中國鐵路隧道40年發展與展望

田四明， 王 偉， 楊昌宇， 劉 赪， 王明年， 王克金， 馬志富， 呂 剛

(1. 中國鐵路經濟規劃研究院有限公司， 北京 100038； 2. 中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川 成都 610031； 3. 中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 陜西 西安 710043； 4. 西南交通大學， 四川 成都 610031； 5. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063； 6. 中國鐵路設計集團有限公司， 天津 300142； 7. 中鐵工程設計咨詢集團有限公司， 北京 100055)

0 引言

伴隨著中國改革開放的腳步，1981年11月，采用當時世界上最先進隧道施工機械的京廣鐵路衡廣復線大瑤山特長隧道(長14.295 km)開工建設，拉開了中國鐵路隧道修建技術快速發展的序幕[1]。而后，在吸收國外先進建設理念的基礎上，通過科研、設計、施工相結合，應用“新奧法”修建了大瑤山、軍都山等20余座隧道工程，并積累了大量的經驗和數據。1988年，原鐵道部編制了《鐵路隧道新奧法指南》，標志著中國鐵路隧道進入“新奧法”推廣應用階段。至20世紀末，鐵路隧道建設完成了由傳統的礦山法向“新奧法”的轉變，并在復合式襯砌支護體系、大型機械化施工、瓦斯及軟巖大變形隧道處理技術等方面開展了科技攻關，積累了經驗。進入21世紀以來，中國鐵路隧道工程迅猛發展，特別是隨著高速鐵路、城際鐵路的修建以及國家“西部大開發”戰略的實施，鐵路隧道呈現出建設標準高、長度長、斷面大、地質復雜等特點，且高海拔、大埋深、高巖(地)溫、強富水、擠壓性圍巖和有害氣體等特殊隧道逐漸增多，城市復雜環境隧道和跨江越海水下隧道工程規模快速增長，這些隧道工程的建成通車，為中國交通發展和經濟建設做出了突出的貢獻，同時，積累了大量鐵路隧道工程方面的科技成果和實踐經驗。

經過近40年的發展，中國鐵路隧道在基礎理論、設計方法、施工技術及裝備研制等方面取得了長足進步，建立和健全了鐵路隧道風險評估與管控、超前地質預測預報、變形監控量測、運營防災疏散救援等安全體系； 在復雜艱險山區高速鐵路隧道、大斷面黃土隧道、水下隧道、TBM法隧道等方面取得了重大成果和突破； 高速鐵路大斷面黃土隧道建設成套技術、高速鐵路獅子洋水下隧道工程成套技術等獲得國家級科技進步獎，一批隧道工程獲得國際大獎，顯著提升了中國鐵路隧道修建技術水平，彰顯了中國鐵路隧道建設的國際影響力[2]。但隨著川藏鐵路建設的推進及跨江越海水下隧道的修建，中國鐵路隧道還面臨著結構耐久性、高海拔高地震區大埋深超長鐵路隧道修建、大直徑盾構高水壓長距離施工及隧道工程安全運營等方面的技術挑戰。

本文通過介紹近40年來中國鐵路隧道建設基本情況和標志性工程，系統總結中國鐵路隧道取得的主要創新成果，并結合當前鐵路隧道工程面臨的技術難題和挑戰，提出發展方向和展望，對進一步提高中國鐵路隧道建設水平具有積極意義。

1 中國鐵路隧道概況

據統計，截至2020年底，中國鐵路營業里程達14.5萬km。其中： 投入運營的鐵路隧道共計16 798座，總長約19 630 km； 高速鐵路隧道共計3 631座，總長約6 003 km。分析歷年的統計數據可知，從1980年至2020年的40年間，中國共建成隧道12 412座，總長約17 621 km，占中國鐵路隧道總長度的近90%。中國鐵路隧道近40年發展規模對比情況見圖1。另外，在建鐵路隧道共2 746 座，總長約6 083 km； 規劃鐵路隧道共6 354座，總長約 16 255 km[3]。

圖1 中國鐵路隧道近40年發展規模對比情況(截至2020年底)

截至2020年底，中國已投入運營的特長鐵路隧道共209座，總長約2 811 km。其中： 長度在20 km以上的特長鐵路隧道共11座，總長約262 km，最長隧道為新關角隧道，長32.69 km，設計速度為160 km/h； 高速鐵路特長隧道共87座，總長約1 096 km，最長隧道為太行山隧道，長27.839 km，設計速度為250 km/h。近40年中國建成的代表性隧道工程見表1。

表1 近40年中國建成的代表性隧道工程

2 中國鐵路隧道發展的主要成果

2.1 設計理論和方法不斷發展

自20世紀80年代以來，中國一直采用依靠經驗為主的標準設計和類比設計方法。近年來，在借鑒、消化、吸收國外“新奧法”“挪威法”“新意法”等理念的基礎上，充分結合中國鐵路隧道地形、地質及氣候條件復雜多樣的特點，逐漸向半定量和定量的解析設計方法轉變，從容許應力法到基于極限狀態的概率可靠度法，基于有限元、有限差分的數值模擬法，也開始應用于結構設計中，使設計質量有了大幅度提高。隧道設計思想也有了重大轉變，從過去單純依靠襯砌承載的觀點，改變為主要依靠圍巖，充分利用圍巖自承能力，并在圍巖穩定性評價及分級、圍巖變形控制設計等方面進行了諸多探索、研究和總結，逐漸形成了以主動控制圍巖變形為主的中國特色隧道修建方法，大大促進了中國鐵路隧道設計理論和方法的發展[2]。

2.1.1 以圍巖穩定性評價和分級為主的設計方法

中國鐵路隧道標準設計和類比設計主要依據圍巖穩定性評價和分級。圍巖的穩定性直接關系到隧道施工安全，是隧道設計和施工的核心問題。經過大量的工程實踐和分析，提出以圍巖的自穩性為指標，制定出統一的圍巖分級標準，并長期指導了鐵路隧道設計和施工實踐。

但在實際施工過程中，開挖揭示的圍巖并非與圍巖基本級別相對應，現場判釋困難，容易出現支護參數偏弱或偏強。為了提高和強化圍巖定量分級，近年來，中國鐵路建設者開展了大量的科學研究和測試試驗工作，通過對圍巖基本質量指標BQ和不同巖性圍巖彈性波速范圍的細化，提出了圍巖亞級的概念，分別將Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖各劃分為2個亞級，各亞級對應的指標組合情況即為亞級劃分標準，最終確定各亞級圍巖對應的BQ值范圍[4]。該成果已納入2016年版《鐵路隧道設計規范》，很好地指導了鐵路隧道的設計和施工。鐵路隧道圍巖亞分級及穩定性見表2。

表2 鐵路隧道圍巖亞分級及穩定性

盡管鐵路隧道圍巖分級方法已經較為完善，但隨著超前鉆孔參數等隨鉆測量技術的迅速發展，以及隧道智能化建造技術的推廣，建立基于鉆進參數映射巖體質量指標，進而動態自動量化判釋圍巖級別的方法將成為現實。

