馬 偉 斌

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081)

隧道建造方法主要包括鉆爆法、淺埋暗挖法、明挖法、掘進機法、盾構(gòu)法、沉管法及輔助工法等[1]。鉆爆法(Drilling and Blasting Method)是一種通過鉆孔、裝藥、爆破、通風、支護、出渣等一系列工序來實現(xiàn)洞室開挖的方法。與其他方法相比，鉆爆法具有靈活性大、適應性廣、可靠性強、經(jīng)濟性好的特點，是我國鐵路隧道建設(shè)最常用的方法。隨著施工機械設(shè)備、爆破技術(shù)、支護技術(shù)的發(fā)展，鉆爆法建造效率和施工環(huán)境顯著提升。

自1909年京(北京)—張(張家口)鐵路建成至今，我國投入運營的鐵路隧道已達到16 798座，總長約19 630 km[2]，百余年的隧道建設(shè)史也是我國鉆爆法技術(shù)的發(fā)展史。隧道建設(shè)從依靠人力開鑿逐漸發(fā)展為以超前地質(zhì)預報為前提，以圍巖質(zhì)量評價及分級技術(shù)為依據(jù)，以精細化開挖技術(shù)、高性能支護技術(shù)、新型防排水技術(shù)、高質(zhì)量襯砌施作技術(shù)、預制裝配式技術(shù)為手段，以智能裝備及配套技術(shù)為支撐的鉆爆法成套技術(shù)體系，技術(shù)水平總體處于世界領(lǐng)先[3-4]。本文介紹了鉆爆法的發(fā)展歷程和我國鉆爆隧道關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀，并分析探討了未來研究方向。

1 起源及發(fā)展

鐵路鉆爆隧道起源于1826年英國修建的泰勒山單線隧道和維多利亞雙線隧道。19世紀以前，隧道支護多為磚石結(jié)構(gòu)，采用將地下結(jié)構(gòu)視為剛性結(jié)構(gòu)的壓力線理論，將作用在支護結(jié)構(gòu)上的壓力按照上覆巖層自重計算。在19世紀60年代以前，鉆爆法隧道多采用人工鑿孔和黑火藥明火起爆的方式施工。法國仙尼斯峰鐵路隧道于1861年首次應用風洞鑿巖機代替人工鑿孔，提高了開挖效率。1866年硝化甘油炸藥的誕生為開鑿堅硬巖石提供了條件。1867年美國胡薩克鐵路隧道首次采用硝化甘油炸藥爆破和電力起爆方式，被視為現(xiàn)代巖石隧道開挖技術(shù)的起源[5]。

19世紀后期，混凝土和鋼筋混凝土材料陸續(xù)出現(xiàn)并運用到隧道建設(shè)中，隧道結(jié)構(gòu)更具整體性。同時，隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算將圍巖壓力作為結(jié)構(gòu)荷載，考慮地層的彈性反力，并按彈性連續(xù)拱形框架用超靜定結(jié)構(gòu)力學方法進行計算，該方法至今在隧道設(shè)計中仍時有采用[6]。

1914年，噴射混凝土技術(shù)首先應用于Denver煤礦，后來逐漸在隧道中普及。早期的噴射混凝土主要以砂漿為主，大量添加具有侵蝕性的速凝劑，噴射混凝土長期強度低并使作業(yè)環(huán)境惡化，其支護作用也并不受重視，更多是作為防止風化的封閉措施。直到20世紀中葉，奧地利學者將噴射混凝土用于一系列開創(chuàng)性工程之后，噴射混凝土的作用才開始受到廣泛的重視。與此同時，錨桿在水電站有壓輸水隧洞中的成功應用，使其在隧道中得到更廣泛應用。當前，我國噴射混凝土主要以C25為主，高性能噴混凝土尚未規(guī)模化應用，歐洲普遍采用C40混凝土，北歐國家普遍采用C40鋼纖維噴混凝土構(gòu)建單層襯砌結(jié)構(gòu)。

進入20世紀，隧道理論和技術(shù)發(fā)展駛?cè)肓丝燔嚨馈?0世紀30年代，蘇聯(lián)采礦學家普羅托季亞科諾夫基于“隧道頂部的圍巖變形是局限于一定范圍的”觀點，以均質(zhì)松散體為基礎(chǔ)提出了地層壓力的計算方法(普氏地層壓力理論)，該方法適用于松散巖體，對整體性好、強度高的巖體存在較大局限，但由于其簡便性，仍然被廣泛應用。奧地利土力學家Terzaghi[6]也基于該觀點提出了地層壓力計算方法。

20世紀50年代由于電子計算機的應用以及量測手段的改進，巖石力學獲得迅速發(fā)展，“圍巖既是荷載，又是支撐結(jié)構(gòu)的組成部分”的觀點開始流行，利用連續(xù)介質(zhì)力學理論計算隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的方法也逐漸發(fā)展。同時期，奧地利學者根據(jù)本國多年隧道施工經(jīng)驗，提出了新奧法(New Austrian Tunneling Method，NATM)的概念[7]，于60年代取得專利權(quán)并正式命名。新奧法是利用薄層支護手段來保持圍巖強度、控制圍巖變形，以發(fā)揮圍巖的自承能力，并通過監(jiān)控量測來指導隧道工程設(shè)計與施工的隧道工程理念[8-11]。新奧法基本組成要素包括噴射混凝土、錨桿和監(jiān)控量測。20世紀60年代我國就已經(jīng)在鐵路隧道中使用錨噴支護。大瑤山隧道是我國采用新奧法修建隧道的典型案例，實現(xiàn)了快速施工(最高月成洞521 m)和高質(zhì)量建設(shè)(質(zhì)量合格率100%，優(yōu)良率86.2%)。1988年，基于我國20 a時間里按新奧法修建鐵路隧道的經(jīng)驗，編寫了《鐵路隧道新奧法指南》，我國鐵路隧道進入新奧法推廣應用階段。新奧法已成為我國鐵路隧道建設(shè)使用最多的方法，但在應用中仍存在問題。新奧法在圍巖自承能力較差時，需要初期支護快速提供支護抗力以保持圍巖穩(wěn)定，但目前在軟弱圍巖段的臨時支護和初期支護方面較為薄弱，材料及支護技術(shù)有待提升；在機械化施工方面仍然存在普及程度低、管理調(diào)度水平不高的問題；在風險評估及管理機制方面，缺乏有效控制風險、規(guī)避風險的手段。

20世紀60年代，得益于計算機和巖土本構(gòu)關(guān)系理論發(fā)展，隧道工程數(shù)值計算方法迅速發(fā)展。Eastman對建筑信息系統(tǒng)(Building Information Modeling，BIM)技術(shù)做了開創(chuàng)性研究，提出了建筑描述系統(tǒng)(Building Description System，BDS)的概念性設(shè)計[12]。2002年，Autodesk基于BDS等提出了BIM技術(shù)，逐漸運用于隧道工程，2019年開通運營的京(北京)—張(張家口)高速鐵路(以下簡稱“高鐵”)為我國首條全線采用BIM設(shè)計的高鐵線路。

20世紀70年代，意大利學者在研究圍巖的壓力拱理論和新奧法施工理論的基礎(chǔ)上提出了新意法[13-14]，又稱為巖土控制變形分析法(Analysis of Controlled Deformations in Rock and Sock and Soils，ADECO-RS)。新意法是一種隧道動態(tài)設(shè)計和施工指導原則，按照掌子面超前核心土的穩(wěn)定性類型設(shè)計圍巖變形控制措施，通過監(jiān)控量測反饋優(yōu)化設(shè)計，提高圍巖穩(wěn)定性從而實現(xiàn)全斷面機械化開挖[14-17]。蘭(蘭州)—渝(重慶)鐵路桃樹坪隧道是我國首座引入新意法修建的隧道，并取得了較好應用效果。但新意法在我國并未大規(guī)模采用，原因在于對一般地質(zhì)條件，新意法相較新奧法投資較大，需對不同地質(zhì)條件下安全性、經(jīng)濟成本和工期等進行系統(tǒng)評估，我國未建立不同地質(zhì)條件下的建造成本評估體系。此外，我國也未完全掌握新意法實施所依賴的量測技術(shù)、施工機具等。新意法應用于我國復雜艱險鐵路隧道時，需開展系統(tǒng)的專題研究。

20世紀80年代，挪威根據(jù)本國隧道工程修建技術(shù)總結(jié)出挪威法[18](Norwegian Method of Tunneling，NMT)。挪威法圍巖分級采用經(jīng)驗性系統(tǒng)Q系統(tǒng)確定。Q系統(tǒng)以鉆孔取芯率RQD值為基礎(chǔ)，引入5個巖體參數(shù)定量計算得到巖石質(zhì)量等級Q，綜合考慮了巖體結(jié)構(gòu)完整性、節(jié)理面及填充物性質(zhì)、主動應力條件[19-22]。支護設(shè)計依據(jù)按照Q系統(tǒng)中的9種支護類型匹配。支護材料方面，噴混凝土多采用C50以上高品質(zhì)鋼纖維噴射混凝土；永久錨桿一般采用預應力錨桿，如CT錨桿和D錨桿。由于挪威隧道多富水，在隧道施工中一般采用高壓注漿控制地下水，并能夠有效改善圍巖質(zhì)量。自20世紀90年代以來，我國鐵路隧道開始了對挪威法的引進和吸收工作，先后在西(西安)—康(安康)鐵路秦嶺隧道、西(西安)—南(南京)鐵路磨溝嶺隧道和萬軍回隧道等隧道開展了現(xiàn)場試驗和應用，但至今未能在我國鐵路隧道大規(guī)模應用。我國隧道施工機械化水平較挪威有差距，而挪威法不論是超前預注漿作業(yè)、開挖作業(yè)、裝藥作業(yè)及支護作業(yè)對機械化程度要求較高。挪威法施工采用高品質(zhì)的鋼纖維噴射混凝土，混凝土強度多在50～60 MPa以上，最高可達100 MPa，而目前我國鐵路隧道常用的噴射混凝土等級普遍較低，多釆用C25或C30，施工材料性能不滿足其要求。挪威隧道施工多采用噴鋼纖維混凝土，由于鋼纖維混凝土存在價格高、施工易堵管等缺點在國內(nèi)未全面采用。挪威隧道永久錨桿多采用防腐涂層、塑料殼、注漿等多重防腐措施，耐久性能好。此外，挪威隧道大多為公路隧道且不設(shè)置二次襯砌或設(shè)置離壁式襯砌，而我國鐵路隧道尤其是高速鐵路隧道綜合考慮高速動車組氣動效應及運營安全性影響，均設(shè)置了復合襯砌結(jié)構(gòu)。

2 基本理論與設(shè)計方法

2.1 我國隧道理論和設(shè)計方法概述

我國第一座鐵路隧道是始建于1888年的基隆至臺北的獅球嶺隧道[18]，全長261 m，1890年建成。至2020年川(成都)—藏(拉薩)鐵路雅安至林芝先期段開工，我國鐵路隧道鉆爆法經(jīng)歷了130余年的發(fā)展。鐵路隧道理論研究和設(shè)計方法的發(fā)展與圍巖壓力和圍巖分級研究緊密相關(guān)，其大致分為4個階段[23]。

(1)第1階段：1954年以前

由于對隧道工程和地質(zhì)條件的關(guān)系認識不充分，缺乏有效的地質(zhì)勘測手段，也未開展系統(tǒng)性研究，我國尚未形成適合隧道工程專門的圍巖分級方法。修建鐵路隧道時，圍巖分級基本上是沿用以巖石極限抗壓強度及巖石天然重度為基礎(chǔ)的、適用于土石方工程的土石分類方法。

在隧道設(shè)計時，以經(jīng)驗類比為主，少數(shù)情況下采用將拱圈當作支承于實體墻上的無鉸拱，按極限平衡原理用圖解法核算的方法，沒有考慮地層的彈性抗力，因此設(shè)計的襯砌截面較厚。隧道襯砌結(jié)構(gòu)型式也不統(tǒng)一，襯砌材料各異。

