鐵路山嶺隧道鉆爆法關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展及展望

馬 偉 斌

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)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(jìn)機(jī)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(guò)鉆孔、裝藥、爆破、通風(fēng)、支護(hù)、出渣等一系列工序來(lái)實(shí)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(yīng)性廣、可靠性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)，是我國(guó)鐵路隧道建設(shè)最常用的方法。隨著施工機(jī)械設(shè)備、爆破技術(shù)、支護(hù)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(guó)投入運(yùn)營(yíng)的鐵路隧道已達(dá)到16 798座，總長(zhǎng)約19 630 km[2]，百余年的隧道建設(shè)史也是我國(guó)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(yù)報(bào)為前提，以圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)及分級(jí)技術(shù)為依據(jù)，以精細(xì)化開挖技術(shù)、高性能支護(hù)技術(shù)、新型防排水技術(shù)、高質(zhì)量襯砌施作技術(shù)、預(yù)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(guó)鉆爆隧道關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀，并分析探討了未來(lái)研究方向。

1 起源及發(fā)展

鐵路鉆爆隧道起源于1826年英國(guó)修建的泰勒山單線隧道和維多利亞雙線隧道。19世紀(jì)以前，隧道支護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力按照上覆巖層自重計(jì)算。在19世紀(jì)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(guó)仙尼斯峰鐵路隧道于1861年首次應(yīng)用風(fēng)洞鑿巖機(jī)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(jiān)硬巖石提供了條件。1867年美國(guó)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(jì)后期，混凝土和鋼筋混凝土材料陸續(xù)出現(xiàn)并運(yùn)用到隧道建設(shè)中，隧道結(jié)構(gòu)更具整體性。同時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)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(xué)方法進(jìn)行計(jì)算，該方法至今在隧道設(shè)計(jì)中仍時(shí)有采用[6]。

1914年，噴射混凝土技術(shù)首先應(yīng)用于Denver煤礦，后來(lái)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(zhǎng)期強(qiáng)度低并使作業(yè)環(huán)境惡化，其支護(hù)作用也并不受重視，更多是作為防止風(fēng)化的封閉措施。直到20世紀(jì)中葉，奧地利學(xué)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(shí)，錨桿在水電站有壓輸水隧洞中的成功應(yīng)用，使其在隧道中得到更廣泛應(yīng)用。當(dāng)前，我國(guó)噴射混凝土主要以C25為主，高性能噴混凝土尚未規(guī)?；瘧?yīng)用，歐洲普遍采用C40混凝土，北歐國(guó)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(jìn)入20世紀(jì)，隧道理論和技術(shù)發(fā)展駛?cè)肓丝燔嚨馈?0世紀(jì)30年代，蘇聯(lián)采礦學(xué)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(diǎn)，以均質(zhì)松散體為基礎(chǔ)提出了地層壓力的計(jì)算方法(普氏地層壓力理論)，該方法適用于松散巖體，對(duì)整體性好、強(qiáng)度高的巖體存在較大局限，但由于其簡(jiǎn)便性，仍然被廣泛應(yīng)用。奧地利土力學(xué)家Terzaghi[6]也基于該觀點(diǎn)提出了地層壓力計(jì)算方法。

20世紀(jì)50年代由于電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用以及量測(cè)手段的改進(jìn)，巖石力學(xué)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(diǎn)開始流行，利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論計(jì)算隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的方法也逐漸發(fā)展。同時(shí)期，奧地利學(xué)者根據(jù)本國(guó)多年隧道施工經(jīng)驗(yàn)，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(hù)手段來(lái)保持圍巖強(qiáng)度、控制圍巖變形，以發(fā)揮圍巖的自承能力，并通過(guò)監(jiān)控量測(cè)來(lái)指導(dǎo)隧道工程設(shè)計(jì)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(cè)。20世紀(jì)60年代我國(guó)就已經(jīng)在鐵路隧道中使用錨噴支護(hù)。大瑤山隧道是我國(guó)采用新奧法修建隧道的典型案例，實(shí)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(guó)20 a時(shí)間里按新奧法修建鐵路隧道的經(jīng)驗(yàn)，編寫了《鐵路隧道新奧法指南》，我國(guó)鐵路隧道進(jìn)入新奧法推廣應(yīng)用階段。新奧法已成為我國(guó)鐵路隧道建設(shè)使用最多的方法，但在應(yīng)用中仍存在問(wèn)題。新奧法在圍巖自承能力較差時(shí)，需要初期支護(hù)快速提供支護(hù)抗力以保持圍巖穩(wěn)定，但目前在軟弱圍巖段的臨時(shí)支護(hù)和初期支護(hù)方面較為薄弱，材料及支護(hù)技術(shù)有待提升；在機(jī)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(wèn)題；在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及管理機(jī)制方面，缺乏有效控制風(fēng)險(xiǎn)、規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的手段。

20世紀(jì)60年代，得益于計(jì)算機(jī)和巖土本構(gòu)關(guān)系理論發(fā)展，隧道工程數(shù)值計(jì)算方法迅速發(fā)展。Eastman對(duì)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(jì)[12]。2002年，Autodesk基于BDS等提出了BIM技術(shù)，逐漸運(yùn)用于隧道工程，2019年開通運(yùn)營(yíng)的京(北京)—張(張家口)高速鐵路(以下簡(jiǎn)稱“高鐵”)為我國(guó)首條全線采用BIM設(shè)計(jì)的高鐵線路。

20世紀(jì)70年代，意大利學(xué)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(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和施工指導(dǎo)原則，按照掌子面超前核心土的穩(wěn)定性類型設(shè)計(jì)圍巖變形控制措施，通過(guò)監(jiān)控量測(cè)反饋優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高圍巖穩(wěn)定性從而實(shí)現(xiàn)全斷面機(jī)械化開挖[14-17]。蘭(蘭州)—渝(重慶)鐵路桃樹坪隧道是我國(guó)首座引入新意法修建的隧道，并取得了較好應(yīng)用效果。但新意法在我國(guó)并未大規(guī)模采用，原因在于對(duì)一般地質(zhì)條件，新意法相較新奧法投資較大，需對(duì)不同地質(zhì)條件下安全性、經(jīng)濟(jì)成本和工期等進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估，我國(guó)未建立不同地質(zhì)條件下的建造成本評(píng)估體系。此外，我國(guó)也未完全掌握新意法實(shí)施所依賴的量測(cè)技術(shù)、施工機(jī)具等。新意法應(yīng)用于我國(guó)復(fù)雜艱險(xiǎn)鐵路隧道時(shí)，需開展系統(tǒng)的專題研究。

20世紀(jì)80年代，挪威根據(jù)本國(guó)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(jí)采用經(jīng)驗(yàn)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(gè)巖體參數(shù)定量計(jì)算得到巖石質(zhì)量等級(jí)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(dòng)應(yīng)力條件[19-22]。支護(hù)設(shè)計(jì)依據(jù)按照Q系統(tǒng)中的9種支護(hù)類型匹配。支護(hù)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(yù)應(yīng)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(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)鐵路隧道開始了對(duì)挪威法的引進(jìn)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(wàn)軍回隧道等隧道開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和應(yīng)用，但至今未能在我國(guó)鐵路隧道大規(guī)模應(yīng)用。我國(guó)隧道施工機(jī)械化水平較挪威有差距，而挪威法不論是超前預(yù)注漿作業(yè)、開挖作業(yè)、裝藥作業(yè)及支護(hù)作業(yè)對(duì)機(jī)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(qiáng)度多在50～60 MPa以上，最高可達(dá)100 MPa，而目前我國(guó)鐵路隧道常用的噴射混凝土等級(jí)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(jià)格高、施工易堵管等缺點(diǎn)在國(guó)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(guó)鐵路隧道尤其是高速鐵路隧道綜合考慮高速動(dòng)車組氣動(dòng)效應(yīng)及運(yùn)營(yíng)安全性影響，均設(shè)置了復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)。

2 基本理論與設(shè)計(jì)方法

2.1 我國(guó)隧道理論和設(shè)計(jì)方法概述

我國(guó)第一座鐵路隧道是始建于1888年的基隆至臺(tái)北的獅球嶺隧道[18]，全長(zhǎng)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(guó)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(jì)方法的發(fā)展與圍巖壓力和圍巖分級(jí)研究緊密相關(guān)，其大致分為4個(gè)階段[23]。

(1)第1階段：1954年以前

由于對(duì)隧道工程和地質(zhì)條件的關(guān)系認(rèn)識(shí)不充分，缺乏有效的地質(zhì)勘測(cè)手段，也未開展系統(tǒng)性研究，我國(guó)尚未形成適合隧道工程專門的圍巖分級(jí)方法。修建鐵路隧道時(shí)，圍巖分級(jí)基本上是沿用以巖石極限抗壓強(qiáng)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(jì)時(shí)，以經(jīng)驗(yàn)類比為主，少數(shù)情況下采用將拱圈當(dāng)作支承于實(shí)體墻上的無(wú)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(jì)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(jìn)前蘇聯(lián)計(jì)算理論，即普氏地層壓力理論，根據(jù)普氏地層堅(jiān)固性系數(shù)(f值)將圍巖分為10類，后通過(guò)工程實(shí)踐，開始結(jié)合圍巖物理狀態(tài)、風(fēng)化狀態(tài)及破碎程度等確定f值。