2.1.2 圍巖變形控制設計方法

由趙勇、張頂立等人牽頭的高速鐵路隧道圍巖穩定性控制技術研究團隊，經過10余年的努力，創新性地提出了一套有中國特色的隧道修建技術方法，其核心思想是以圍巖穩定性為前提，以圍巖全過程變形控制為目標，以科學的支護措施為手段，實現支護結構與隧道圍巖結構的協同作用，從而充分發揮圍巖的自承能力，構建安全、經濟、快速、耐久的隧道穩定結構體系，其設計原理如圖2所示。

圖2 隧道全變形過程控制設計原理示意圖

該方法認為隧道圍巖由淺層圍巖和深層圍巖復合而成。淺層圍巖是指隧道開挖后周邊一定范圍內喪失整體穩定性而無法實現長期自穩的松動區圍巖，這部分圍巖荷載需要及時支護，在此范圍以外整體穩定性較好而且能夠承擔地層荷載的圍巖則為深層圍巖。深層圍巖由結構層和荷載層組成，自淺層圍巖界面開始向外并交替出現[2]。該成果獲得中國鐵道學會科學技術特等獎。

2.1.3 隧道機械化大斷面設計方法

鄭萬高鐵湖北段隧道建設團隊通過開展大規模隧道機械化大斷面配套施工相關科研和現場實踐，總結提出鐵路隧道機械化大斷面設計施工相關方法[5-6]。在機械化配套設計方面，涵蓋了超前支護、開挖、初期支護、二次襯砌4大作業區，按配置機械完善程度分為基本型配套和加強型配套； 在施工工法設計方面，有全斷面法和微臺階法； 在掌子面穩定性評價方面，采用定性評價和定量評價相結合的方式，分為穩定、暫時穩定和不穩定3種； 在超前支護設計方面，根據掌子面穩定性評價結果確定超前支護措施(包括掌子面噴射混凝土、超前小導管、管棚、掌子面錨桿、超前注漿等)，并采取工程類比法、極限平衡法分析確定參數，掌子面超前支護設計模型見圖3； 在洞身支護設計方法方面，采用荷載-結構模型計算，淺埋、偏壓段圍巖壓力按隧道設計規范確定，深埋段根據形變及應力實測值確定。

Fc、Fφ為掌子面滑移面黏聚力、內摩擦合力； p1為掌子面錨桿支護合力； Fq為掌子面滑移體上方豎向形變壓力合力； Fw為掌子面滑移體自重； D為掌子面高度； Le為隧道未支護段長度； θ0為掌子面破壞角； q、q′為豎向形變壓力； α0、α1、α2為折減系數。

該方法已形成中國國家鐵路集團有限公司企業標準——《鐵路隧道機械化大斷面法設計施工暫行規定》(2021年報批稿)，該標準的頒布將極大地促進中國鐵路隧道鉆爆法施工的機械化水平，為中國鐵路隧道智能化建造提供技術支撐。

2.1.4 隧道支護結構設計總安全系數法

肖明清及其團隊通過多年的隧道工程設計、施工與研究經驗，總結提出了“隧道支護結構設計總安全系數法”。該方法的技術思路是： 將支護結構與圍巖的相互作用關系視為作用力與反作用力的關系，不嚴格考慮兩者之間的變形協調，從而使需要解決的問題大幅簡化； 隧道是否需要支護的判斷和支護力的計算，需通過采用各種與實際情況相符的本構模型進行數值分析后確定，而支護結構本身安全性和變形則采用荷載-結構模型進行計算，從而將現代分析方法與傳統分析方法進行有機綜合，實現支護參數的安全性評價與量化設計[7]。復合式襯砌結構總安全系數法計算模型見圖4，相關計算公式如下。

圖4 復合式襯砌結構總安全系數法計算模型

施工階段(無二次襯砌)

Kc=ηK1+K2。

(1)

運營階段采用耐久性錨桿時，

Kop=ηK1+ξK2+K3；

(2)

運營階段采用非耐久性錨桿時，

Kop=ξK2+K3。

(3)

式(1)—(3)中：Kc、Kop分別為施工階段和運營階段的總安全系數；K1、K2、K3分別為錨巖承載拱、初期支護、二次襯砌的安全系數；η為錨巖承載拱安全系數的修正系數；ξ為初期支護安全系數的修正系數。

該設計方法能夠方便地計算出不同階段隧道的安全系數。希望通過現場實測與模型試驗進一步完善，為隧道定量設計提供一種便捷的計算方法。

2.2 隧道標準體系更趨完善

2.2.1 隧道修建環境越趨復雜，隧道結構類型日趨多樣

從20世紀80年代到21世紀初，中國鐵路建設標準較低，以速度為120 km/h客貨共線山嶺普速鐵路隧道為主，受經濟條件、建設水平限制，多為單線隧道，特長隧道和大跨度隧道極少，單線隧道開挖斷面一般為50～60 m2，雙線隧道開挖斷面一般為80～100 m2。

進入21世紀后，隨著國家經濟的高速發展，高速鐵路、城際鐵路得以大規模建設。為適應中國地質及氣候條件復雜多樣的特點，以原始創新為主，在高鐵長大隧道、復雜地質隧道等方面攻克了一系列世界性技術難題，系統掌握了不同地域環境、不同氣候特點、不同地質條件下建造高鐵隧道的成套技術。高速鐵路必須采用大半徑曲線，穿越山嶺時路徑選擇靈活性差，因此，長、特長隧道，城市隧道及穿江越海隧道越來越多，如已建成的廣深港高鐵獅子洋隧道、西成高鐵秦嶺隧道群等100多座長度在10 km以上的長大高鐵隧道。武廣高鐵、廣深港客專、京張高鐵等項目成功實現了隧道穿江越海、穿越城市建筑密集區，把鐵路隧道建設從山區發展到復雜的城市地區，甚至是水下海底區域[8]。為響應國家“西部大開發”戰略，青藏鐵路、西格鐵路、拉林鐵路把隧道建設拓展到了高原高寒地區，解決了穿越高原凍土、冰磧體等系列難題。在云貴高原、川西高原建設了大瑞鐵路、成蘭鐵路，把隧道建設拓展到了橫斷山脈地質構造運動強烈區，解決了深埋特長隧道、高烈度地震及活動斷裂地區隧道修建等系列難題。隧道開挖斷面日趨增大，高速鐵路隧道開挖斷面一般在70～160 m2，為滿足功能要求，適應特殊地形地質條件，在一般隧道結構的基礎上，攻堅克難，建成了超大跨隧道、變截面隧道、特殊基礎隧道、橋臺進洞隧道、高回填土隧道、小凈距洞群隧道等多種特殊隧道結構型式。京張高鐵八達嶺長城地下站站端渡線段隧道開挖跨度達32.7 m，開挖斷面達494.4 m2，是目前世界上跨度最大的交通隧道[9]。

2.2.2 隧道建設標準進步快，標準體系更趨完善

經過近40年的發展，中國鐵路隧道建設標準已從40年前的以普速隧道(非電氣化隧限-1A和電氣化隧限-2A)為主，發展成為涵蓋客貨共線、高速、城際、重載、市域市郊等鐵路隧道的完備標準體系。

