浙江省公路隧道科技創(chuàng)新發(fā)展方向展望

遲鳳霞 詹偉 嚴(yán)鑫 李偉平 李長俊 鄭云輝 孫飛

摘? 要：改革開放40多年來，伴隨著浙江省經(jīng)濟(jì)騰飛，公路隧道建設(shè)迅猛發(fā)展，在公路網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中發(fā)揮了極其重要作用。該文結(jié)合浙江省公路隧道典型工程，回顧總結(jié)了近年來浙江省公路隧道科技平臺建設(shè)及科技研究成果。面向浙江省交通強(qiáng)省建設(shè)，有針對性地提出了浙江省在公路隧道領(lǐng)域科技創(chuàng)新的未來發(fā)展方向，為日后開展公路隧道科技創(chuàng)新及應(yīng)用提供一定參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：公路隧道? 隧道設(shè)計? 隧道施工? 隧道運(yùn)營? 隧道養(yǎng)護(hù)? 發(fā)展方向

中圖分類號：U459.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2021）04（b）-0012-05

Technological Innovation and Development Prospects of Highway Tunnel in Zhejiang Province

CHI Fengxia1? ZHAN Wei1? ?YAN Xin1? LI Weiping2? LI Changjun2? ZHENG Yunhui2? SUN Fei2

（1.Zhejiang Scientific Research Institute of Transport， Hangzhou， Zhejiang Province， 310023? China; 2.Zhejiang Provincial Institute of Communications Planning， Design & Research Co.， Ltd.，

Hangzhou， Zhejiang Province， 310030? China）

Abstract： Over the past 40 years of reform and opening-up， along with the economic boom in Zhejiang Province， the rapid development of highway tunnel construction has played an extremely important role in the development of the highway network. Combined with the typical projects of highway tunnels in Zhejiang Province， this paper reviews and summarizes the scientific and technological platform construction and scientific research achievements of highway tunnels in Zhejiang Province in recent years. Facing the construction of building provincial strength in transportation in Zhejiang Province， the future development suggestions of Zhejiang Province's technological innovation in the field of highway tunnels is pointed out， which provide a certain reference for the future development of technological innovation and application of highway tunnels.

Key Words： Highway tunnel; Tunnel design; Tunnel construction; Tunnel operation; Tunnel maintenance; Development suggestion

浙江山地和丘陵占74.63%，平坦地占20.32%，河流和湖泊占5.05%，耕地面積僅208.17萬hm2，故有“七山一水二分田”之說。浙江地形自西南向東北呈階梯狀傾斜，東北部是低平的沖積平原，東部以丘陵和沿海平原為主，中部以丘陵和盆地為主，西南以山地和丘陵為主。大致可分為浙北平原、浙西南的丘陵和盆地，浙東南的沿海平原及濱海島嶼等6個地形區(qū)。

改革開放40多年來，伴隨著浙江省經(jīng)濟(jì)的迅速騰飛，浙江省交通設(shè)施建設(shè)也在迅猛發(fā)展，公路隧道在浙江省的群山和江河湖海間不斷延伸，在公路網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中發(fā)揮了極其重要的作用。截至2019年底，作為隧道大省的浙江已共建成公路隧道1 989座，隧道通車?yán)锍? 471.5 km，公路隧道數(shù)量和里程分別位居全國第一和第三。據(jù)統(tǒng)計，目前省內(nèi)已建及在建的長度超過6 km的特長公路隧道有7座，超過3 km的特長隧道數(shù)10座。目前運(yùn)營的最長公路隧道是諸永高速的括蒼山隧道，長7.9 km;未通車運(yùn)營的最長公路隧道是位于杭紹臺高速的大盤山隧道，長8.6 km;省內(nèi)斷面最大的公路隧道為將軍山隧道，總跨度16.8 m。

1? 浙江省公路隧道典型工程

從浙江省公路隧道建設(shè)發(fā)展歷程來看，浙江省公路隧道的建設(shè)始于20世紀(jì)70年代，經(jīng)過40余年的發(fā)展，在長大山嶺隧道、沉管隧道、大斷面盾構(gòu)隧道等方面取得一系列重大突破，一大批典型隧道工程陸續(xù)建成。其中，具有浙江省特色的公路隧道工程如表1所示。