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

該階段的隧道設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，1956年以后在直墻式襯砌計(jì)算中長(zhǎng)期采用彈性地基梁法，這兩種方法都是基于溫克爾假定計(jì)算襯砌內(nèi)力。同時(shí)，相關(guān)院所和高校也對(duì)這兩種方法進(jìn)行了改進(jìn)和擴(kuò)充，提出了有荷載的彈性地基梁計(jì)算公式。此外，不假定抗力分布的彈性鏈桿法也傳入國(guó)內(nèi)，但由于其計(jì)算耗費(fèi)大量時(shí)間，因此直到計(jì)算機(jī)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(yàn)積累和現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)的實(shí)踐證明，普氏公式計(jì)算的圍巖壓力不能正確地反映隧道實(shí)際情況，在巖層較好等情況計(jì)算壓力值大于實(shí)測(cè)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(shí)際情況，在成(成都)—昆(昆明)鐵路建設(shè)期間，開展了大量試驗(yàn)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(guó)鐵路隧道圍巖分級(jí)表，為建立我國(guó)自己的圍巖分級(jí)法和圍巖壓力計(jì)算方法奠定了基礎(chǔ)。1972年基于對(duì)成(成都)—昆(昆明)、貴(貴陽(yáng))—昆(昆明)、川(重慶，當(dāng)時(shí)未直轄)—黔(貴陽(yáng))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(jí)方法，得出了以6級(jí)分類為基礎(chǔ)的鐵隧道圍巖壓力計(jì)算公式。該方法和計(jì)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(guó)鐵路隧道襲用普氏地層壓力理論及以地層堅(jiān)固性系數(shù)的圍巖分級(jí)方法的歷史。

20世紀(jì)70年代，隨著計(jì)算機(jī)的普及，彈性鏈桿法得到廣泛應(yīng)用。70年代末，新奧法被廣泛接受，隧道設(shè)計(jì)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(jì)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法；復(fù)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(yīng)按安全儲(chǔ)備和承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的原則。1986年基于“鐵路隧道復(fù)合襯砌”項(xiàng)目研究，提出了復(fù)合襯砌的黏彈塑性的計(jì)算理論。

(4)第4階段：1992年至今

圍巖分級(jí)開始由經(jīng)驗(yàn)判斷向定量判斷、從設(shè)計(jì)階段預(yù)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(jí)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(biāo)BQ和施工階段圍巖亞分級(jí)，形成了目前的鐵路隧道圍巖分級(jí)方法。

20世紀(jì)80年代中期，隧道設(shè)計(jì)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(jì)方法。隧道襯砌設(shè)計(jì)通過(guò)工程類比和結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行確定，必要時(shí)通過(guò)試驗(yàn)論證。復(fù)合式襯砌設(shè)計(jì)時(shí)，將復(fù)合式襯砌均按“圍巖-結(jié)構(gòu)”模式進(jìn)行計(jì)算或?qū)⒊跗谥ёo(hù)按“圍巖-結(jié)構(gòu)”模式、二次襯砌按“荷載-結(jié)構(gòu)”模式進(jìn)行計(jì)算。

2.2 圍巖變形主動(dòng)控制設(shè)計(jì)理念

圍巖變形主動(dòng)控制設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)并分階段控制圍巖變形的方法，是基于我國(guó)隧道工程經(jīng)驗(yàn)形成的隧道設(shè)計(jì)理念。

圍巖變形控制設(shè)計(jì)方法利用超前支護(hù)調(diào)動(dòng)圍巖承載。超前支護(hù)目標(biāo)為急劇變形量累計(jì)值最小，使圍巖有足夠自穩(wěn)時(shí)間。超前支護(hù)通過(guò)拱效應(yīng)、梁效應(yīng)和強(qiáng)化圍巖效應(yīng)來(lái)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(jì)時(shí)主要采用類比設(shè)計(jì)和解析設(shè)計(jì)方法進(jìn)行，并根據(jù)支護(hù)的目的和必要性選定超前支護(hù)的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)定超前支護(hù)的規(guī)格(長(zhǎng)度、厚度、強(qiáng)度、剛性、材料等)，針對(duì)超前支護(hù)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(jì)方法。我國(guó)鐵路隧道設(shè)計(jì)時(shí)，超前支護(hù)在固結(jié)性差的地層中應(yīng)用較多；挪威等國(guó)家利用注漿進(jìn)行超前支護(hù)以提高圍巖強(qiáng)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(hù)作為實(shí)現(xiàn)隧道全斷面開挖的保障手段。

將初期支護(hù)作為支護(hù)主體。初期支護(hù)的主要形式為錨噴支護(hù)，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(hù)作用定位。初期支護(hù)設(shè)計(jì)主要采用類比設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和解析設(shè)計(jì)方法進(jìn)行。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括噴射混凝土的設(shè)計(jì)、錨桿設(shè)計(jì)和鋼拱架設(shè)計(jì)等。噴射混凝土的設(shè)計(jì)項(xiàng)目包括混凝土的強(qiáng)度、厚度和耐久性的設(shè)計(jì)。錨桿的設(shè)計(jì)項(xiàng)目包括錨桿類型、錨桿布設(shè)方式(長(zhǎng)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(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)以盡可能調(diào)動(dòng)圍巖的自承能力為目的，在圍巖不具備自穩(wěn)能力時(shí)，應(yīng)具有足夠的支護(hù)強(qiáng)度。

二次襯砌作為安全儲(chǔ)備。二次襯砌包括拱墻襯砌和仰拱，設(shè)計(jì)時(shí)主要采用類比設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和解析設(shè)計(jì)方法進(jìn)行。二次襯砌應(yīng)根據(jù)初期支護(hù)的應(yīng)力狀態(tài)判斷其功能類型，原則上二次襯砌應(yīng)在圍巖和初期支護(hù)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(chǎng)合，二次襯砌設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮土壓的作用。二次襯砌設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括形狀、厚度、耐久性、變形縫等設(shè)計(jì)。二次襯砌的形狀和厚度設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減小其彎矩并使其能夠傳遞軸力；仰拱的設(shè)計(jì)要兼顧施工和排水。

初期支護(hù)和二次襯砌目標(biāo)是以最小支護(hù)代價(jià)達(dá)到最優(yōu)的圍巖穩(wěn)定性控制效果。該方法的關(guān)鍵是對(duì)圍巖變形量的預(yù)測(cè)，因此獲取可靠的圍巖參數(shù)和監(jiān)控量測(cè)是評(píng)價(jià)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(guó)內(nèi)學(xué)者基于圍巖變形主動(dòng)控制提出了隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的剛度設(shè)計(jì)理論[26]，基于牛頓第二定律推導(dǎo)的隧道掌子面前方圍巖變形表達(dá)式為

(1)

(2)

公式(1)揭示了圍巖變形與圍巖條件、支護(hù)剛度、支護(hù)時(shí)機(jī)以及剛度空間分布等的關(guān)系，可對(duì)圍巖變形過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)和安全性評(píng)估，并形成了以圍巖變形控制為目標(biāo)的支護(hù)剛度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，建立了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核方法，據(jù)此對(duì)支護(hù)剛度和變形控制目標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，并建立了支護(hù)剛度設(shè)計(jì)方法，較傳統(tǒng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)具有突破性。

近年來(lái)，隧道建設(shè)的管理、科研、設(shè)計(jì)、施工等領(lǐng)域已經(jīng)對(duì)圍巖變形主動(dòng)控制達(dá)成基本共識(shí)。圍巖變形主動(dòng)控制的設(shè)計(jì)理論，即以圍巖穩(wěn)定性為前提，以變形主動(dòng)控制為目標(biāo)，充分發(fā)揮錨桿、初支混凝土徑向約束作用，實(shí)現(xiàn)圍巖變形動(dòng)態(tài)主動(dòng)干預(yù)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(dòng)支護(hù)作用，達(dá)到安全耐久、內(nèi)實(shí)外美的穩(wěn)定支護(hù)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(dòng)控制圍巖變形，由于圍巖變形主動(dòng)控制的應(yīng)用條件和適用范圍尚未形成量化標(biāo)準(zhǔn)，其在實(shí)際使用中往往缺乏科學(xué)性指導(dǎo)，導(dǎo)致在建造經(jīng)濟(jì)性、合理性方面無(wú)法形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。在“支護(hù)—圍巖”的協(xié)同作用研究方面，通常采用協(xié)同學(xué)、最優(yōu)化理論結(jié)合隧道力學(xué)進(jìn)行研究分析，但目前仍停留在科學(xué)現(xiàn)象階段，缺乏系統(tǒng)深入的實(shí)踐認(rèn)識(shí)。隧道主動(dòng)支護(hù)體系整體架構(gòu)尚未完善，有待深入研究，以指導(dǎo)主動(dòng)支護(hù)體系系統(tǒng)性應(yīng)用。

2.3 理論分析方法

2.3.1 隧道設(shè)計(jì)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(jì)算出圍巖特征曲線，利用監(jiān)控量測(cè)修正圍巖特征曲線；并將圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)特征曲線的交點(diǎn)作為支護(hù)依據(jù)；最后對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行安全性驗(yàn)算。特征曲線法采用解析解，適用于靜水應(yīng)力場(chǎng)的圓形隧道，在地質(zhì)復(fù)雜隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)存在局限性，目前主要通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法克服求解問(wèn)題。

荷載-結(jié)構(gòu)法是一種解析設(shè)計(jì)方法，以支護(hù)結(jié)構(gòu)作為承載主體，將支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖分開考慮，將圍巖作為荷載，并考慮圍巖對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形約束。荷載-結(jié)構(gòu)法通過(guò)將圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，利用數(shù)值計(jì)算方法求解，計(jì)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(guò)經(jīng)驗(yàn)公式或圍巖分級(jí)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(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)荷載的情況。由于荷載及圍巖參數(shù)多采用統(tǒng)計(jì)值和經(jīng)驗(yàn)值，也未考慮圍巖的非線性特征等，因此計(jì)算結(jié)果與實(shí)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(hù)結(jié)構(gòu)限制圍巖向隧道內(nèi)變形，將支護(hù)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(jì)方法。通過(guò)支護(hù)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(jì)算結(jié)構(gòu)與圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變。確定圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)、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(guò)地勘和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試獲取地層參數(shù)，計(jì)算時(shí)也依賴設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)判斷。圍巖-結(jié)構(gòu)法適用于復(fù)雜地質(zhì)條件下的圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析。

