铁、兰(兰州)—渝(重庆)铁路、成(成都)—兰(兰州)铁路、郑(郑州)—万(万州)高铁、京(北京)—张(张家口)高铁等众多铁路建设，我国使用钻爆法建成了一批穿越软岩、松散破碎围岩、中硬岩、硬岩等各类围岩条件的隧道，我国铁路隧道建设理论与技术取得了长足发展。在充分总结施工材料、施工机具、施工组织和施工工艺各方面经验教训的基础上，形成了长大隧道钻爆法大型机械化快速施工技术。目前，国内铁路隧道施工作业工序主要有超前地质预报、隧道开挖、洞渣装运、初期支护作业、检铺底作业、防排水作业、衬砌浇筑养护及施工监控量测等。工程实践显示，在超前地质预报、围岩智能分级、精细化爆破、围岩变形主动控制、高性能支护技术、机械化协同配套技术等方面，许多关键技术难题尚未取得突破。超前地质预报快速、精准、定量化预报水平不高，围岩质量评价和分级依赖人工经验判断；爆破对隧道施工环境影响大，开挖工法选择尚未形成标准范式；支护时机难以精准把控，支护措施的选择体系有待完善；防排水效果不佳，有效作用期限短，渗漏水问题仍是隧道主要问题之一；监控量测及时性不够，数据真实性、准确性有待提升；特殊结构施工配套装备及工法体系有待进一步完善；机械化施工装备协同管理存在困难。因此，了解既有铁路修建施工情况，明确新设备、新工艺在铁路隧道钻爆法施工中的应用现状，对铁路隧道钻爆法建造技术发展是必要的。

3.2 超前地质预报与围岩质量判释

3.2.1 超前地质预报方法

超前地质预报方法包括地质调查法、钻探法和物探法等[27-29]，目前运用于钻爆法的主要预报方法图见图2。

图2 超前地质预报主要方法

(1)地质调查法

地质调查法主要以观察研究为基础了解隧道周围地质体情况。地表补充调查一般在洞内隧道预报前进行；掌子面素描和洞身素描都属于洞内地质调查，掌子面素描应用更为广泛。

掌子面素描能够直接描述隧道开挖揭示的地质情况，在铁路隧道工程中一般为必选项，随着其他学科的技术进步，基于图像处理和识别技术的掌子面智能素描系统被开发并逐渐在隧道中应用。基于清晰度、分类和相似度通过神经网络算法对掌子面图像质量进行评价[30]。利用点云数据重构掌子面三维地质，可实现结构面信息自动提取[31]。基于数码摄像重构二维掌子面裂隙模型，利用掌子面岩体结构RBI指标玫瑰花表征方法，建立掌子面岩体结构6种类型量化指标，可初步实现隧道轴向岩体完整性预测[32]。

(2)钻探法

钻探法在复杂地质条件应用较多，是最直接的预报方法。超前水平钻探利用钻探设备揭露掌子面前方地质体信息，能够获得较完整的地质资料。加深炮孔是在钻取炮孔时通过加大单个或多个炮孔深度获取前方短距离的地质体信息。

随着钻探设备的发展，随钻预报技术在隧道中的应用也越来越多。目前国产台车已经实现了随钻测量钻孔压力、钻孔速度、钻杆旋转速度等参数实时获取，通过随钻测量(Measurement While Drilling，MWD)软件分析掌子面前方岩石软硬程度，判断前方有无水体、溶洞、断层、裂隙等。超长(>1 000 m)钻探预报也已经开始应用于隧道中，FSC-100超长钻孔控制钻机最大钻孔长度可达1 200 m。

在利用随钻技术获取更多地质体信息研究方面，现场钻孔过程监测(Drilling Process Monitoring，DPM)技术为利用钻进速度区分岩体提供了途径[33-34]。基于钻机钻进的压力、流量、温度、振动、应力、转速及位移等工作参数，能够对地层地质界面进行有效识别[35]。通过钻压、扭矩与每转进给量之间的关系曲线推导的岩石的抗压强度、弹性模量、内摩擦角及黏聚力的计算公式，证明了通过旋进式触探试验获取岩石基本力学参数的可行性[36]。

(3)物探法

物探法主要利用弹性波、磁场、电场等探测掌子面前方地质条件。负视速度法采用直线观测方式，通过反射界面两侧的岩性具有明显的波阻抗差异进行探测[37]。地震波反射法(Tunnel Seismic Predicition，TSP)采用一维布置的直线观测方式，对界面预报较准确，但在定位精度和岩体类别划分方面有所不足[38]。真正反射层析成像法(True Reflection Tomography，TRT)采用空间观测方式，通过地震偏移成像技术进行数据处理，可提高地质体的定位精度[39]。地震断层扫描成像法(Tunnel Seismic Tomography，TST)采用空间观测方式，对地质构造复杂地区的隧道超前地质预报具有较好的应用效果[40-41]。陆地声纳法波即陆上极小偏移距高频(宽频)弹性波反射连续剖面法，在掌子面上设水平和铅垂两条测线，采用锤击震源，该方法能量更为集中，对中小规模的溶洞和与轴线小角度相交的异常体有较好的探测效果[42-44]。水平声波剖面法(Horizontal Sonic Profiling，HSP)法激发点和接收点布置在隧道两侧，能确定主要反射界面，对于复杂地质条件的多反射界面处理较困难[45]。电磁波反射法利用电磁波双程走时差别，探测地质体形态和属性，对赋水构造探测效果好[46]。电法预报利用地质体电性差异进行探测，对水文地质构造具有较好的预报效果[47-48]。红外探测法利用含水体与围岩温差引起的温度场变化进行探测，主要用于对掌子面前方水体的预报[49]。

目前物探类预报方法在距离、准确率、解译方法等方面较之前已经有了很大改善。基于有限差分法进行正演模拟，根据隧道典型不良地质体的地震波传播规律与响应特征，采用三向偏移距的空间观测方式，通过锤击或机械激震，可获取较准确三维波速、提高定位精度[50]。采用剩余曲率分析及层剥离策略进行偏移速度建模，可提高数据处理的效率[51]。在水体探测方面，隧道中的携带距离加权函数的反演成像理论通过引入深度加权函数抵消核函数随深度增加而快速衰减的影响，实现了隧道掌子面前方较远距离异常体的定位。

携带加权函数的三维电阻率反演目标函数为

(3)