縱觀浙江省隧道建設(shè)的跨越式發(fā)展歷程，近2 000座隧道跨越山川海洋，使高峰如平地，使天塹變通途，便捷了人民的出行，推動了浙江省經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，成為了浙江省隧道工程建設(shè)發(fā)展史乃至我國隧道工程建設(shè)發(fā)展史上的一座座豐碑。

2? 浙江省公路隧道科技發(fā)展分析

2.1 浙江省公路隧道科技平臺建設(shè)

2.1.1 水下隧道智能設(shè)計、建造與養(yǎng)護(hù)技術(shù)與裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心

該中心由浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司牽頭，聯(lián)合同濟(jì)大學(xué)、西南交通大學(xué)、中交第二航務(wù)工程局有限公司、中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司、中鐵隧道局集團(tuán)有限公司、中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司、中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司共同組建。研發(fā)中心于2019年12月通過交通運(yùn)輸部認(rèn)定。該中心主要服務(wù)于交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與管理，重點(diǎn)圍繞跨江海通道等重大工程建設(shè)需求，針對大型水下隧道設(shè)計、建造、運(yùn)營管理、養(yǎng)護(hù)等，開展重大關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研發(fā)以及成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用，旨在加快提升我國水下隧道智能化設(shè)計、工業(yè)化建設(shè)、智能化養(yǎng)護(hù)技術(shù)能力水平，打造國內(nèi)一流的交通運(yùn)輸行業(yè)水下隧道技術(shù)研發(fā)中心。

2.1.2 橋梁隧道工業(yè)化浙江省工程研究中心

該中心是浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院與浙江大學(xué)及浙江交工集團(tuán)聯(lián)合組建的經(jīng)由浙江省發(fā)展改革委員會認(rèn)定的省級工程研究中心，于2017年10月通過浙江省發(fā)改委認(rèn)定。圍繞高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)浙江省綜合交通跨越發(fā)展的突出任務(wù)，研究橋梁隧道工業(yè)化領(lǐng)域的關(guān)鍵性、基礎(chǔ)性和共性技術(shù)，對應(yīng)用前景廣泛的科研成果進(jìn)行系統(tǒng)性、配套性和工程化研究，推進(jìn)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研制、成果系統(tǒng)集成和推廣應(yīng)用，積極推動國內(nèi)外技術(shù)合作與交流和高端人才的引進(jìn)戰(zhàn)略，為相關(guān)企業(yè)提供該領(lǐng)域技術(shù)咨詢服務(wù)，帶動浙江省橋梁隧道全產(chǎn)業(yè)鏈的整體技術(shù)水平，加強(qiáng)浙江省交通基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域參與“一帶一路”建設(shè)的國際競爭能力。

2.2 浙江省公路隧道科技研究成果

針對不同隧道設(shè)計工作中存在的問題，浙江省交通行業(yè)進(jìn)行了一系列研究，開展了特殊地質(zhì)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)、隧道特殊結(jié)構(gòu)形式設(shè)計技術(shù)、隧道通風(fēng)與防災(zāi)技術(shù)、隧道照明與節(jié)能技術(shù)、隧道裂縫防治技術(shù)、水下隧道設(shè)計技術(shù)等方面的技術(shù)攻關(guān);針對公路隧道施工方面遇到的問題開展了一系列研究，主要包括隧道施工安全技術(shù)、特殊條件下隧道施工技術(shù)、隧道二襯裂縫控制技術(shù)、隧道施工工藝等，研究成果為隧道的施工安全和施工質(zhì)量提供了技術(shù)保障;隨著運(yùn)營隧道數(shù)量和里程的增多，給隧道運(yùn)營與養(yǎng)護(hù)管理帶來了巨大的挑戰(zhàn)，針對隧道運(yùn)營和養(yǎng)護(hù)管理工作中存在的問題，開展了隧道檢測與長期監(jiān)測技術(shù)、隧道交通安全與管理技術(shù)、隧道機(jī)電與節(jié)能技術(shù)、隧道病害防治技術(shù)等方面的技術(shù)攻關(guān)。