2.3.2 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法包括類比設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。類比設(shè)計(jì)，是對(duì)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(jì)的方法。主要用于隧道支護(hù)參數(shù)的確定，包括類比工程的資料收集、與類比工程的對(duì)比分析、支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的擬定、支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整等。采用類比設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)適用于地質(zhì)條件復(fù)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(jì)法進(jìn)行驗(yàn)證。

標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)是根據(jù)隧道的埋深大小、圍巖級(jí)別、運(yùn)輸方式、速度目標(biāo)值、股道數(shù)量、軌道形式、防排水方式等內(nèi)容，依照標(biāo)準(zhǔn)圖、通用圖開展工程設(shè)計(jì)的方法。應(yīng)用的前提是隧道斷面型式標(biāo)準(zhǔn)化、襯砌支護(hù)方式標(biāo)準(zhǔn)化、施工方法標(biāo)準(zhǔn)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(guó)鐵路隧道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括建筑限界、襯砌內(nèi)輪廓、設(shè)計(jì)荷載、結(jié)構(gòu)計(jì)算方法、支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)、襯砌斷面圖、建筑及防水材料、施工方法、監(jiān)控量測(cè)設(shè)計(jì)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(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì)和施工，并通過(guò)監(jiān)控量測(cè)信息修改預(yù)設(shè)計(jì)，施工與監(jiān)測(cè)同步，最終形成長(zhǎng)期穩(wěn)定的洞室結(jié)構(gòu)體系，其設(shè)計(jì)流程見圖1。信息反饋法依賴監(jiān)控量測(cè)信息的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，量測(cè)數(shù)據(jù)分析依賴人工經(jīng)驗(yàn)，且缺少完善的反饋理論、反饋計(jì)算方法。將量測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果結(jié)合使用，能夠相對(duì)準(zhǔn)確的反應(yīng)圍巖及支護(hù)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(tái)的發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)反饋信息的自動(dòng)采集和分析，使結(jié)果比對(duì)更為便捷，有效提升了信息反饋設(shè)計(jì)的效率。現(xiàn)場(chǎng)采用信息反饋法設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能采用自動(dòng)測(cè)量、采集的設(shè)備和在線協(xié)同管理平臺(tái)，提高數(shù)據(jù)真實(shí)性、反饋及時(shí)性和閉環(huán)效率。

圖1 信息反饋法流程圖

2.4 現(xiàn)狀及問(wèn)題

目前我國(guó)鐵路隧道建造以新奧法為主，經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法是我國(guó)隧道設(shè)計(jì)中最常用的方法，常結(jié)合理論分析方法及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法使用。其本質(zhì)是對(duì)于圍巖力學(xué)響應(yīng)和支護(hù)結(jié)構(gòu)作用的認(rèn)識(shí)不夠，對(duì)于支護(hù)與圍巖相互作用缺乏深入研究，導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案缺乏科學(xué)性和可靠性。因此，應(yīng)重視基礎(chǔ)理論研究，將理論知識(shí)應(yīng)用到工程實(shí)踐，方能在支護(hù)設(shè)計(jì)上有所突破。

此外，現(xiàn)階段由于隧道設(shè)計(jì)理論與工程實(shí)踐仍存在差距，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)仍是有必要的，其應(yīng)用的關(guān)鍵在于如何科學(xué)、系統(tǒng)地采用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，統(tǒng)計(jì)學(xué)、模糊數(shù)學(xué)的引入使經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)更具科學(xué)性。近年，大數(shù)據(jù)和人工智能的發(fā)展使經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法更具發(fā)展前景，但仍需解決地層及結(jié)構(gòu)真實(shí)數(shù)據(jù)獲取、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)分析及判釋等問(wèn)題。

隨著隧道建設(shè)增多，復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道建設(shè)更為普遍，尤其是復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路面臨的高地應(yīng)力巖爆、軟巖大變形、活動(dòng)斷裂帶、高地溫等不良地質(zhì)條件，復(fù)雜高能地質(zhì)環(huán)境下的隧道建造設(shè)計(jì)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(guó)鐵路隧道建造中有悠久的歷史，因其具有靈活多變、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，是我國(guó)鐵路隧道建造最廣泛采用的方法。自從衡(衡陽(yáng))—廣(廣州)鐵路復(fù)線大瑤山隧道引進(jìn)了四臂液壓鑿巖臺(tái)車起，我國(guó)鐵路隧道鉆爆法施工開啟了機(jī)械化施工的序章。自此，在國(guó)內(nèi)隧道修建中基本得以堅(jiān)持使用的機(jī)械設(shè)備有裝載機(jī)、挖掘機(jī)、干噴機(jī)、自卸汽車、混凝土輸送泵、鋼模板襯砌臺(tái)車等裝備。隨著隧道建造標(biāo)準(zhǔn)的提高，快速施工的要求，以及裝備技術(shù)水平的進(jìn)步，我國(guó)從“整機(jī)進(jìn)口，配件全力國(guó)產(chǎn)化”發(fā)展到擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成套鉆爆法施工裝備。近50年以來(lái)，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(wàn)(萬(wàn)州)高鐵、京(北京)—張(張家口)高鐵等眾多鐵路建設(shè)，我國(guó)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(guó)鐵路隧道建設(shè)理論與技術(shù)取得了長(zhǎng)足發(fā)展。在充分總結(jié)施工材料、施工機(jī)具、施工組織和施工工藝各方面經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，形成了長(zhǎng)大隧道鉆爆法大型機(jī)械化快速施工技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)鐵路隧道施工作業(yè)工序主要有超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、隧道開挖、洞渣裝運(yùn)、初期支護(hù)作業(yè)、檢鋪底作業(yè)、防排水作業(yè)、襯砌澆筑養(yǎng)護(hù)及施工監(jiān)控量測(cè)等。工程實(shí)踐顯示，在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、圍巖智能分級(jí)、精細(xì)化爆破、圍巖變形主動(dòng)控制、高性能支護(hù)技術(shù)、機(jī)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(yù)報(bào)快速、精準(zhǔn)、定量化預(yù)報(bào)水平不高，圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)和分級(jí)依賴人工經(jīng)驗(yàn)判斷；爆破對(duì)隧道施工環(huán)境影響大，開挖工法選擇尚未形成標(biāo)準(zhǔn)范式；支護(hù)時(shí)機(jī)難以精準(zhǔn)把控，支護(hù)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(wèn)題仍是隧道主要問(wèn)題之一；監(jiān)控量測(cè)及時(shí)性不夠，數(shù)據(jù)真實(shí)性、準(zhǔn)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(jìn)一步完善；機(jī)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(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)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(yù)報(bào)與圍巖質(zhì)量判釋

3.2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

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

圖2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)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(bǔ)充調(diào)查一般在洞內(nèi)隧道預(yù)報(bào)前進(jìn)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(yīng)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(xiàng)，隨著其他學(xué)科的技術(shù)進(jìn)步，基于圖像處理和識(shí)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(yīng)用?；谇逦?、分類和相似度通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)掌子面圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)[30]。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)重構(gòu)掌子面三維地質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)面信息自動(dòng)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(biāo)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(biāo)，可初步實(shí)現(xiàn)隧道軸向巖體完整性預(yù)測(cè)[32]。

(2)鉆探法

鉆探法在復(fù)雜地質(zhì)條件應(yīng)用較多，是最直接的預(yù)報(bào)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(shí)通過(guò)加大單個(gè)或多個(gè)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(yù)報(bào)技術(shù)在隧道中的應(yīng)用也越來(lái)越多。目前國(guó)產(chǎn)臺(tái)車已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了隨鉆測(cè)量鉆孔壓力、鉆孔速度、鉆桿旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)實(shí)時(shí)獲取，通過(guò)隨鉆測(cè)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(wú)水體、溶洞、斷層、裂隙等。超長(zhǎng)(>1 000 m)鉆探預(yù)報(bào)也已經(jīng)開始應(yīng)用于隧道中，F(xiàn)SC-100超長(zhǎng)鉆孔控制鉆機(jī)最大鉆孔長(zhǎng)度可達(dá)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(chǎng)鉆孔過(guò)程監(jiān)測(cè)(Drilling Process Monitoring，DPM)技術(shù)為利用鉆進(jìn)速度區(qū)分巖體提供了途徑[33-34]?；阢@機(jī)鉆進(jìn)的壓力、流量、溫度、振動(dòng)、應(yīng)力、轉(zhuǎn)速及位移等工作參數(shù)，能夠?qū)Φ貙拥刭|(zhì)界面進(jìn)行有效識(shí)別[35]。通過(guò)鉆壓、扭矩與每轉(zhuǎn)進(jìn)給量之間的關(guān)系曲線推導(dǎo)的巖石的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)摩擦角及黏聚力的計(jì)算公式，證明了通過(guò)旋進(jìn)式觸探試驗(yàn)獲取巖石基本力學(xué)參數(shù)的可行性[36]。