(2)第2階段：1954—1975年

1953年，引進前蘇聯(lián)計算理論，即普氏地層壓力理論，根據(jù)普氏地層堅固性系數(shù)(f值)將圍巖分為10類，后通過工程實踐，開始結(jié)合圍巖物理狀態(tài)、風化狀態(tài)及破碎程度等確定f值。

在圍巖壓力計算方面，20世紀60年代，根據(jù)我國隧道工程實踐，提出了淺埋隧道地層壓力計算公式和偏壓地層壓力計算公式。

該階段的隧道設(shè)計學習前蘇聯(lián)的普氏地層壓力理論，普遍采用考慮地層彈性抗力的“荷載-結(jié)構(gòu)”計算模式。假定曲墻式襯砌抗力分布的方法從1955年開始用于標準設(shè)計，1956年以后在直墻式襯砌計算中長期采用彈性地基梁法，這兩種方法都是基于溫克爾假定計算襯砌內(nèi)力。同時，相關(guān)院所和高校也對這兩種方法進行了改進和擴充，提出了有荷載的彈性地基梁計算公式。此外，不假定抗力分布的彈性鏈桿法也傳入國內(nèi)，但由于其計算耗費大量時間，因此直到計算機普及以后才廣泛采用。

(3)第3階段：1975—1992年

隨著大量鐵路隧道工程經(jīng)驗積累和現(xiàn)場量測的實踐證明，普氏公式計算的圍巖壓力不能正確地反映隧道實際情況，在巖層較好等情況計算壓力值大于實測值，在松軟地層等情況側(cè)壓力又偏小。為了確切地了解圍巖壓力的實際情況，在成(成都)—昆(昆明)鐵路建設(shè)期間，開展了大量試驗和研究，首次提出了以巖體完整性和地下水狀況為主要參考因素的我國鐵路隧道圍巖分級表，為建立我國自己的圍巖分級法和圍巖壓力計算方法奠定了基礎(chǔ)。1972年基于對成(成都)—昆(昆明)、貴(貴陽)—昆(昆明)、川(重慶，當時未直轄)—黔(貴陽)等線隧道調(diào)研資料，提出了以圍巖穩(wěn)定性為主要考慮因素的鐵路隧道圍巖分級方法，得出了以6級分類為基礎(chǔ)的鐵隧道圍巖壓力計算公式。該方法和計算公式被納入1975年發(fā)布試行的《鐵路工程技術(shù)規(guī)范·第三篇隧道》中[24]，結(jié)束了我國鐵路隧道襲用普氏地層壓力理論及以地層堅固性系數(shù)的圍巖分級方法的歷史。

20世紀70年代，隨著計算機的普及，彈性鏈桿法得到廣泛應用。70年代末，新奧法被廣泛接受，隧道設(shè)計更加重視發(fā)揮圍巖的自承能力，并開始采用施工中修正設(shè)計的動態(tài)設(shè)計方法；復合式襯砌的研究也逐漸展開，形成了不同圍巖條件下，二次襯砌應按安全儲備和承載結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的原則。1986年基于“鐵路隧道復合襯砌”項目研究，提出了復合襯砌的黏彈塑性的計算理論。

(4)第4階段：1992年至今

圍巖分級開始由經(jīng)驗判斷向定量判斷、從設(shè)計階段預判向施工階段判定的方向發(fā)展。1992年發(fā)布的《鐵路隧道噴錨構(gòu)筑法技術(shù)規(guī)則》[25]明確了鐵路隧道圍巖分級的定量判定方法。此后經(jīng)多次修訂，引入圍巖基本質(zhì)量指標BQ和施工階段圍巖亞分級，形成了目前的鐵路隧道圍巖分級方法。

20世紀80年代中期，隧道設(shè)計開始研究可靠度方法，直到90年代中期，引入了以可靠性理論為基礎(chǔ)的概率極限狀態(tài)設(shè)計方法。隧道襯砌設(shè)計通過工程類比和結(jié)構(gòu)計算進行確定，必要時通過試驗論證。復合式襯砌設(shè)計時，將復合式襯砌均按“圍巖-結(jié)構(gòu)”模式進行計算或?qū)⒊跗谥ёo按“圍巖-結(jié)構(gòu)”模式、二次襯砌按“荷載-結(jié)構(gòu)”模式進行計算。

2.2 圍巖變形主動控制設(shè)計理念

圍巖變形主動控制設(shè)計是將圍巖變形作為隧道安全性控制的核心，基于圍巖協(xié)調(diào)變形確定控制標準并分階段控制圍巖變形的方法，是基于我國隧道工程經(jīng)驗形成的隧道設(shè)計理念。

圍巖變形控制設(shè)計方法利用超前支護調(diào)動圍巖承載。超前支護目標為急劇變形量累計值最小，使圍巖有足夠自穩(wěn)時間。超前支護通過拱效應、梁效應和強化圍巖效應來控制掌子面擠出變形及前方的超前變形，防止掌子面拱部塌方掉塊。設(shè)計時主要采用類比設(shè)計和解析設(shè)計方法進行，并根據(jù)支護的目的和必要性選定超前支護的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)定超前支護的規(guī)格(長度、厚度、強度、剛性、材料等)，針對超前支護的掌子面穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)的承載力及下沉量開展研究，可盡量采用三維的解析設(shè)計方法。我國鐵路隧道設(shè)計時，超前支護在固結(jié)性差的地層中應用較多；挪威等國家利用注漿進行超前支護以提高圍巖強度和圍巖自穩(wěn)能力，并作為一種防水手段；新意法中，將超前支護作為實現(xiàn)隧道全斷面開挖的保障手段。

將初期支護作為支護主體。初期支護的主要形式為錨噴支護，在不同圍巖條件和不同建造理念的隧道中具有不同的支護作用定位。初期支護設(shè)計主要采用類比設(shè)計、標準設(shè)計和解析設(shè)計方法進行。設(shè)計內(nèi)容包括噴射混凝土的設(shè)計、錨桿設(shè)計和鋼拱架設(shè)計等。噴射混凝土的設(shè)計項目包括混凝土的強度、厚度和耐久性的設(shè)計。錨桿的設(shè)計項目包括錨桿類型、錨桿布設(shè)方式(長度、數(shù)量、間隔等)以及錨固材料選擇等。之后依據(jù)圍巖條件確定鋼拱架的形狀、斷面型式、材質(zhì)、間距等。初期支護設(shè)計應以盡可能調(diào)動圍巖的自承能力為目的，在圍巖不具備自穩(wěn)能力時，應具有足夠的支護強度。

二次襯砌作為安全儲備。二次襯砌包括拱墻襯砌和仰拱，設(shè)計時主要采用類比設(shè)計、標準設(shè)計和解析設(shè)計方法進行。二次襯砌應根據(jù)初期支護的應力狀態(tài)判斷其功能類型，原則上二次襯砌應在圍巖和初期支護穩(wěn)定后施作，但在軟弱圍巖、不穩(wěn)定的偏壓地形的圍巖條件以及要考慮附加荷載的場合，二次襯砌設(shè)計時需要考慮土壓的作用。二次襯砌設(shè)計內(nèi)容主要包括形狀、厚度、耐久性、變形縫等設(shè)計。二次襯砌的形狀和厚度設(shè)計應盡量減小其彎矩并使其能夠傳遞軸力；仰拱的設(shè)計要兼顧施工和排水。

初期支護和二次襯砌目標是以最小支護代價達到最優(yōu)的圍巖穩(wěn)定性控制效果。該方法的關(guān)鍵是對圍巖變形量的預測，因此獲取可靠的圍巖參數(shù)和監(jiān)控量測是評價圍巖變形階段的關(guān)鍵。目前該方法處于不斷完善和優(yōu)化階段。

國內(nèi)學者基于圍巖變形主動控制提出了隧道支護結(jié)構(gòu)體系的剛度設(shè)計理論[26]，基于牛頓第二定律推導的隧道掌子面前方圍巖變形表達式為

(1)

(2)

公式(1)揭示了圍巖變形與圍巖條件、支護剛度、支護時機以及剛度空間分布等的關(guān)系，可對圍巖變形過程進行預測和安全性評估，并形成了以圍巖變形控制為目標的支護剛度設(shè)計準則，建立了結(jié)構(gòu)強度校核方法，據(jù)此對支護剛度和變形控制目標進行調(diào)整，并建立了支護剛度設(shè)計方法，較傳統(tǒng)強度設(shè)計具有突破性。

近年來，隧道建設(shè)的管理、科研、設(shè)計、施工等領(lǐng)域已經(jīng)對圍巖變形主動控制達成基本共識。圍巖變形主動控制的設(shè)計理論，即以圍巖穩(wěn)定性為前提，以變形主動控制為目標，充分發(fā)揮錨桿、初支混凝土徑向約束作用，實現(xiàn)圍巖變形動態(tài)主動干預及圍巖與結(jié)構(gòu)協(xié)同作用，一方面充分發(fā)揮圍巖自承作用，另一方面，充分發(fā)揮錨噴結(jié)構(gòu)主動支護作用，達到安全耐久、內(nèi)實外美的穩(wěn)定支護體系。

現(xiàn)代隧道修建重視圍巖的自承載作用，多采用錨桿、錨索以及注漿方式主動控制圍巖變形，由于圍巖變形主動控制的應用條件和適用范圍尚未形成量化標準，其在實際使用中往往缺乏科學性指導，導致在建造經(jīng)濟性、合理性方面無法形成統(tǒng)一認識。在“支護—圍巖”的協(xié)同作用研究方面，通常采用協(xié)同學、最優(yōu)化理論結(jié)合隧道力學進行研究分析，但目前仍停留在科學現(xiàn)象階段，缺乏系統(tǒng)深入的實踐認識。隧道主動支護體系整體架構(gòu)尚未完善，有待深入研究，以指導主動支護體系系統(tǒng)性應用。

2.3 理論分析方法

2.3.1 隧道設(shè)計方法

理論分析方法主要包括：特征曲線法、荷載-結(jié)構(gòu)法、圍巖-結(jié)構(gòu)法。

特征曲線法即收斂-約束法，首先依據(jù)變形模量、彈性模量、內(nèi)摩擦角、黏結(jié)力等計算出圍巖特征曲線，利用監(jiān)控量測修正圍巖特征曲線；并將圍巖、支護結(jié)構(gòu)特征曲線的交點作為支護依據(jù)；最后對支護設(shè)計進行安全性驗算。特征曲線法采用解析解，適用于靜水應力場的圓形隧道，在地質(zhì)復雜隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計時存在局限性，目前主要通過數(shù)值計算方法克服求解問題。

荷載-結(jié)構(gòu)法是一種解析設(shè)計方法，以支護結(jié)構(gòu)作為承載主體，將支護結(jié)構(gòu)與圍巖分開考慮，將圍巖作為荷載，并考慮圍巖對隧道支護結(jié)構(gòu)的變形約束。荷載-結(jié)構(gòu)法通過將圍巖和支護結(jié)構(gòu)簡化，利用數(shù)值計算方法求解，計算結(jié)果整體偏于保守，因此安全系數(shù)較高。荷載的處理是荷載-結(jié)構(gòu)法的關(guān)鍵，目前主要通過經(jīng)驗公式或圍巖分級確定。荷載-結(jié)構(gòu)法適用于圍巖發(fā)生松弛和坍塌，并由支護結(jié)構(gòu)承擔荷載的情況。由于荷載及圍巖參數(shù)多采用統(tǒng)計值和經(jīng)驗值，也未考慮圍巖的非線性特征等，因此計算結(jié)果與實際情況存在一定差異。

