高速鐵路隧道關鍵科學問題及發展趨勢

張頂立，孫振宇

(北京交通大學 隧道及地下工程教育部工程研究中心，北京 100044)

截至2017年底，中國建成通車的高速鐵路隧道總長度約 4 537 km，占高速鐵路線路總長的約18.1%。作為支撐高速鐵路基礎設施的重點學科，隧道工程也隨著高速鐵路的修建得到了快速發展，同時為中國高速鐵路的技術進步增添了動力。正是有了長大隧道、各種復雜地質條件下隧道修建技術的進步，才使高速鐵路采用大曲線半徑進而使高速列車穿山越嶺成為可能。因此從某種意義上而言，沒有隧道技術的進步，就沒有今天的高速鐵路[1]。

高速鐵路通常采用直線或大半徑曲線，很難繞避不良地質或障礙物，這給隧道工程帶來極大挑戰。與普速鐵路隧道相比，高速鐵路隧道的主要特點有：①隧道斷面大。高速鐵路隧道凈空有效面積、斷面形式、洞口形式等主要技術標準比普速鐵路隧道高，由此造成不同空間位置處的圍巖參數差異性較大，圍巖結構不確定性程度較高，無法采用統一的技術標準進行設計。②長隧道多。高速鐵路選線設計時曲線半徑大，往往出現大量的長隧道。由于隧道線路長而施工工期緊，要求隧道施工速度快，從而對支護結構設計理論和施工質量提出更高要求。③地質條件復雜，施工風險極高。在普速鐵路選線設計中遇到不良地質時，可采用小半徑曲線規避繞行，選擇地質條件相對較好的地段開挖隧道。而高速鐵路線路曲線半徑大，難于規避不良地質體，從而增大了隧道的施工風險。④可靠性要求高，耐久性控制嚴格。高速鐵路列車運行速度快，隧道內一旦出現病害，將是巨大的安全隱患。同時，高速鐵路一旦發生安全事故，往往成為社會輿論關注的焦點，社會影響深遠。因此，高速鐵路對支護結構的安全性和耐久性要求更高，也更嚴格。

盡管我國隧道工程修建技術在一定程度上得到了提升，但也面臨諸多的技術挑戰與瓶頸，如尚未建立完善的隧道修建理論體系，導致設計與施工缺乏系統的理論支撐，隧道運營期病害問題仍比較突出，從而危及隧道結構長期安全性。根本原因在于對圍巖穩定性、支護-圍巖系統協同作用、圍巖和結構劣化機理及相互間作用機制等問題研究尚不夠深入，仍需進一步研究和突破，以滿足日益增長的高速鐵路隧道建設需求。為此，本文從高速鐵路隧道建設的關鍵科學問題出發，并對其研究現狀進行總結，指出高速鐵路隧道建設所面臨的挑戰及發展趨勢，為高速鐵路隧道的設計、施工以及相關研究提供參考。

1 高速鐵路隧道的關鍵科學問題與研究進展

隧道設計和施工的核心內容是采用合理的支護方式促使圍巖盡快實現平衡而不致發生失穩破壞，因此，對于高速鐵路隧道而言，其關鍵科學問題包括隧道圍巖穩定性、支護與圍巖的作用關系和支護結構體系的動力響應機制3個方面，其中圍巖穩定性的分析和判別是隧道設計的基礎，支護與圍巖作用體系的深化研究是支護設計的前提，而支護結構體系的動力響應機制則是隧道結構抗震和耐久性設計的保障[2]。

1.1 隧道圍巖變形和破壞規律研究

隧道圍巖變形機理的研究進展和巖體力學的發展存在著緊密的關系，隧道圍巖變形和破壞機制的研究是巖體力學研究的重要內容，巖體力學的發展為隧道圍巖變形機理的研究提供了理論基礎。

目前，隧道圍巖變形機理的研究大體上采用3種方法：①將隧道圍巖視為均勻的各向同性體，利用連續介質力學理論處理隧道工程中遇到的巖體力學問題。②仍將巖體視為一種連續介質材料，但考慮巖體被裂隙切割，利用其力學性質變化的特點來處理隧道工程中遇到的問題。③將巖體視為“巖體結構”，以巖體結構力學效應、巖體力學性質、巖體變形和巖體破壞為基礎，采用巖體結構控制技術來研究和處理隧道工程中遇到的問題。

