讓超大斷面隧道施工更安全

文/圖 山東高速集團有限公司

隨著我國交通運輸需求和交通量的迅速增長，前期建設的高速公路因通行能力趨于飽和而改建、擴建，以雙向八車道為代表的超大跨度隧道應運而生，開啟了國內超大斷面、超大跨度公路隧道建設的序幕，并將成為未來公路隧道建設的必然趨勢。

因施工工序復雜，各工序之間的干擾性強，超大斷面隧道具有松弛荷載大、應力集中顯著、成拱效應條件高等特征。與常規隧道相比，超大斷面隧道對圍巖的擾動破壞程度更為劇烈，在同等結構面密集程度、切割程度下，圍巖的穩定性更差，施工難度急劇增加。尤其是遭遇軟弱圍巖、破裂帶、富水地層等復雜條件時，隧道圍巖穩定性控制異常困難，傳統支護方式與襯砌防排水結構無法滿足超大斷面隧道的施工需求，錨網噴、型鋼拱架等傳統支護形式強度和剛度不足，破壞現象嚴重，襯砌結構易出現受力不均、變形失調，導致巖體垮塌、圍巖大變形與大體積塌方等災害事故和襯砌破裂滲漏水等病害，嚴重威脅隧道施工與運營安全。

現行公路隧道設計、施工規范中無相關雙向八車道隧道的技術規范，復雜條件下超大斷面隧道施工缺乏成熟有效的設計方法、災害防控技術與類似可借鑒經驗，嚴重制約了我國超大斷面隧道工程的安全高效建設。

超大斷面四車道隧道通行能力約為兩車道隧道的3倍

為此，山東高速集團有限公司、山東大學等多家科研單位，采用“產-學-研-用”模式聯合攻關，依托京滬高速公路改擴建項目、新臺高速公路項目中的隧道工程，聚焦超大斷面隧道安全施工這一主題，系統開展復雜條件超大斷面隧道施工安全控制關鍵技術研究，突破軟弱破碎圍巖高強支護與穩定性控制、富水地層襯砌結構滲漏水病害防治與安全評價兩項核心技術，在技術創新和工程應用上均具有重要意義。

思路：聚焦關鍵技術難題與挑戰開展三方面研究工作

項目研究團隊聚焦復雜條件超大斷面隧道施工安全控制面臨的關鍵技術難題與挑戰，以裂隙巖體與破碎巖體（軟弱、富水）為對象，系統地開展圍巖變形破壞及其與結構耦合作用、圍巖高強支護與穩定控制、結構協同承載與安全評價三方面研究工作，通過兩項核心技術創新，解決了復雜條件超大斷面隧道圍巖穩定性與結構安全控制理論、方法、技術、裝備、工藝等一系列難題，形成了復雜條件超大斷面隧道施工安全控制關鍵技術。項目總體研究思路如下：

項目總體研究思路

首先，針對裂隙巖體與圍巖穩定性控制難題，通過巖體結構面三維智能識別、巖體擾動破壞微震定位與力學行為時空演化分析相結合的方法，實現了巖體失穩模式的快速判識與圍巖擾動破壞區域的識別定位，揭示了圍巖荷載釋放規律與分布特征，為巖體垮塌災害防控提供理論基礎。

其次，通過開展圍巖變形破壞與支護結構時效機制研究，揭示軟弱破碎地層圍巖支護耦合作用機理，為復雜條件超大斷面隧道高強支護設計提供理論基礎與科學依據。首創了高強約束混凝土支護體系與設計方法，實現了復雜條件超大斷面隧道圍巖的穩定控制。

再次，通過開展富水地層襯砌結構破裂滲漏水失效機制研究，揭示襯砌結構的變形特征與破壞模式，據此提出新型一體化協同承載結構體系，從而避免富水地層襯砌結構滲漏水病害的發生。

最后，提出了超大斷面隧道結構內外聯動監測指標體系，建立了圍巖與襯砌結構安全狀態評價模型與方法，開發了超大斷面隧道結構安全狀態實時監測與科學評價平臺，實現了超大斷面隧道圍巖與結構狀態的科學評價與安全控制。

項目主要科研單位——山東高速集團有限公司

山東高速集團有限公司（簡稱“山東高速集團”）是山東省基礎設施領域的國有資本投資公司，注冊資本459億元，資產總額1萬億元。山東高速集團大力發展基礎設施核心業務，致力于打造主業突出、核心競爭力強的基礎設施投資建設運營服務商和行業龍頭企業。

山東高速集團全面貫徹中央和省委、省政府決策部署，堅守國有企業經濟責任、政治責任和社會責任，以推動高質量轉型發展為主題，以產業布局優化和結構調整為主線，以深化改革創新為動力，加快構建優勢突出、特色鮮明的山東高速產業鏈、供應鏈、價值鏈和創新鏈，致力打造“紅色”“創新”“質量”“卓越”“活力”“文化”企業，為建設新時代現代化強省作出新的更大貢獻。

“十四五”期間，山東高速集團將新建、續建高速公路重點項目40個左右，總長約3200公里、總投資5200億元，完成815公里的高速公路改擴建，屆時山東高速集團運營的高速公路里程將達9517公里，六車道以上占比提升至40%以上，京滬高速公路、京臺高速公路兩條南北大通道實現省內全路段六車道以上通行，助力全省高速公路通車里程突破1萬公里。同時山東高速集團堅持“存量改造”和“增量突圍”同向發力，不斷加大智慧高速建設力度，推動高速公路數字化和智慧化升級。