(3)物探法

物探法主要利用彈性波、磁場(chǎng)、電場(chǎng)等探測(cè)掌子面前方地質(zhì)條件。負(fù)視速度法采用直線觀測(cè)方式，通過(guò)反射界面兩側(cè)的巖性具有明顯的波阻抗差異進(jìn)行探測(cè)[37]。地震波反射法(Tunnel Seismic Predicition，TSP)采用一維布置的直線觀測(cè)方式，對(duì)界面預(yù)報(bào)較準(zhǔn)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(cè)方式，通過(guò)地震偏移成像技術(shù)進(jìn)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(cè)方式，對(duì)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)具有較好的應(yīng)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(cè)線，采用錘擊震源，該方法能量更為集中，對(duì)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(cè)效果[42-44]。水平聲波剖面法(Horizontal Sonic Profiling，HSP)法激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)布置在隧道兩側(cè)，能確定主要反射界面，對(duì)于復(fù)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(shí)差別，探測(cè)地質(zhì)體形態(tài)和屬性，對(duì)賦水構(gòu)造探測(cè)效果好[46]。電法預(yù)報(bào)利用地質(zhì)體電性差異進(jìn)行探測(cè)，對(duì)水文地質(zhì)構(gòu)造具有較好的預(yù)報(bào)效果[47-48]。紅外探測(cè)法利用含水體與圍巖溫差引起的溫度場(chǎng)變化進(jìn)行探測(cè)，主要用于對(duì)掌子面前方水體的預(yù)報(bào)[49]。

目前物探類預(yù)報(bào)方法在距離、準(zhǔn)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(jìn)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(yīng)特征，采用三向偏移距的空間觀測(cè)方式，通過(guò)錘擊或機(jī)械激震，可獲取較準(zhǔn)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(jìn)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(cè)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(guò)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(shí)現(xiàn)了隧道掌子面前方較遠(yuǎn)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(biāo)函數(shù)為

(3)

式中:φd為實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)與理論正演觀測(cè)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(duì)角矩陣;Δd為實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)與正演理論觀測(cè)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(dǎo)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(guò)攜帶加權(quán)函數(shù)的三維電阻率反演方法，可實(shí)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(yù)報(bào)法

綜合預(yù)報(bào)法即綜合運(yùn)用多種預(yù)報(bào)方法以提升預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，我國(guó)早在20世紀(jì)80年代就開展了簡(jiǎn)單的綜合預(yù)報(bào)應(yīng)用，目前的隧道建設(shè)均采用綜合預(yù)報(bào)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(zhǎng)短預(yù)測(cè)結(jié)合以及物性參數(shù)互補(bǔ)”的綜合預(yù)報(bào)原則[54]。利用掌子面素描確定地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)時(shí)機(jī)和方案，在隧道斷層和涌水段預(yù)報(bào)中具有較好的效果[55]。隧道施工期地質(zhì)災(zāi)害超前地質(zhì)預(yù)報(bào)專家系統(tǒng)，能夠根據(jù)不同巖性、構(gòu)造、水文條件自動(dòng)生成預(yù)報(bào)方法建議[56]。地質(zhì)雷達(dá)結(jié)合地震波反射法和地質(zhì)調(diào)查法進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)，對(duì)斷層破碎帶、富水帶的預(yù)報(bào)結(jié)果可靠[57]?；陉懙芈暭{法、瞬變電磁法和復(fù)合式激發(fā)極化法的綜合預(yù)報(bào)方法，對(duì)斷層、破碎帶、溶洞、暗河和地下水的預(yù)報(bào)效果良好[44]。綜合預(yù)報(bào)中過(guò)程彼此獨(dú)立而無(wú)法有效避免多解性，通過(guò)地質(zhì)調(diào)查和鉆探約束探測(cè)區(qū)域電阻率變化范圍，通過(guò)地震反射、探地雷達(dá)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(yù)報(bào)精度[58]。

3.2.2 圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)和分級(jí)

由于所涉及的因素具有多樣性、可變性和不確定性等特點(diǎn)，使圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)和分級(jí)成為一個(gè)極為復(fù)雜的系統(tǒng)性問(wèn)題[59]。國(guó)外學(xué)者提出了Terzaghi分級(jí)、巖石質(zhì)量指標(biāo)分級(jí)(Rock Quality Designation，RQD)、地質(zhì)力學(xué)分級(jí)(Rock Mass Rating，RMR)、巖體指數(shù)分級(jí)(Rock Mass Index，RMI)、地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)分級(jí)(Geological Strength Index，GSI)等。國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了巖體質(zhì)量系數(shù)Z分級(jí)、隧道工程巖體質(zhì)量分級(jí)(Rock Mass Quality，RMQ)、工程巖體基本質(zhì)量指標(biāo)(Basic Quality，BQ)分級(jí)、鐵路隧道分級(jí)等。

根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[60]，鐵路隧道圍巖分級(jí)首先由巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度兩個(gè)因素確定圍巖基本分級(jí)。其中巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度采用定性劃分和定量指標(biāo)兩種方法綜合確定。巖石堅(jiān)硬程度按照單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc以及錘擊及浸水后反應(yīng)進(jìn)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(biāo)BQ值，將圍巖分為Ⅰ至Ⅵ級(jí)，Ⅰ級(jí)最好，Ⅵ級(jí)最差。在此基礎(chǔ)之上，結(jié)合隧道工程的特點(diǎn)，考慮地下水出水狀態(tài)、初始地應(yīng)力狀態(tài)、主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀狀態(tài)等因素進(jìn)行修正，修正過(guò)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(jí)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(cè)量技術(shù)、人工智能技術(shù)等的開發(fā)和應(yīng)用以及與數(shù)學(xué)方法的深度結(jié)合，為圍巖分級(jí)定量化、自動(dòng)化研究提供了強(qiáng)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(duì)圍巖穩(wěn)定性影響指標(biāo)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]?；诖植诩屠硐朦c(diǎn)法的隧道圍巖分類模型，將直接賦予權(quán)重轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^(guò)實(shí)際工程樣本求解分配影響因素權(quán)重，可降低圍巖分級(jí)對(duì)工程經(jīng)驗(yàn)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(jí)系統(tǒng)，可提高機(jī)器分級(jí)準(zhǔn)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(jí)專家系統(tǒng)，采用巖石堅(jiān)硬程度、巖體完整程度和修正因素3類指標(biāo)，按照定性和定量劃分，可為實(shí)際工程圍巖分級(jí)提供參考意見[64]。

以手機(jī)作為數(shù)據(jù)采集、傳輸和反饋樞紐，以云計(jì)算平臺(tái)為數(shù)據(jù)處理中心，融合巖體力學(xué)與三維幾何地質(zhì)信息自動(dòng)識(shí)別算法[65]，可自動(dòng)計(jì)算圍巖分級(jí)指標(biāo)并智能匹配支護(hù)設(shè)計(jì)圖，其流程見圖3?？砂凑誃Q分級(jí)、RMR分級(jí)、GSI分級(jí)輸出評(píng)價(jià)結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證了其可靠性。

圖3 圍巖自動(dòng)評(píng)價(jià)流程

某高鐵隧道利用圍巖智能分級(jí)及預(yù)測(cè)系統(tǒng)對(duì)圍巖進(jìn)行自動(dòng)分級(jí)。具備項(xiàng)目基本信息查詢、項(xiàng)目進(jìn)度控制、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分級(jí)、圍巖級(jí)別變更、圍巖級(jí)別預(yù)測(cè)、圍巖級(jí)別驗(yàn)證及歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。圍巖分級(jí)及預(yù)測(cè)是利用隨鉆測(cè)量參數(shù)(推進(jìn)速度、推進(jìn)壓力、沖擊壓力、回轉(zhuǎn)壓力、水壓力和水流量)、自動(dòng)掌子面素描以及勘察設(shè)計(jì)資料、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料構(gòu)建圍巖地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，并基于隨鉆參數(shù)和掌子面信息與圍巖級(jí)別的對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)圍巖進(jìn)行智能分級(jí)，見圖4，進(jìn)而通過(guò)對(duì)比不同掌子面的圍巖分級(jí)情況，預(yù)測(cè)前方圍巖級(jí)別，見圖5。

圖4 圍巖智能分級(jí)

圖5 圍巖級(jí)別預(yù)測(cè)

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(shí)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(duì)巖體及周圍環(huán)境的影響，同時(shí)控制超欠挖，提高開挖質(zhì)量。

鉆爆開挖產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)圍巖體及周邊建筑結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生影響，嚴(yán)重情況下，會(huì)導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)、建筑結(jié)構(gòu)破壞，對(duì)鉆爆開挖的影響評(píng)估是鉆爆作業(yè)實(shí)施的必備環(huán)節(jié)。鉆爆開挖振動(dòng)場(chǎng)具有拱頂最強(qiáng)、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(dòng)對(duì)圍巖和臨近建(構(gòu))筑物的影響，爆破引起的振動(dòng)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(xué)性質(zhì)、局部場(chǎng)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(dǎo)爆管雷管，減振效果可達(dá)60%以上[67]。大跨小間距隧道開挖時(shí)，通過(guò)鉆爆振動(dòng)監(jiān)測(cè)，并采用中夾巖側(cè)上臺(tái)階“前后錯(cuò)落三部”同步爆破施工的CD法，可有效減小臨近爆破振動(dòng)影響[68-71]。采用非對(duì)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(guò)分部開挖和分段起爆，能夠降低隧道爆破的振動(dòng)強(qiáng)度[72]。