對于隧道圍巖變形機理的研究，上述理論均有一定局限性，且所研究對象基本為完整巖體，而隧道工程問題多出現在碎裂巖體和土體中。因此，結合上述理論和隧道工程的實際情況進行圍巖變形機理的研究是十分重要的。

圍巖穩定性研究與前述的圍巖變形機理的研究密切相關。這是內在的、客觀的因素，同時也受到外部的、人為的因素(如隧道尺寸、埋深、施工方法等)的強烈影響，這使得圍巖穩定性的理論研究難度極大。從目前的研究結果看，大都將研究重心放在圍巖本身所具有的承載能力上，而后引入外部因素對圍巖進行評價。

圍巖本身所具有的承載能力，一般以自穩時間表示，或采用無支護跨度或圍巖相對裂隙間距表示，但這些指標在實際應用中都有其局限性。在量測技術快速發展的今天，圍巖松弛范圍也作為一種表示方式。隨著開挖深度的增加，越來越多地發現初始地應力場與圍巖強度比也是判定圍巖穩定性的一個重要指標。而以“巖體結構”觀點為代表的學派，則認為圍巖穩定性受圍巖結構的控制，對于不同結構的圍巖，其穩定性具有本質區別。可見，如何準確評價圍巖本身的自穩能力是一個亟待解決的問題。

1.2 隧道支護與圍巖作用體系研究及設計方法

目前，新奧法已成為我國隧道工程設計施工的主要方法之一。其核心技術是以噴混凝土和錨桿作為初期支護，與圍巖共同承受隧道開挖后的附加荷載，同時，在整個施工過程中，根據量測結果及時變更設計和施工參數，確保施工的安全性和經濟性。

20世紀80年代初意大利Lunardi教授[3]提出了新意法。該工法將主要注意力放在掌子面前方一定范圍內的圍巖穩定上，通過控制掌子面前方圍巖變形，來減小隧道開挖后的圍巖變形量。

我國學者在上述領域中，也有大量研究成果，如軸變論、聯合支護理論、錨噴弧板支護理論、松動圈理論、主次承載區支護理論、軟弱圍巖工程力學支護理論等，但應用情況均不理想，具有一定局限性。

從當今國內外地下工程的設計實例來看，大致可概括為3種設計方法[4]：

1)以圍巖分級為基礎的設計方法。這是各國普遍采用的方法，實質上屬于半經驗、半理論的設計方法。隧道工程的基本特點是圍巖地質環境復雜，要取得準確的地質、圍巖參數、設計荷載參數等數據極其困難，且一些施工技術的機理復雜，如錨噴支護等，當前對其研究尚不完善且計算理論不太成熟。因此，在相當長的歷史時期內，這種依賴圍巖分級的設計方法仍將起很大作用。這種設計方法的可靠性決定于圍巖分級的可靠性。因此，圍巖分級方法也是各國研究的重點。其設計程序為：分析工程地質情況，對擬建工程進行圍巖分級，以圍巖級別為依據，按有關規范[5]提供的參數表或類似工程經驗數據，查出支護參數，以此作為設計依據繪制施工圖。現行設計往往都是半定量設計，即只給出支護參數范圍，設計者必須以豐富的設計經驗作出合理判斷，不能一味以安全保險為目的選用最大值，否則就失去了類比設計給出的一定范圍的價值，造成大量浪費。

2)以解析理論為基礎的設計方法。盡管經驗設計法簡單易行，且只要地質條件吻合，則設計可靠性也較高。但由于隧道工程的復雜性，如圍巖地質條件復雜，以及對無經驗可參考的大斷面隧道和特殊地質條件的隧道，只能采用解析方法進行預設計，或者用解析方法對經驗設計的參數予以解析驗證，甚至要進行專門的試驗研究[6]。