普速單線隧道軌面以上凈空斷面小，一般為30～32 m2，以機車車輛限界及貨物列車裝載高度(高度不超過5 300 mm)控制，電氣化鐵路還需滿足接觸網懸掛、安裝要求。原鐵道部在2000年前后頒布了速度為120 km/h單、雙線鐵路隧道襯砌、明洞、洞門等系列標準圖。

21世紀以來，隨著對高速鐵路的深入研究，形成了考慮空氣動力學效應的高速鐵路隧道設計方法，確定了控制瞬變壓力的隧道凈空面積建議值，制定了隧道洞口微氣壓波控制標準，提出了設置洞口緩沖結構、合理布置洞內輔助坑道或豎井，以緩解微氣壓波的工程措施。經過系列研究及工程實踐，建立了速度為250、300、350 km/h的高速鐵路標準體系，以及速度為120、160、200 km/h的客貨共線鐵路隧道系列標準體系。編制的主要標準設計達46項，涵蓋了速度為160～350 km/h的單、雙線鐵路隧道襯砌、鋼架、明洞、洞口等標準圖。同時，經過研究和實踐，建立了城際鐵路、重載鐵路等隧道的標準體系[4]。這些標準體系的建立和發展，豐富和完善了中國鐵路隧道標準體系，使中國鐵路隧道建設標準覆蓋范圍更廣、適應能力更強。中國電氣化鐵路不同建設標準的隧道最小凈空有效面積見表3。

2.3 隧道結構體系持續完善

隧道結構體系包含支護襯砌結構、防排水、建筑材料等。20世紀80年代以前，鐵路隧道以傳統礦山法的整體式襯砌為主，施工開挖后采用木支撐、噴混凝土錨桿支護等方式，施工方法以先拱后墻的臺階法為主要工法，襯砌類型包括大拱腳薄邊墻襯砌、直墻襯砌、曲墻襯砌等，并有偏壓襯砌、斜交洞口襯砌、車站大跨及燕尾式隧道襯砌等特殊類型，其主要特點是襯砌較厚、多為素混凝土、防排水措施簡單。進入20世紀90年代，隨著國家經濟的快速發展及技術的進步，“新奧法”設計理念在鐵路隧道修建中逐步推廣，錨網噴支護、防排水及二次襯砌構成的復合式襯砌得到應用。進入21世紀以后，隨著鐵路隧道修建理念及建造技術的快速發展，鐵路隧道系統建立了以“新奧法”理論為基礎的復合式襯砌結構體系，并隨著高速鐵路隧道的大量工程實踐，隧道結構體系得以持續完善[10]。

表3 中國電氣化鐵路不同建設標準的隧道最小凈空有效面積

2.3.1 隧道襯砌結構形式的統一和完善

隧道襯砌主要由復合式襯砌和單層襯砌結構形式，中國鐵路隧道主要采用復合式襯砌結構。復合式襯砌結構主要由初期支護和二次襯砌組成，其中初期支護承受施工期間的全部荷載，二次襯砌承受后期由圍巖蠕變、初期支護損傷等因素增加的荷載，二者與周邊圍巖共同構成隧道支護結構，從而形成人工支護與圍巖協同受力變形的隧道結構體系。20世紀90年代末，為了在鐵路隧道建設中推廣復合式襯砌，將隧道結構統一為曲墻結構形式，取消了直墻結構[4]，并廢止了相關通用圖。此后，各鐵路項目的隧道設計開始采用自編的參考圖，且形成了曲墻復合式結構的基本設計方法。

為滿足鐵路隧道快速發展的需要，統一鐵路隧道建設標準，原鐵道部再次組織標準圖和通用圖的編制，形成了速度為160、200、250、350 km/h等的系列通用圖，并結合工程實踐，不斷的發展、完善和更新。

2.3.2 隧道結構防排水體系的發展完善

20世紀80年代，隨著大量電氣化鐵路項目的建設，隧道防排水越來越受到重視。但是基于整體式襯砌的特點，更多的是利用結構自防水、施工縫構造防水，以及采用邊墻腳泄水孔排水，對地下水發育段則采用人工砌筑盲溝排水或預埋管引排措施等。至20世紀90年代，開始逐步建立中國鐵路隧道的防排水系統，采取局部防水板、襯砌后排水盲管、施工縫的止水條等措施。20世紀90年代末，隨著復合式襯砌的大量使用，在拱墻范圍初期支護和二次襯砌之間大規模使用防水板。此后，逐步研究確定了隧道防排水標準、防排水措施等，并初步構建防排水體系[11]。后來，在系統總結渝懷、宜萬等鐵路隧道建設經驗的基礎上，提出了由地表處理、圍巖防滲、襯砌結構防水等因地制宜的隧道防水體系，結合不同的環境要求，將隧道分為防水型、控制排水型和排水型3種類型； 而針對排水型隧道，還建立了襯砌結構外和結構內的排水體系。

隨著技術的進步及防水材料的發展，近些年還研發出了自粘式防排水板、自粘式防水板、自粘式止水帶與防結晶排水盲管等一系列新材料[2]。自粘式防(排)水板革新了防水板鋪掛工藝，解決了防水板脫落切割襯砌等突出問題，提升了鋪掛工效和質量，大幅度提升了拱墻結構防排水能力。自粘式止水帶提升了襯砌接縫防水能力，提高了止水帶安裝質量。防結晶排水盲管能有效緩解排水系統結晶堵塞，提升了排水能力與使用壽命。但是，這些新材料的應用效果尚需在工程實踐中進一步驗證和完善，隧道防排水系統的設置方案、防水材料、施工工藝等還有待進一步深化提升。

2.3.3 耐久性設計及建筑材料的發展

安全、高質量的發展要求，讓鐵路隧道更重視全壽命周期的安全問題。從21世紀初，開始構建鐵路工程耐久性設計標準，并相應建立鐵路隧道結構耐久性設計標準和要求。隧道二次襯砌的材料從20世紀的低標號素混凝土，發展到采用強度等級不低于C30的高性能混凝土，并建立了適應于各類侵蝕環境的結構耐久性設計對應措施，極大提升了隧道結構的質量。

噴射混凝土強度指標從早期的C20，發展到現在的C25、C30、C35，錨桿材料從一般的砂漿錨桿，發展到中空注漿錨桿、自進式錨桿、低預應力錨桿、讓壓錨桿等。隨著川藏鐵路的規劃建設，適應能力更強、耐久性更好的建筑材料將不斷地應用于鐵路隧道建設中。

川藏鐵路隧道工程遵照“主動控制的支護理念”，初期支護采用早高強噴射混凝土，錨固系統采用低預應力錨桿(索)[12-13]。預應力錨桿主要包括預應力實心錨桿、機械或粘結錨固的預應力空心錨桿等，可在安裝完成后迅速張拉即刻產生錨固力，盡早約束圍巖變形，延緩圍巖松動圈(塑性區)發展過程，保持圍巖參數及穩定性，防止圍巖持續惡化。對于成孔困難的特殊圍巖，研發了自進式錨桿，可實現鉆孔、注漿同步施工。錨索主要為高預緊力高強度低密度錨索，合理支護密度、排布及預緊力的錨索支護對控制軟弱圍巖大變形具有良好的效果。錨固材料主要采用快凝早強的水泥基注漿材料、水泥卷錨固劑和樹脂錨固劑，其凝結時間、抗壓強度、限制膨脹率、氯離子含量等物理、力學和耐久性能優異，有利于實現快速錨固，提高錨桿的耐久性。