式中:φd为实际观测数据与理论正演观测数据的方差;λ为拉格朗日常数;φm为相邻的网格电阻率的差异程度;Wd为数据加权函数的对角矩阵;Δd为实际观测数据与正演理论观测数据的差向量;Δm为模型参数的增量向量;C为光滑度矩阵;A为偏导数矩阵。其中，

(4)

携带加权函数的三维电阻率反演方程为

(5)

通过携带加权函数的三维电阻率反演方法，可实现掌子面前方30 m范围内含水体的三维成像和定位[52-53]。

(4)综合预报法

综合预报法即综合运用多种预报方法以提升预报的准确率，我国早在20世纪80年代就开展了简单的综合预报应用，目前的隧道建设均采用综合预报的手段，并提出了“以地质分析为核心，综合物探与地质分析相结合，洞内外结合，长短预测结合以及物性参数互补”的综合预报原则[54]。利用掌子面素描确定地质雷达预报时机和方案，在隧道断层和涌水段预报中具有较好的效果[55]。隧道施工期地质灾害超前地质预报专家系统，能够根据不同岩性、构造、水文条件自动生成预报方法建议[56]。地质雷达结合地震波反射法和地质调查法进行综合预报，对断层破碎带、富水带的预报结果可靠[57]。基于陆地声纳法、瞬变电磁法和复合式激发极化法的综合预报方法，对断层、破碎带、溶洞、暗河和地下水的预报效果良好[44]。综合预报中过程彼此独立而无法有效避免多解性，通过地质调查和钻探约束探测区域电阻率变化范围，通过地震反射、探地雷达或钻探结果约束空间结构，结合综合解释减少数据处理和解释结果的多解，可提高预报精度[58]。

3.2.2 围岩质量评价和分级

由于所涉及的因素具有多样性、可变性和不确定性等特点，使围岩质量评价和分级成为一个极为复杂的系统性问题[59]。国外学者提出了Terzaghi分级、岩石质量指标分级(Rock Quality Designation，RQD)、地质力学分级(Rock Mass Rating，RMR)、岩体指数分级(Rock Mass Index，RMI)、地质强度指标分级(Geological Strength Index，GSI)等。国内学者提出了岩体质量系数Z分级、隧道工程岩体质量分级(Rock Mass Quality，RMQ)、工程岩体基本质量指标(Basic Quality，BQ)分级、铁路隧道分级等。

根据TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》[60]，铁路隧道围岩分级首先由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个因素确定围岩基本分级。其中岩石坚硬程度和岩体完整程度采用定性划分和定量指标两种方法综合确定。岩石坚硬程度按照单轴饱和抗压强度Rc以及锤击及浸水后反应进行确定；岩体完整程度按照结构面发育程度、主要结构面结合程度、主要结构面类型、岩体完整性指数Kv以及岩体体积节理数Jv确定。并结合围岩基本质量指标BQ值，将围岩分为Ⅰ至Ⅵ级，Ⅰ级最好，Ⅵ级最差。在此基础之上，结合隧道工程的特点，考虑地下水出水状态、初始地应力状态、主要结构面产状状态等因素进行修正，修正过程中采用定性修正与定量修正相结合的方法综合分析确定围岩级别。

随着钻孔摄像技术、高光谱成像技术、三维数码摄像、激光扫描技术、随钻测量技术、人工智能技术等的开发和应用以及与数学方法的深度结合，为围岩分级定量化、自动化研究提供了强有力的技术保障。

基于层次分析法和熵值法利用主、客观权重形成组合权的形式对围岩稳定性影响指标赋予权重，能够减少人为主观影响，避免单一客观权重的差异[59]。基于粗糙集和理想点法的隧道围岩分类模型，将直接赋予权重转变为通过实际工程样本求解分配影响因素权重，可降低围岩分级对工程经验的需求[61]。基于小样本分类器-支持向量分类算法的隧道施工期围岩快速分级系统，可提高机器分级准确率[62-63]。基于人工智能技术开发的面向对象的围岩分级专家系统，采用岩石坚硬程度、岩体完整程度和修正因素3类指标，按照定性和定量划分，可为实际工程围岩分级提供参考意见[64]。

以手机作为数据采集、传输和反馈枢纽，以云计算平台为数据处理中心，融合岩体力学与三维几何地质信息自动识别算法[65]，可自动计算围岩分级指标并智能匹配支护设计图，其流程见图3。可按照BQ分级、RMR分级、GSI分级输出评价结果，现场应用验证了其可靠性。

图3 围岩自动评价流程

某高铁隧道利用围岩智能分级及预测系统对围岩进行自动分级。具备项目基本信息查询、项目进度控制、实时动态分级、围岩级别变更、围岩级别预测、围岩级别验证及历史数据查询等功能。围岩分级及预测是利用随钻测量参数(推进速度、推进压力、冲击压力、回转压力、水压力和水流量)、自动掌子面素描以及勘察设计资料、超前地质预报资料构建围岩地质信息数据库，并基于随钻参数和掌子面信息与围岩级别的对应关系对围岩进行智能分级，见图4，进而通过对比不同掌子面的围岩分级情况，预测前方围岩级别，见图5。

图4 围岩智能分级

图5 围岩级别预测

3.3 开挖施工技术

3.3.1 钻爆开挖技术

钻爆开挖技术是工法实施的载体，其直接作用于岩体，良好的爆破能很大程度减小隧道开挖对岩体及周围环境的影响，同时控制超欠挖，提高开挖质量。

钻爆开挖产生的振动对围岩体及周边建筑结构会产生影响，严重情况下，会导致围岩失稳、建筑结构破坏，对钻爆开挖的影响评估是钻爆作业实施的必备环节。钻爆开挖振动场具有拱顶最强、掌子面后方次之、掌子面前方最弱的规律[66]。减振爆破能够降低爆破振动对围岩和临近建(构)筑物的影响，爆破引起的振动主要受到炸药种类、用量、炸药单耗、装药结构、爆破方式与方法、起爆方式、爆源位置、围岩介质体物理力学性质、局部场地条件与地质构造、地形与地质条件、建(构)筑物类型与类别、爆心距等因素的影响。使用电子雷管较非电毫秒导爆管雷管，减振效果可达60%以上[67]。大跨小间距隧道开挖时，通过钻爆振动监测，并采用中夹岩侧上台阶“前后错落三部”同步爆破施工的CD法，可有效减小临近爆破振动影响[68-71]。采用非对称起爆技术，使掏槽炮孔与掌子保持一定角度，炮眼按浅密原则布置，控制单眼装药量，使炸药均匀分布在被爆破体中，通过分部开挖和分段起爆，能够降低隧道爆破的振动强度[72]。