采用理論方法的設計程序為：分析工程地質情況，對擬建工程進行圍巖分級，選定結構計算模型，初步擬定結構截面尺寸，確定結構所受的圍巖壓力，結構內力計算，截面配筋設計，結構穩定性驗算及安全性評價，繪制結構施工圖[7]。其中結構計算模型選定、輸入計算用的各種參數是關鍵。要綜合考慮圍巖地質特征、結構形式、洞室跨度、埋深、擬采用的施工方法等一系列因素，力求使計算結果符合實際受力情況。

3)以量測信息為基礎的設計方法，即信息化設計方法。地下工程設計由于地質環境復雜、基礎信息缺乏，無論采用理論計算法或工程類比法，依據目前的技術水平，都不可能得到十分準確的結果。另外，由于工期、經費、勘測手段等因素的限制，在開挖前不可能將地質信息等施工中可能出現的因素徹底厘清，而必須通過開挖后所揭示的地質條件對圍巖級別進行再認識和再確定，如此將嚴重影響設計和施工決策的可靠性。設計文件中所擬定的斷面尺寸、結構形式、支護參數、預留變形量、施工方法等設計參數均不是一成不變的，需要在開挖過程中重新評估和確認，必要時需作調整或修正[8]。因此，隧道工程的設計無法在開工前就一步到位，這是隧道工程有別于其他土木工程的重要特征。正因如此，目前在隧道工程設計中，廣泛采用經驗借鑒、理論分析、現場量測、信息反饋、超前預報和動態調整相結合的信息化設計方法，也即動態設計方法。

1.3 隧道結構體系的長期安全性

隧道結構長期安全性與其所處環境、材料組成、結構本身等諸多方面有關。一般來說，隨著結構物使用年限的增加，由于外部條件的變化和養護維修管理不善，結構物會慢慢劣化，其性能必然降低，此劣化程度視各種條件有很大的差異[9]。

西方國家建設和運營隧道的經驗表明，重視基礎設施的耐久性有重要的社會意義和經濟價值。我國鐵路隧道、公路隧道、城市隧道工程也不例外，很多隧道運營后不久就進行大修，嚴重時不僅影響正常使用，還會演變為潛在的安全隱患。這更說明了重視隧道結構耐久性設計和進行結構耐久性的研究是必要的。

此外，高速鐵路隧道在長期運營過程中，對襯砌結構產生2方面的動力影響：①氣動作用對隧道拱墻結構的影響;②列車振動對仰拱結構的影響。而無論是拱墻還是仰拱承受的作用，最終都將傳遞至圍巖。

圍巖在長期的列車動力作用影響過程中，參數發生劣化，形成附加荷載作用于隧道結構上。初期支護結構作為和圍巖之間聯系著的結構必然受到圍巖劣化的影響，所受荷載增加，并傳遞至二次襯砌，降低支護結構體系的安全性[10]。列車動力作用是一個長期往復的過程。在這一過程中，支護結構與圍巖形成了一個交互作用的體系，最終體現為服役性能的下降。

既有成果對評估圍巖損傷、襯砌性能下降都有一定的借鑒作用，但無法指導高速鐵路隧道長期安全性評價。原因在于：①高速鐵路列車氣動效應作用的主要部位是隧道的拱墻結構，拱墻和仰拱之間存在一定的連接，二者相互作用。②列車動載主要集中在仰拱，仰拱圍巖在長期作用下發生劣化，導致作用在仰拱結構的荷載增加。③圍巖劣化、拱墻結構變形、仰拱結構損傷，三者交互作用，形成附加荷載，導致了承載能力和耐久性能降低。

2 現有研究存在的主要問題

在“十二五”期間，國家自然基金委與原鐵道部設立了“高速鐵路基礎研究聯合基金”，隧道方面部署了4個課題，積極開展了隧道服役行為及安全風險控制研究，深化了隧道極限狀態設計理論及其應用，推進了交叉隧道動力特性及結構安全性理論研究，為提高鐵路隧道建設水平和工程質量提供了技術支撐。但對于上述關鍵科學問題，無論從研究深度還是廣度上看，都無法滿足我國日益增長的高速鐵路隧道大規模建設需求，主要體現在以下3個方面：

1)對隧道圍巖工程響應機理缺乏系統全面的認識。對高速鐵路隧道圍巖變形機制和失穩模式的認識較模糊，也缺少圍巖穩定性的評價方法和評價標準，且圍巖變異性影響未予考慮。設計時偏于安全考慮致使工程措施越來越保守，工程投資難以有效控制。