在高性能噴射混凝土方面，研發了新型無堿速凝劑和早高強摻合料，并在此基礎上制備了高性能噴射混凝土。新型液體無堿速凝劑具有早期強度高、氯離子含量低、均質性好、與水泥兼容性好等特點。早高強摻合料具有早期強度高、后期強度持續發展的特點，通過添加適量的摻合料，可實現C30噴射混凝土8 h抗壓強度≥10 MPa，1 d抗壓強度≥15 MPa，且56 d強度保持率為100%。高性能噴射混凝土工作性能良好，可滿足現場噴射施工要求，并具有快凝結、低粉塵、低回彈和早高強的特點，長期力學性能優異，且耐久性良好。

2.4 特殊巖土和不良地質隧道修建技術漸成體系

隨著鐵路隧道的快速發展，近40年在黃土地區、西南復雜山區、東北寒區、青藏高原等建成了大量的特殊巖土和不良地質隧道，在經過大量的科學探索和工程實踐后，形成了獨具特色的設計理論和方法，并已形成專項技術規范[2]，如《鐵路黃土隧道技術規范》《鐵路巖溶隧道勘察設計規范》《鐵路擠壓性圍巖技術規范》《鐵路瓦斯隧道技術規范》等，為大規模、高質量鐵路隧道建設提供了強有力的技術支撐。

2.5 隧道風險管理體系日趨健全

鐵路隧道工程發生各類風險的概率較其他工程大，且一旦發生，造成的損失較大。從2003年宜萬鐵路建設開始，針對高風險巖溶隧道，開展了隧道風險評估和分級管理的研究和嘗試，在系統分析宜萬鐵路隧道工程特點的基礎上，首次建立了巖溶隧道地質災害危險性評價體系，將91座巖溶隧道劃分為8座高風險隧道、26座中等風險隧道和57座低風險隧道，有效提升了宜萬鐵路巖溶隧道的風險管理水平[14]。后續在認真總結中國鐵路隧道建設經驗和教訓的基礎上，學習和借鑒國際先進標準，開展了必要的理論研究和調查統計工作，于2007年編制并頒布了中國第1部隧道工程風險管理辦法——《鐵路隧道風險評估與管理暫行規定》。在此基礎上，經過近10年的工程實踐，于2016年編制并頒布了《鐵路隧道工程風險管理技術規范》，形成了中國鐵路隧道風險評估與管理體系。鐵路隧道風險管理體系的建立有利于決策的科學化，提高了政府、業主、設計單位、施工單位的風險管理意識和風險管理能力，減少了工程事故的發生，達到了控制風險、減少損失的目的。

2.6 隧道運營防災疏散救援體系逐步建立

隨著大規模鐵路隧道工程的建設，中國鐵路隧道充分貫徹“以人為本”“安全第一”的思想，在借鑒國內外先進理念的基礎上，通過太行山隧道(長27.839 km)、烏鞘嶺隧道(長20.05 km)、呂梁山隧道(長20.785 km)、新關角隧道(長32.69 km)、西秦嶺隧道(長28.236 km)等多座長大鐵路隧道的建設實踐和科學研究，建立了運營隧道防災疏散救援標準和模式，形成了適應中國鐵路隧道發展并具有中國特色的技術體系，填補了中國鐵路隧道運營防災的空白。

運營隧道防災疏散救援體系可概括為“兩設施兩系統一模式”，如圖5所示，即土建結構設施、機電設備設施、監控系統、管理系統及疏散模式。土建結構設施包括緊急救援站、橫通道、緊急出口以及各類標線等； 機電設備設施主要為放置于隧道內的防災風機風閥、應急照明、疏散指示與水消防設施； 監控系統通過在鐵路運營公司機房內設置的各類服務器等，遠程監視、管理、維護、控制機電設備設施； 管理系統可調動災害條件下的應急預案，與疏散模式相結合，開展救援工作[15]。

目前，中國鐵路行業已頒布了TB 10020—2017《鐵路隧道防災疏散救援工程設計規范》，極大地促進了中國長大鐵路隧道的安全發展。

圖5 鐵路隧道防災疏散救援體系

2.7 隧道建造技術飛速發展

近40年來，隨著中國制造業的崛起，鐵路隧道施工技術與裝備也取得了快速發展，為隧道的安全、快速施工提供了保障。

2.7.1 信息化設計施工技術方面

在近40年的發展歷程中，通過不斷總結鐵路隧道工程施工信息化的實踐經驗，以安全和質量管理為主線，借鑒國內外工程施工信息化經驗，形成了以超前地質預測預報、監控量測為主的信息化設計施工技術，編制并頒發了中國第1部隧道超前地質預報規程——《鐵路隧道超前地質預報技術指南》(2008年)，第1部監控量測技術規程——《鐵路隧道監控量測技術規程》(2007年)。

超前地質預報是隧道施工過程中必不可少的重要環節，對于防止隧道施工過程中的地質災害、實現安全生產、提高施工綜合效益具有重要的意義和作用。傳統的超前探測方法主要集中在超前鉆探、地震發射、電磁類、電法類等方面。近年來，隨著鉆孔設備的發展，超前探孔技術也得到了飛速發展，超前探孔長度從數十米到上千米均能實現。同時，一些新的隧道超前地質預報技術思想被提出(如隧道激發極化技術、隧道核磁共振技術、單孔定向雷達技術、地震波探水技術等)，對推動超前地質預報技術進步和提升工程服務能力起到了有益的積極作用。山東大學提出的可定量估算掘進面前方30 m內含水體水量的三極測深激發極化法、可識別并定位掘進面前方80 m內含水體的全空間瞬變電磁法，是在不良地質定量探測方面取得的重要進展，特別是提出了含水體水量估算的可行方法，建立了綜合超前探測技術及體系[16-18]。上述成果在成蘭鐵路、成昆鐵路、京張高鐵等多個復雜地質條件的隧道工程中得到了較成功的應用，充分體現了超前地質預報技術的快速發展為中國鐵路隧道的安全、高效建設提供了重要支撐。

現場監控量測是隧道施工的關鍵環節，是實現信息化設計施工的基礎。傳統的監測技術主要依靠人員進入施工現場，使用傳統測量工具進行人工操作測量。近年來，隨著自動化監控技術的提出與發展，出現了自動化全站儀監測技術、光纖傳感技術、三維激光掃描技術、數字近景攝影技術、基于物聯網的監測技術等，大大提高了監控量測的精度，為隧道信息化施工提供了可靠的基礎數據。

信息化設計施工技術是目前鐵路隧道建造的主流。通過超前地質預報和監控量測獲得地質資料、圍巖力學動態、支護工作狀態等數據，利用多種手段進行數據整理和分析，判斷圍巖及支護結構體系的穩定性和工作狀態，確定更符合圍巖動態的支護參數和施工工法，以指導現場施工。近年來，隨著信息化設計施工技術的發展，智能化建造技術也被提出，2020年在鄭萬高鐵高家坪、保康、興山、新華等4個標段圍繞智能建造協同管理平臺各大子系統成功開展了試驗與驗證，初步實現了隧道智能化建造的目的[19-20]。