精細(xì)化開挖技術(shù)在鉆爆隧道中主要指“精細(xì)爆破”，文獻(xiàn)[73-74]基于大量工程實(shí)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(xì)爆破是指通過(guò)定量化的爆破設(shè)計(jì)、精心的爆破施工和精細(xì)化的管理，進(jìn)行炸藥爆炸能量釋放與介質(zhì)破碎、拋擲等過(guò)程的精密控制，既達(dá)到預(yù)期的爆破效果，又實(shí)現(xiàn)爆破有害效應(yīng)的有效控制，最終實(shí)現(xiàn)安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、綠色環(huán)保及經(jīng)濟(jì)合理的爆破作業(yè)。平寨隧道引入“精細(xì)爆破”理念，通過(guò)改進(jìn)臺(tái)架，實(shí)現(xiàn)上下臺(tái)階同步鑿巖爆破，并通過(guò)炮孔密度設(shè)計(jì)、藥量控制以及優(yōu)化起爆順序，實(shí)現(xiàn)了在不良圍巖段的精細(xì)化開挖[75]。在烏干達(dá)卡魯瑪水電站尾水隧洞爆破中，通過(guò)爆破精細(xì)化管理，實(shí)現(xiàn)光面爆破半孔率達(dá)90%以上，有效提高了爆破開挖質(zhì)量[76]。為了實(shí)現(xiàn)隧道開挖的精細(xì)化控制，采用“鉆爆+銑挖”組合也逐漸被運(yùn)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(guò)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(diǎn)[77]；在高地應(yīng)力隧道，還可采用“鉆爆+銑挖”組合在中導(dǎo)洞提前釋放應(yīng)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(duì)隧道施工環(huán)境的影響也逐漸成為一種趨勢(shì)。

3.3.2 開挖工法

鉆爆法開挖工法主要包括全斷面法、臺(tái)階法以及分部開挖法等。

全斷面法是通過(guò)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(jí)圍巖，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖在采取超前支護(hù)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(jìn)行全斷面開挖。全斷面法由于作業(yè)面大，可以采用大型機(jī)械化設(shè)備配套作業(yè)，優(yōu)化配置多工序同時(shí)作業(yè)，提高施工效率。同時(shí)可利用深孔爆破降低開挖循環(huán)時(shí)間，增加循環(huán)進(jìn)尺，提高開挖質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性。京(北京)—張(張家口)高鐵八達(dá)嶺隧道Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖采用全斷面開挖，爆破設(shè)計(jì)見圖6。利用三臂鑿巖臺(tái)車一次鉆眼，設(shè)計(jì)使用1、3、5、7、9～16共12個(gè)段別，一次爆破，月進(jìn)度可達(dá)到200～300 m/月。

圖6 八達(dá)嶺隧道爆破設(shè)計(jì)(單位：cm)

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

分部開挖法有中隔壁法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等，是對(duì)整個(gè)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(jí)圍巖、淺埋或軟弱圍巖大斷面隧道。當(dāng)大斷面隧道圍巖自穩(wěn)能力極差時(shí)，還可采用交叉中隔壁法。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法一般用于Ⅴ、Ⅵ級(jí)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(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)，盡早封閉成環(huán)。京(北京)—張(張家口)高鐵八達(dá)嶺地下車站大跨段開挖時(shí)采用了“品”字形開挖工法，見圖7。實(shí)際上是也是一種分部開挖法，采用“頂洞超前、分層開挖、預(yù)留核心、重點(diǎn)鎖定”的理念。施工時(shí)，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(yù)留核心、自上而下、先兩邊后中間”的方式進(jìn)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(jìn)行支護(hù)。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(hù)施工技術(shù)

隧道支護(hù)包括超前支護(hù)、初期支護(hù)和二次襯砌。我國(guó)鐵路隧道支護(hù)包括超前管棚、錨桿、噴射混凝土、鋼架等支護(hù)構(gòu)件，可根據(jù)地質(zhì)條件、支護(hù)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(hù)。

隧道支護(hù)設(shè)計(jì)包括主動(dòng)和被動(dòng)支護(hù)，其施工現(xiàn)狀主要是被動(dòng)支護(hù)[78]。根據(jù)我國(guó)隧道工程經(jīng)驗(yàn)提出的“主動(dòng)控制變形”的理念，認(rèn)為被動(dòng)支護(hù)是指由初期支護(hù)、二次襯砌等方式通過(guò)外部支護(hù)作用防止圍巖變形的支護(hù)類型；主動(dòng)支護(hù)是指通過(guò)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(hù)方式[79]。因此支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用包括協(xié)助圍巖承載，提供支護(hù)力；改善圍巖力學(xué)性能和完整性，調(diào)動(dòng)圍巖自承載能力[80]。通過(guò)被動(dòng)支護(hù)和主動(dòng)支護(hù)協(xié)同工作，達(dá)到結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期穩(wěn)定的目的。

3.4.1 超前支護(hù)

超前支護(hù)是在隧道掌子面或沿掌子面輪廓超前施作的管棚、導(dǎo)管、鋼板、錨桿或注漿、凍結(jié)、預(yù)切槽、預(yù)襯砌等一系列施工技術(shù)的總稱。我國(guó)隧道施工通常將超前支護(hù)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(qiáng)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(guò)合理的超前支護(hù)可以在軟弱圍巖等不良地質(zhì)中可實(shí)現(xiàn)全斷面開挖。

根據(jù)超前支護(hù)作用機(jī)理的不同，超前支護(hù)包括地層改良類和預(yù)支護(hù)類。前者通過(guò)注漿、凍結(jié)等方法，主動(dòng)提高超前核心土及附近圍巖的物理力學(xué)參數(shù)，保護(hù)和加強(qiáng)圍巖，使之具備良好的剛度和強(qiáng)度，從而控制圍巖變形；后者通過(guò)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(duì)其支護(hù)。

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(yuǎn)好于黏性土。因此，要采用與圍巖性質(zhì)相適應(yīng)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(shí)加固方式，在山嶺隧道中采用較少，但臨時(shí)加固效果和止水效果好，可靠性高，缺點(diǎn)是作業(yè)周期長(zhǎng)。

管棚法是通過(guò)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(dá)到支護(hù)的目的。一般采用的直徑70～180 mm的鋼管，施工長(zhǎng)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(shí)設(shè)備，其施工效率較低。管棚的配置間隔應(yīng)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(dǎo)管一般用直徑50 mm，長(zhǎng)度小于5 m的無(wú)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(dǎo)管，間距大約30～40 cm，搭接長(zhǎng)度一般大于1.0 m。小導(dǎo)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(shí)注漿的方式，一般以0.5～1.0 MPa壓力注入水泥漿或化學(xué)漿液。

3.4.2 初期支護(hù)

“錨桿+噴混凝土”、“錨桿+鋼拱架+噴混凝土”是初期支護(hù)常用方式。目前采用“預(yù)制裝配式拱架網(wǎng)片一體化結(jié)構(gòu)”的支護(hù)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(dòng)支護(hù)。除支護(hù)理念，初期支護(hù)的材料也對(duì)支護(hù)效果有決定性作用。

(1)錨桿(索)支護(hù)

我國(guó)隧道錨桿支護(hù)采用最多的是普通砂漿錨桿。由于錨固力增長(zhǎng)緩慢、拱部安裝困難、墊板及螺母施工不到位等，導(dǎo)致錨桿支護(hù)作用降低，對(duì)圍巖初期變形控制效果不佳。近些年來(lái)我國(guó)已研制有多種類型的高性能錨桿，且已在工程中得以應(yīng)用，取得了較好的工程實(shí)施效果。

低預(yù)應(yīng)力中空錨桿針對(duì)普通砂漿錨桿支護(hù)力滯后、加固效果不易控制的問(wèn)題，通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力對(duì)圍巖進(jìn)行快速、主動(dòng)支護(hù)，并通過(guò)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(shí)，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(hù)能力。自進(jìn)錨桿針對(duì)松軟破碎地層中錨桿成孔困難、鉆孔拔出即塌孔的問(wèn)題，將錨桿的桿體作為鉆進(jìn)的鉆桿和注漿管，鉆進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)地層破碎情況用水泥漿液加固地層，是對(duì)普通中空注漿錨桿在破碎地層和土層區(qū)域的進(jìn)一步拓展。讓壓錨桿、恒阻大變形錨桿(索)針對(duì)大變形隧道及深部地下工程圍巖變形控制問(wèn)題，通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)在高地應(yīng)力作用下主動(dòng)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(yīng)用于掌子面或擴(kuò)挖導(dǎo)洞等需要將錨桿切斷的場(chǎng)景?？炷鐝?qiáng)水泥基注漿材料、快凝早強(qiáng)水泥卷錨固劑、樹脂卷錨固劑等新型錨固材料應(yīng)用注漿增多，為加快錨固施工，實(shí)現(xiàn)錨固體系優(yōu)質(zhì)高效、經(jīng)濟(jì)環(huán)保提供了保障。

(2)噴射混凝土支護(hù)

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

①早高強(qiáng)噴射混凝土

硬化特性是噴射混凝支護(hù)作用主要影響因素之一，通過(guò)早期形成高強(qiáng)度噴射混凝土層對(duì)圍巖變形進(jìn)行控制，并封閉圍巖防止風(fēng)化。早高強(qiáng)噴射混凝土的制備措施通常包括：采用低水膠比，提高基準(zhǔn)強(qiáng)度；使用早強(qiáng)型無(wú)堿速凝劑、早強(qiáng)劑等摻合料和外加劑，如中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司研制的早強(qiáng)型無(wú)堿速凝劑具有早期強(qiáng)度高、氯離子含量低、均質(zhì)性好等特點(diǎn)，對(duì)常規(guī)水泥具有普遍適應(yīng)性，低溫穩(wěn)定性良好?；谠撍倌齽┘霸鐝?qiáng)劑等，研發(fā)了早高強(qiáng)噴射混凝土，依托高家坪隧道開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在齡期強(qiáng)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(qiáng)噴射混凝土試驗(yàn)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(yīng)用范圍，不僅用于特殊結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)，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(guó)有著廣泛的工程應(yīng)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(yīng)用迅速增長(zhǎng)，并在悉尼M5東隧道作為永久支護(hù)。意大利約30%的噴混凝土含有纖維補(bǔ)強(qiáng)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(hù)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(hù)作為永久支護(hù)。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(dǎo)致的不密實(shí)、應(yīng)力集中、安裝費(fèi)時(shí)等問(wèn)題。

