迟凤霞 詹伟 严鑫 李伟平 李长俊 郑云辉 孙飞
摘 要：改革开放40多年来，伴随着浙江省经济腾飞，公路隧道建设迅猛发展，在公路网络发展中发挥了极其重要作用。该文结合浙江省公路隧道典型工程，回顾总结了近年来浙江省公路隧道科技平台建设及科技研究成果。面向浙江省交通强省建设，有针对性地提出了浙江省在公路隧道领域科技创新的未来发展方向，为日后开展公路隧道科技创新及应用提供一定参考依据。
关键词：公路隧道 隧道设计 隧道施工 隧道运营 隧道养护 发展方向
中图分类号：U459.2 文献标识码：A文章编号：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%，耕地面积仅208.17万hm2，故有“七山一水二分田”之说。浙江地形自西南向东北呈阶梯状倾斜，东北部是低平的冲积平原，东部以丘陵和沿海平原为主，中部以丘陵和盆地为主，西南以山地和丘陵为主。大致可分为浙北平原、浙西南的丘陵和盆地，浙东南的沿海平原及滨海岛屿等6个地形区。
改革开放40多年来，伴随着浙江省经济的迅速腾飞，浙江省交通设施建设也在迅猛发展，公路隧道在浙江省的群山和江河湖海间不断延伸，在公路网络发展中发挥了极其重要的作用。截至2019年底，作为隧道大省的浙江已共建成公路隧道1 989座，隧道通车里程1 471.5 km，公路隧道数量和里程分别位居全国第一和第三。据统计，目前省内已建及在建的长度超过6 km的特长公路隧道有7座，超过3 km的特长隧道数10座。目前运营的最长公路隧道是诸永高速的括苍山隧道，长7.9 km;未通车运营的最长公路隧道是位于杭绍台高速的大盤山隧道，长8.6 km;省内断面最大的公路隧道为将军山隧道，总跨度16.8 m。
1 浙江省公路隧道典型工程
从浙江省公路隧道建设发展历程来看，浙江省公路隧道的建设始于20世纪70年代，经过40余年的发展，在长大山岭隧道、沉管隧道、大断面盾构隧道等方面取得一系列重大突破，一大批典型隧道工程陆续建成。其中，具有浙江省特色的公路隧道工程如表1所示。
纵观浙江省隧道建设的跨越式发展历程，近2 000座隧道跨越山川海洋，使高峰如平地，使天堑变通途，便捷了人民的出行，推动了浙江省经济的发展，成为了浙江省隧道工程建设发展史乃至我国隧道工程建设发展史上的一座座丰碑。
2 浙江省公路隧道科技发展分析
2.1 浙江省公路隧道科技平台建设
2.1.1 水下隧道智能设计、建造与养护技术与装备交通运输行业研发中心
该中心由浙江省交通规划设计研究院有限公司牵头，联合同济大学、西南交通大学、中交第二航务工程局有限公司、中交天和机械设备制造有限公司、中铁隧道局集团有限公司、中铁工程装备集团有限公司、中铁十四局集团大盾构工程有限公司共同組建。研发中心于2019年12月通过交通运输部认定。该中心主要服务于交通运输基础设施建设与管理，重点围绕跨江海通道等重大工程建设需求，针对大型水下隧道设计、建造、运营管理、养护等，开展重大关键技术攻关研发以及成果转化应用，旨在加快提升我国水下隧道智能化设计、工业化建设、智能化养护技术能力水平，打造国内一流的交通运输行业水下隧道技术研发中心。
2.1.2 桥梁隧道工业化浙江省工程研究中心
该中心是浙江省交通规划设计研究院与浙江大学及浙江交工集团联合组建的经由浙江省发展改革委员会认定的省级工程研究中心，于2017年10月通过浙江省发改委认定。围绕高标准建设浙江省综合交通跨越发展的突出任务，研究桥梁隧道工业化领域的关键性、基础性和共性技术，对应用前景广泛的科研成果进行系统性、配套性和工程化研究，推进相关技术标准研制、成果系统集成和推广应用，积极推动国内外技术合作与交流和高端人才的引进战略，为相关企业提供该领域技术咨询服务，带动浙江省桥梁隧道全产业链的整体技术水平，加强浙江省交通基础设施领域参与“一带一路”建设的国际竞争能力。