圍巖-結(jié)構(gòu)法與荷載結(jié)構(gòu)法相反，是以圍巖作為承載主體，支護結(jié)構(gòu)限制圍巖向隧道內(nèi)變形，將支護結(jié)構(gòu)與圍巖視作為共同承受荷載的隧道結(jié)構(gòu)體系的一種解析設(shè)計方法。通過支護結(jié)構(gòu)與圍巖的共同作用確定壓力，利用連續(xù)介質(zhì)原理及變形協(xié)調(diào)條件計算結(jié)構(gòu)與圍巖的應力、應變。確定圍巖的初始應力場、材料參數(shù)及其變化情況等是圍巖-結(jié)構(gòu)法的關(guān)鍵，主要通過地勘和現(xiàn)場測試獲取地層參數(shù)，計算時也依賴設(shè)計人員的經(jīng)驗判斷。圍巖-結(jié)構(gòu)法適用于復雜地質(zhì)條件下的圍巖穩(wěn)定性及支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析。

2.3.2 經(jīng)驗設(shè)計方法

經(jīng)驗設(shè)計方法包括類比設(shè)計和標準設(shè)計。類比設(shè)計，是對具有類似圍巖條件、斷面型式、使用功能的既有隧道工程案例的綜合分析，開展新建隧道設(shè)計的方法。主要用于隧道支護參數(shù)的確定，包括類比工程的資料收集、與類比工程的對比分析、支護結(jié)構(gòu)參數(shù)的擬定、支護結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整等。采用類比設(shè)計時，需盡量滿足幾何相似性、物理相似性、荷載相似性、使用功能及施工方法的相似性。類比設(shè)計適用于地質(zhì)條件復雜、結(jié)構(gòu)受力不明確的隧道，但工程的安全性狀況還需要采用解析設(shè)計法進行驗證。

標準設(shè)計是根據(jù)隧道的埋深大小、圍巖級別、運輸方式、速度目標值、股道數(shù)量、軌道形式、防排水方式等內(nèi)容，依照標準圖、通用圖開展工程設(shè)計的方法。應用的前提是隧道斷面型式標準化、襯砌支護方式標準化、施工方法標準化，適用于圍巖條件(地形地質(zhì)埋深)和斷面型式、周邊環(huán)境的影響等條件均屬一般的情況。我國鐵路隧道標準設(shè)計主要內(nèi)容包括建筑限界、襯砌內(nèi)輪廓、設(shè)計荷載、結(jié)構(gòu)計算方法、支護結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)、襯砌斷面圖、建筑及防水材料、施工方法、監(jiān)控量測設(shè)計等。

2.3.3 信息反饋法

信息反饋法以施工前的地質(zhì)信息為主進行預設(shè)計和施工，并通過監(jiān)控量測信息修改預設(shè)計，施工與監(jiān)測同步，最終形成長期穩(wěn)定的洞室結(jié)構(gòu)體系，其設(shè)計流程見圖1。信息反饋法依賴監(jiān)控量測信息的真實性和準確性，量測數(shù)據(jù)分析依賴人工經(jīng)驗，且缺少完善的反饋理論、反饋計算方法。將量測數(shù)據(jù)與數(shù)值計算結(jié)果結(jié)合使用，能夠相對準確的反應圍巖及支護結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。隨著信息化手段的豐富以及在線協(xié)同管理平臺的發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)反饋信息的自動采集和分析，使結(jié)果比對更為便捷，有效提升了信息反饋設(shè)計的效率?，F(xiàn)場采用信息反饋法設(shè)計時，應盡可能采用自動測量、采集的設(shè)備和在線協(xié)同管理平臺，提高數(shù)據(jù)真實性、反饋及時性和閉環(huán)效率。

圖1 信息反饋法流程圖

2.4 現(xiàn)狀及問題

目前我國鐵路隧道建造以新奧法為主，經(jīng)驗設(shè)計法是我國隧道設(shè)計中最常用的方法，常結(jié)合理論分析方法及動態(tài)設(shè)計方法使用。其本質(zhì)是對于圍巖力學響應和支護結(jié)構(gòu)作用的認識不夠，對于支護與圍巖相互作用缺乏深入研究，導致設(shè)計方案缺乏科學性和可靠性。因此，應重視基礎(chǔ)理論研究，將理論知識應用到工程實踐，方能在支護設(shè)計上有所突破。

此外，現(xiàn)階段由于隧道設(shè)計理論與工程實踐仍存在差距，依據(jù)經(jīng)驗設(shè)計仍是有必要的，其應用的關(guān)鍵在于如何科學、系統(tǒng)地采用經(jīng)驗進行設(shè)計，統(tǒng)計學、模糊數(shù)學的引入使經(jīng)驗設(shè)計更具科學性。近年，大數(shù)據(jù)和人工智能的發(fā)展使經(jīng)驗設(shè)計法更具發(fā)展前景，但仍需解決地層及結(jié)構(gòu)真實數(shù)據(jù)獲取、標準化數(shù)據(jù)分析及判釋等問題。

隨著隧道建設(shè)增多，復雜地質(zhì)條件下的隧道建設(shè)更為普遍，尤其是復雜艱險山區(qū)鐵路面臨的高地應力巖爆、軟巖大變形、活動斷裂帶、高地溫等不良地質(zhì)條件，復雜高能地質(zhì)環(huán)境下的隧道建造設(shè)計及施工難度必將更大。

3 鉆爆法施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 鉆爆法施工概述

鉆爆法在我國鐵路隧道建造中有悠久的歷史，因其具有靈活多變、適應性強等優(yōu)勢，是我國鐵路隧道建造最廣泛采用的方法。自從衡(衡陽)—廣(廣州)鐵路復線大瑤山隧道引進了四臂液壓鑿巖臺車起，我國鐵路隧道鉆爆法施工開啟了機械化施工的序章。自此，在國內(nèi)隧道修建中基本得以堅持使用的機械設(shè)備有裝載機、挖掘機、干噴機、自卸汽車、混凝土輸送泵、鋼模板襯砌臺車等裝備。隨著隧道建造標準的提高，快速施工的要求，以及裝備技術(shù)水平的進步，我國從“整機進口，配件全力國產(chǎn)化”發(fā)展到擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的成套鉆爆法施工裝備。近50年以來，伴隨著青(西寧)—藏(拉薩)鐵路、京(北京)—滬(上海)高鐵、蘭(蘭州)—渝(重慶)鐵路、成(成都)—蘭(蘭州)鐵路、鄭(鄭州)—萬(萬州)高鐵、京(北京)—張(張家口)高鐵等眾多鐵路建設(shè)，我國使用鉆爆法建成了一批穿越軟巖、松散破碎圍巖、中硬巖、硬巖等各類圍巖條件的隧道，我國鐵路隧道建設(shè)理論與技術(shù)取得了長足發(fā)展。在充分總結(jié)施工材料、施工機具、施工組織和施工工藝各方面經(jīng)驗教訓的基礎(chǔ)上，形成了長大隧道鉆爆法大型機械化快速施工技術(shù)。目前，國內(nèi)鐵路隧道施工作業(yè)工序主要有超前地質(zhì)預報、隧道開挖、洞渣裝運、初期支護作業(yè)、檢鋪底作業(yè)、防排水作業(yè)、襯砌澆筑養(yǎng)護及施工監(jiān)控量測等。工程實踐顯示，在超前地質(zhì)預報、圍巖智能分級、精細化爆破、圍巖變形主動控制、高性能支護技術(shù)、機械化協(xié)同配套技術(shù)等方面，許多關(guān)鍵技術(shù)難題尚未取得突破。超前地質(zhì)預報快速、精準、定量化預報水平不高，圍巖質(zhì)量評價和分級依賴人工經(jīng)驗判斷；爆破對隧道施工環(huán)境影響大，開挖工法選擇尚未形成標準范式；支護時機難以精準把控，支護措施的選擇體系有待完善；防排水效果不佳，有效作用期限短，滲漏水問題仍是隧道主要問題之一；監(jiān)控量測及時性不夠，數(shù)據(jù)真實性、準確性有待提升；特殊結(jié)構(gòu)施工配套裝備及工法體系有待進一步完善；機械化施工裝備協(xié)同管理存在困難。因此，了解既有鐵路修建施工情況，明確新設(shè)備、新工藝在鐵路隧道鉆爆法施工中的應用現(xiàn)狀，對鐵路隧道鉆爆法建造技術(shù)發(fā)展是必要的。

3.2 超前地質(zhì)預報與圍巖質(zhì)量判釋

3.2.1 超前地質(zhì)預報方法

超前地質(zhì)預報方法包括地質(zhì)調(diào)查法、鉆探法和物探法等[27-29]，目前運用于鉆爆法的主要預報方法圖見圖2。

圖2 超前地質(zhì)預報主要方法

(1)地質(zhì)調(diào)查法

地質(zhì)調(diào)查法主要以觀察研究為基礎(chǔ)了解隧道周圍地質(zhì)體情況。地表補充調(diào)查一般在洞內(nèi)隧道預報前進行；掌子面素描和洞身素描都屬于洞內(nèi)地質(zhì)調(diào)查，掌子面素描應用更為廣泛。

掌子面素描能夠直接描述隧道開挖揭示的地質(zhì)情況，在鐵路隧道工程中一般為必選項，隨著其他學科的技術(shù)進步，基于圖像處理和識別技術(shù)的掌子面智能素描系統(tǒng)被開發(fā)并逐漸在隧道中應用。基于清晰度、分類和相似度通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對掌子面圖像質(zhì)量進行評價[30]。利用點云數(shù)據(jù)重構(gòu)掌子面三維地質(zhì)，可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)面信息自動提取[31]。基于數(shù)碼攝像重構(gòu)二維掌子面裂隙模型，利用掌子面巖體結(jié)構(gòu)RBI指標玫瑰花表征方法，建立掌子面巖體結(jié)構(gòu)6種類型量化指標，可初步實現(xiàn)隧道軸向巖體完整性預測[32]。

(2)鉆探法

鉆探法在復雜地質(zhì)條件應用較多，是最直接的預報方法。超前水平鉆探利用鉆探設(shè)備揭露掌子面前方地質(zhì)體信息，能夠獲得較完整的地質(zhì)資料。加深炮孔是在鉆取炮孔時通過加大單個或多個炮孔深度獲取前方短距離的地質(zhì)體信息。

隨著鉆探設(shè)備的發(fā)展，隨鉆預報技術(shù)在隧道中的應用也越來越多。目前國產(chǎn)臺車已經(jīng)實現(xiàn)了隨鉆測量鉆孔壓力、鉆孔速度、鉆桿旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)實時獲取，通過隨鉆測量(Measurement While Drilling，MWD)軟件分析掌子面前方巖石軟硬程度，判斷前方有無水體、溶洞、斷層、裂隙等。超長(>1 000 m)鉆探預報也已經(jīng)開始應用于隧道中，F(xiàn)SC-100超長鉆孔控制鉆機最大鉆孔長度可達1 200 m。

在利用隨鉆技術(shù)獲取更多地質(zhì)體信息研究方面，現(xiàn)場鉆孔過程監(jiān)測(Drilling Process Monitoring，DPM)技術(shù)為利用鉆進速度區(qū)分巖體提供了途徑[33-34]?；阢@機鉆進的壓力、流量、溫度、振動、應力、轉(zhuǎn)速及位移等工作參數(shù)，能夠?qū)Φ貙拥刭|(zhì)界面進行有效識別[35]。通過鉆壓、扭矩與每轉(zhuǎn)進給量之間的關(guān)系曲線推導的巖石的抗壓強度、彈性模量、內(nèi)摩擦角及黏聚力的計算公式，證明了通過旋進式觸探試驗獲取巖石基本力學參數(shù)的可行性[36]。