我國(guó)對(duì)鋼纖維噴射混凝土研究和應(yīng)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(lái)，隨著纖維類型、高效外加劑、先進(jìn)施工裝備和施工工藝發(fā)展，鋼纖維噴射混凝土的應(yīng)用逐步擴(kuò)大。

(3)噴射混凝土施工機(jī)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(yīng)用，目前噴混凝土施工技術(shù)已經(jīng)全面實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，向信息化、智能化過(guò)渡。國(guó)內(nèi)許多廠家生產(chǎn)了多種型號(hào)的濕噴機(jī)械手，滿足不同噴射效率、作業(yè)覆蓋范圍等需求。針對(duì)噴射混凝土自動(dòng)化的技術(shù)，已經(jīng)實(shí)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(chǔ)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(zhǎng)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(hù)。隧道襯砌采用襯砌臺(tái)車分層逐窗進(jìn)行澆注，由于臺(tái)車模板封閉，難以準(zhǔn)確判斷混凝土澆注是否飽滿，常導(dǎo)致提前終止?jié)沧⒍纬煽斩?。澆注壓力也?huì)對(duì)襯砌質(zhì)量產(chǎn)生影響，帶壓澆注與無(wú)澆注壓力的襯砌強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明：澆注壓力在40 kPa左右時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度比沒有澆注壓力的混凝土強(qiáng)度增加約28%[81]。此外，襯砌施作時(shí)機(jī)不當(dāng)、臺(tái)車端部封閉不嚴(yán)、搗固不密實(shí)，養(yǎng)護(hù)不到位也會(huì)引起襯砌質(zhì)量問(wèn)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(guò)對(duì)既有臺(tái)車進(jìn)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(wèn)題[82]。新型智能襯砌模板臺(tái)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(jì)，避免了傳統(tǒng)臺(tái)車作業(yè)弊端，在提升襯砌整體施作質(zhì)量方面應(yīng)用效果良好。隧道襯砌智能養(yǎng)護(hù)臺(tái)車，能夠自動(dòng)檢測(cè)襯砌溫濕度，并自動(dòng)進(jìn)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(hù)治質(zhì)量。

襯砌施工期在線監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)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(dá)、聲波檢測(cè)的傳播與反射被抑制的問(wèn)題，利用預(yù)埋式傳感器監(jiān)測(cè)空洞；采用陣列式排布方式，基于智能判識(shí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判識(shí)。該技術(shù)在京(北京)—張(張家口)高鐵八達(dá)嶺隧道進(jìn)行了應(yīng)用，應(yīng)用效果良好。

3.5 防排水施工技術(shù)

地下水對(duì)隧道的作用可能伴隨隧道的整個(gè)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(duì)策主要分為“排水”和“堵水”兩類，制定隧道控制地下水的對(duì)策需要同時(shí)考慮隧道施工對(duì)地下水的影響以及地下水對(duì)隧道施工的影響，大量工程實(shí)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(gè)等級(jí)，一級(jí)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(shí)通過(guò)注漿改善地層以提高防水能力，其中隧道接縫為防水重點(diǎn)部位。要做好隧道防排水工作在設(shè)計(jì)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(duì)性進(jìn)行初步設(shè)計(jì)；根據(jù)隧道開挖揭露的地質(zhì)情況以及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)信息，對(duì)設(shè)計(jì)做好適應(yīng)性調(diào)整；加強(qiáng)施工期間防排水作業(yè)過(guò)程管理，提升作業(yè)質(zhì)量；施工后查漏補(bǔ)缺，對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題隧段明確原因，及時(shí)進(jìn)行處置。

我國(guó)疆域遼闊，隧道建設(shè)面臨的地質(zhì)條件復(fù)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(shì)。以宜萬(wàn)鐵路隧道建設(shè)為例，宜萬(wàn)鐵路隧道具有巖溶廣泛發(fā)育、隧址區(qū)高壓富水等特點(diǎn)，對(duì)充填型溶腔進(jìn)行富水分級(jí)，按照涌水量分為A～E共5個(gè)等級(jí)，提出對(duì)A、B級(jí)特大爆噴型和大量突水型在分析排放水對(duì)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(jí)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(jí)的溶腔或溶管水采用“以堵為主”的巖溶水治理原則，并對(duì)不良地質(zhì)富水段通過(guò)全斷面超前注漿技術(shù)與超前大管棚預(yù)支護(hù)配合治理，取得較好的治理效果[85]。在高原嚴(yán)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(dòng)控制式防排水方案，通過(guò)圍巖抗?jié)B性預(yù)測(cè)、堵水系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)、初期支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、二次襯砌安全設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)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(wèn)題。

拱墻部位防排水層設(shè)置于初期支護(hù)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(fēng)險(xiǎn)，確保及時(shí)排走透過(guò)初期支護(hù)的地下水，保證襯砌背后不積水、無(wú)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(hù)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(qiáng)隧道與混凝土的黏接力。自粘膠層與止水帶基材通過(guò)機(jī)械嵌合力、分子間力和化學(xué)鍵力等牢固黏接。在混凝土水化過(guò)程中產(chǎn)生大量水化熱，其溫度能達(dá)到70～80 ℃，在這個(gè)環(huán)境溫度下自粘膠就會(huì)軟化并產(chǎn)生黏性，黏性自粘膠由于水化反應(yīng)形成孔內(nèi)負(fù)壓被吸入毛細(xì)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(qiáng)隔水性能，止水機(jī)理見圖9。

圖9 自粘式止水帶止水機(jī)理

采用可維護(hù)的理念設(shè)計(jì)并施作隧底預(yù)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(cuò)、四通八達(dá)、連接順暢，排水構(gòu)件均采用工廠預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)險(xiǎn)。塑料檢查井及排水管等高分子材料構(gòu)件不會(huì)開裂滲漏，接頭標(biāo)準(zhǔn)件防水措施可靠，同時(shí)強(qiáng)化了接頭、破損處的密封處理等細(xì)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(yīng)可形成類似于硫化橡膠的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該反應(yīng)在短時(shí)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(yù)防性養(yǎng)護(hù)原則，在整體系統(tǒng)、構(gòu)件形式及連接構(gòu)造設(shè)計(jì)上應(yīng)充分考慮運(yùn)營(yíng)期可維護(hù)性。整體系統(tǒng)連接順暢通達(dá)；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(hù)操作；排水管件連接均采用圓弧過(guò)渡，易于維護(hù)裝置在管道內(nèi)前行。維護(hù)裝置疏通基本原理為噴射機(jī)構(gòu)將壓力能轉(zhuǎn)換成高度聚集的水射流動(dòng)能，利用反作用力產(chǎn)生推力，噴頭可以自行爬行前進(jìn)，同時(shí)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(dòng)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(dá)到疏通排水管道效果。

3.6 施工監(jiān)控量測(cè)

鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)是隧道設(shè)計(jì)和修正支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式和參數(shù)、正確選擇開挖方法和支護(hù)結(jié)構(gòu)施作時(shí)間、評(píng)價(jià)隧道施工和長(zhǎng)期健康狀態(tài)的依據(jù)。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包必測(cè)項(xiàng)和選測(cè)項(xiàng)。隧道監(jiān)控量測(cè)應(yīng)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(jì)要求綜合確定。一般來(lái)說(shuō)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目大致分為位移、應(yīng)力和變異3類。當(dāng)前隧道監(jiān)控量測(cè)將隧道斷面的收斂量測(cè)(位移量測(cè))作為重點(diǎn)，主要是由于位移監(jiān)測(cè)較其他量測(cè)簡(jiǎn)單、直接，而且數(shù)據(jù)容易處理。因此，在反饋方法中通過(guò)位移信息進(jìn)行反饋的方法居多。

隧道監(jiān)控量測(cè)斷面間距應(yīng)根據(jù)圍巖等級(jí)確定。圍巖條件好于Ⅲ級(jí)圍巖時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定必測(cè)項(xiàng)監(jiān)測(cè)斷面間距；Ⅲ級(jí)圍巖監(jiān)測(cè)斷面間距保持30～50 m；Ⅳ級(jí)圍巖監(jiān)測(cè)斷面間距保持10～30 m；Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖監(jiān)測(cè)斷面間距保持5～10 m。選測(cè)項(xiàng)監(jiān)測(cè)斷面在設(shè)計(jì)時(shí)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(yàn)和數(shù)值計(jì)算評(píng)估確定。

必測(cè)項(xiàng)監(jiān)測(cè)頻率應(yīng)根據(jù)隧道測(cè)點(diǎn)距掌子面的距離以及位移速度確定。選測(cè)項(xiàng)監(jiān)測(cè)頻率應(yīng)在設(shè)計(jì)中進(jìn)行規(guī)定。出現(xiàn)特殊情況時(shí)，應(yīng)提高監(jiān)測(cè)頻率，當(dāng)按照斷面距掌子面距離和位移速度確定頻率存在沖突時(shí)，采用較高的監(jiān)測(cè)頻率。隨著技術(shù)的發(fā)展，在隧道變形監(jiān)控量測(cè)中，三維激光掃描逐漸成為主流。三維激光掃描系統(tǒng)通過(guò)采集隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，可實(shí)現(xiàn)對(duì)變形的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，主要用于隧道內(nèi)輪廓及凈空變化監(jiān)測(cè)、隧道侵限情況監(jiān)測(cè)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(diǎn)。當(dāng)前，三維激光掃描技術(shù)在超欠挖檢測(cè)識(shí)別、隧道收斂變形以及支護(hù)平整度等方面應(yīng)用較多，見圖11。通過(guò)處理軟件，可實(shí)現(xiàn)異常情況快速識(shí)別，對(duì)施工具有良好的輔助作用。在信息反饋方面，自動(dòng)化采集、信息傳輸和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)使得數(shù)據(jù)反饋效率顯著提高，實(shí)現(xiàn)了異常情況的預(yù)警，進(jìn)一步保障了施工安全。