2.2 浙江省公路隧道科技研究成果
针对不同隧道设计工作中存在的问题，浙江省交通行业进行了一系列研究，开展了特殊地质隧道结构设计技术、隧道特殊结构形式设计技术、隧道通风与防灾技术、隧道照明与节能技术、隧道裂缝防治技术、水下隧道设计技术等方面的技术攻关;针对公路隧道施工方面遇到的问题开展了一系列研究，主要包括隧道施工安全技术、特殊条件下隧道施工技术、隧道二衬裂缝控制技术、隧道施工工艺等，研究成果为隧道的施工安全和施工质量提供了技术保障;随着运营隧道数量和里程的增多，给隧道运营与养护管理带来了巨大的挑战，针对隧道运营和养护管理工作中存在的问题，开展了隧道检测与长期监测技术、隧道交通安全与管理技术、隧道机电与节能技术、隧道病害防治技术等方面的技术攻关。
近年来，省内隧道工程领域的标志性科技成果及应用情况，主要有竖井送排式纵向通风技术、火灾安全独立排烟技术、节能通风技术、防灾救援技术、水下隧道建设技术、机械化施工技术、洞口微开挖及景观技术、能耗监测与智能管控技术、节能照明技术、发光照明诱导技术、交通安全运营技术等10余项代表性成果。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创新发展方向展望
随着浙江省交通强国战略实施的不断深入，如何充分发挥科技创新的引领作用，彻底改变人工劳动强度大、效率低、安全风险大的落后技术，提高公路隧道建设的工业化、信息化、智能化水平，使浙江省从“隧道大省”向“隧道强省”发展，成为当前浙江省隧道工程领域科技发展的当务之急。
3.1 隧道全寿命与结构耐久性设计
隧道传统设计方法主要包括经验类比法、荷载结构法、地层结构法和信息反馈法，主要侧重结构的安全，在围岩荷载、水压力取值以及岩体破坏机理方面缺乏突破性进展，且较少涉及运营期的管理、维护等问题，诸如防排水系统维护更换、运营期突涌水等。同时，在投资上存在重建设期、轻运营期的现象。针对复杂及深部地层的隧道工程，急需建立考虑结构耐久性的隧道全寿命周期设计方法，将空间三维结构、物料特性、工艺设计与全寿命周期管理融于一体，实现高应力和高渗压作用下隧道结构的定量设计，开发耐腐蚀和耐疲劳等超高性能的混凝土材料，以适应复杂地层和深部地层的特殊地质环境和运营要求，并制定相应的标准和规范，使隧道在设计和建造阶段就充分考虑到全寿命的使用性能和要求。
3.2 隧道智能化建造及装配技术
目前，隧道施工已基本实现施工机械化，在这个基础上，应结合新兴数字化、智能化技术，结合“机、电、液”一体化，并总结隧道施工经验与各类施工工法，涵盖隧道超前作业、开挖、出渣、支护、衬砌等工序，打造隧道智能化施工体系。在隧道智能装备体系中，充分应用智能控制技术，实现隧道智能装备施工环境自感知、目标导向定位自执行、施工状态与反馈自学习、施工效果自评估、施工组织自决策、施工过程自管理，打造更实用、更智能、更经济、全系列的铁路隧道智能装备。为了更好地对隧道施工全生命周期进行管理，结合新奥法、新意法、挪威法对隧道智能建造装备进行协同管理，对隧道智能建造数据流的交互模式开展研究，制定数据在装备与装备、装备与环境、装备与围岩之间的交互与衔接流程，为服务隧道施工全生命周期管控提供技术保障。
3.3 复杂环境长大水下隧道智能化设计技术