成果：一套理論 兩項關鍵技術三種分析方法

通過一系列研究，該項目系統創新了一套理論、兩項關鍵技術、三種分析方法，集成搭建了隧道圍巖-支護-結構安全狀態實時監測與科學評價平臺，最終形成了復雜條件超大斷面隧道施工安全控制關鍵技術，提升了我國超大斷面隧道工程建設水平。

復雜條件超大斷面隧道圍巖破壞及其與結構耦合作用理論

針對現行設計、施工規范不適用于超大斷面隧道，導致支護與結構設計缺乏依據的現狀，研究團隊創新性提出了以“三維結構面特征智能識別、巖體擾動破壞微震定位、力學行為時空演化分析”為核心，且多模式結合的隧道圍巖穩定性綜合判別方法。

隧道圍巖穩定性綜合判別方法

此外，研究團隊還自主研發了圍巖高強支護大型模擬試驗系統，分析了隧道圍巖應力、變形發展規律，明確了圍巖變形與支護結構失效機制，揭示了軟弱圍巖-高強支護耦合作用機理，為軟弱破碎圍巖高強支護方式比選與參數設計提供依據。

圍巖高強支護大型模擬試驗研究

襯砌漏水模型試驗研究

約束混凝土力學試驗研究

同時，通過模型試驗與數值模擬，研究團隊揭示了壁后荷載分布及孔隙水壓力演化規律和襯砌破裂失效機制，明確了襯砌結構的變形特征與破壞模式，為隧道穿越富水破碎帶襯砌結構設計與滲漏水病害防治提供了依據。

超大斷面隧道軟弱破碎地層圍巖高強支護與穩定控制技術

針對軟弱破碎圍巖傳統支護體系強度、剛度不足的難題，研究團隊研發了隧道約束混凝土高強支護體系，通過約束混凝土力學試驗，明確了基本構件的變形破壞模式，揭示了拱架局部弱化失效機制，建立了關鍵部位強化設計準則。

新型一體化襯砌結構模型試驗研究

此外，研究團隊還研發了約束混凝土全比尺拱架力學試驗系統，揭示了約束混凝土拱架強度-穩定承載機制，為超大斷面隧道高強約束混凝土拱架設計提供了理論依據。

研究團隊建立了任意節數、非等剛度拱架內力分析模型與承載力計算方法，提出了約束混凝土支護體系設計方法，形成了支護施工工法，并進行現場應用，實現了超大斷面隧道軟弱破碎圍巖的穩定控制。

約束混凝土支護體系設計方法

超大斷面隧道富水破碎地層襯砌結構狀態評價與安全控制

針對隧道襯砌結構變形失調、易破裂的難題，研究團隊研發了新型一體化協同承載結構，其中強黏合性防水材料斷裂伸長率可達210%，黏結強度1.2MPa。開展了新型一體化襯砌結構模型試驗，證明新型結構具有良好的抗滲與承載能力，為解決富水地層襯砌滲漏水病害防治難題提供了有效途徑。

基于上述模型試驗所揭示的承壓特征，研究團隊結合現場近800個參量監測試驗，提出了超大斷面隧道圍巖-結構內外聯動監測指標體系與安全狀態評價方法。

超大斷面隧道圍巖-結構內外聯動監測指標體系

此外，研究團隊還搭建了基于近距離無線組網通訊技術的隧道結構監測信息遠程傳輸系統，開發了基于“一個系統，兩個平臺，九個模塊”的超大斷面隧道結構狀態實時監測與科學評價平臺，實現了隧道結構狀態有效評價與安全控制。

隧道結構監測信息遠程傳輸系統

應用：已在60余座公路隧道工程中成功應用

該項目形成省部級工法2項，授權國家發明專利25項、實用新型專利5項、軟件著作權3項，發表SCI和Ei論文50余篇。其成果在京滬高速公路改擴建工程、濱萊高速公路改擴建工程、重慶市S1快速路、新臺高速公路等60余座隧道工程中成功應用，不僅提高了隧道施工安全與災害防控科學水平，極大程度上規避了巖體垮塌與圍巖大變形等災害，還解決了軟弱破碎、富水地層等復雜條件超大斷面隧道圍巖控制難題，保證了工程建設安全。

京滬高速公路與日蘭高速公路在臨沂境內形成了“黃金十字大鏈接”

代表性工程應用案例

京滬高速公路改擴建項目控制性節點工程青龍崮隧道，在施工中面臨灰巖頁巖互層段易坍塌、失穩等災害控制難題。在應用該項目研究成果后，解決了不良地質段圍巖穩定性控制難題，保障了隧道安全高效施工。

截至完工時，我國最大斷面公路隧道——濱萊高速公路樂疃隧道地質條件復雜、巖性多變，存在破碎帶、斷層等不良地質，圍巖控制難度大，采用該研究成果后不僅降低了大變形、巖體垮塌等工程災害風險，還保障了隧道安全高效施工。

重慶市主城區特大型穿山隧道——歇馬隧道穿越多層軟弱圍巖、串珠型溶腔和管道等不良地質，存在軟弱破碎圍巖大變形、巖溶突涌水等災害控制難題。采用該研究成果后實現了災害的有效防控，保障了隧道施工安全。