圖11 基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的超欠挖識(shí)別

京(北京)—張(張家口)高鐵八達(dá)嶺長(zhǎng)城站是目前國(guó)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(fù)雜、過(guò)渡段單洞跨度為世界高鐵之最，是目前國(guó)內(nèi)最復(fù)雜的暗挖洞群車站。京(北京)—張(張家口)高鐵八達(dá)嶺地下車站施工期在大跨過(guò)渡段、三聯(lián)拱段、小凈距段以及多向洞室段針對(duì)圍巖、錨桿、錨索、噴射混凝土、鋼架、鋼筋及二次襯砌進(jìn)行了系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)。通過(guò)監(jiān)控量測(cè)為優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提升安全等級(jí)創(chuàng)造了條件。以大跨過(guò)渡段監(jiān)控量測(cè)為例，八達(dá)嶺地下車站呈對(duì)稱形式，大里程端大跨段先期建設(shè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示大跨過(guò)渡段最大變形值僅為19 mm，遠(yuǎn)小于變形預(yù)測(cè)值，表明大跨段支護(hù)能力有充分的冗余。因此，對(duì)后期建設(shè)的小里程端大跨過(guò)渡段錨索數(shù)量進(jìn)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(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)隧道信息化監(jiān)控量測(cè)也逐漸被重視。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組網(wǎng)，采用洞內(nèi)無(wú)線傳輸和洞內(nèi)有線傳輸+洞外無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控量測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的快速傳輸；系統(tǒng)通過(guò)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(jì)超限值進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)隧道監(jiān)控量測(cè)的自動(dòng)化預(yù)警；通過(guò)對(duì)信息傳遞節(jié)點(diǎn)操作的監(jiān)控以及閉環(huán)管控邏輯，實(shí)現(xiàn)險(xiǎn)情發(fā)現(xiàn)到處置的快速閉環(huán)。通過(guò)該方式可有效提升隧道監(jiān)控量測(cè)的應(yīng)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(yù)制裝配式技術(shù)，由于構(gòu)件在工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，在質(zhì)量上更加可靠；預(yù)制生產(chǎn)也減少了施工過(guò)程中的物料浪費(fèi)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(jī)械化拼裝，降低了勞動(dòng)力需求的同時(shí)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(diǎn)，預(yù)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(yīng)用，隧道預(yù)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(yù)制裝配式技術(shù)優(yōu)點(diǎn)日益顯現(xiàn)，鉆爆隧道也在建造中開始研究并應(yīng)用該技術(shù)。

日本在鉆爆隧道預(yù)制裝配式襯砌方面進(jìn)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(yàn)，明確其施工可行性。與模筑襯砌相比，預(yù)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(yù)制裝配式襯砌系統(tǒng)，并進(jìn)行了足尺隧道試驗(yàn)，試驗(yàn)表明預(yù)制裝配式襯砌較模筑襯砌工期縮短了70%左右。我國(guó)鉆爆隧道預(yù)制裝配式技術(shù)發(fā)展之初多應(yīng)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(yù)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(yù)制裝配式襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)被提出[91]。近年，針對(duì)隧道預(yù)制裝配式襯砌的力學(xué)性能、設(shè)計(jì)、施工等研究逐漸展開，爆法隧道預(yù)制裝配式技術(shù)的逐漸體系化，提出了集設(shè)計(jì)、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(yù)制裝配式技術(shù)，技術(shù)框架見圖12。

圖12 鐵路隧道預(yù)制裝配式建造技術(shù)體系

裝配式預(yù)制混凝土基底結(jié)構(gòu)采用錯(cuò)縫拼裝方案，通過(guò)對(duì)不同速度下預(yù)制裝配式仰拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)特征分析和檢算表明其符合要求。

預(yù)制裝配式仰拱與填充層設(shè)計(jì)是通過(guò)結(jié)構(gòu)預(yù)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(jì)型式見圖13。此外，還提出了多種結(jié)構(gòu)型式的預(yù)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(yù)制裝配式構(gòu)件拼裝機(jī)進(jìn)行隧道構(gòu)件精準(zhǔn)拼裝。裝配式結(jié)構(gòu)完成2 m循環(huán)全過(guò)程施工需要4～5 h，且會(huì)占用交通空間，因此在仰拱拼裝施工過(guò)程中，需采用高度協(xié)同化、機(jī)械化裝備配套并利用橫通道等，降低施工對(duì)其他工序的影響。不同圍巖級(jí)別利用不同時(shí)間段施工，Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖可在掌子面測(cè)量到裝藥爆破前組織施工；Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖可在掌子面初期支護(hù)、超前支護(hù)期間組織施工。

3.8 機(jī)械化施工裝備

裝備的更新?lián)Q代極大地促進(jìn)了鉆爆法發(fā)展，鉆爆隧道從依賴人工，到使用小型機(jī)械輔助，再到使用大型設(shè)備作業(yè)的發(fā)展過(guò)程，其安全系數(shù)、施工質(zhì)量、機(jī)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(lái)越多的智能化裝備也應(yīng)用到鉆爆隧道施工當(dāng)中。

(1)全電腦三臂鑿巖臺(tái)車

全電腦三臂鑿巖臺(tái)車在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前支護(hù)、錨桿安裝、鉆孔爆破等方面廣泛應(yīng)用，并能夠在超大斷面進(jìn)行作業(yè)，作業(yè)半徑大都在6～8 m范圍。目前國(guó)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(shí)別系統(tǒng)，并配套了專業(yè)軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全電腦化控制。作業(yè)過(guò)程中能夠?qū)崟r(shí)獲取鉆進(jìn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制；對(duì)超、欠挖也能進(jìn)行掃描和計(jì)算，進(jìn)行反饋評(píng)價(jià)；對(duì)作業(yè)區(qū)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)有人員進(jìn)入時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并報(bào)警，提升作業(yè)安全性。

(2)智能鋪掛臺(tái)車

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

作業(yè)過(guò)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(dòng)，將自粘布均勻舒展并壓緊在隧道表面，自動(dòng)射釘裝置同步進(jìn)行固定，待卷材爬升支架到達(dá)鋪設(shè)終點(diǎn)后完成自動(dòng)切割，鋪布結(jié)束。卷材爬升支架返回起點(diǎn)，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(duì)齊，利用手持爬焊機(jī)將防(排)水板側(cè)邊與前一幅防(排)水板側(cè)邊對(duì)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(jī)同步進(jìn)行焊結(jié)，待卷材爬升支架到達(dá)鋪設(shè)終點(diǎn)后進(jìn)行自動(dòng)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(dòng)至另一側(cè)拱腳，在對(duì)應(yīng)位置扣緊鋼筋頭與邊墻鋼筋，隨后爬升架返回并進(jìn)行鋼筋梳理，升縮平臺(tái)和頂桿同步展開，確保鋼筋滿足布設(shè)要求，同時(shí)，輔助人工縱向布筋并扎緊各交叉點(diǎn)。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(cè)距儀，在爬升鋪掛的同時(shí)，沿臺(tái)車圓弧軌道記錄隧道內(nèi)表面到中心點(diǎn)的距離，自動(dòng)生成曲線圖。臺(tái)車前側(cè)頂部配置高清工業(yè)像機(jī)，臺(tái)車在行進(jìn)過(guò)程中自動(dòng)獲取隧道內(nèi)影像，并自動(dòng)添加時(shí)間水印存檔。同時(shí)臺(tái)車配置有無(wú)線掃碼槍，可在防(排)水板鋪設(shè)之前對(duì)其永久二維碼進(jìn)行掃描識(shí)別，自動(dòng)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(shí)間、現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝視頻等資料在內(nèi)的全部信息。

(3)智能襯砌臺(tái)車

智能襯砌臺(tái)車信息監(jiān)測(cè)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(píng)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(cè)、拱頂空洞監(jiān)測(cè)等功能，使襯砌臺(tái)車具備了自動(dòng)化、智能化施工的能力。與傳統(tǒng)臺(tái)車相比，智能襯砌臺(tái)車能有效提高混凝土澆筑質(zhì)量；不需要倒管，自動(dòng)換管，提高了混凝土澆筑效率；定位時(shí)間比普通臺(tái)車節(jié)約30 min左右。二次襯砌施工時(shí)，混凝土灌注方量通過(guò)三維激光裝置掃描和終端電腦計(jì)算；灌注壓力監(jiān)控采用壓力敏感傳感器，實(shí)現(xiàn)灌注壓力的全方位監(jiān)測(cè)；拱頂飽滿度測(cè)量采用液位計(jì)和壓力敏感傳感元件等傳感器，實(shí)現(xiàn)拱頂灌注飽滿程度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。智能襯砌臺(tái)車外輪廓與隧道襯砌設(shè)計(jì)廓面一致，然后封閉模板進(jìn)行混凝土澆注。模板臺(tái)車可在隧道內(nèi)沿軌道走行，并進(jìn)行立、收模及模板中心糾偏。臺(tái)車立模完成后，連接模板與承載支架，保證混凝土澆注過(guò)程中模板穩(wěn)定性。分層逐窗澆注系統(tǒng)及清洗系統(tǒng)，實(shí)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(shí)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(hù)臺(tái)車