开展超大断面、超高水压、复杂环境条件下长大隧道结构体系及新型结构、水下复杂环境条件下长大隧道结构性能演化及可靠性设计理论、水下复杂环境条件下盾构隧道水压力变化特性与规律研究、高水压盾构隧道弹性密封垫防水性能影响因素的控制标准研究等方面的研究，综合形成超高水压复杂地质水下隧道新型结构与防水设计，提升水下隧道在超高水压复杂地质环境汇总的适应性和防水功能。
3.4 复杂环境长大水下隧道施工智能装备
开展超大断面、高水压、长距离水下隧道施工装备研发，扩大盾构/TBM适应水下各类复杂地质范围，满足实现水下隧道工程的施工要求，实现用装备技术降低水下隧道施工风险，实现水下隧道施工装备的自动化与智能化，提高施工效率。开发基于光学、电磁学等隧道多源快速化检测技术，以传感设备的轻量化、检测的无损化与快速化为目标，以集成隧道表观、结构及壁后技术状况检测装备为抓手，开展隧道表观及隐蔽面快速检测技术研究，发展基于机器视觉的隧道病害快速检测及识别技术，实现对衬砌开裂、渗漏水、冻害等病害的快速检测。开发基于三维激光扫描点云的隧道变形快速识别技术，实现衬砌变形全空间可视化展示;研发隧道隐蔽面探地雷达多频多维融合检测技术，实现对衬砌缺陷及背后空洞的立体及多维再现。
3.5 隧道病害检测智能解析识别技术的研发以及系统化应用研究
以海量病害的快速解析和精准化识别为需求，引入人工智能方法，围绕隧道检测表观图像数据、探地雷达波谱数据、激光扫描点云数据，基于图像处理和深度学习语义分割网络，发展基于全卷积神经网络的隧道表观图像智能解析技术;开发点云数据的Kalman滤波及CNN优化算法，提出基于激光点云数据的智能建模及变形识别技术;基于随机场理论，提出基于概率反演的衬砌及围岩异常体多物理场智能识别技术。实现对隧道裂缝、渗漏水、空间形态、变形、衬砌及围岩异常体的智能快速识别。
3.6 超长复杂隧道及地下工程智慧防灾技术
无论是在建设期还是已投入营运的隧道，其防灾、抗灾和救灾工作都应该放在最要紧的位置，隧道灾害主要是大火、爆炸或洪水。在建设期的隧道内，有可能会出现坍塌、岩溶、岩爆、放射物质或毒气泄露的危害。在已投入营运的隧道内，由于信号失灵、设备故障、交通事故等可能会引发大的事故。因此，要在以“预防为主”为指导原则，在隧道和地下工程设计标准中切实体现“安全第一”的方针，保证具有足够的抗灾能力和可靠的逃生通道，防患于未然。特别是超长复杂隧道及大规模地下工程发生火灾时，人员的疏散和救援都较为困难，容易发生大范围伤亡，如何设置有效的措施，预防避免灾情的发生，并在灾情发生后有效保证人员安全及降低财产损失，需要结合新兴技术，发展信息化、数字化防灾手段，实现火灾防护及疏散救援的智慧化。
4 结语
经过40多年来的发展，浙江省公路隧道建设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，推动了浙江省经济的发展，成为了浙江省隧道工程建设发展史乃至我国隧道工程建设发展史上的一座座丰碑。该文通过对近年来浙江省公路隧道发展及科技成果进行总结梳理，从隧道全寿命与结构耐久性设计、隧道智能化建造及装配技术、复杂环境长大水下隧道智能化设计技术、复杂环境长大水下隧道施工智能装备、隧道病害检测智能解析识别技术研发及系统化应用研究、超长复杂隧道及地下工程智慧防灾技术等6个方面，针对性提出了浙江省公路隧道科技创新的未来发展方向，这将为浙江省公路隧道創新及应用
提供一定的参考依据，助力浙江省高水平交通强省建设。
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