2.7.2 鉆爆法隧道輔助工法方面

中國鐵路隧道常用的輔助工法主要有超前錨桿、超前小導管注漿、超前管棚注漿、洞內超前預注漿和地表注漿等。隨著鉆孔和注漿設備的發展，輔助工法的工效也大幅提升，特別是洞內超前注漿和地表注漿技術的發展，為處理隧道突泥(水)，加固軟弱、破碎地層及塌方等不良地質提供了重要的技術手段。

洞內超前注漿技術適用性廣、針對性強、作業靈活，隨著工程需求和技術的發展，目前的主要工藝有前進式分段注漿、鉆注一體化后退式分段注漿、水平袖閥管束精細化注漿、全孔一次性定壓定流量注漿，可根據不同的地質特點和加固要求合理選擇。受洞內超前注漿工效與工藝的影響，近些年洞外地面深孔注漿技術得到了快速發展，并廣泛應用于各類軟弱、富水、破碎巖質隧道的超前加固，注漿孔施工深度可達150 m，經過加固后的軟巖隧道，月均開挖進尺達80 m[21-22]。洞內超前預注漿和地表注漿施工如圖6和圖7所示。

圖6 洞內超前預注漿施工

上述技術已在京沈客專、哈牡高鐵、蒙華鐵路、銀西高鐵、太焦高鐵、張吉懷鐵路、川藏鐵路等諸多項目中得到成功應用。

為適應工程注漿需要，鉆孔、注漿機械設備也取得了較大的發展，鉆孔設備由原來肩扛人抬的坑道鉆機，發展為現在的履帶式多功能鉆機，其施工效率和鉆孔能力得到大幅度提高。同時，注漿材料也從傳統的普通水泥基注漿材料發展到快硬硫酸鹽水泥基注漿材料，該材料凝結時間可控、早期強度高、抗分散性強，大大提高了超前注漿施工效率和堵水加固效果。

圖7 地表注漿施工

注漿效果檢查及評定方面，在傳統的分析法、檢查孔法、開挖取樣法、變位推測法等基礎上，發展了孔內成像、跨孔CT 等物探手段，從而使注漿效果的檢查更加直觀、客觀。

2.7.3 鉆爆法隧道機械化大斷面施工技術

隨著中國高速鐵路的快速發展，高速鐵路隧道施工技術取得了長足的進步，鉆爆法隧道的機械化施工有了新突破，從單一工序機械化逐步轉向全工序機械化。鄭萬高鐵和成蘭鐵路機械化大斷面隧道施工，實現了各級圍巖條件下的全(大)斷面開挖[6]，如圖8所示。隧道機械化配套涵蓋開挖、初期支護、防水、二次襯砌等各作業工區的主要工序，主要裝備包括鑿巖臺車、錨桿鉆機、濕噴機械手、鋼架安裝臺車、自行式仰拱棧橋等，如圖9所示。機械化施工能夠加快施工進度、節約勞動力、減輕勞動強度、改善施工條件、提高工程質量、降低工程成本，是高速鐵路鉆爆法隧道施工的發展方向。機械化大斷面隧道施工在中國鐵路鉆爆法的長大隧道建設中逐步得以推廣應用。

(a) 全斷面法(含仰拱)

(b) 微臺階法Ⅰ(上斷面-仰拱)

(c) 微臺階法Ⅱ(含仰拱)

圖9 隧道全工序機械化配套示意圖

2.7.4 盾構法隧道施工技術

盾構法對地層的適應性較強，能適用于黏土、砂層、基巖等各種地層，在城市鐵路隧道、水下鐵路隧道修建中，其安全性、經濟性優勢明顯。同時，為適應地質條件的復雜性，盾構設備由以往單一功能的土壓盾構、泥水盾構等向雙模式盾構、多模式盾構發展。

盾構隧道采用預制管片拼裝及時形成襯砌結構，保證了隧道工程建設的安全可靠和優質。預制拼裝結構具有建設速度快、質量好、綠色環保等優勢。目前，盾構隧道內軌下結構也逐漸推廣應用預制拼裝結構，如京張高鐵清華園盾構隧道等，實現了軌下結構的全預制拼裝[23]。

管片由盾構自帶拼裝設備完成拼裝，底部結構通過配套的箱涵拼裝機完成，實現中箱涵和邊箱涵的快速拼裝施工。中箱涵塊與塊之間、邊箱涵塊與塊之間均采用三元乙丙橡膠條進行密封。中箱涵和邊箱涵安裝如圖10所示。

(a) 中箱涵安裝

(b) 邊箱涵拼裝

采用此技術建造的隧道，洞內干凈整潔，一次成洞，減少了軌下結構施作時間，施工效率大幅度提高，是今后盾構法隧道的發展方向[24]。

2.7.5 TBM法隧道施工技術

TBM集開挖、出渣、支護、通風除塵、導向等功能于一體，實現了長大硬巖隧道施工的工廠化作業。近40年來，中國采用TBM修建技術成功修建了秦嶺隧道、磨溝嶺隧道、桃花鋪1號隧道、中天山隧道、西秦嶺隧道等。自秦嶺隧道TBM開工以來，國內對TBM相關技術難題展開研究，國家和部委層面持續部署多項科技計劃，開展TBM設計施工中的基礎科學問題研究，逐步構建并完善了中國TBM設計制造和設計施工的技術理論體系，為實現TBM自主設計、制造奠定了技術支撐。2010年后，以鐵建重工、中鐵裝備為代表的國內廠家在大量工程項目的拉動下得到快速發展，國產掘進裝備快速實現了從依賴進口到批量出口的轉變，從2014年首臺國產TBM下線并成功應用后，國產TBM已經完全占領國內市場，并占據國際大部分市場。

通過國內工程建設、設計、施工、裝備制造等相關單位的共同努力，國產TBM在功能、造價、可靠性、自動化程度和地質適應性等方面有了很大提升，并在國內多個領域、不同地質條件的隧道工程中廣泛應用，為中國今后TBM技術在鐵路山嶺隧道工程更大規模的推廣應用奠定了基礎[25-27]。

3 標志性重點隧道工程

3.1 衡廣復線大瑤山隧道

衡廣復線大瑤山隧道是中國第1座特長(長14.295 km)鐵路雙線隧道，且是第1次在長大隧道中采用“新奧法”的原理指導設計與施工的隧道。該隧道設置3座斜井和1座豎井，推行當時國內外最先進的大型機械，實現了鉆爆、支護、裝運等主要作業線的機械化施工。大瑤山隧道于1980年11月開工，于1988年12月建成，為中國隧道事業開辟了新紀元，填補了中國10 km以上隧道的空白，修建技術先后獲原鐵道部和國家科技進步特等獎。

大瑤山隧道的建設是“新奧法”原理在中國鐵路隧道建設應用中的成功典范，也是中國鐵路隧道建設新舊方法的轉折點，是鐵路隧道修建技術的一次大飛躍[28]。大瑤山隧道洞口如圖11所示。