(3)物探法

物探法主要利用彈性波、磁場、電場等探測掌子面前方地質(zhì)條件。負視速度法采用直線觀測方式，通過反射界面兩側(cè)的巖性具有明顯的波阻抗差異進行探測[37]。地震波反射法(Tunnel Seismic Predicition，TSP)采用一維布置的直線觀測方式，對界面預報較準確，但在定位精度和巖體類別劃分方面有所不足[38]。真正反射層析成像法(True Reflection Tomography，TRT)采用空間觀測方式，通過地震偏移成像技術(shù)進行數(shù)據(jù)處理，可提高地質(zhì)體的定位精度[39]。地震斷層掃描成像法(Tunnel Seismic Tomography，TST)采用空間觀測方式，對地質(zhì)構(gòu)造復雜地區(qū)的隧道超前地質(zhì)預報具有較好的應用效果[40-41]。陸地聲納法波即陸上極小偏移距高頻(寬頻)彈性波反射連續(xù)剖面法，在掌子面上設(shè)水平和鉛垂兩條測線，采用錘擊震源，該方法能量更為集中，對中小規(guī)模的溶洞和與軸線小角度相交的異常體有較好的探測效果[42-44]。水平聲波剖面法(Horizontal Sonic Profiling，HSP)法激發(fā)點和接收點布置在隧道兩側(cè)，能確定主要反射界面，對于復雜地質(zhì)條件的多反射界面處理較困難[45]。電磁波反射法利用電磁波雙程走時差別，探測地質(zhì)體形態(tài)和屬性，對賦水構(gòu)造探測效果好[46]。電法預報利用地質(zhì)體電性差異進行探測，對水文地質(zhì)構(gòu)造具有較好的預報效果[47-48]。紅外探測法利用含水體與圍巖溫差引起的溫度場變化進行探測，主要用于對掌子面前方水體的預報[49]。

目前物探類預報方法在距離、準確率、解譯方法等方面較之前已經(jīng)有了很大改善。基于有限差分法進行正演模擬，根據(jù)隧道典型不良地質(zhì)體的地震波傳播規(guī)律與響應特征，采用三向偏移距的空間觀測方式，通過錘擊或機械激震，可獲取較準確三維波速、提高定位精度[50]。采用剩余曲率分析及層剝離策略進行偏移速度建模，可提高數(shù)據(jù)處理的效率[51]。在水體探測方面，隧道中的攜帶距離加權(quán)函數(shù)的反演成像理論通過引入深度加權(quán)函數(shù)抵消核函數(shù)隨深度增加而快速衰減的影響，實現(xiàn)了隧道掌子面前方較遠距離異常體的定位。

攜帶加權(quán)函數(shù)的三維電阻率反演目標函數(shù)為

(3)

式中:φd為實際觀測數(shù)據(jù)與理論正演觀測數(shù)據(jù)的方差;λ為拉格朗日常數(shù);φm為相鄰的網(wǎng)格電阻率的差異程度;Wd為數(shù)據(jù)加權(quán)函數(shù)的對角矩陣;Δd為實際觀測數(shù)據(jù)與正演理論觀測數(shù)據(jù)的差向量;Δm為模型參數(shù)的增量向量;C為光滑度矩陣;A為偏導數(shù)矩陣。其中，

(4)

攜帶加權(quán)函數(shù)的三維電阻率反演方程為

(5)

通過攜帶加權(quán)函數(shù)的三維電阻率反演方法，可實現(xiàn)掌子面前方30 m范圍內(nèi)含水體的三維成像和定位[52-53]。

(4)綜合預報法

綜合預報法即綜合運用多種預報方法以提升預報的準確率，我國早在20世紀80年代就開展了簡單的綜合預報應用，目前的隧道建設(shè)均采用綜合預報的手段，并提出了“以地質(zhì)分析為核心，綜合物探與地質(zhì)分析相結(jié)合，洞內(nèi)外結(jié)合，長短預測結(jié)合以及物性參數(shù)互補”的綜合預報原則[54]。利用掌子面素描確定地質(zhì)雷達預報時機和方案，在隧道斷層和涌水段預報中具有較好的效果[55]。隧道施工期地質(zhì)災害超前地質(zhì)預報專家系統(tǒng)，能夠根據(jù)不同巖性、構(gòu)造、水文條件自動生成預報方法建議[56]。地質(zhì)雷達結(jié)合地震波反射法和地質(zhì)調(diào)查法進行綜合預報，對斷層破碎帶、富水帶的預報結(jié)果可靠[57]?；陉懙芈暭{法、瞬變電磁法和復合式激發(fā)極化法的綜合預報方法，對斷層、破碎帶、溶洞、暗河和地下水的預報效果良好[44]。綜合預報中過程彼此獨立而無法有效避免多解性，通過地質(zhì)調(diào)查和鉆探約束探測區(qū)域電阻率變化范圍，通過地震反射、探地雷達或鉆探結(jié)果約束空間結(jié)構(gòu)，結(jié)合綜合解釋減少數(shù)據(jù)處理和解釋結(jié)果的多解，可提高預報精度[58]。

3.2.2 圍巖質(zhì)量評價和分級

由于所涉及的因素具有多樣性、可變性和不確定性等特點，使圍巖質(zhì)量評價和分級成為一個極為復雜的系統(tǒng)性問題[59]。國外學者提出了Terzaghi分級、巖石質(zhì)量指標分級(Rock Quality Designation，RQD)、地質(zhì)力學分級(Rock Mass Rating，RMR)、巖體指數(shù)分級(Rock Mass Index，RMI)、地質(zhì)強度指標分級(Geological Strength Index，GSI)等。國內(nèi)學者提出了巖體質(zhì)量系數(shù)Z分級、隧道工程巖體質(zhì)量分級(Rock Mass Quality，RMQ)、工程巖體基本質(zhì)量指標(Basic Quality，BQ)分級、鐵路隧道分級等。

根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[60]，鐵路隧道圍巖分級首先由巖石堅硬程度和巖體完整程度兩個因素確定圍巖基本分級。其中巖石堅硬程度和巖體完整程度采用定性劃分和定量指標兩種方法綜合確定。巖石堅硬程度按照單軸飽和抗壓強度Rc以及錘擊及浸水后反應進行確定；巖體完整程度按照結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度、主要結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度、主要結(jié)構(gòu)面類型、巖體完整性指數(shù)Kv以及巖體體積節(jié)理數(shù)Jv確定。并結(jié)合圍巖基本質(zhì)量指標BQ值，將圍巖分為Ⅰ至Ⅵ級，Ⅰ級最好，Ⅵ級最差。在此基礎(chǔ)之上，結(jié)合隧道工程的特點，考慮地下水出水狀態(tài)、初始地應力狀態(tài)、主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀狀態(tài)等因素進行修正，修正過程中采用定性修正與定量修正相結(jié)合的方法綜合分析確定圍巖級別。

隨著鉆孔攝像技術(shù)、高光譜成像技術(shù)、三維數(shù)碼攝像、激光掃描技術(shù)、隨鉆測量技術(shù)、人工智能技術(shù)等的開發(fā)和應用以及與數(shù)學方法的深度結(jié)合，為圍巖分級定量化、自動化研究提供了強有力的技術(shù)保障。

基于層次分析法和熵值法利用主、客觀權(quán)重形成組合權(quán)的形式對圍巖穩(wěn)定性影響指標賦予權(quán)重，能夠減少人為主觀影響，避免單一客觀權(quán)重的差異[59]。基于粗糙集和理想點法的隧道圍巖分類模型，將直接賦予權(quán)重轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^實際工程樣本求解分配影響因素權(quán)重，可降低圍巖分級對工程經(jīng)驗的需求[61]?；谛颖痉诸惼?支持向量分類算法的隧道施工期圍巖快速分級系統(tǒng)，可提高機器分級準確率[62-63]?；谌斯ぶ悄芗夹g(shù)開發(fā)的面向?qū)ο蟮膰鷰r分級專家系統(tǒng)，采用巖石堅硬程度、巖體完整程度和修正因素3類指標，按照定性和定量劃分，可為實際工程圍巖分級提供參考意見[64]。

以手機作為數(shù)據(jù)采集、傳輸和反饋樞紐，以云計算平臺為數(shù)據(jù)處理中心，融合巖體力學與三維幾何地質(zhì)信息自動識別算法[65]，可自動計算圍巖分級指標并智能匹配支護設(shè)計圖，其流程見圖3?？砂凑誃Q分級、RMR分級、GSI分級輸出評價結(jié)果，現(xiàn)場應用驗證了其可靠性。

圖3 圍巖自動評價流程

某高鐵隧道利用圍巖智能分級及預測系統(tǒng)對圍巖進行自動分級。具備項目基本信息查詢、項目進度控制、實時動態(tài)分級、圍巖級別變更、圍巖級別預測、圍巖級別驗證及歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。圍巖分級及預測是利用隨鉆測量參數(shù)(推進速度、推進壓力、沖擊壓力、回轉(zhuǎn)壓力、水壓力和水流量)、自動掌子面素描以及勘察設(shè)計資料、超前地質(zhì)預報資料構(gòu)建圍巖地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫，并基于隨鉆參數(shù)和掌子面信息與圍巖級別的對應關(guān)系對圍巖進行智能分級，見圖4，進而通過對比不同掌子面的圍巖分級情況，預測前方圍巖級別，見圖5。

圖4 圍巖智能分級

圖5 圍巖級別預測

3.3 開挖施工技術(shù)

3.3.1 鉆爆開挖技術(shù)

鉆爆開挖技術(shù)是工法實施的載體，其直接作用于巖體，良好的爆破能很大程度減小隧道開挖對巖體及周圍環(huán)境的影響，同時控制超欠挖，提高開挖質(zhì)量。

鉆爆開挖產(chǎn)生的振動對圍巖體及周邊建筑結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生影響，嚴重情況下，會導致圍巖失穩(wěn)、建筑結(jié)構(gòu)破壞，對鉆爆開挖的影響評估是鉆爆作業(yè)實施的必備環(huán)節(jié)。鉆爆開挖振動場具有拱頂最強、掌子面后方次之、掌子面前方最弱的規(guī)律[66]。減振爆破能夠降低爆破振動對圍巖和臨近建(構(gòu))筑物的影響，爆破引起的振動主要受到炸藥種類、用量、炸藥單耗、裝藥結(jié)構(gòu)、爆破方式與方法、起爆方式、爆源位置、圍巖介質(zhì)體物理力學性質(zhì)、局部場地條件與地質(zhì)構(gòu)造、地形與地質(zhì)條件、建(構(gòu))筑物類型與類別、爆心距等因素的影響。使用電子雷管較非電毫秒導爆管雷管，減振效果可達60%以上[67]。大跨小間距隧道開挖時，通過鉆爆振動監(jiān)測，并采用中夾巖側(cè)上臺階“前后錯落三部”同步爆破施工的CD法，可有效減小臨近爆破振動影響[68-71]。采用非對稱起爆技術(shù)，使掏槽炮孔與掌子保持一定角度，炮眼按淺密原則布置，控制單眼裝藥量，使炸藥均勻分布在被爆破體中，通過分部開挖和分段起爆，能夠降低隧道爆破的振動強度[72]。

精細化開挖技術(shù)在鉆爆隧道中主要指“精細爆破”，文獻[73-74]基于大量工程實踐和理論研究，結(jié)合爆破技術(shù)現(xiàn)狀，總結(jié)并于2008年首次提出其概念。精細爆破是指通過定量化的爆破設(shè)計、精心的爆破施工和精細化的管理，進行炸藥爆炸能量釋放與介質(zhì)破碎、拋擲等過程的精密控制，既達到預期的爆破效果，又實現(xiàn)爆破有害效應的有效控制，最終實現(xiàn)安全可靠、技術(shù)先進、綠色環(huán)保及經(jīng)濟合理的爆破作業(yè)。平寨隧道引入“精細爆破”理念，通過改進臺架，實現(xiàn)上下臺階同步鑿巖爆破，并通過炮孔密度設(shè)計、藥量控制以及優(yōu)化起爆順序，實現(xiàn)了在不良圍巖段的精細化開挖[75]。在烏干達卡魯瑪水電站尾水隧洞爆破中，通過爆破精細化管理，實現(xiàn)光面爆破半孔率達90%以上，有效提高了爆破開挖質(zhì)量[76]。為了實現(xiàn)隧道開挖的精細化控制，采用“鉆爆+銑挖”組合也逐漸被運用于隧道開挖，該組合方法在不良圍巖段采用銑挖作業(yè)，在圍巖條件較好區(qū)段通過爆破形成欠挖臨空面，再采用銑挖作業(yè)，具有適用工況多、開挖輪廓圓順、超欠挖控制質(zhì)量高的特點[77]；在高地應力隧道，還可采用“鉆爆+銑挖”組合在中導洞提前釋放應力。此外，采用水壓爆破技術(shù)提高爆破能量利用效率，降低對隧道施工環(huán)境的影響也逐漸成為一種趨勢。