2)對隧道支護的本質作用認識不清。工程實踐證實初期支護是確保圍巖穩定性的關鍵工序，而目前對于超前支護、初期支護和二次襯砌的分工和合作關系尚不明確，對于各項支護作用的本質、目標和技術標準缺乏清晰的認識。傳統設計方法對初期支護的作用認識不足，對支護結構與圍巖作用的力學特性和變形控制機理認識不清，僅強調二次襯砌結構荷載校驗，而忽略初期支護及超前預支護的作用，這與事實嚴重不符。而隧道設計理論遠遠落后于工程實踐，隧道設計多依賴于工程經驗，缺乏準確的量化設計方法，實施的工程措施難以可靠地控制圍巖的穩定，特別是在高速鐵路大斷面隧道中，致使施工安全事故時有發生。

3)對高速鐵路隧道結構病害演化機制及其對安全性的影響研究不足。往復循環動載作用下，高速鐵路隧道圍巖、初期支護累積損傷所致應力轉移是導致襯砌結構劣化加劇、誘發病害的根本原因。目前對隧道病害成因的研究主要針對具體工程，具有一定局限性。就目前隧道質量缺陷和病害機理對結構安全性影響的研究現狀來看，研究深度和廣度不夠，其實用性和合理性尚有待于驗證，未形成一套完整的有關隧道病害機理的理論體系，而基于高速鐵路特點的結構安全性的研究尚處于空白。

3 研究重點與發展方向

隨著高速鐵路隧道建設規模的擴大，隧道穿越的地質條件也趨于復雜多變，采用傳統的基于工程經驗的設計理論已無法滿足高速鐵路隧道高可靠性的要求。因此，很多方面的研究尚需進一步完善和深化，主要集中在以下方面：

1)隧道圍巖變形破壞機理及安全性評價方法。隧道圍巖穩定性機制是支護設計的前提。為此首先需明確隧道圍巖變形破壞全過程演化機制，揭示復雜條件下隧道災變衍生機理和演化規律，并據此闡明復雜隧道圍巖安全性內涵，建立相應的評價體系和評價方法。由此確定相應條件下的控制對策，明確控制重點和目標，提出圍巖安全性控制原理。

2)隧道支護體系的協同作用理論與設計方法。我國目前隧道設計理論嚴重落后于工程實踐。為了實現支護結構體系的定量化設計，首先，應明確隧道支護作用的本質特征，揭示支護-圍巖作用全過程演化機制，闡明超前支護、初期支護和二次襯砌的分工和合作關系;其次建立支護-圍巖系統魯棒性預測模型，提出相應的控制原理與措施，建立隧道支護結構穩健性設計理論體系和技術標準，最終形成中國隧道修建技術體系。

3)高速鐵路隧道結構體系的動力響應與長期安全性控制。隧道圍巖與支護結構體系的動力響應在一定程度上表征了隧道工程的長期安全性，主要體現在動力荷載效應與時間效應2個方面。為此首先應明確在循環氣動荷載和振動荷載作用下高速鐵路隧道結構體系的疲勞損傷規律，并研究支護-圍巖系統的材料損傷機理、構件參數弱化規律、結構性能衰減機制以及系統整體穩定性演變規律，從而建立隧道結構體系長期安全性評價體系，據此提出長期安全性控制理論。

4)高速鐵路隧道智慧化建造技術。隨著電子信息技術的發展，隧道施工逐漸向信息化、智能化和智慧化方向發展。通過數據實時反饋及時修正設計方案，在一定程度上克服了經驗設計方法的局限性，而其核心則是科學的設計理論。同時超前地質預報手段愈發精確，而如何實現地質預報與隧道設計的有效聯動，其關鍵則是利用地質預報數據對隧道圍巖的工程響應和安全效應進行精準預測和判斷，從而實現智能決策。因此，結合信息反饋、多源異構數據融合、隧道力學和綜合評估等多學科理論和方法，有針對性地開展高速鐵路隧道支護結構體系的設計理論和關鍵技術研究，對于保證高速鐵路隧道長期安全性具有重大的理論意義和工程應用價值。