近年來，省內(nèi)隧道工程領(lǐng)域的標(biāo)志性科技成果及應(yīng)用情況，主要有豎井送排式縱向通風(fēng)技術(shù)、火災(zāi)安全獨(dú)立排煙技術(shù)、節(jié)能通風(fēng)技術(shù)、防災(zāi)救援技術(shù)、水下隧道建設(shè)技術(shù)、機(jī)械化施工技術(shù)、洞口微開挖及景觀技術(shù)、能耗監(jiān)測與智能管控技術(shù)、節(jié)能照明技術(shù)、發(fā)光照明誘導(dǎo)技術(shù)、交通安全運(yùn)營技術(shù)等10余項代表性成果。具有浙江省特色代表性的科研成果如表2所示。

3? 浙江省公路隧道科技創(chuàng)新發(fā)展方向展望

隨著浙江省交通強(qiáng)國戰(zhàn)略實(shí)施的不斷深入，如何充分發(fā)揮科技創(chuàng)新的引領(lǐng)作用，徹底改變?nèi)斯趧訌?qiáng)度大、效率低、安全風(fēng)險大的落后技術(shù)，提高公路隧道建設(shè)的工業(yè)化、信息化、智能化水平，使浙江省從“隧道大省”向“隧道強(qiáng)省”發(fā)展，成為當(dāng)前浙江省隧道工程領(lǐng)域科技發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。

3.1 隧道全壽命與結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計

隧道傳統(tǒng)設(shè)計方法主要包括經(jīng)驗(yàn)類比法、荷載結(jié)構(gòu)法、地層結(jié)構(gòu)法和信息反饋法，主要側(cè)重結(jié)構(gòu)的安全，在圍巖荷載、水壓力取值以及巖體破壞機(jī)理方面缺乏突破性進(jìn)展，且較少涉及運(yùn)營期的管理、維護(hù)等問題，諸如防排水系統(tǒng)維護(hù)更換、運(yùn)營期突涌水等。同時，在投資上存在重建設(shè)期、輕運(yùn)營期的現(xiàn)象。針對復(fù)雜及深部地層的隧道工程，急需建立考慮結(jié)構(gòu)耐久性的隧道全壽命周期設(shè)計方法，將空間三維結(jié)構(gòu)、物料特性、工藝設(shè)計與全壽命周期管理融于一體，實(shí)現(xiàn)高應(yīng)力和高滲壓作用下隧道結(jié)構(gòu)的定量設(shè)計，開發(fā)耐腐蝕和耐疲勞等超高性能的混凝土材料，以適應(yīng)復(fù)雜地層和深部地層的特殊地質(zhì)環(huán)境和運(yùn)營要求，并制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，使隧道在設(shè)計和建造階段就充分考慮到全壽命的使用性能和要求。

3.2 隧道智能化建造及裝配技術(shù)

目前，隧道施工已基本實(shí)現(xiàn)施工機(jī)械化，在這個基礎(chǔ)上，應(yīng)結(jié)合新興數(shù)字化、智能化技術(shù)，結(jié)合“機(jī)、電、液”一體化，并總結(jié)隧道施工經(jīng)驗(yàn)與各類施工工法，涵蓋隧道超前作業(yè)、開挖、出渣、支護(hù)、襯砌等工序，打造隧道智能化施工體系。在隧道智能裝備體系中，充分應(yīng)用智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)隧道智能裝備施工環(huán)境自感知、目標(biāo)導(dǎo)向定位自執(zhí)行、施工狀態(tài)與反饋?zhàn)詫W(xué)習(xí)、施工效果自評估、施工組織自決策、施工過程自管理，打造更實(shí)用、更智能、更經(jīng)濟(jì)、全系列的鐵路隧道智能裝備。為了更好地對隧道施工全生命周期進(jìn)行管理，結(jié)合新奧法、新意法、挪威法對隧道智能建造裝備進(jìn)行協(xié)同管理，對隧道智能建造數(shù)據(jù)流的交互模式開展研究，制定數(shù)據(jù)在裝備與裝備、裝備與環(huán)境、裝備與圍巖之間的交互與銜接流程，為服務(wù)隧道施工全生命周期管控提供技術(shù)保障。