3.3.2 開挖工法

鉆爆法開挖工法主要包括全斷面法、臺階法以及分部開挖法等。

全斷面法是通過開挖作業(yè)一次完成斷面開挖的施工方法，在條件允許的前提下是首選工法。一般適用于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級圍巖，Ⅳ、Ⅴ級圍巖在采取超前支護并穩(wěn)定后，也可采用全斷面法開挖，新意法就是基于該原則進行全斷面開挖。全斷面法由于作業(yè)面大，可以采用大型機械化設(shè)備配套作業(yè)，優(yōu)化配置多工序同時作業(yè)，提高施工效率。同時可利用深孔爆破降低開挖循環(huán)時間，增加循環(huán)進尺，提高開挖質(zhì)量和經(jīng)濟性。京(北京)—張(張家口)高鐵八達嶺隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖采用全斷面開挖，爆破設(shè)計見圖6。利用三臂鑿巖臺車一次鉆眼，設(shè)計使用1、3、5、7、9～16共12個段別，一次爆破，月進度可達到200～300 m/月。

圖6 八達嶺隧道爆破設(shè)計(單位：cm)

臺階法有兩臺階法、三臺階法以及三臺階預留核心土法等，采用分臺階開挖，先開挖上臺階，待開挖至一定長度后再開挖下部臺階。一般適用于Ⅲ級圍巖，Ⅵ、Ⅴ級圍巖在采取超前支護并穩(wěn)定后，也可采用臺階法。施工時應根據(jù)圍巖條件合理確定臺階長度和臺階數(shù)量，施工過程中應采取必要措施，減少對圍巖及支護的擾動。京(北京)—張(張家口)高鐵八達嶺隧道部分區(qū)段圍巖變化頻繁，風化差異明顯，為了應對因圍巖頻繁變化而引起的工序不斷調(diào)整，采用微臺階法進行開挖。采用1臺三臂鑿巖臺車上下臺階同時鉆眼，同時爆破、同時出碴，縮短工序間的銜接時間。臺階長度為3～5 m。利用爆破作用力將上臺階石碴翻至下臺階，剩余少量石碴采用挖掘機翻至下臺階。上臺階初支作業(yè)采用拱架安裝機和混凝土噴射機械手在下臺階進行施工。采用鎖腳錨桿及系統(tǒng)錨桿對上臺階進行支護，下臺階開挖后，應杜絕全部鋼架懸空現(xiàn)象，防止上臺階發(fā)生掉拱。在施工中必須嚴格控制下臺階的開挖進尺。保證上臺階長度3～5 m。Ⅵ級圍巖微臺階法月進度達到80～120 m/月。

分部開挖法有中隔壁法、雙側(cè)壁導坑法等，是對整個斷面自上而下分多步開挖的方法。中隔壁法一般適用于自穩(wěn)能力較差的地層的隧道施工，一般為Ⅵ、Ⅴ級圍巖、淺埋或軟弱圍巖大斷面隧道。當大斷面隧道圍巖自穩(wěn)能力極差時，還可采用交叉中隔壁法。雙側(cè)壁導坑法一般用于Ⅴ、Ⅵ級圍巖的大斷面隧道或下穿建筑物的隧道施工。分部開挖法施工時應及時進行初期支護，盡早封閉成環(huán)。京(北京)—張(張家口)高鐵八達嶺地下車站大跨段開挖時采用了“品”字形開挖工法，見圖7。實際上是也是一種分部開挖法，采用“頂洞超前、分層開挖、預留核心、重點鎖定”的理念。施工時，首先開挖頂洞(1)部，超前探明地質(zhì)并采取必要的加固措施；然后按照“預留核心、自上而下、先兩邊后中間”的方式進行(2)—(7)部分層、分步開挖；最后逐步開挖(8)—(11)部核心土及仰拱，施工中每開挖一部，即進行支護。在圍巖穩(wěn)定性控制和結(jié)構(gòu)安全方面取得了良好的效果。

圖7 “品”字形開挖工法

3.4 支護施工技術(shù)

隧道支護包括超前支護、初期支護和二次襯砌。我國鐵路隧道支護包括超前管棚、錨桿、噴射混凝土、鋼架等支護構(gòu)件，可根據(jù)地質(zhì)條件、支護目的等因素合理選用單一構(gòu)件或組合使用，形成靈活多變、協(xié)同作用的聯(lián)合支護。

隧道支護設(shè)計包括主動和被動支護，其施工現(xiàn)狀主要是被動支護[78]。根據(jù)我國隧道工程經(jīng)驗提出的“主動控制變形”的理念，認為被動支護是指由初期支護、二次襯砌等方式通過外部支護作用防止圍巖變形的支護類型；主動支護是指通過錨桿、錨索以及注漿等方式，充分發(fā)揮圍巖自身承載能力的支護方式[79]。因此支護結(jié)構(gòu)的作用包括協(xié)助圍巖承載，提供支護力；改善圍巖力學性能和完整性，調(diào)動圍巖自承載能力[80]。通過被動支護和主動支護協(xié)同工作，達到結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定的目的。

3.4.1 超前支護

超前支護是在隧道掌子面或沿掌子面輪廓超前施作的管棚、導管、鋼板、錨桿或注漿、凍結(jié)、預切槽、預襯砌等一系列施工技術(shù)的總稱。我國隧道施工通常將超前支護視為軟弱松散圍巖中加固掌子面前方圍巖、降低地表沉降、增強隧道穩(wěn)定性的輔助施工措施，其主要目的是防止隧道坍塌，保證安全施工。超前核心土為控制隧道變形、確保隧道穩(wěn)定性的工具，通過合理的超前支護可以在軟弱圍巖等不良地質(zhì)中可實現(xiàn)全斷面開挖。

根據(jù)超前支護作用機理的不同，超前支護包括地層改良類和預支護類。前者通過注漿、凍結(jié)等方法，主動提高超前核心土及附近圍巖的物理力學參數(shù)，保護和加強圍巖，使之具備良好的剛度和強度，從而控制圍巖變形；后者通過在超前核心土周圍施作超前管棚等結(jié)構(gòu)性措施，提前對其支護。

注漿以加固圍巖、止水為目的，不同地層注漿效果差異較大，如向砂質(zhì)土注漿效果遠好于黏性土。因此，要采用與圍巖性質(zhì)相適應的地層改良方式。凍結(jié)法適用于涌水、巖質(zhì)松散地層，為臨時加固方式，在山嶺隧道中采用較少，但臨時加固效果和止水效果好，可靠性高，缺點是作業(yè)周期長。

管棚法是通過在隧道開挖前沿隧道外周布設(shè)充填砂漿的鋼管，使軟弱圍巖形成微拱達到支護的目的。一般采用的直徑70～180 mm的鋼管，施工長度約30 m，施工范圍在拱部120°左右，打設(shè)間隔約30 cm。多用于隧道近接施工，由于需要設(shè)置反力壁等較大臨時設(shè)備，其施工效率較低。管棚的配置間隔應考慮以下情況決定：地層物性參數(shù)、地下水發(fā)育程度、荷載、水平鉆孔的施工精度、隧道開挖方法。

超前小導管一般用直徑50 mm，長度小于5 m的無縫鋼管。沿隧道拱部環(huán)向布置插入松軟地層，傾角一般為5°～10°，尾部采用鋼筋焊接加固。小導管，間距大約30～40 cm，搭接長度一般大于1.0 m。小導管前端設(shè)置為尖錐狀，管壁每隔10～20 cm梅花形鉆眼。采用跳孔施工或串漿孔同時注漿的方式，一般以0.5～1.0 MPa壓力注入水泥漿或化學漿液。

3.4.2 初期支護

“錨桿+噴混凝土”、“錨桿+鋼拱架+噴混凝土”是初期支護常用方式。目前采用“預制裝配式拱架網(wǎng)片一體化結(jié)構(gòu)”的支護理念也開始流行，具體方法是安裝裝配式鋼拱架，拱架之間用螺紋鋼連接，鋼拱架間施作短錨桿并架立環(huán)向鋼筋網(wǎng)，然后噴射混凝土，形成新型被動支護。除支護理念，初期支護的材料也對支護效果有決定性作用。

(1)錨桿(索)支護

我國隧道錨桿支護采用最多的是普通砂漿錨桿。由于錨固力增長緩慢、拱部安裝困難、墊板及螺母施工不到位等，導致錨桿支護作用降低，對圍巖初期變形控制效果不佳。近些年來我國已研制有多種類型的高性能錨桿，且已在工程中得以應用，取得了較好的工程實施效果。

低預應力中空錨桿針對普通砂漿錨桿支護力滯后、加固效果不易控制的問題，通過施加預應力對圍巖進行快速、主動支護，并通過桿體中空孔腔由內(nèi)向外壓注錨固介質(zhì)，在保證加固效果的同時，促使圍巖形成承載拱，從而有效控制圍巖松弛圈的發(fā)展，提升圍巖自支護能力。自進錨桿針對松軟破碎地層中錨桿成孔困難、鉆孔拔出即塌孔的問題，將錨桿的桿體作為鉆進的鉆桿和注漿管，鉆進過程中，根據(jù)地層破碎情況用水泥漿液加固地層，是對普通中空注漿錨桿在破碎地層和土層區(qū)域的進一步拓展。讓壓錨桿、恒阻大變形錨桿(索)針對大變形隧道及深部地下工程圍巖變形控制問題，通過錨桿的摩擦滑移或在桿體中部與端頭增加屈服元件，或采用延伸率高(15%～20%)的鋼材，來實現(xiàn)在高地應力作用下主動卸壓，從而更好地保持圍巖的穩(wěn)定。玄武巖、玻璃等纖維錨桿也逐漸成熟，主要應用于掌子面或擴挖導洞等需要將錨桿切斷的場景?？炷鐝娝嗷{材料、快凝早強水泥卷錨固劑、樹脂卷錨固劑等新型錨固材料應用注漿增多，為加快錨固施工，實現(xiàn)錨固體系優(yōu)質(zhì)高效、經(jīng)濟環(huán)保提供了保障。

(2)噴射混凝土支護

自20世紀60年代我國開始使用噴射混凝土，迄今已有60余年，我國噴射混凝土材料及施工技術(shù)已經(jīng)進入了高性能時代，可有效解決傳統(tǒng)噴射混凝土僅考慮強度指標，且早期強度低、后期強度損失大，回彈率高，密實性差，耐久性低等問題。

①早高強噴射混凝土

硬化特性是噴射混凝支護作用主要影響因素之一，通過早期形成高強度噴射混凝土層對圍巖變形進行控制，并封閉圍巖防止風化。早高強噴射混凝土的制備措施通常包括：采用低水膠比，提高基準強度；使用早強型無堿速凝劑、早強劑等摻合料和外加劑，如中國鐵道科學研究院集團有限公司研制的早強型無堿速凝劑具有早期強度高、氯離子含量低、均質(zhì)性好等特點，對常規(guī)水泥具有普遍適應性，低溫穩(wěn)定性良好?；谠撍倌齽┘霸鐝妱┑?，研發(fā)了早高強噴射混凝土，依托高家坪隧道開展了現(xiàn)場試驗，在齡期強度、回彈率、混凝土用量、施工工效等方面效果良好，見表1。