精细化开挖技术在钻爆隧道中主要指“精细爆破”，文献[73-74]基于大量工程实践和理论研究，结合爆破技术现状，总结并于2008年首次提出其概念。精细爆破是指通过定量化的爆破设计、精心的爆破施工和精细化的管理，进行炸药爆炸能量释放与介质破碎、拋掷等过程的精密控制，既达到预期的爆破效果，又实现爆破有害效应的有效控制，最终实现安全可靠、技术先进、绿色环保及经济合理的爆破作业。平寨隧道引入“精细爆破”理念，通过改进台架，实现上下台阶同步凿岩爆破，并通过炮孔密度设计、药量控制以及优化起爆顺序，实现了在不良围岩段的精细化开挖[75]。在乌干达卡鲁玛水电站尾水隧洞爆破中，通过爆破精细化管理，实现光面爆破半孔率达90%以上，有效提高了爆破开挖质量[76]。为了实现隧道开挖的精细化控制，采用“钻爆+铣挖”组合也逐渐被运用于隧道开挖，该组合方法在不良围岩段采用铣挖作业，在围岩条件较好区段通过爆破形成欠挖临空面，再采用铣挖作业，具有适用工况多、开挖轮廓圆顺、超欠挖控制质量高的特点[77]；在高地应力隧道，还可采用“钻爆+铣挖”组合在中导洞提前释放应力。此外，采用水压爆破技术提高爆破能量利用效率，降低对隧道施工环境的影响也逐渐成为一种趋势。

3.3.2 开挖工法

钻爆法开挖工法主要包括全断面法、台阶法以及分部开挖法等。

全断面法是通过开挖作业一次完成断面开挖的施工方法，在条件允许的前提下是首选工法。一般适用于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩，Ⅳ、Ⅴ级围岩在采取超前支护并稳定后，也可采用全断面法开挖，新意法就是基于该原则进行全断面开挖。全断面法由于作业面大，可以采用大型机械化设备配套作业，优化配置多工序同时作业，提高施工效率。同时可利用深孔爆破降低开挖循环时间，增加循环进尺，提高开挖质量和经济性。京(北京)—张(张家口)高铁八达岭隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩采用全断面开挖，爆破设计见图6。利用三臂凿岩台车一次钻眼，设计使用1、3、5、7、9～16共12个段别，一次爆破，月进度可达到200～300 m/月。

图6 八达岭隧道爆破设计(单位：cm)

台阶法有两台阶法、三台阶法以及三台阶预留核心土法等，采用分台阶开挖，先开挖上台阶，待开挖至一定长度后再开挖下部台阶。一般适用于Ⅲ级围岩，Ⅵ、Ⅴ级围岩在采取超前支护并稳定后，也可采用台阶法。施工时应根据围岩条件合理确定台阶长度和台阶数量，施工过程中应采取必要措施，减少对围岩及支护的扰动。京(北京)—张(张家口)高铁八达岭隧道部分区段围岩变化频繁，风化差异明显，为了应对因围岩频繁变化而引起的工序不断调整，采用微台阶法进行开挖。采用1台三臂凿岩台车上下台阶同时钻眼，同时爆破、同时出碴，缩短工序间的衔接时间。台阶长度为3～5 m。利用爆破作用力将上台阶石碴翻至下台阶，剩余少量石碴采用挖掘机翻至下台阶。上台阶初支作业采用拱架安装机和混凝土喷射机械手在下台阶进行施工。采用锁脚锚杆及系统锚杆对上台阶进行支护，下台阶开挖后，应杜绝全部钢架悬空现象，防止上台阶发生掉拱。在施工中必须严格控制下台阶的开挖进尺。保证上台阶长度3～5 m。Ⅵ级围岩微台阶法月进度达到80～120 m/月。

分部开挖法有中隔壁法、双侧壁导坑法等，是对整个断面自上而下分多步开挖的方法。中隔壁法一般适用于自稳能力较差的地层的隧道施工，一般为Ⅵ、Ⅴ级围岩、浅埋或软弱围岩大断面隧道。当大断面隧道围岩自稳能力极差时，还可采用交叉中隔壁法。双侧壁导坑法一般用于Ⅴ、Ⅵ级围岩的大断面隧道或下穿建筑物的隧道施工。分部开挖法施工时应及时进行初期支护，尽早封闭成环。京(北京)—张(张家口)高铁八达岭地下车站大跨段开挖时采用了“品”字形开挖工法，见图7。实际上是也是一种分部开挖法，采用“顶洞超前、分层开挖、预留核心、重点锁定”的理念。施工时，首先开挖顶洞(1)部，超前探明地质并采取必要的加固措施；然后按照“预留核心、自上而下、先两边后中间”的方式进行(2)—(7)部分层、分步开挖；最后逐步开挖(8)—(11)部核心土及仰拱，施工中每开挖一部，即进行支护。在围岩稳定性控制和结构安全方面取得了良好的效果。

图7 “品”字形开挖工法

3.4 支护施工技术

隧道支护包括超前支护、初期支护和二次衬砌。我国铁路隧道支护包括超前管棚、锚杆、喷射混凝土、钢架等支护构件，可根据地质条件、支护目的等因素合理选用单一构件或组合使用，形成灵活多变、协同作用的联合支护。

隧道支护设计包括主动和被动支护，其施工现状主要是被动支护[78]。根据我国隧道工程经验提出的“主动控制变形”的理念，认为被动支护是指由初期支护、二次衬砌等方式通过外部支护作用防止围岩变形的支护类型；主动支护是指通过锚杆、锚索以及注浆等方式，充分发挥围岩自身承载能力的支护方式[79]。因此支护结构的作用包括协助围岩承载，提供支护力；改善围岩力学性能和完整性，调动围岩自承载能力[80]。通过被动支护和主动支护协同工作，达到结构长期稳定的目的。

3.4.1 超前支护

超前支护是在隧道掌子面或沿掌子面轮廓超前施作的管棚、导管、钢板、锚杆或注浆、冻结、预切槽、预衬砌等一系列施工技术的总称。我国隧道施工通常将超前支护视为软弱松散围岩中加固掌子面前方围岩、降低地表沉降、增强隧道稳定性的辅助施工措施，其主要目的是防止隧道坍塌，保证安全施工。超前核心土为控制隧道变形、确保隧道稳定性的工具，通过合理的超前支护可以在软弱围岩等不良地质中可实现全断面开挖。