圖11 衡廣復線大瑤山隧道洞口

3.2 南昆鐵路家竹箐隧道

家竹箐隧道是20世紀90年代中國西南復雜艱險山區最具代表性的隧道工程之一，全長4 990 m，是第1座煤系地層高瓦斯、煤與瓦斯突出及煤系地層軟巖大變形隧道。隧道通過煤層段總長約981 m，實測最大瓦斯壓力為1.58 MPa，最大瓦斯含量為20.17 m3/s，最大絕對瓦斯涌出量約為10.56 m3/min； 煤系地層大變形范圍為390 m，實測拱頂最大下沉240 cm，側壁內移160 cm，隧底上鼓80～100 cm，被稱為當時鐵路建設“天下第一險洞”。

隧道建設過程中通過設置高位平導、主副井等輔助坑道形成巷道式通風，采用遠距離超前鉆孔、瓦斯監測、瓦斯抽排放、防突揭煤等措施確保施工安全，運營階段創立了瓦斯防治標準，配置了瓦斯自動監測及運營通風系統，保障了運營安全。針對煤系地層高地應力大變形問題，提出“加固圍巖、改善變形、先柔后剛、先放后抗、變形留夠、底部加強”的防治原則，采用了鴨蛋型襯砌、特長系統錨桿等綜合防治措施[29]。家竹箐隧道洞口如圖12所示，鴨蛋型大變形襯砌斷面如圖13所示。

圖12 家竹箐隧道洞口

圖13 鴨蛋型大變形襯砌斷面(單位： cm)

家竹箐隧道于1993年4月開工，于1996年5月完工，該隧道的成功修建，極大地推動了中國瓦斯隧道及高地應力隧道建造技術的進步。

3.3 西康鐵路秦嶺隧道

西康鐵路秦嶺隧道長18.46 km，是中國當時最長的鐵路隧道，為2條平行的單線隧道。Ⅰ線隧道采用2臺直徑為8.8 m的敞開式掘進機(TBM)施工，Ⅱ線隧道采用“新奧法”施工。西康鐵路秦嶺隧道是中國首座采用TBM施工的特長鐵路隧道，實現了全程電腦監控，無爆破、無振動、無粉塵的工廠化快速掘進，達到國際先進水平，創造當時單口月掘進528 m和日掘進40.5 m 2項全國最高紀錄，于1995年1月開工，于1999年9月貫通，于2000年8月開通運營[30]。該隧道榮獲魯班獎、詹天佑獎，秦嶺特長鐵路隧道修建技術榮獲國家科技進步一等獎。

秦嶺隧道的設計與施工以“高起點、高標準、高速度、高效益，決策科學化、施工規范化、作業標準化、管理現代化”為指導方針，使中國隧道由鉆爆法施工上升到采用敞開式全斷面掘進機(TBM)施工的新臺階，標志著中國鐵路隧道機械化施工跨入世界先進行列，在20 世紀末為中國鐵路隧道史樹立起一座跨世紀的里程碑。西康鐵路秦嶺隧道洞口如圖14所示。

圖14 西康鐵路秦嶺隧道洞口

3.4 石太客專太行山隧道

太行山隧道是石太客運專線最長的隧道，長27.839 km，設計速度為250 km/h，是目前中國最長高速鐵路山嶺隧道，采用雙洞單線形式。隧道修建面臨高速鐵路隧道斷面有效凈空面積標準、長段落膏溶角礫巖地層以及特長隧道防災救援系統設置等技術難題[31]，于2005年6月開工，于2009年4月通車。通過該隧道的建設，構建了速度為250 km/h高速鐵路隧道技術標準，建立了膏溶角礫巖隧道修建技術，首創了鐵路隧道防災救援疏散技術標準，相關成果納入了《高速鐵路設計規范(試行)》和《鐵路隧道防災救援疏散工程設計規范》等標準中，為推動中國高速鐵路隧道技術發展做出了重大貢獻。石太客專太行山隧道洞口如圖15所示。

圖15 石太客專太行山隧道洞口

通車后，石家莊與太原間客車旅行時間由5 h縮短至1 h以內，區域客貨運輸結構得到完善，運輸水平得到充分提升，對促進沿線社會進步，推動太行山以西地區與東部沿海地區的協同發展具有重要的意義，并被國際咨詢工程師聯合會授予“FIDIC2014年工程項目優秀獎”。

3.5 獅子洋水下鐵路隧道

獅子洋隧道位于廣深港客運專線東涌站至虎門站之間，穿越珠江入海口的獅子洋，是廣深港鐵路客運專線的關鍵工程。隧址處獅子洋江面寬度為6 100 m，隧道建筑全長為10.8 km，暗洞段長為10.49 km，最大水壓力為0.67 MPa，按速度目標值350 km/h設計，最大縱坡20‰。由2條單線隧道組成，越江段采用盾構法施工，盾構段總長9 340雙洞m。盾構隧道外徑為10.8 m，軌面以上凈空有效面積為66 m2。隧道內設置框架式板式軌道。盾構段采用4臺泥水平衡式盾構施工，4臺盾構兩兩相向掘進，地中對接，洞內解體。獅子洋隧道是目前國內里程最長、建設標準最高的第1座水下鐵路隧道。獅子洋隧道縱剖面圖如圖16所示。

圖16 獅子洋隧道縱剖面圖

隧道于2006年5月開工，于2011年12月開通運營。該工程克服了行車速度快、掘進距離長、地質復雜多變、盾構地中對接、水壓力大、安全標準高等諸多技術挑戰，解決了大直徑泥水盾構地中對接施工技術、復合地層基巖覆蓋層厚度設計技術、復合地層大直徑盾構長距離掘進技術、特長高鐵水下隧道洞內緊急救援站技術等難題[32]，形成了系列創新成果，獲得國家科技進步二等獎。

3.6 西格二線新關角隧道

新關角隧道是青藏鐵路西寧至格爾木增建二線的重點工程，全長為32.69 km。隧道最大埋深為910 m，平均海拔為3 600 m，設計為2座平行的單線隧道，線間距為40 m，設計速度為160 km/h，采用鉆爆法施工，共設置10座斜井，總長為15 350 m，是中國首座長度突破30 km的鐵路隧道，于2007年11月開工建設，于2014年12月開通運營，是中國目前投入運營的高海拔第一長隧，也是世界高海拔第一長隧。新關角隧道的建成將該段越嶺線路縮短了約37 km，列車運行時間由2 h縮短至20 min。新關角隧道平面示意圖如圖17所示。

隧道修建中克服了高原長距離施工通風、區域性寬大斷裂帶變形、長大段落高壓富水帶涌水、高原特長隧道運營防災疏散救援安全等多項技術難題[33]，形成了高海拔特長隧道修建成套技術，項目榮獲國際隧協(ITA)重大工程獎、菲迪克(FIDIC)優秀工程獎、青海省科技進步一等獎、中國鐵道學會科學技術一等獎、中國建筑業協會和施工企業協會科學技術一等獎、中國土木工程詹天佑獎等多項國內外獎項。新關角隧道的成功修建，極大地推動了中國隧道技術的進步，為中國修建30 km以上特長隧道，尤其是高海拔特長隧道提供了良好的技術支撐。