表1 早高強噴射混凝土試驗結(jié)果

②纖維噴射混凝土

纖維噴混凝土技術(shù)極大的拓展了噴混凝土的應用范圍，不僅用于特殊結(jié)構(gòu)補強，在具備高耐久性和韌性后，還可替代模筑混凝土，能夠充分利用圍巖的自承載能力，將噴鋼纖維混凝土單層襯砌作為隧道的永久襯砌，這在世界各國有著廣泛的工程應用。在澳大利亞，以高性能結(jié)構(gòu)合成纖維為筋材的纖維噴射混凝土應用迅速增長，并在悉尼M5東隧道作為永久支護。意大利約30%的噴混凝土含有纖維補強材料。日本約24%的年產(chǎn)混凝土為纖維噴射混凝土。挪威法錨噴支護采用鋼纖維混凝土取代鋼筋網(wǎng)，多數(shù)情況下采用錨噴支護作為永久支護。相比于鋼筋網(wǎng)，采用濕噴纖維噴射混凝土能有效避免鋼筋網(wǎng)導致的不密實、應力集中、安裝費時等問題。

我國對鋼纖維噴射混凝土研究和應用主要集中在礦山巷道、水工隧洞和少量的交通隧道。近年來，隨著纖維類型、高效外加劑、先進施工裝備和施工工藝發(fā)展，鋼纖維噴射混凝土的應用逐步擴大。

(3)噴射混凝土施工機具及施工技術(shù)

緊隨混凝土材料技術(shù)發(fā)展步伐，以及信息化智能化技術(shù)的應用，目前噴混凝土施工技術(shù)已經(jīng)全面實現(xiàn)機械化，向信息化、智能化過渡。國內(nèi)許多廠家生產(chǎn)了多種型號的濕噴機械手，滿足不同噴射效率、作業(yè)覆蓋范圍等需求。針對噴射混凝土自動化的技術(shù)，已經(jīng)實現(xiàn)高效均勻地噴射出指定厚度噴層，正在研究基于三維激光掃描獲取噴射基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并根據(jù)洞壁條件確定最佳噴射程序相關(guān)技術(shù)。

3.4.3 二次襯砌

二次襯砌一般情況下作為安全儲備設(shè)置，在一些地質(zhì)條件較差的地層中，則要求發(fā)揮承受后期荷載和長期耐久性的功能。襯砌施作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括澆注、搗固及養(yǎng)護。隧道襯砌采用襯砌臺車分層逐窗進行澆注，由于臺車模板封閉，難以準確判斷混凝土澆注是否飽滿，常導致提前終止?jié)沧⒍纬煽斩?。澆注壓力也會對襯砌質(zhì)量產(chǎn)生影響，帶壓澆注與無澆注壓力的襯砌強度試驗對比結(jié)果表明：澆注壓力在40 kPa左右時，混凝土的抗壓強度比沒有澆注壓力的混凝土強度增加約28%[81]。此外，襯砌施作時機不當、臺車端部封閉不嚴、搗固不密實，養(yǎng)護不到位也會引起襯砌質(zhì)量問題。

在技術(shù)及裝備方面，隧道拱頂空洞帶模注漿成套技術(shù)，通過對既有臺車進行改造，增加注漿管的方式，有效解決了隧道二次襯砌施作拱頂易形成空洞的問題[82]。新型智能襯砌模板臺車，采用帶壓澆注方式、組合式振搗技術(shù)、多端頭可選式設(shè)計，避免了傳統(tǒng)臺車作業(yè)弊端，在提升襯砌整體施作質(zhì)量方面應用效果良好。隧道襯砌智能養(yǎng)護臺車，能夠自動檢測襯砌溫濕度，并自動進行調(diào)控，降低人為因素的干擾，可有效提高襯砌混凝土養(yǎng)護治質(zhì)量。

襯砌施工期在線監(jiān)測技術(shù)對二次襯砌施工質(zhì)量控制具有主要作用[83]，該技術(shù)針施工期襯砌混凝土處于固、液、氣三相混合的狀態(tài)且封閉于模板內(nèi)，地質(zhì)雷達、聲波檢測的傳播與反射被抑制的問題，利用預埋式傳感器監(jiān)測空洞；采用陣列式排布方式，基于智能判識系統(tǒng)，實現(xiàn)自動判識。該技術(shù)在京(北京)—張(張家口)高鐵八達嶺隧道進行了應用，應用效果良好。

3.5 防排水施工技術(shù)

地下水對隧道的作用可能伴隨隧道的整個生命周期，許多隧道出現(xiàn)病害都與地下水的作用有關(guān)。處理好地下水與隧道的關(guān)系是十分重要的。隧道地下水處理對策主要分為“排水”和“堵水”兩類，制定隧道控制地下水的對策需要同時考慮隧道施工對地下水的影響以及地下水對隧道施工的影響，大量工程實踐證明，“排”與“堵”結(jié)合是控制地下水最有效的方法[84]。

鐵路隧道防水分為四個等級，一級要求最高，依次遞減。隧道防水包括混凝土結(jié)構(gòu)自防水和防水板防水，必要時通過注漿改善地層以提高防水能力，其中隧道接縫為防水重點部位。要做好隧道防排水工作在設(shè)計階段首先要了解隧址區(qū)水文地質(zhì)條件、氣候條件以及生態(tài)環(huán)境等，針對性進行初步設(shè)計；根據(jù)隧道開挖揭露的地質(zhì)情況以及超前地質(zhì)預報信息，對設(shè)計做好適應性調(diào)整；加強施工期間防排水作業(yè)過程管理，提升作業(yè)質(zhì)量；施工后查漏補缺，對出現(xiàn)問題隧段明確原因，及時進行處置。

我國疆域遼闊，隧道建設(shè)面臨的地質(zhì)條件復雜多樣，山區(qū)、高原、水下等特殊環(huán)境隧道建設(shè)案例并不罕見，且呈遞增之勢。以宜萬鐵路隧道建設(shè)為例，宜萬鐵路隧道具有巖溶廣泛發(fā)育、隧址區(qū)高壓富水等特點，對充填型溶腔進行富水分級，按照涌水量分為A～E共5個等級，提出對A、B級特大爆噴型和大量突水型在分析排放水對地表環(huán)境影響的基礎(chǔ)上采用“排水減壓、注漿加固、綜合治理”的原則，C級突水溶腔采用“以堵為主，堵排結(jié)合”的原則，或采用“排水減壓、注漿加固”的原則，D、E級的溶腔或溶管水采用“以堵為主”的巖溶水治理原則，并對不良地質(zhì)富水段通過全斷面超前注漿技術(shù)與超前大管棚預支護配合治理，取得較好的治理效果[85]。在高原嚴寒地區(qū)富水隧道可采取以泄水洞為主，輔以保溫防寒水溝、保溫中心水溝和伴熱電纜采暖式水溝的綜合防排水措施[86]。鉆爆法淺埋水下隧道可采用“以堵為主，限量排放”的原則[87]，也可采用主動控制式防排水方案，通過圍巖抗?jié)B性預測、堵水系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計、初期支護優(yōu)化設(shè)計、二次襯砌安全設(shè)計實現(xiàn)主動控制式防排水[88]。

目前采用的鐵路隧道新型防排水系統(tǒng)，可有效避免傳統(tǒng)防排水施作效率較低、質(zhì)量難以把控等問題。

拱墻部位防排水層設(shè)置于初期支護與二次襯砌之間，可采用自粘式防排水板，其施工工藝流程見圖8。自粘式防排水板為集防水與排水功能為一體式結(jié)構(gòu)，改“線排水”為“面排水”，在保證防水能力的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了拱墻防排水結(jié)構(gòu)形式，提高排水能力，避免了上部排水系統(tǒng)堵塞風險，確保及時排走透過初期支護的地下水，保證襯砌背后不積水、無水壓。粘貼式鋪掛避免了防水板本體破損，提高了防水能力與初期支護密貼度。

圖8 粘貼式鋪掛工藝流程

接縫部位采用接縫自粘式止水帶加強隧道與混凝土的黏接力。自粘膠層與止水帶基材通過機械嵌合力、分子間力和化學鍵力等牢固黏接。在混凝土水化過程中產(chǎn)生大量水化熱，其溫度能達到70～80 ℃，在這個環(huán)境溫度下自粘膠就會軟化并產(chǎn)生黏性，黏性自粘膠由于水化反應形成孔內(nèi)負壓被吸入毛細孔中，隨混凝土固化及冷卻形成緊密膠結(jié)層封閉滲水通道，增強隔水性能，止水機理見圖9。

圖9 自粘式止水帶止水機理

采用可維護的理念設(shè)計并施作隧底預制裝配式系統(tǒng)及排水盲管、塑料檢查井、管件等構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式及連接構(gòu)造。隧底排水管路縱橫交錯、四通八達、連接順暢，排水構(gòu)件均采用工廠預制標準件，內(nèi)壁高平順性及光滑度；增設(shè)耐沾污涂層，有效緩解排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞，提高了排水能力；增設(shè)仰拱下縱向排水盲管，并與中心水溝單向連通，降低隧底上拱風險。塑料檢查井及排水管等高分子材料構(gòu)件不會開裂滲漏，接頭標準件防水措施可靠，同時強化了接頭、破損處的密封處理等細部構(gòu)造要求，提高了防水能力。

洞室采用丙烯酸鹽作為防水噴射層材料，其施工工藝見圖10。丙烯酸鹽聚合反應可形成類似于硫化橡膠的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該反應在短時間內(nèi)分子質(zhì)量驟增，形成具有良好彈性和隔水性能的防水膜，并且耐候性好，綠色安全。

圖10 丙烯酸鹽噴膜防水施工流程

基于全壽命周期與預防性養(yǎng)護原則，在整體系統(tǒng)、構(gòu)件形式及連接構(gòu)造設(shè)計上應充分考慮運營期可維護性。整體系統(tǒng)連接順暢通達；檢查井及中心主排水管等均采用大尺寸構(gòu)件，便于疏通維護操作；排水管件連接均采用圓弧過渡，易于維護裝置在管道內(nèi)前行。維護裝置疏通基本原理為噴射機構(gòu)將壓力能轉(zhuǎn)換成高度聚集的水射流動能，利用反作用力產(chǎn)生推力，噴頭可以自行爬行前進，同時并以破碎、切劈、剝脫等物理形式作用在結(jié)晶體上，結(jié)合噴頭自身的旋轉(zhuǎn)切割，分解粉碎結(jié)晶體。而后在卷管器拉動下高壓膠管后移，利用噴頭高壓水射流將剩余雜物沖至管外，達到疏通排水管道效果。

3.6 施工監(jiān)控量測

鐵路隧道監(jiān)控量測是隧道設(shè)計和修正支護結(jié)構(gòu)的形式和參數(shù)、正確選擇開挖方法和支護結(jié)構(gòu)施作時間、評價隧道施工和長期健康狀態(tài)的依據(jù)。監(jiān)測項目包必測項和選測項。隧道監(jiān)控量測應根據(jù)地質(zhì)條件、周邊環(huán)境、隧道埋深、斷面尺寸、開挖方法和設(shè)計要求綜合確定。一般來說，監(jiān)測項目大致分為位移、應力和變異3類。當前隧道監(jiān)控量測將隧道斷面的收斂量測(位移量測)作為重點，主要是由于位移監(jiān)測較其他量測簡單、直接，而且數(shù)據(jù)容易處理。因此，在反饋方法中通過位移信息進行反饋的方法居多。

隧道監(jiān)控量測斷面間距應根據(jù)圍巖等級確定。圍巖條件好于Ⅲ級圍巖時，根據(jù)現(xiàn)場實際情況確定必測項監(jiān)測斷面間距；Ⅲ級圍巖監(jiān)測斷面間距保持30～50 m；Ⅳ級圍巖監(jiān)測斷面間距保持10～30 m；Ⅴ、Ⅵ級圍巖監(jiān)測斷面間距保持5～10 m。選測項監(jiān)測斷面在設(shè)計時根據(jù)地質(zhì)條件、周圍環(huán)境、結(jié)構(gòu)形式、施工方法等，基于工程經(jīng)驗和數(shù)值計算評估確定。