根据超前支护作用机理的不同，超前支护包括地层改良类和预支护类。前者通过注浆、冻结等方法，主动提高超前核心土及附近围岩的物理力学参数，保护和加强围岩，使之具备良好的刚度和强度，从而控制围岩变形；后者通过在超前核心土周围施作超前管棚等结构性措施，提前对其支护。

注浆以加固围岩、止水为目的，不同地层注浆效果差异较大，如向砂质土注浆效果远好于黏性土。因此，要采用与围岩性质相适应的地层改良方式。冻结法适用于涌水、岩质松散地层，为临时加固方式，在山岭隧道中采用较少，但临时加固效果和止水效果好，可靠性高，缺点是作业周期长。

管棚法是通过在隧道开挖前沿隧道外周布设充填砂浆的钢管，使软弱围岩形成微拱达到支护的目的。一般采用的直径70～180 mm的钢管，施工长度约30 m，施工范围在拱部120°左右，打设间隔约30 cm。多用于隧道近接施工，由于需要设置反力壁等较大临时设备，其施工效率较低。管棚的配置间隔应考虑以下情况决定：地层物性参数、地下水发育程度、荷载、水平钻孔的施工精度、隧道开挖方法。

超前小导管一般用直径50 mm，长度小于5 m的无缝钢管。沿隧道拱部环向布置插入松软地层，倾角一般为5°～10°，尾部采用钢筋焊接加固。小导管，间距大约30～40 cm，搭接长度一般大于1.0 m。小导管前端设置为尖锥状，管壁每隔10～20 cm梅花形钻眼。采用跳孔施工或串浆孔同时注浆的方式，一般以0.5～1.0 MPa压力注入水泥浆或化学浆液。

3.4.2 初期支护

“锚杆+喷混凝土”、“锚杆+钢拱架+喷混凝土”是初期支护常用方式。目前采用“预制装配式拱架网片一体化结构”的支护理念也开始流行，具体方法是安装装配式钢拱架，拱架之间用螺纹钢连接，钢拱架间施作短锚杆并架立环向钢筋网，然后喷射混凝土，形成新型被动支护。除支护理念，初期支护的材料也对支护效果有决定性作用。

(1)锚杆(索)支护

我国隧道锚杆支护采用最多的是普通砂浆锚杆。由于锚固力增长缓慢、拱部安装困难、垫板及螺母施工不到位等，导致锚杆支护作用降低，对围岩初期变形控制效果不佳。近些年来我国已研制有多种类型的高性能锚杆，且已在工程中得以应用，取得了较好的工程实施效果。

低预应力中空锚杆针对普通砂浆锚杆支护力滞后、加固效果不易控制的问题，通过施加预应力对围岩进行快速、主动支护，并通过杆体中空孔腔由内向外压注锚固介质，在保证加固效果的同时，促使围岩形成承载拱，从而有效控制围岩松弛圈的发展，提升围岩自支护能力。自进锚杆针对松软破碎地层中锚杆成孔困难、钻孔拔出即塌孔的问题，将锚杆的杆体作为钻进的钻杆和注浆管，钻进过程中，根据地层破碎情况用水泥浆液加固地层，是对普通中空注浆锚杆在破碎地层和土层区域的进一步拓展。让压锚杆、恒阻大变形锚杆(索)针对大变形隧道及深部地下工程围岩变形控制问题，通过锚杆的摩擦滑移或在杆体中部与端头增加屈服元件，或采用延伸率高(15%～20%)的钢材，来实现在高地应力作用下主动卸压，从而更好地保持围岩的稳定。玄武岩、玻璃等纤维锚杆也逐渐成熟，主要应用于掌子面或扩挖导洞等需要将锚杆切断的场景。快凝早强水泥基注浆材料、快凝早强水泥卷锚固剂、树脂卷锚固剂等新型锚固材料应用注浆增多，为加快锚固施工，实现锚固体系优质高效、经济环保提供了保障。

(2)喷射混凝土支护

自20世纪60年代我国开始使用喷射混凝土，迄今已有60余年，我国喷射混凝土材料及施工技术已经进入了高性能时代，可有效解决传统喷射混凝土仅考虑强度指标，且早期强度低、后期强度损失大，回弹率高，密实性差，耐久性低等问题。

①早高强喷射混凝土

硬化特性是喷射混凝支护作用主要影响因素之一，通过早期形成高强度喷射混凝土层对围岩变形进行控制，并封闭围岩防止风化。早高强喷射混凝土的制备措施通常包括：采用低水胶比，提高基准强度；使用早强型无碱速凝剂、早强剂等掺合料和外加剂，如中国铁道科学研究院集团有限公司研制的早强型无碱速凝剂具有早期强度高、氯离子含量低、均质性好等特点，对常规水泥具有普遍适应性，低温稳定性良好。基于该速凝剂及早强剂等，研发了早高强喷射混凝土，依托高家坪隧道开展了现场试验，在龄期强度、回弹率、混凝土用量、施工工效等方面效果良好，见表1。

表1 早高强喷射混凝土试验结果

②纤维喷射混凝土

纤维喷混凝土技术极大的拓展了喷混凝土的应用范围，不仅用于特殊结构补强，在具备高耐久性和韧性后，还可替代模筑混凝土，能够充分利用围岩的自承载能力，将喷钢纤维混凝土单层衬砌作为隧道的永久衬砌，这在世界各国有着广泛的工程应用。在澳大利亚，以高性能结构合成纤维为筋材的纤维喷射混凝土应用迅速增长，并在悉尼M5东隧道作为永久支护。意大利约30%的喷混凝土含有纤维补强材料。日本约24%的年产混凝土为纤维喷射混凝土。挪威法锚喷支护采用钢纤维混凝土取代钢筋网，多数情况下采用锚喷支护作为永久支护。相比于钢筋网，采用湿喷纤维喷射混凝土能有效避免钢筋网导致的不密实、应力集中、安装费时等问题。

我国对钢纤维喷射混凝土研究和应用主要集中在矿山巷道、水工隧洞和少量的交通隧道。近年来，随着纤维类型、高效外加剂、先进施工装备和施工工艺发展，钢纤维喷射混凝土的应用逐步扩大。

(3)喷射混凝土施工机具及施工技术

紧随混凝土材料技术发展步伐，以及信息化智能化技术的应用，目前喷混凝土施工技术已经全面实现机械化，向信息化、智能化过渡。国内许多厂家生产了多种型号的湿喷机械手，满足不同喷射效率、作业覆盖范围等需求。针对喷射混凝土自动化的技术，已经实现高效均匀地喷射出指定厚度喷层，正在研究基于三维激光扫描获取喷射基础数据，并根据洞壁条件确定最佳喷射程序相关技术。