圖17 新關角隧道平面示意圖

3.7 蘭渝鐵路西秦嶺隧道

蘭渝鐵路西秦嶺隧道長28.2 km，設計速度為200 km/h，位于甘肅省隴南市武都區境內。隧道最大埋深為1 400 m，設計為2條單線隧道，進口采用鉆爆法施工，出口采用2臺直徑為10.23 m的開敞式TBM施工，是目前中國鐵路建設史上TBM掘進最長的隧道，創造了大直徑硬巖開敞式TBM月掘進843 m、周掘進235 m、日掘進42 m的世界紀錄，同時也創造了大直徑硬巖掘進機連續掘進14.9 km的最長掘進紀錄。隧道于2008年9月開工建設，于2016年12月開通運營[34]。西秦嶺隧道TBM裝備如圖18和圖19所示。

西秦嶺隧道首創了TBM掘進與二次襯砌同步施工技術，通過分階段通風模式，很好地解決了大直徑TBM施工20 km超長距離通風世界性難題，相關技術成果填補了中國大直徑TBM快速長距離掘進技術的空白，推動了中國TBM產業的發展。

圖18 TBM主機刀盤圖

圖19 隧道出口TBM拼裝場地

3.8 鄭西客專特大斷面黃土隧道

鄭西鐵路客運專線全長為458 km，設計速度為350 km/h，是中國“八縱八橫”高速鐵路網的重要組成部分，是世界上第1條長距離穿越黃土地區的高速鐵路，共有28座、總長為53 km的黃土隧道，隧道開挖斷面達164 m2。鄭西客專黃土隧道洞口如圖20所示。

圖20 鄭西客運專線黃土隧道洞口

結合鄭西高鐵長為53 km的黃土隧道建設，克服了斷面超大、淺埋段落長、黃土遇水軟化、濕陷強烈等系列工程難題，建立了大斷面黃土隧道穩定性控制技術體系，形成了大斷面黃土隧道空間變形設計方法，開發了三臺階七步開挖工法等施工新技術[2]，相關研究成果獲得國家科技進步二等獎。三臺階七步開挖工法示意圖如圖21所示。

圖21 三臺階七步開挖工法示意圖

3.9 宜萬鐵路巖溶高風險隧道

近年來，中國先后在巖溶地區建成了宜萬鐵路、貴廣客專、滬昆高鐵等鐵路工程，積累了大量的高風險巖溶隧道修建技術。

宜萬鐵路是中國在巖溶地區修建的一條最具代表性的復雜山區鐵路，線路全長為377 km，70%的線路穿越喀斯特地區，巖溶強烈發育，暗河系統四通八達，補給水源豐富。隧道工程遭遇體積超過1萬m3的超大型溶洞48處、高壓富水充填溶洞10處、水壓大于2.0 MPa的高壓富水大斷裂8處，工程施工難度極大，風險極高，被國內外專家稱為“世界級難題”。項目于2004年1月開工，于2010年12月建成運營。隧道建設過程中開展了大量科技攻關，攻克了復雜巖溶山區鐵路工程建設重大技術難題，成功打通了沿江鐵路蜀道，創造了世界鐵路修建史上的奇跡。該項目首次開展了巖溶隧道風險評估和分級管理，創建了多種巖溶隧道支護新結構(見圖22)，創新了高壓富水充填溶洞隧道修建技術，取得了系列巖溶隧道修建技術成果[2，35]，如《宜萬鐵路高壓富水大型充填巖溶及斷裂帶隧道修建技術》獲中國鐵道學會科學技術特等獎、《深埋巖溶隧道地質勘察綜合技術》和《宜萬鐵路復雜山區巖溶隧道設計關鍵技術》獲中國鐵道學會科學技術一等獎。相關成果已納入《鐵路隧道超前地質預報技術規程》《鐵路隧道工程風險管理技術規范》《鐵路巖溶隧道勘察設計規范》等規范，促進了中國巖溶高風險隧道的建設。

另外，滬昆高鐵、貴廣客專等鐵路建設中，隧道工程也遇到了大量的巖溶，進一步豐富了巖溶高風險隧道修建技術，如滬昆高鐵朱砂堡2號隧道超大型空溶洞大體積空心混凝土回填技術等。

(a) 大型溶洞雙向拱型新結構

(b) 超大型溶洞立柱支頂+雙層框架式新結構

3.10 深港高鐵城市地下車站隧道

深港高鐵是中國第1條穿越既有城市中心區，并在密集中心區設站的全地下跨境高速鐵路，由深圳福田站、香港西九龍站2座地下高鐵站和益田路隧道、深港隧道組成，全長37.1 km，是京廣深港高鐵的重要組成部分。 福田站是中國第1座深埋于城市中心地下的鐵路車站，是亞洲最大的地下火車站，面積僅次于美國紐約中央火車站[36]。福田站及相關工程平面圖如圖23所示。

圖23 福田站及相關工程平面圖

福田站為地下3層，共設8線4站臺，長1 023 m，采用明挖法施工。基坑寬度達78 m，平均挖深為32 m，地處深圳市中心區，周圍高樓林立，主體結構外側離建筑物地下室最近距離僅為12 m，安全風險高。車站采用5跨3層大型地下結構，集明挖順作、蓋挖逆作于一體，結構復雜，施工組織協調難度大。與正在運營的地鐵1號線和正在施工的地鐵2號線、11號線垂直交叉； 下穿福華、福中、深南等5條城市干線，交叉干擾多。福田站剖面圖如圖24所示。

圖24 福田站剖面圖

益田路隧道長6 236 m，由明洞、盾構段、鉆爆法段組成。深港隧道長3 886 m，由鉆爆法段、盾構段組成。隧道大直徑盾構下穿地層復雜，掘進控制要求高； 建筑物密集，變形控制及保護難度大。

該工程于2008年12月開工建設，深圳福田站段于2015年12月30日建成運營，香港西九龍站段于2018年9月23日建成運營。建設者們攻克了超大超深基坑支護體系與安全控制、大型客站特殊結構、核心城區復雜地層大直徑盾構隧道系統設計建造、地下車站與隧道區間的綜合防災等關鍵技術，并研發了淺埋暗挖隧道新工法——先墻后拱交叉中隔壁法(即PBCRD工法)[37]，實現了高速鐵路大斷面隧道超小凈距下穿運營地鐵，相關成果榮獲中國鐵道學會科學技術一等獎、中施企協工程建設科學技術進步一等獎，該工程獲得了菲迪克(FIDIC)年度工程優秀獎、魯班獎和中國土木工程詹天佑獎。