必測項監(jiān)測頻率應根據(jù)隧道測點距掌子面的距離以及位移速度確定。選測項監(jiān)測頻率應在設(shè)計中進行規(guī)定。出現(xiàn)特殊情況時，應提高監(jiān)測頻率，當按照斷面距掌子面距離和位移速度確定頻率存在沖突時，采用較高的監(jiān)測頻率。隨著技術(shù)的發(fā)展，在隧道變形監(jiān)控量測中，三維激光掃描逐漸成為主流。三維激光掃描系統(tǒng)通過采集隧道點云數(shù)據(jù)進行建模，可實現(xiàn)對變形的精準監(jiān)測，主要用于隧道內(nèi)輪廓及凈空變化監(jiān)測、隧道侵限情況監(jiān)測等，具有精度高、成像質(zhì)量好、隧道幾何形態(tài)還原度高的特點。當前，三維激光掃描技術(shù)在超欠挖檢測識別、隧道收斂變形以及支護平整度等方面應用較多，見圖11。通過處理軟件，可實現(xiàn)異常情況快速識別，對施工具有良好的輔助作用。在信息反饋方面，自動化采集、信息傳輸和數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺使得數(shù)據(jù)反饋效率顯著提高，實現(xiàn)了異常情況的預警，進一步保障了施工安全。

圖11 基于激光點云數(shù)據(jù)的超欠挖識別

京(北京)—張(張家口)高鐵八達嶺長城站是目前國內(nèi)埋深最大的高速鐵路地下車站；車站主洞數(shù)量多、洞型復雜、過渡段單洞跨度為世界高鐵之最，是目前國內(nèi)最復雜的暗挖洞群車站。京(北京)—張(張家口)高鐵八達嶺地下車站施工期在大跨過渡段、三聯(lián)拱段、小凈距段以及多向洞室段針對圍巖、錨桿、錨索、噴射混凝土、鋼架、鋼筋及二次襯砌進行了系統(tǒng)的監(jiān)測。通過監(jiān)控量測為優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計、提升安全等級創(chuàng)造了條件。以大跨過渡段監(jiān)控量測為例，八達嶺地下車站呈對稱形式，大里程端大跨段先期建設(shè)，監(jiān)測結(jié)果顯示大跨過渡段最大變形值僅為19 mm，遠小于變形預測值，表明大跨段支護能力有充分的冗余。因此，對后期建設(shè)的小里程端大跨過渡段錨索數(shù)量進行了優(yōu)化，降低了工程投資，節(jié)省了工期。

利用監(jiān)控量測系統(tǒng)實現(xiàn)隧道信息化監(jiān)控量測也逐漸被重視。通過對監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)，采用洞內(nèi)無線傳輸和洞內(nèi)有線傳輸+洞外無線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控量測系統(tǒng)，實現(xiàn)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的快速傳輸；系統(tǒng)通過將表征隧道狀態(tài)的數(shù)據(jù)與既有規(guī)范規(guī)定的超限值或設(shè)計超限值進行比對，實現(xiàn)隧道監(jiān)控量測的自動化預警；通過對信息傳遞節(jié)點操作的監(jiān)控以及閉環(huán)管控邏輯，實現(xiàn)險情發(fā)現(xiàn)到處置的快速閉環(huán)。通過該方式可有效提升隧道監(jiān)控量測的應用效果。

3.7 特殊結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

特殊結(jié)構(gòu)施工采用預制裝配式技術(shù)，由于構(gòu)件在工廠標準化生產(chǎn)，在質(zhì)量上更加可靠；預制生產(chǎn)也減少了施工過程中的物料浪費和建筑垃圾，更加節(jié)能環(huán)保；施工中僅需安裝后即可使用，大幅縮短了施工周期；構(gòu)件在洞內(nèi)采用機械化拼裝，降低了勞動力需求的同時提升了作業(yè)效率。由于“質(zhì)量可靠、節(jié)能環(huán)保、施工周期短、作業(yè)效率高”的特點，預制裝配式技術(shù)在明挖隧道、沉管隧道和盾構(gòu)隧道中得到了廣泛應用，隧道預制裝配式技術(shù)的研究也主要集中在盾構(gòu)隧道領(lǐng)域。隨著技術(shù)發(fā)展以及預制裝配式技術(shù)優(yōu)點日益顯現(xiàn)，鉆爆隧道也在建造中開始研究并應用該技術(shù)。

日本在鉆爆隧道預制裝配式襯砌方面進行了較全面的研究，2018年日本和田建設(shè)聯(lián)合多家企業(yè)開展了鐵路隧道裝配式襯砌模擬試驗，明確其施工可行性。與模筑襯砌相比，預制襯砌的施工效率提高了1.5倍，且施工質(zhì)量和安全性高。2019年，日本清水建設(shè)等多家企業(yè)聯(lián)合開發(fā)了山嶺隧道的分割型預制裝配式襯砌系統(tǒng)，并進行了足尺隧道試驗，試驗表明預制裝配式襯砌較模筑襯砌工期縮短了70%左右。我國鉆爆隧道預制裝配式技術(shù)發(fā)展之初多應用于仰拱的快速施工[89]。2009年才系統(tǒng)提出了隧道仰拱快速施工技術(shù)和預制構(gòu)件安裝方法[90]。隨著高速鐵路的發(fā)展，速度350 km/h高速鐵路雙線隧道預制裝配式襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計被提出[91]。近年，針對隧道預制裝配式襯砌的力學性能、設(shè)計、施工等研究逐漸展開，爆法隧道預制裝配式技術(shù)的逐漸體系化，提出了集設(shè)計、生產(chǎn)、施工、裝備、信息化管控的成套關(guān)鍵技術(shù)及體系[92-93]，并已形成了較為成熟的隧底預制裝配式技術(shù)，技術(shù)框架見圖12。

圖12 鐵路隧道預制裝配式建造技術(shù)體系

裝配式預制混凝土基底結(jié)構(gòu)采用錯縫拼裝方案，通過對不同速度下預制裝配式仰拱結(jié)構(gòu)進行力學特征分析和檢算表明其符合要求。

預制裝配式仰拱與填充層設(shè)計是通過結(jié)構(gòu)預制，使仰拱填充內(nèi)形成架空層，從源頭上避免仰拱填充承壓上拱，其設(shè)計型式見圖13。此外，還提出了多種結(jié)構(gòu)型式的預制仰拱與框構(gòu)式填充層結(jié)構(gòu)，包括：裝配式波紋板基底結(jié)構(gòu)、裝配式隧道仰拱結(jié)構(gòu)、裝配式多類型框構(gòu)填充層結(jié)構(gòu)等。

圖13 仰拱與填充層型式

利用隧底預制裝配式構(gòu)件拼裝機進行隧道構(gòu)件精準拼裝。裝配式結(jié)構(gòu)完成2 m循環(huán)全過程施工需要4～5 h，且會占用交通空間，因此在仰拱拼裝施工過程中，需采用高度協(xié)同化、機械化裝備配套并利用橫通道等，降低施工對其他工序的影響。不同圍巖級別利用不同時間段施工，Ⅱ、Ⅲ級圍巖可在掌子面測量到裝藥爆破前組織施工；Ⅳ、Ⅴ級圍巖可在掌子面初期支護、超前支護期間組織施工。

3.8 機械化施工裝備

裝備的更新?lián)Q代極大地促進了鉆爆法發(fā)展，鉆爆隧道從依賴人工，到使用小型機械輔助，再到使用大型設(shè)備作業(yè)的發(fā)展過程，其安全系數(shù)、施工質(zhì)量、機械化程度、管控水平也隨之提升。隨著信息化、智能化技術(shù)的發(fā)展與普及，越來越多的智能化裝備也應用到鉆爆隧道施工當中。

(1)全電腦三臂鑿巖臺車

全電腦三臂鑿巖臺車在隧道超前地質(zhì)預報、超前支護、錨桿安裝、鉆孔爆破等方面廣泛應用，并能夠在超大斷面進行作業(yè)，作業(yè)半徑大都在6～8 m范圍。目前國產(chǎn)鉆探裝備都集成了隨鉆系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)安全識別系統(tǒng)，并配套了專業(yè)軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)全電腦化控制。作業(yè)過程中能夠?qū)崟r獲取鉆進參數(shù)，實現(xiàn)自動化控制；對超、欠挖也能進行掃描和計算，進行反饋評價；對作業(yè)區(qū)進行監(jiān)控，當有人員進入時，能夠及時發(fā)現(xiàn)并報警，提升作業(yè)安全性。

(2)智能鋪掛臺車

智能鋪掛臺車具備以下功能：自動布料、自動射釘固定自粘布、自動粘貼鋪掛防(排)水板、自動掃碼識別防排水材料、自動掃描初支輪廓及鋪設(shè)平整度、隱蔽工程影像資料的自動留存功能。

作業(yè)過程中，自粘布安裝在卷材爬升支架上，并將端部鎖定，卷材爬升支架沿隧道壁面移動，將自粘布均勻舒展并壓緊在隧道表面，自動射釘裝置同步進行固定，待卷材爬升支架到達鋪設(shè)終點后完成自動切割，鋪布結(jié)束。卷材爬升支架返回起點，掃碼并安裝防(排)水板，防(排)水板起始端與隧道初支面一側(cè)對齊，利用手持爬焊機將防(排)水板側(cè)邊與前一幅防(排)水板側(cè)邊對齊焊接，隨著卷材爬升支架上升防(排)水板均勻舒張，利用卷材壓緊裝置將防(排)水板均勻貼緊粘結(jié)在自粘布上，爬焊機同步進行焊結(jié)，待卷材爬升支架到達鋪設(shè)終點后進行自動切割，防(排)水板鋪掛工作完成。鋼筋牽拉爬升架夾持鋼筋沿隧道一側(cè)拱腳移動至另一側(cè)拱腳，在對應位置扣緊鋼筋頭與邊墻鋼筋，隨后爬升架返回并進行鋼筋梳理，升縮平臺和頂桿同步展開，確保鋼筋滿足布設(shè)要求，同時，輔助人工縱向布筋并扎緊各交叉點。最后將另一端鋼筋頭與邊墻鋼筋連接，電腦存檔，施工完成。卷材爬升支架上設(shè)有激光測距儀，在爬升鋪掛的同時，沿臺車圓弧軌道記錄隧道內(nèi)表面到中心點的距離，自動生成曲線圖。臺車前側(cè)頂部配置高清工業(yè)像機，臺車在行進過程中自動獲取隧道內(nèi)影像，并自動添加時間水印存檔。同時臺車配置有無線掃碼槍，可在防(排)水板鋪設(shè)之前對其永久二維碼進行掃描識別，自動讀存原碼數(shù)據(jù)，據(jù)此掌握該防(排)水板包括生產(chǎn)工廠、時間、現(xiàn)場生產(chǎn)工藝視頻等資料在內(nèi)的全部信息。