3.3 復(fù)雜環(huán)境長大水下隧道智能化設(shè)計技術(shù)

開展超大斷面、超高水壓、復(fù)雜環(huán)境條件下長大隧道結(jié)構(gòu)體系及新型結(jié)構(gòu)、水下復(fù)雜環(huán)境條件下長大隧道結(jié)構(gòu)性能演化及可靠性設(shè)計理論、水下復(fù)雜環(huán)境條件下盾構(gòu)隧道水壓力變化特性與規(guī)律研究、高水壓盾構(gòu)隧道彈性密封墊防水性能影響因素的控制標(biāo)準(zhǔn)研究等方面的研究，綜合形成超高水壓復(fù)雜地質(zhì)水下隧道新型結(jié)構(gòu)與防水設(shè)計，提升水下隧道在超高水壓復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境匯總的適應(yīng)性和防水功能。

3.4 復(fù)雜環(huán)境長大水下隧道施工智能裝備

開展超大斷面、高水壓、長距離水下隧道施工裝備研發(fā)，擴(kuò)大盾構(gòu)/TBM適應(yīng)水下各類復(fù)雜地質(zhì)范圍，滿足實(shí)現(xiàn)水下隧道工程的施工要求，實(shí)現(xiàn)用裝備技術(shù)降低水下隧道施工風(fēng)險，實(shí)現(xiàn)水下隧道施工裝備的自動化與智能化，提高施工效率。開發(fā)基于光學(xué)、電磁學(xué)等隧道多源快速化檢測技術(shù)，以傳感設(shè)備的輕量化、檢測的無損化與快速化為目標(biāo)，以集成隧道表觀、結(jié)構(gòu)及壁后技術(shù)狀況檢測裝備為抓手，開展隧道表觀及隱蔽面快速檢測技術(shù)研究，發(fā)展基于機(jī)器視覺的隧道病害快速檢測及識別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對襯砌開裂、滲漏水、凍害等病害的快速檢測。開發(fā)基于三維激光掃描點(diǎn)云的隧道變形快速識別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)襯砌變形全空間可視化展示;研發(fā)隧道隱蔽面探地雷達(dá)多頻多維融合檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對襯砌缺陷及背后空洞的立體及多維再現(xiàn)。

3.5 隧道病害檢測智能解析識別技術(shù)的研發(fā)以及系統(tǒng)化應(yīng)用研究

以海量病害的快速解析和精準(zhǔn)化識別為需求，引入人工智能方法，圍繞隧道檢測表觀圖像數(shù)據(jù)、探地雷達(dá)波譜數(shù)據(jù)、激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，基于圖像處理和深度學(xué)習(xí)語義分割網(wǎng)絡(luò)，發(fā)展基于全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隧道表觀圖像智能解析技術(shù);開發(fā)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的Kalman濾波及CNN優(yōu)化算法，提出基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的智能建模及變形識別技術(shù);基于隨機(jī)場理論，提出基于概率反演的襯砌及圍巖異常體多物理場智能識別技術(shù)。實(shí)現(xiàn)對隧道裂縫、滲漏水、空間形態(tài)、變形、襯砌及圍巖異常體的智能快速識別。

3.6 超長復(fù)雜隧道及地下工程智慧防災(zāi)技術(shù)

無論是在建設(shè)期還是已投入營運(yùn)的隧道，其防災(zāi)、抗災(zāi)和救災(zāi)工作都應(yīng)該放在最要緊的位置，隧道災(zāi)害主要是大火、爆炸或洪水。在建設(shè)期的隧道內(nèi)，有可能會出現(xiàn)坍塌、巖溶、巖爆、放射物質(zhì)或毒氣泄露的危害。在已投入營運(yùn)的隧道內(nèi)，由于信號失靈、設(shè)備故障、交通事故等可能會引發(fā)大的事故。因此，要在以“預(yù)防為主”為指導(dǎo)原則，在隧道和地下工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中切實(shí)體現(xiàn)“安全第一”的方針，保證具有足夠的抗災(zāi)能力和可靠的逃生通道，防患于未然。特別是超長復(fù)雜隧道及大規(guī)模地下工程發(fā)生火災(zāi)時，人員的疏散和救援都較為困難，容易發(fā)生大范圍傷亡，如何設(shè)置有效的措施，預(yù)防避免災(zāi)情的發(fā)生，并在災(zāi)情發(fā)生后有效保證人員安全及降低財產(chǎn)損失，需要結(jié)合新興技術(shù)，發(fā)展信息化、數(shù)字化防災(zāi)手段，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防護(hù)及疏散救援的智慧化。