3.11 京張高鐵新八達嶺地下車站隧道

新八達嶺隧道是京張高鐵最長的隧道，全長為12.01 km，設計速度為250 km/h，單洞雙線，洞身最小埋深4 m，最大埋深432 m，連續穿越居庸關、水關、八達嶺長城等重要風景名勝區。八達嶺長城站是京張高鐵的1座地下車站，設置在新八達嶺隧道內，距離隧道出口3 km，位于八達嶺風景區滾天溝停車場下方，毗鄰八達嶺長城。車站側式站臺有效長度為470 m，總建筑面積為6.83萬m2，軌面最大埋深為102 m，兩端渡線段隧道最大開挖跨度為32.7 m，最大開挖斷面面積為494.4 m2，是目前開挖斷面最大的交通隧道。車站地下部分為暗挖密集洞群，由下至上依次為站臺層、進站層、出站層3層結構，含大小洞室78個、斷面型式88種、洞室交叉口63處，洞室間最小巖墻厚僅為1.2 m，是目前世界上建設規模最大、埋深最大、開挖跨度和斷面面積最大、洞室結構最復雜的地下暗挖高鐵車站工程。新八達嶺隧道于2016年4月開工建設，于2019年12月建成通車。八達嶺地下車站剖面透視圖如圖25所示。八達嶺地下車站超大跨隧道斷面示意圖如圖26所示。

圖25 八達嶺地下車站剖面透視圖

圖26 八達嶺地下車站超大跨隧道斷面示意圖(單位： m)

八達嶺長城站是中國第1座暗挖高鐵車站，具有“環保嚴、埋置深、跨度大、洞室密、地質差”5大特點，建設過程中面臨“防災救援疏散、環境和文物保護、超大跨隧道建造、密集洞室群建造”4大技術難題。經過科研攻關，建立了隧道下穿長城微震爆破和下穿風景名勝區環境保護技術，研發了深埋地下車站環境營造及防災救援技術，提出了超大跨隧道圍巖承載拱構件化設計方法、超大跨隧道“品”字形開挖新工法、高性能快速張拉預應力錨索新技術、超大跨隧道變形分步控制理論及控制標準，形成了軟弱破碎圍巖超大跨隧道及密集洞群修建技術，為今后類似工程建設提供了技術參考[9]。

4 發展方向及展望

近40年的成就表明，中國鐵路隧道的數量和長度已占據世界鐵路隧道之首，所處的地形地質、地域環境等也是世界上最復雜的，隧道工程類型、標準和功能涵蓋齊全，技術成就斐然。然而隨著中國經濟進入高質量發展階段，信息化、數字化、智能化等新技術的應用，使中國鐵路隧道的發展迎來了新的機遇和挑戰。

4.1 基于隧道圍巖主動支護理念，進一步完善隧道主動支護體系

隨著國外“新奧法”“挪威法”“新意法”等隧道建造理念的深入人心，大大促進了中國鐵路隧道設計理論和方法的發展，隧道工程界逐漸認識到保護和充分利用圍巖的自承能力是隧道建造的核心思想。從力學角度看，隧道支護的本質是將開挖后的圍巖由二維應力狀態轉變為三維應力狀態，從而抑制圍巖松弛發展，提升圍巖自穩性。

主動支護強調在圍巖松弛前及時設置支護，對圍巖進行主動保護、加固、改良，主要通過錨桿(索)等支護構件深入圍巖內部，形成組合拱作用，改善圍巖連續性，增強圍巖的抗剪強度，從而保持、提升圍巖的自支護能力。

川藏鐵路雅安至林芝段分布有69座隧道，總長為842 km，工程規模巨大，地質條件異常復雜，且處于高原低壓、缺氧等惡劣環境中。為滿足隧道工程安全高效施工的需求，全線隧道采用主動支護體系，系統錨桿采用低預應力錨桿，初期支護采用早高強噴射混凝土[38-40]。希望通過川藏鐵路隧道工程的建設，結合科研試驗，進一步完善和推廣隧道主動支護理念，完善中國特色鐵路隧道修建技術體系。

4.2 盡快打通BIM+GIS在隧道勘察、設計、施工、運維全生命周期中應用的關鍵環節

隨著BIM(Building information modeling)技術在全球的推廣應用，近些年中國勘察設計單位和施工單位也在積極推進基于BIM的信息化建設，探索 BIM 技術在鐵路隧道勘察設計、施工建設、安全運維全生命周期中的應用。目前，正由“建模為主”階段向“多維度數據應用為主”階段跨越。然而，BIM三維信息模型在尺度表達、一致分析、空間統一基準、整體定位等方面存在不足，而GIS(Geographic information system)是以空間三維可視化為基礎，基于空間數據庫技術，面向海量三維地理空間數據，集成地上、地下、洞內外完整的三維空間實體，具有強大的空間數據存儲、管理、檢索和分析功能。

因此，將BIM與GIS進行結合，將BIM模型集成到GIS場景中，充分發揮兩者的優勢，是今后隧道工程數字化、信息化發展的方向[41]。

4.3 穩步推進鐵路隧道施工少人化(高風險工序無人化)的智能建造技術

近年來，隨著勞動力成本的不斷提高，隧道現場經驗豐富的施工技術人員數量在逐年減少，隧道工程建設“以機代人”成為現實需求，少人化(甚至無人化)是未來隧道工程建設發展的必然趨勢。在機械化、數據化、信息化、人工智能高度融合的基礎上，發展具有自感知、自學習、自決策、自實施功能的機器人，進行隧道建造主要工序的智能化作業，對提高施工效率、保障施工安全、提高施工質量具有重要意義。

綜合當前中國鐵路隧道建設需求、現階段技術水平及發展現狀，鐵路隧道智能化建造技術的發展趨勢為： 隨著智能化建造體系的試驗與推行，不斷積累完善各類地質條件下的隧道設計與施工方法，最終突破基于深度學習的隧道智能化建造技術理論，實現自學習、自適應的隧道智能化建造體系，隨后建立動態感知、實施分析、精準決策、自主執行的隧道智能化建造體系，全面推廣、實現隧道智能化建造。

目前，鄭萬高鐵湖北段在隧道機械化大斷面快速建造技術的基礎上，初步構建了高速鐵路隧道智能化建造技術體系，并成功進行了工點試驗。川藏鐵路雅安至林芝段新構造運動強烈，穿越新構造板塊活動強烈的橫斷山區，地質條件極端復雜，特別是隧道巖爆段落長、等級高、危害大，加之高原低壓、缺氧，為確保施工安全，推廣智能化建造勢在必行。

4.4 加快開發基于物聯網技術的隧道智能運維新技術

隨著中國鐵路隧道工程數量的逐年增加，襯砌缺陷和病害也逐漸增多，高鐵隧道安全運營風險壓力突顯，隧道運營維養需求遠超現有維養能力，研發基于物聯網技術的隧道狀態智能監測、運維和病害整治技術迫在眉睫[42]，包括研發適用于隧道與地下工程的結構健康智能檢測監測系統、基于大數據的隧道狀態評估智能決策系統、高效率的隧道與地下工程維護技術及智能化裝備等。

5 結語

近40年來，中國鐵路隧道總體上建立了隧道規劃、勘察設計、施工、運營維養等成套技術體系，在鐵路隧道的建設規模、工程品質和科技創新等方面取得了重大成就。然而，在面對超長深埋隧道、川藏鐵路高海拔隧道、城市復雜環境隧道、長距離海底隧道等方面，仍有大量的技術難題需要突破，尤其是在鐵路山嶺隧道智能化建造、運維等方面，還需要開展大量的科學研究和攻關工作，這是鐵路隧道建設者的任務和責任。希望廣大鐵路隧道建設者齊心協力，繼續發揚科技創新精神，推動中國鐵路隧道建設事業取得更大發展。