(3)智能襯砌臺車

智能襯砌臺車信息監(jiān)測系統(tǒng)集成了混凝土壓力、入模溫度、流量、液位等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，評估系統(tǒng)集成了行走系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、布料系統(tǒng)、拱頂振搗、搭接監(jiān)測、拱頂空洞監(jiān)測等功能，使襯砌臺車具備了自動化、智能化施工的能力。與傳統(tǒng)臺車相比，智能襯砌臺車能有效提高混凝土澆筑質(zhì)量；不需要倒管，自動換管，提高了混凝土澆筑效率；定位時間比普通臺車節(jié)約30 min左右。二次襯砌施工時，混凝土灌注方量通過三維激光裝置掃描和終端電腦計算；灌注壓力監(jiān)控采用壓力敏感傳感器，實現(xiàn)灌注壓力的全方位監(jiān)測；拱頂飽滿度測量采用液位計和壓力敏感傳感元件等傳感器，實現(xiàn)拱頂灌注飽滿程度實時監(jiān)測。智能襯砌臺車外輪廓與隧道襯砌設(shè)計廓面一致，然后封閉模板進行混凝土澆注。模板臺車可在隧道內(nèi)沿軌道走行，并進行立、收模及模板中心糾偏。臺車立模完成后，連接模板與承載支架，保證混凝土澆注過程中模板穩(wěn)定性。分層逐窗澆注系統(tǒng)及清洗系統(tǒng)，實現(xiàn)了封閉管路帶壓灌注和高壓水氣管路清洗。振搗系統(tǒng)實現(xiàn)了混凝土的充分振搗。模板清洗和模板保養(yǎng)裝置，使模板清洗更干凈，保養(yǎng)更充分。

(4)智能養(yǎng)護臺車

智能養(yǎng)護臺車能夠避免二襯施工中混凝土養(yǎng)護完全依賴自然環(huán)境的問題。智能養(yǎng)護臺車四周(前后兩端、兩側(cè)邊墻底部)采用氣囊密封，在隧道壁和電加熱系統(tǒng)之間形成一個較為密閉的養(yǎng)護空間。采用微米級霧化加濕，利用5～10 μm霧化噴頭、高壓流體輸送管道實現(xiàn)區(qū)域霧化。養(yǎng)護過程中，能夠自動檢測混凝土表面溫度，并根據(jù)檢測到的混凝土溫度自動調(diào)整噴出的水霧溫度，保證溫差。霧化系統(tǒng)設(shè)置有加熱裝置，確保噴射的霧化水溫度與隧道壁混凝土溫差在合適范圍。智能養(yǎng)護臺車實現(xiàn)了養(yǎng)護過程自動化控制，可實現(xiàn)移動終端的遠程在線控制，能有效降低人為因素影響，提高養(yǎng)護質(zhì)量。

以我國某高鐵隧道建設(shè)為例，其隧道機械化配套涵蓋超前支護、開挖、初期支護、二次襯砌等4大作業(yè)工區(qū)，具有系統(tǒng)性強、規(guī)模大等特點。配套類型包括Ⅰ型普通型機械化配套和Ⅱ型加強型機械化配套兩種[94]，見圖14。Ⅰ型普通型機械化配套包括風動鑿巖鉆機、多功能鉆爆作業(yè)臺架、混凝土濕噴機、自行式仰拱棧橋、仰拱縱向滑模、混凝土輸送車、整體移動式溝槽模板等，適用于一般地質(zhì)條件的隧道正常施工；Ⅱ型加強型機械化配套在Ⅰ型普通型機械化配套基礎(chǔ)上增加了2臺三臂鑿巖臺車、1臺錨桿鉆注一體機、1臺自行式液壓拱架安裝臺車、1臺防水板作業(yè)臺車、1臺襯砌模板臺車、1臺移動式混凝土養(yǎng)護臺架，適用于復雜地質(zhì)條件快速施工。通過機械化配套實現(xiàn)了隧道主要工序的機械化施工，提高了隧道施工效率，對提升鐵路隧道機械化施工施工水平具有一定的作用。

圖14 Ⅰ、 Ⅱ型機械化配套施工作業(yè)工區(qū)

3.9 現(xiàn)狀及問題

大規(guī)模的隧道建設(shè)促使我國隧道施工水平快速發(fā)展，當前我國已實現(xiàn)了隧道施工關(guān)鍵工序的技術(shù)創(chuàng)新及優(yōu)化，見圖15。以超前地質(zhì)預報與圍巖判視、開挖施工、支護施工、防排水施工、監(jiān)控量測、特殊結(jié)構(gòu)施工等關(guān)鍵技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合機械化裝備配套，構(gòu)建了我國鉆爆法施工關(guān)鍵技術(shù)體系框架雛形。隨著配套裝備信息化、智能化水平的提升，將逐步形成適合我國國情，以隧道建造協(xié)同管理平臺為基礎(chǔ)，融合智能建造數(shù)據(jù)庫和專家?guī)欤邆涓呔鹊刭|(zhì)參數(shù)獲取、各類復雜地質(zhì)條件圍巖快速支護、與環(huán)境協(xié)調(diào)的防排水、智能化監(jiān)控量測、全機械化配套協(xié)同作業(yè)能力的智能建方法與技術(shù)體系。在此過程中以下問題需要進一步研究予以支撐：各類信息的獲取及融合；高性能支護材料；基于環(huán)境和效果評價的防排水技術(shù)；隧道狀態(tài)評估指標及方法；全工序機械化裝備及協(xié)同作業(yè)技術(shù)；隧道數(shù)據(jù)庫及專家?guī)鞓?gòu)建等。

圖15 鉆爆法隧道施工技術(shù)現(xiàn)狀

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

改革開放40年來，我國隧道建設(shè)取得了舉世矚目的成就，隧道建造也積累了豐富經(jīng)驗，通過對鐵路山嶺隧道鉆爆法建造關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀梳理，可得到以下結(jié)論：

(1)在隧道設(shè)計方面：主要采用以工程類比法、經(jīng)驗設(shè)計法進行隧道初步設(shè)計，采用信息反饋法進行動態(tài)調(diào)整的設(shè)計模式，并逐漸重視對圍巖的主動控制，隧道圍巖變形主動控制設(shè)計理念逐步得到完善，在新型錨噴支護理論、技術(shù)、材料等方面均取得了進步，在建隧道工程中已開始試點單層襯砌主動支護。

(2)在隧道施工方面：形成了成套鉆爆法施工裝備，建立了以超前地質(zhì)預報、隧道開挖、洞渣裝運、初期支護、鋪底、防排水、襯砌澆筑養(yǎng)護、施工監(jiān)控量測等環(huán)節(jié)為主體的建造模式。超前地質(zhì)預報采用多方法約束求解，使綜合預報方法有機結(jié)合，預報精度得到了提高；爆破結(jié)合機械開挖的方式在不良地質(zhì)隧道開挖中得到了應用，顯著提升了不良地質(zhì)條件隧道開挖質(zhì)量；模塊化、預制化及可維護的結(jié)構(gòu)在防排水、襯砌等隧道主體結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)施上得到了應用，提高了建造效率并便捷了后期運維。

(3)在技術(shù)體系發(fā)展方面：開始逐步形成以隧道建造協(xié)同管理平臺為基礎(chǔ)，融合智能建造數(shù)據(jù)庫和專家?guī)?，兼具高精度地質(zhì)參數(shù)獲取、各類復雜地質(zhì)條件圍巖快速支護、與環(huán)境協(xié)調(diào)的防排水、智能化監(jiān)控量測、全機械化配套協(xié)同作業(yè)的智能建方法與技術(shù)體系。

我國隧道技術(shù)取得了長足發(fā)展，鐵路山嶺隧道鉆爆法技術(shù)正朝世界先進行列邁進，但鐵路山嶺隧道鉆爆法建設(shè)依然面臨許多問題亟待解決：

(1)鉆爆法隧道支護參數(shù)的確定、施工方法的選擇、作業(yè)風險的評估等仍然以經(jīng)驗為主，理論依據(jù)不足，其原因是多方面的，其中最核心的問題是基礎(chǔ)理論的嚴重缺乏，主要是巖石力學、地球物理學等基礎(chǔ)學科的發(fā)展還難以形成對隧道建設(shè)的全面理論支撐，許多技術(shù)方法的核心是基于一定工程實踐的統(tǒng)計結(jié)果，導致隧道專業(yè)仍然是一門以經(jīng)驗為主的學科。

(2)地下工程最大挑戰(zhàn)在于施工的未知性，地質(zhì)條件復雜多變使得隧道建設(shè)很難準確獲取相關(guān)地質(zhì)信息，物探、鉆探技術(shù)發(fā)展至今，仍然無法有效解決定量化的問題。隧道建設(shè)特別是鉆爆法隧道，十分依賴預報精度，掌子面前方地質(zhì)條件不明確是引起施工風險的重要因素。超前地質(zhì)預報對地質(zhì)條件定性判斷，使得隧道建設(shè)過程本身就具有很大的不確定性，是導致隧道建設(shè)過程中安全風險高、建設(shè)成本高的主要原因之一。

(3)數(shù)值模擬方法的出現(xiàn)有力推動了隧道技術(shù)的進步，設(shè)計及試驗的檢算使鉆爆法隧道設(shè)計、施工獲得了一定的數(shù)據(jù)和理論支撐，然而數(shù)值模擬方法本身是對地質(zhì)體和結(jié)構(gòu)的一種簡化，如何模擬地質(zhì)體非均質(zhì)性、各向異性和非連續(xù)性是制約數(shù)值模擬發(fā)展的主要因素，使得鉆爆法隧道設(shè)計參數(shù)很難匹配實際地質(zhì)條件。

(4)鉆爆法施工環(huán)節(jié)多，涉及施工裝備類型多，導致施工數(shù)據(jù)類型多且采集困難，復雜環(huán)境下隧道人機協(xié)同作業(yè)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理及應用存在困難；人機協(xié)同作業(yè)下，風險評估及分析管理方法、機制欠缺，同樣缺乏有效控制風險、規(guī)避風險的手段。

(5)我國雖然利用鉆爆法建設(shè)了世界上最多的隧道，但是尚未形成適合我國國情的隧道建造技術(shù)體系，盡管有我國地形、地質(zhì)環(huán)境復雜多樣所致，但是缺乏系統(tǒng)性的梳理和理論支撐不足也是原因之一。

4.2 展望

未來我國隧道建設(shè)規(guī)模依然龐大，且特長、超長隧道規(guī)模空前，難度也鮮有所聞。著眼于設(shè)計方法、施工工藝、智能裝備等方面科技創(chuàng)新與應用實踐，形成集現(xiàn)代隧道勘察設(shè)計技術(shù)、現(xiàn)代隧道修建技術(shù)、標準化隧道協(xié)同管控技術(shù)，構(gòu)建中國山嶺隧道建造新理論、新方法、新模式將是現(xiàn)在和將來一定時期內(nèi)的主要研究方向。具體包括以下方面：

(1)隧道基礎(chǔ)理論發(fā)展及完善。包括巖石力學、地球物理學、材料學等相關(guān)基礎(chǔ)理論的發(fā)展，以深入認識圍巖力學響應和支護結(jié)構(gòu)作用。

(2)精細化感知及預警技術(shù)。包括超前地質(zhì)掌子面前方不良地質(zhì)空間位置及幾何、物理參數(shù)特征高精度表達；隧道狀態(tài)快速綜合感知及精準評價。

(3)隧道工程智能化建造技術(shù)。鐵路隧道建造應依托機械化、信息化、自動化、可視化、智能化技術(shù)，面向基礎(chǔ)理論、地質(zhì)判識、設(shè)計方法、工藝工法與協(xié)同管控，通過對地質(zhì)、結(jié)構(gòu)、機械、信息、人員和材料的綜合管理，集約化利用時間、空間和人力資源，形成隧道建設(shè)綠色高效、安全可靠的建造技術(shù)體系。

(4)高性能支護體系。包括基于圍巖變形主動控制的隧道支護體系設(shè)計理論和方法；特殊不良地質(zhì)段隧道全斷面機械化快速施工技術(shù)；高支護效能及耐久性能的主動支護構(gòu)件及材料。

(5)預制裝配式新型結(jié)構(gòu)體系。包括預制裝配式基底結(jié)構(gòu)與圍巖耦合協(xié)同受力關(guān)系研究；不良地質(zhì)、高能地質(zhì)環(huán)境條件下預制裝配式基底結(jié)構(gòu)適用性研究；拼裝裝備和原材料的技術(shù)水平和性能研究；涵蓋設(shè)計、制造、施工、物資供應等全鏈條的信息化系統(tǒng)開發(fā)與應用研究。