3.4.3 二次衬砌

二次衬砌一般情况下作为安全储备设置，在一些地质条件较差的地层中，则要求发挥承受后期荷载和长期耐久性的功能。衬砌施作的关键环节包括浇注、捣固及养护。隧道衬砌采用衬砌台车分层逐窗进行浇注，由于台车模板封闭，难以准确判断混凝土浇注是否饱满，常导致提前终止浇注而形成空洞。浇注压力也会对衬砌质量产生影响，带压浇注与无浇注压力的衬砌强度试验对比结果表明：浇注压力在40 kPa左右时，混凝土的抗压强度比没有浇注压力的混凝土强度增加约28%[81]。此外，衬砌施作时机不当、台车端部封闭不严、捣固不密实，养护不到位也会引起衬砌质量问题。

在技术及装备方面，隧道拱顶空洞带模注浆成套技术，通过对既有台车进行改造，增加注浆管的方式，有效解决了隧道二次衬砌施作拱顶易形成空洞的问题[82]。新型智能衬砌模板台车，采用带压浇注方式、组合式振捣技术、多端头可选式设计，避免了传统台车作业弊端，在提升衬砌整体施作质量方面应用效果良好。隧道衬砌智能养护台车，能够自动检测衬砌温湿度，并自动进行调控，降低人为因素的干扰，可有效提高衬砌混凝土养护治质量。

衬砌施工期在线监测技术对二次衬砌施工质量控制具有主要作用[83]，该技术针施工期衬砌混凝土处于固、液、气三相混合的状态且封闭于模板内，地质雷达、声波检测的传播与反射被抑制的问题，利用预埋式传感器监测空洞；采用阵列式排布方式，基于智能判识系统，实现自动判识。该技术在京(北京)—张(张家口)高铁八达岭隧道进行了应用，应用效果良好。

3.5 防排水施工技术

地下水对隧道的作用可能伴随隧道的整个生命周期，许多隧道出现病害都与地下水的作用有关。处理好地下水与隧道的关系是十分重要的。隧道地下水处理对策主要分为“排水”和“堵水”两类，制定隧道控制地下水的对策需要同时考虑隧道施工对地下水的影响以及地下水对隧道施工的影响，大量工程实践证明，“排”与“堵”结合是控制地下水最有效的方法[84]。

铁路隧道防水分为四个等级，一级要求最高，依次递减。隧道防水包括混凝土结构自防水和防水板防水，必要时通过注浆改善地层以提高防水能力，其中隧道接缝为防水重点部位。要做好隧道防排水工作在设计阶段首先要了解隧址区水文地质条件、气候条件以及生态环境等，针对性进行初步设计；根据隧道开挖揭露的地质情况以及超前地质预报信息，对设计做好适应性调整；加强施工期间防排水作业过程管理，提升作业质量；施工后查漏补缺，对出现问题隧段明确原因，及时进行处置。

我国疆域辽阔，隧道建设面临的地质条件复杂多样，山区、高原、水下等特殊环境隧道建设案例并不罕见，且呈递增之势。以宜万铁路隧道建设为例，宜万铁路隧道具有岩溶广泛发育、隧址区高压富水等特点，对充填型溶腔进行富水分级，按照涌水量分为A～E共5个等级，提出对A、B级特大爆喷型和大量突水型在分析排放水对地表环境影响的基础上采用“排水减压、注浆加固、综合治理”的原则，C级突水溶腔采用“以堵为主，堵排结合”的原则，或采用“排水减压、注浆加固”的原则，D、E级的溶腔或溶管水采用“以堵为主”的岩溶水治理原则，并对不良地质富水段通过全断面超前注浆技术与超前大管棚预支护配合治理，取得较好的治理效果[85]。在高原严寒地区富水隧道可采取以泄水洞为主，辅以保温防寒水沟、保温中心水沟和伴热电缆采暖式水沟的综合防排水措施[86]。钻爆法浅埋水下隧道可采用“以堵为主，限量排放”的原则[87]，也可采用主动控制式防排水方案，通过围岩抗渗性预测、堵水系统协同设计、初期支护优化设计、二次衬砌安全设计实现主动控制式防排水[88]。

目前采用的铁路隧道新型防排水系统，可有效避免传统防排水施作效率较低、质量难以把控等问题。

拱墙部位防排水层设置于初期支护与二次衬砌之间，可采用自粘式防排水板，其施工工艺流程见图8。自粘式防排水板为集防水与排水功能为一体式结构，改“线排水”为“面排水”，在保证防水能力的基础上，优化了拱墙防排水结构形式，提高排水能力，避免了上部排水系统堵塞风险，确保及时排走透过初期支护的地下水，保证衬砌背后不积水、无水压。粘贴式铺挂避免了防水板本体破损，提高了防水能力与初期支护密贴度。

图8 粘贴式铺挂工艺流程

接缝部位采用接缝自粘式止水带加强隧道与混凝土的黏接力。自粘胶层与止水带基材通过机械嵌合力、分子间力和化学键力等牢固黏接。在混凝土水化过程中产生大量水化热，其温度能达到70～80 ℃，在这个环境温度下自粘胶就会软化并产生黏性，黏性自粘胶由于水化反应形成孔内负压被吸入毛细孔中，随混凝土固化及冷却形成紧密胶结层封闭渗水通道，增强隔水性能，止水机理见图9。

图9 自粘式止水带止水机理

采用可维护的理念设计并施作隧底预制装配式系统及排水盲管、塑料检查井、管件等构件结构形式及连接构造。隧底排水管路纵横交错、四通八达、连接顺畅，排水构件均采用工厂预制标准件，内壁高平顺性及光滑度；增设耐沾污涂层，有效缓解排水系统结晶堵塞，提高了排水能力；增设仰拱下纵向排水盲管，并与中心水沟单向连通，降低隧底上拱风险。塑料检查井及排水管等高分子材料构件不会开裂渗漏，接头标准件防水措施可靠，同时强化了接头、破损处的密封处理等细部构造要求，提高了防水能力。

洞室采用丙烯酸盐作为防水喷射层材料，其施工工艺见图10。丙烯酸盐聚合反应可形成类似于硫化橡胶的交联网状结构，该反应在短时间内分子质量骤增，形成具有良好弹性和隔水性能的防水膜，并且耐候性好，绿色安全。