4? 結(jié)語

經(jīng)過40多年來的發(fā)展，浙江省公路隧道建設(shè)取得一系列重大突破，截至目前，近2 000座隧道跨越山川海洋，推動了浙江省經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，成為了浙江省隧道工程建設(shè)發(fā)展史乃至我國隧道工程建設(shè)發(fā)展史上的一座座豐碑。該文通過對近年來浙江省公路隧道發(fā)展及科技成果進(jìn)行總結(jié)梳理，從隧道全壽命與結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計、隧道智能化建造及裝配技術(shù)、復(fù)雜環(huán)境長大水下隧道智能化設(shè)計技術(shù)、復(fù)雜環(huán)境長大水下隧道施工智能裝備、隧道病害檢測智能解析識別技術(shù)研發(fā)及系統(tǒng)化應(yīng)用研究、超長復(fù)雜隧道及地下工程智慧防災(zāi)技術(shù)等6個方面，針對性提出了浙江省公路隧道科技創(chuàng)新的未來發(fā)展方向，這將為浙江省公路隧道創(chuàng)新及應(yīng)用

提供一定的參考依據(jù)，助力浙江省高水平交通強(qiáng)省建設(shè)。

參考文獻(xiàn)

[1] 賴金星，周慧，程飛，等.公路隧道火災(zāi)事故統(tǒng)計分析及防災(zāi)減災(zāi)對策[J].隧道建設(shè)，2017，37（4）：409-415.

[2] 蔣樹屏.中國公路隧道數(shù)據(jù)統(tǒng)計[J].隧道建設(shè)，2017，37（5）：643-644.

[3] 王勇.我國公路隧道工程技術(shù)的現(xiàn)狀及展望[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2017（12）：70.

[4] 詹偉.山區(qū)高速公路長大隧道群區(qū)域交通安全保障技術(shù)研究[D].浙江大學(xué)，2013.

[5] 雷云.公路隧道病害分析及防治措施研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2018，15（23）：19，21.

[6] 馬建，馮鎮(zhèn)，邱軍領(lǐng)，等.改革開放40年中國公路交通行業(yè)技術(shù)變遷及啟示[J].長安大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2018，20（6）：38-67.

[7] 張煊嶧.基于BIM的公路隧道全壽命周期質(zhì)量安全管理研究[J].公路工程，2019，44（5）：221-225.

[8] 《中國公路學(xué)報》編輯部.中國隧道工程學(xué)術(shù)研究綜述·2015[J].中國公路學(xué)報，2015，28（5）：1-65.

[9] 涂耘，王少飛，侯伶，等.浙西南山區(qū)高速公路隧道洞外亮度L20（S）研究[J].照明工程學(xué)報，2011，22（5）：34-41.

[10] 張玉春，何川，吳德興，等.高速公路隧道交通事故特性及其防范措施[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2009，44（5）：776-781.

[11] 吳德興，李偉平，鄭國平.國內(nèi)外公路隧道火災(zāi)排煙設(shè)計理念比較[J].公路交通技術(shù)，2008（5）：113-117，127.

[12] 章寧敏，陶航征，黃欽，等.淺談公路隧道電光蓄能自發(fā)光應(yīng)急誘導(dǎo)系統(tǒng)在市場上的覆蓋能力[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（1）：176-177.

[13] 柳新華，劉良忠，侯鮮明.國內(nèi)外跨海通道發(fā)展百年回顧與前瞻[J].科技導(dǎo)報，2006（11）：78-89.

[14] 吳德興，周慶良，楊健.浙江公路隧道建設(shè)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[C]//中國公路學(xué)會2001學(xué)術(shù)交流論文集.北京：中國公路學(xué)會，2001：371-378.