智能養(yǎng)護(hù)臺(tái)車能夠避免二襯施工中混凝土養(yǎng)護(hù)完全依賴自然環(huán)境的問(wèn)題。智能養(yǎng)護(hù)臺(tái)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(gè)較為密閉的養(yǎng)護(hù)空間。采用微米級(jí)霧化加濕，利用5～10 μm霧化噴頭、高壓流體輸送管道實(shí)現(xiàn)區(qū)域霧化。養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，能夠自動(dòng)檢測(cè)混凝土表面溫度，并根據(jù)檢測(cè)到的混凝土溫度自動(dòng)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(hù)臺(tái)車實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)護(hù)過(guò)程自動(dòng)化控制，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端的遠(yuǎn)程在線控制，能有效降低人為因素影響，提高養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。

以我國(guó)某高鐵隧道建設(shè)為例，其隧道機(jī)械化配套涵蓋超前支護(hù)、開挖、初期支護(hù)、二次襯砌等4大作業(yè)工區(qū)，具有系統(tǒng)性強(qiáng)、規(guī)模大等特點(diǎn)。配套類型包括Ⅰ型普通型機(jī)械化配套和Ⅱ型加強(qiáng)型機(jī)械化配套兩種[94]，見圖14。Ⅰ型普通型機(jī)械化配套包括風(fēng)動(dòng)鑿巖鉆機(jī)、多功能鉆爆作業(yè)臺(tái)架、混凝土濕噴機(jī)、自行式仰拱棧橋、仰拱縱向滑模、混凝土輸送車、整體移動(dòng)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(qiáng)型機(jī)械化配套在Ⅰ型普通型機(jī)械化配套基礎(chǔ)上增加了2臺(tái)三臂鑿巖臺(tái)車、1臺(tái)錨桿鉆注一體機(jī)、1臺(tái)自行式液壓拱架安裝臺(tái)車、1臺(tái)防水板作業(yè)臺(tái)車、1臺(tái)襯砌模板臺(tái)車、1臺(tái)移動(dòng)式混凝土養(yǎng)護(hù)臺(tái)架，適用于復(fù)雜地質(zhì)條件快速施工。通過(guò)機(jī)械化配套實(shí)現(xiàn)了隧道主要工序的機(jī)械化施工，提高了隧道施工效率，對(duì)提升鐵路隧道機(jī)械化施工施工水平具有一定的作用。

圖14 Ⅰ、 Ⅱ型機(jī)械化配套施工作業(yè)工區(qū)

3.9 現(xiàn)狀及問(wèn)題

大規(guī)模的隧道建設(shè)促使我國(guó)隧道施工水平快速發(fā)展，當(dāng)前我國(guó)已實(shí)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(yù)報(bào)與圍巖判視、開挖施工、支護(hù)施工、防排水施工、監(jiān)控量測(cè)、特殊結(jié)構(gòu)施工等關(guān)鍵技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合機(jī)械化裝備配套，構(gòu)建了我國(guó)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(guó)國(guó)情，以隧道建造協(xié)同管理平臺(tái)為基礎(chǔ)，融合智能建造數(shù)據(jù)庫(kù)和專家?guī)?，具備高精度地質(zhì)參數(shù)獲取、各類復(fù)雜地質(zhì)條件圍巖快速支護(hù)、與環(huán)境協(xié)調(diào)的防排水、智能化監(jiān)控量測(cè)、全機(jī)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(guò)程中以下問(wèn)題需要進(jìn)一步研究予以支撐：各類信息的獲取及融合；高性能支護(hù)材料；基于環(huán)境和效果評(píng)價(jià)的防排水技術(shù)；隧道狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)及方法；全工序機(jī)械化裝備及協(xié)同作業(yè)技術(shù)；隧道數(shù)據(jù)庫(kù)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(lái)，我國(guó)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(yàn)，通過(guò)對(duì)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(jì)方面：主要采用以工程類比法、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法進(jìn)行隧道初步設(shè)計(jì)，采用信息反饋法進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整的設(shè)計(jì)模式，并逐漸重視對(duì)圍巖的主動(dòng)控制，隧道圍巖變形主動(dòng)控制設(shè)計(jì)理念逐步得到完善，在新型錨噴支護(hù)理論、技術(shù)、材料等方面均取得了進(jìn)步，在建隧道工程中已開始試點(diǎn)單層襯砌主動(dòng)支護(hù)。

(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(yù)報(bào)、隧道開挖、洞渣裝運(yùn)、初期支護(hù)、鋪底、防排水、襯砌澆筑養(yǎng)護(hù)、施工監(jiān)控量測(cè)等環(huán)節(jié)為主體的建造模式。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采用多方法約束求解，使綜合預(yù)報(bào)方法有機(jī)結(jié)合，預(yù)報(bào)精度得到了提高；爆破結(jié)合機(jī)械開挖的方式在不良地質(zhì)隧道開挖中得到了應(yīng)用，顯著提升了不良地質(zhì)條件隧道開挖質(zhì)量；模塊化、預(yù)制化及可維護(hù)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(yīng)用，提高了建造效率并便捷了后期運(yùn)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(tái)為基礎(chǔ)，融合智能建造數(shù)據(jù)庫(kù)和專家?guī)?，兼具高精度地質(zhì)參數(shù)獲取、各類復(fù)雜地質(zhì)條件圍巖快速支護(hù)、與環(huán)境協(xié)調(diào)的防排水、智能化監(jiān)控量測(cè)、全機(jī)械化配套協(xié)同作業(yè)的智能建方法與技術(shù)體系。

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

(1)鉆爆法隧道支護(hù)參數(shù)的確定、施工方法的選擇、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估等仍然以經(jīng)驗(yàn)為主，理論依據(jù)不足，其原因是多方面的，其中最核心的問(wèn)題是基礎(chǔ)理論的嚴(yán)重缺乏，主要是巖石力學(xué)、地球物理學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展還難以形成對(duì)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(shí)踐的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，導(dǎo)致隧道專業(yè)仍然是一門以經(jīng)驗(yàn)為主的學(xué)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(fù)雜多變使得隧道建設(shè)很難準(zhǔn)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(wú)法有效解決定量化的問(wèn)題。隧道建設(shè)特別是鉆爆法隧道，十分依賴預(yù)報(bào)精度，掌子面前方地質(zhì)條件不明確是引起施工風(fēng)險(xiǎn)的重要因素。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)地質(zhì)條件定性判斷，使得隧道建設(shè)過(guò)程本身就具有很大的不確定性，是導(dǎo)致隧道建設(shè)過(guò)程中安全風(fēng)險(xiǎn)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(dòng)了隧道技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)計(jì)及試驗(yàn)的檢算使鉆爆法隧道設(shè)計(jì)、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(duì)地質(zhì)體和結(jié)構(gòu)的一種簡(jiǎn)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(jì)參數(shù)很難匹配實(shí)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(dǎo)致施工數(shù)據(jù)類型多且采集困難，復(fù)雜環(huán)境下隧道人機(jī)協(xié)同作業(yè)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理及應(yīng)用存在困難；人機(jī)協(xié)同作業(yè)下，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及分析管理方法、機(jī)制欠缺，同樣缺乏有效控制風(fēng)險(xiǎn)、規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的手段。

(5)我國(guó)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(guó)國(guó)情的隧道建造技術(shù)體系，盡管有我國(guó)地形、地質(zhì)環(huán)境復(fù)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(lái)我國(guó)隧道建設(shè)規(guī)模依然龐大，且特長(zhǎng)、超長(zhǎng)隧道規(guī)模空前，難度也鮮有所聞。著眼于設(shè)計(jì)方法、施工工藝、智能裝備等方面科技創(chuàng)新與應(yīng)用實(shí)踐，形成集現(xiàn)代隧道勘察設(shè)計(jì)技術(shù)、現(xiàn)代隧道修建技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化隧道協(xié)同管控技術(shù)，構(gòu)建中國(guó)山嶺隧道建造新理論、新方法、新模式將是現(xiàn)在和將來(lái)一定時(shí)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(xué)、地球物理學(xué)、材料學(xué)等相關(guān)基礎(chǔ)理論的發(fā)展，以深入認(rèn)識(shí)圍巖力學(xué)響應(yīng)和支護(hù)結(jié)構(gòu)作用。

(2)精細(xì)化感知及預(yù)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(dá)；隧道狀態(tài)快速綜合感知及精準(zhǔn)評(píng)價(jià)。

(3)隧道工程智能化建造技術(shù)。鐵路隧道建造應(yīng)依托機(jī)械化、信息化、自動(dòng)化、可視化、智能化技術(shù)，面向基礎(chǔ)理論、地質(zhì)判識(shí)、設(shè)計(jì)方法、工藝工法與協(xié)同管控，通過(guò)對(duì)地質(zhì)、結(jié)構(gòu)、機(jī)械、信息、人員和材料的綜合管理，集約化利用時(shí)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(hù)體系。包括基于圍巖變形主動(dòng)控制的隧道支護(hù)體系設(shè)計(jì)理論和方法；特殊不良地質(zhì)段隧道全斷面機(jī)械化快速施工技術(shù)；高支護(hù)效能及耐久性能的主動(dòng)支護(hù)構(gòu)件及材料。

(5)預(yù)制裝配式新型結(jié)構(gòu)體系。包括預(yù)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(yù)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(jì)、制造、施工、物資供應(yīng)等全鏈條的信息化系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用研究。