图10 丙烯酸盐喷膜防水施工流程

基于全寿命周期与预防性养护原则，在整体系统、构件形式及连接构造设计上应充分考虑运营期可维护性。整体系统连接顺畅通达；检查井及中心主排水管等均采用大尺寸构件，便于疏通维护操作；排水管件连接均采用圆弧过渡，易于维护装置在管道内前行。维护装置疏通基本原理为喷射机构将压力能转换成高度聚集的水射流动能，利用反作用力产生推力，喷头可以自行爬行前进，同时并以破碎、切劈、剥脱等物理形式作用在结晶体上，结合喷头自身的旋转切割，分解粉碎结晶体。而后在卷管器拉动下高压胶管后移，利用喷头高压水射流将剩余杂物冲至管外，达到疏通排水管道效果。

3.6 施工监控量测

铁路隧道监控量测是隧道设计和修正支护结构的形式和参数、正确选择开挖方法和支护结构施作时间、评价隧道施工和长期健康状态的依据。监测项目包必测项和选测项。隧道监控量测应根据地质条件、周边环境、隧道埋深、断面尺寸、开挖方法和设计要求综合确定。一般来说，监测项目大致分为位移、应力和变异3类。当前隧道监控量测将隧道断面的收敛量测(位移量测)作为重点，主要是由于位移监测较其他量测简单、直接，而且数据容易处理。因此，在反馈方法中通过位移信息进行反馈的方法居多。

隧道监控量测断面间距应根据围岩等级确定。围岩条件好于Ⅲ级围岩时，根据现场实际情况确定必测项监测断面间距；Ⅲ级围岩监测断面间距保持30～50 m；Ⅳ级围岩监测断面间距保持10～30 m；Ⅴ、Ⅵ级围岩监测断面间距保持5～10 m。选测项监测断面在设计时根据地质条件、周围环境、结构形式、施工方法等，基于工程经验和数值计算评估确定。

必测项监测频率应根据隧道测点距掌子面的距离以及位移速度确定。选测项监测频率应在设计中进行规定。出现特殊情况时，应提高监测频率，当按照断面距掌子面距离和位移速度确定频率存在冲突时，采用较高的监测频率。随着技术的发展，在隧道变形监控量测中，三维激光扫描逐渐成为主流。三维激光扫描系统通过采集隧道点云数据进行建模，可实现对变形的精准监测，主要用于隧道内轮廓及净空变化监测、隧道侵限情况监测等，具有精度高、成像质量好、隧道几何形态还原度高的特点。当前，三维激光扫描技术在超欠挖检测识别、隧道收敛变形以及支护平整度等方面应用较多，见图11。通过处理软件，可实现异常情况快速识别，对施工具有良好的辅助作用。在信息反馈方面，自动化采集、信息传输和数据监测平台使得数据反馈效率显著提高，实现了异常情况的预警，进一步保障了施工安全。

图11 基于激光点云数据的超欠挖识别

京(北京)—张(张家口)高铁八达岭长城站是目前国内埋深最大的高速铁路地下车站；车站主洞数量多、洞型复杂、过渡段单洞跨度为世界高铁之最，是目前国内最复杂的暗挖洞群车站。京(北京)—张(张家口)高铁八达岭地下车站施工期在大跨过渡段、三联拱段、小净距段以及多向洞室段针对围岩、锚杆、锚索、喷射混凝土、钢架、钢筋及二次衬砌进行了系统的监测。通过监控量测为优化结构设计、提升安全等级创造了条件。以大跨过渡段监控量测为例，八达岭地下车站呈对称形式，大里程端大跨段先期建设，监测结果显示大跨过渡段最大变形值仅为19 mm，远小于变形预测值，表明大跨段支护能力有充分的冗余。因此，对后期建设的小里程端大跨过渡段锚索数量进行了优化，降低了工程投资，节省了工期。

利用监控量测系统实现隧道信息化监控量测也逐渐被重视。通过对监测系统组网，采用洞内无线传输和洞内有线传输+洞外无线传输的方式将数据传输至监控量测系统，实现监控量测数据的快速传输；系统通过将表征隧道状态的数据与既有规范规定的超限值或设计超限值进行比对，实现隧道监控量测的自动化预警；通过对信息传递节点操作的监控以及闭环管控逻辑，实现险情发现到处置的快速闭环。通过该方式可有效提升隧道监控量测的应用效果。

3.7 特殊结构施工技术

特殊结构施工采用预制装配式技术，由于构件在工厂标准化生产，在质量上更加可靠；预制生产也减少了施工过程中的物料浪费和建筑垃圾，更加节能环保；施工中仅需安装后即可使用，大幅缩短了施工周期；构件在洞内采用机械化拼装，降低了劳动力需求的同时提升了作业效率。由于“质量可靠、节能环保、施工周期短、作业效率高”的特点，预制装配式技术在明挖隧道、沉管隧道和盾构隧道中得到了广泛应用，隧道预制装配式技术的研究也主要集中在盾构隧道领域。随着技术发展以及预制装配式技术优点日益显现，钻爆隧道也在建造中开始研究并应用该技术。

日本在钻爆隧道预制装配式衬砌方面进行了较全面的研究，2018年日本和田建设联合多家企业开展了铁路隧道装配式衬砌模拟试验，明确其施工可行性。与模筑衬砌相比，预制衬砌的施工效率提高了1.5倍，且施工质量和安全性高。2019年，日本清水建设等多家企业联合开发了山岭隧道的分割型预制装配式衬砌系统，并进行了足尺隧道试验，试验表明预制装配式衬砌较模筑衬砌工期缩短了70%左右。我国钻爆隧道预制装配式技术发展之初多应用于仰拱的快速施工[89]。2009年才系统提出了隧道仰拱快速施工技术和预制构件安装方法[90]。随着高速铁路的发展，速度350 km/h高速铁路双线隧道预制装配式衬砌结构设计被提出[91]。近年，针对隧道预制装配式衬砌的力学性能、设计、施工等研究逐渐展开，爆法隧道预制装配式技术的逐渐体系化，提出了集设计、生产、施工、装备、信息化管控的成套关键技术及体系[92-93]，并已形成了较为成熟的隧底预制装配式技术，技术框架见图12。

图12 铁路隧道预制装配式建造技术体系

装配式预制混凝土基底结构采用错缝拼装方案，通过对不同速度下预制装配式仰拱结构进行力学特征分析和检算表明其符合要求。

预制装配式仰拱与填充层设计是通过结构预制，使仰拱填充内形成架空层，从源头上避免仰拱填充承压上拱，其设计型式见图13。此外，还提出了多种结构型式的预制仰拱与框构式填充层结构，包括：装配式波纹板基底结构、装配式隧道仰拱结构、装配式多类型框构填充层结构等。

图13 仰拱与填充层型式

利用隧底预制装配式构件拼装机进行隧道构件精准拼装。装配式结构完成2 m循环全过程施工需要4～5 h，且会占用交通空间，因此在仰拱拼装施工过程中，需采用高度协同化、机械化装备配套并利用横通道等，降低施工对其他工序的影响。不同围岩级别利用不同时间段施工，Ⅱ、Ⅲ级围岩可在掌子面测量到装药爆破前组织施工；Ⅳ、Ⅴ级围岩可在掌子面初期支护、超前支护期间组织施工。

3.8 机械化施工装备

装备的更新换代极大地促进了钻爆法发展，钻爆隧道从依赖人工，到使用小型机械辅助，再到使用大型设备作业的发展过程，其安全系数、施工质量、机械化程度、管控水平也随之提升。随着信息化、智能化技术的发展与普及，越来越多的智能化装备也应用到钻爆隧道施工当中。

(1)全电脑三臂凿岩台车

全电脑三臂凿岩台车在隧道超前地质预报、超前支护、锚杆安装、钻孔爆破等方面广泛应用，并能够在超大断面进行作业，作业半径大都在6～8 m范围。目前国产钻探装备都集成了随钻系统、激光扫描系统安全识别系统，并配套了专业软件系统，实现全电脑化控制。作业过程中能够实时获取钻进参数，实现自动化控制；对超、欠挖也能进行扫描和计算，进行反馈评价；对作业区进行监控，当有人员进入时，能够及时发现并报警，提升作业安全性。

(2)智能铺挂台车

智能铺挂台车具备以下功能：自动布料、自动射钉固定自粘布、自动粘贴铺挂防(排)水板、自动扫码识别防排水材料、自动扫描初支轮廓及铺设平整度、隐蔽工程影像资料的自动留存功能。

作业过程中，自粘布安装在卷材爬升支架上，并将端部锁定，卷材爬升支架沿隧道壁面移动，将自粘布均匀舒展并压紧在隧道表面，自动射钉装置同步进行固定，待卷材爬升支架到达铺设终点后完成自动切割，铺布结束。卷材爬升支架返回起点，扫码并安装防(排)水板，防(排)水板起始端与隧道初支面一侧对齐，利用手持爬焊机将防(排)水板侧边与前一幅防(排)水板侧边对齐焊接，随着卷材爬升支架上升防(排)水板均匀舒张，利用卷材压紧装置将防(排)水板均匀贴紧粘结在自粘布上，爬焊机同步进行焊结，待卷材爬升支架到达铺设终点后进行自动切割，防(排)水板铺挂工作完成。钢筋牵拉爬升架夹持钢筋沿隧道一侧拱脚移动至另一侧拱脚，在对应位置扣紧钢筋头与边墙钢筋，随后爬升架返回并进行钢筋梳理，升缩平台和顶杆同步展开，确保钢筋满足布设要求，同时，辅助人工纵向布筋并扎紧各交叉点。最后将另一端钢筋头与边墙钢筋连接，电脑存档，施工完成。卷材爬升支架上设有激光测距仪，在爬升铺挂的同时，沿台车圆弧轨道记录隧道内表面到中心点的距离，自动生成曲线图。台车前侧顶部配置高清工业像机，台车在行进过程中自动获取隧道内影像，并自动添加时间水印存档。同时台车配置有无线扫码枪，可在防(排)水板铺设之前对其永久二维码进行扫描识别，自动读存原码数据，据此掌握该防(排)水板包括生产工厂、时间、现场生产工艺视频等资料在内的全部信息。

(3)智能衬砌台车

智能衬砌台车信息监测系统集成了混凝土压力、入模温度、流量、液位等数据采集系统，评估系统集成了行走系统、液压系统、布料系统、拱顶振捣、搭接监测、拱顶空洞监测等功能，使衬砌台车具备了自动化、智能化施工的能力。与传统台车相比，智能衬砌台车能有效提高混凝土浇筑质量；不需要倒管，自动换管，提高了混凝土浇筑效率；定位时间比普通台车节约30 min左右。二次衬砌施工时，混凝土灌注方量通过三维激光装置扫描和终端电脑计算；灌注压力监控采用压力敏感传感器，实现灌注压力的全方位监测；拱顶饱满度测量采用液位计和压力敏感传感元件等传感器，实现拱顶灌注饱满程度实时监测。智能衬砌台车外轮廓与隧道衬砌设计廓面一致，然后封闭模板进行混凝土浇注。模板台车可在隧道内沿轨道走行，并进行立、收模及模板中心纠偏。台车立模完成后，连接模板与承载支架，保证混凝土浇注过程中模板稳定性。分层逐窗浇注系统及清洗系统，实现了封闭管路带压灌注和高压水气管路清洗。振捣系统实现了混凝土的充分振捣。模板清洗和模板保养装置，使模板清洗更干净，保养更充分。

(4)智能养护台车

智能养护台车能够避免二衬施工中混凝土养护完全依赖自然环境的问题。智能养护台车四周(前后两端、两侧边墙底部)采用气囊密封，在隧道壁和电加热系统之间形成一个较为密闭的养护空间。采用微米级雾化加湿，利用5～10 μm雾化喷头、高压流体输送管道实现区域雾化。养护过程中，能够自动检测混凝土表面温度，并根据检测到的混凝土温度自动调整喷出的水雾温度，保证温差。雾化系统设置有加热装置，确保喷射的雾化水温度与隧道壁混凝土温差在合适范围。智能养护台车实现了养护过程自动化控制，可实现移动终端的远程在线控制，能有效降低人为因素影响，提高养护质量。

以我国某高铁隧道建设为例，其隧道机械化配套涵盖超前支护、开挖、初期支护、二次衬砌等4大作业工区，具有系统性强、规模大等特点。配套类型包括Ⅰ型普通型机械化配套和Ⅱ型加强型机械化配套两种[94]，见图14。Ⅰ型普通型机械化配套包括风动凿岩钻机、多功能钻爆作业台架、混凝土湿喷机、自行式仰拱栈桥、仰拱纵向滑模、混凝土输送车、整体移动式沟槽模板等，适用于一般地质条件的隧道正常施工；Ⅱ型加强型机械化配套在Ⅰ型普通型机械化配套基础上增加了2台三臂凿岩台车、1台锚杆钻注一体机、1台自行式液压拱架安装台车、1台防水板作业台车、1台衬砌模板台车、1台移动式混凝土养护台架，适用于复杂地质条件快速施工。通过机械化配套实现了隧道主要工序的机械化施工，提高了隧道施工效率，对提升铁路隧道机械化施工施工水平具有一定的作用。

图14 Ⅰ、 Ⅱ型机械化配套施工作业工区

3.9 现状及问题

大规模的隧道建设促使我国隧道施工水平快速发展，当前我国已实现了隧道施工关键工序的技术创新及优化，见图15。以超前地质预报与围岩判视、开挖施工、支护施工、防排水施工、监控量测、特殊结构施工等关键技术为基础，结合机械化装备配套，构建了我国钻爆法施工关键技术体系框架雏形。随着配套装备信息化、智能化水平的提升，将逐步形成适合我国国情，以隧道建造协同管理平台为基础，融合智能建造数据库和专家库，具备高精度地质参数获取、各类复杂地质条件围岩快速支护、与环境协调的防排水、智能化监控量测、全机械化配套协同作业能力的智能建方法与技术体系。在此过程中以下问题需要进一步研究予以支撑：各类信息的获取及融合；高性能支护材料；基于环境和效果评价的防排水技术；隧道状态评估指标及方法；全工序机械化装备及协同作业技术；隧道数据库及专家库构建等。

图15 钻爆法隧道施工技术现状

4 结论与展望

4.1 结论

改革开放40年来，我国隧道建设取得了举世瞩目的成就，隧道建造也积累了丰富经验，通过对铁路山岭隧道钻爆法建造关键技术现状梳理，可得到以下结论：

(1)在隧道设计方面：主要采用以工程类比法、经验设计法进行隧道初步设计，采用信息反馈法进行动态调整的设计模式，并逐渐重视对围岩的主动控制，隧道围岩变形主动控制设计理念逐步得到完善，在新型锚喷支护理论、技术、材料等方面均取得了进步，在建隧道工程中已开始试点单层衬砌主动支护。

(2)在隧道施工方面：形成了成套钻爆法施工装备，建立了以超前地质预报、隧道开挖、洞渣装运、初期支护、铺底、防排水、衬砌浇筑养护、施工监控量测等环节为主体的建造模式。超前地质预报采用多方法约束求解，使综合预报方法有机结合，预报精度得到了提高；爆破结合机械开挖的方式在不良地质隧道开挖中得到了应用，显著提升了不良地质条件隧道开挖质量；模块化、预制化及可维护的结构在防排水、衬砌等隧道主体结构及附属设施上得到了应用，提高了建造效率并便捷了后期运维。

(3)在技术体系发展方面：开始逐步形成以隧道建造协同管理平台为基础，融合智能建造数据库和专家库，兼具高精度地质参数获取、各类复杂地质条件围岩快速支护、与环境协调的防排水、智能化监控量测、全机械化配套协同作业的智能建方法与技术体系。

我国隧道技术取得了长足发展，铁路山岭隧道钻爆法技术正朝世界先进行列迈进，但铁路山岭隧道钻爆法建设依然面临许多问题亟待解决：

(1)钻爆法隧道支护参数的确定、施工方法的选择、作业风险的评估等仍然以经验为主，理论依据不足，其原因是多方面的，其中最核心的问题是基础理论的严重缺乏，主要是岩石力学、地球物理学等基础学科的发展还难以形成对隧道建设的全面理论支撑，许多技术方法的核心是基于一定工程实践的统计结果，导致隧道专业仍然是一门以经验为主的学科。

(2)地下工程最大挑战在于施工的未知性，地质条件复杂多变使得隧道建设很难准确获取相关地质信息，物探、钻探技术发展至今，仍然无法有效解决定量化的问题。隧道建设特别是钻爆法隧道，十分依赖预报精度，掌子面前方地质条件不明确是引起施工风险的重要因素。超前地质预报对地质条件定性判断，使得隧道建设过程本身就具有很大的不确定性，是导致隧道建设过程中安全风险高、建设成本高的主要原因之一。

(3)数值模拟方法的出现有力推动了隧道技术的进步，设计及试验的检算使钻爆法隧道设计、施工获得了一定的数据和理论支撑，然而数值模拟方法本身是对地质体和结构的一种简化，如何模拟地质体非均质性、各向异性和非连续性是制约数值模拟发展的主要因素，使得钻爆法隧道设计参数很难匹配实际地质条件。

(4)钻爆法施工环节多，涉及施工装备类型多，导致施工数据类型多且采集困难，复杂环境下隧道人机协同作业产生的海量数据采集、传输、处理及应用存在困难；人机协同作业下，风险评估及分析管理方法、机制欠缺，同样缺乏有效控制风险、规避风险的手段。

(5)我国虽然利用钻爆法建设了世界上最多的隧道，但是尚未形成适合我国国情的隧道建造技术体系，尽管有我国地形、地质环境复杂多样所致，但是缺乏系统性的梳理和理论支撑不足也是原因之一。

4.2 展望

未来我国隧道建设规模依然庞大，且特长、超长隧道规模空前，难度也鲜有所闻。着眼于设计方法、施工工艺、智能装备等方面科技创新与应用实践，形成集现代隧道勘察设计技术、现代隧道修建技术、标准化隧道协同管控技术，构建中国山岭隧道建造新理论、新方法、新模式将是现在和将来一定时期内的主要研究方向。具体包括以下方面：

(1)隧道基础理论发展及完善。包括岩石力学、地球物理学、材料学等相关基础理论的发展，以深入认识围岩力学响应和支护结构作用。

(2)精细化感知及预警技术。包括超前地质掌子面前方不良地质空间位置及几何、物理参数特征高精度表达；隧道状态快速综合感知及精准评价。

(3)隧道工程智能化建造技术。铁路隧道建造应依托机械化、信息化、自动化、可视化、智能化技术，面向基础理论、地质判识、设计方法、工艺工法与协同管控，通过对地质、结构、机械、信息、人员和材料的综合管理，集约化利用时间、空间和人力资源，形成隧道建设绿色高效、安全可靠的建造技术体系。

(4)高性能支护体系。包括基于围岩变形主动控制的隧道支护体系设计理论和方法；特殊不良地质段隧道全断面机械化快速施工技术；高支护效能及耐久性能的主动支护构件及材料。

(5)预制装配式新型结构体系。包括预制装配式基底结构与围岩耦合协同受力关系研究；不良地质、高能地质环境条件下预制装配式基底结构适用性研究；拼装装备和原材料的技术水平和性能研究；涵盖设计、制造、施工、物资供应等全链条的信息化系统开发与应用研究。