土木工程界按照修建長度将隧道劃分為短、中長、長、特長等4個級别，其中鐵路和公路根據各自特點在劃分标準上有所區别，鐵路隧道的劃分标準為：長度L<500 m 的為短隧道，500 m<L<3000 m 的為中長隧道，3000 m<L<10000 m 的為長隧道，L>10000 m 的為特長隧道。公路隧道的劃分标準為：長度L<500 m的為短隧道，500 m<L<1000 m的為中長隧道，1000 m<L<3000m的為長隧道，L>3000 m的為特長隧道。

這種劃分方法簡單明了，且能較為中肯地評價隧道修建難度，同時也反映出一個時期内隧道修建的綜合技術水平。随着國民經濟發展對交通路網基礎建設需求的持續增強，中國特長隧道的修建水平也在穩步提高，成功修建的特長隧道已越來越多，多座隧道長度超過20、30 km，并且規劃了更多20 km 以上的隧道。從技術現狀和建設規劃看，單單用“特長隧道”已經不能準确表述當前的技術水平和修建難度。綜合考量中國隧道修建的整體技術水平和運營管理現狀，認為修建20 km以上的隧道既是目前技術水平可以達到的長度，又帶來了各種邊界條件下的挑戰，因此将20 km以上的隧道定義為超長隧道。

修建超長隧道要在現有技術基礎上面對和克服更多難題與挑戰。對于超長山嶺隧道，首先是埋深帶來的問題，超大埋深使地質鑽探難以開展，而高地應力、高地溫進一步惡化了施工環境，為施工人員和設備帶來極大安全風險，同時超長隧道超大體量的廢渣排放也為自然環境保護帶來了挑戰。對于超長水下隧道，水上勘測無法依照傳統方式進行，隧道前方充滿了未知。大水深帶來的高水壓給掘進設備、結構防排水都帶來了切實的壓力，同時也使得很多常規技術手段難以應用。本文将針對超長山嶺隧道和超長水下隧道在修建過程中面對的技術挑戰進行闡述，并對超長隧道的技術發展方向進行展望。

01國内外超長隧道建設現狀

中國超長隧道建設現狀

中國的超長隧道主要分布在鐵路和高速鐵路以及水利水電工程中，18020 m秦嶺終南山公路隧道是目前中國最長的公路隧道，同時也是世界第二長的公路隧道。中國已建成的鐵路及高速鐵路超長隧道共12座（表1），中國已建及在建水工超長隧道共11座（表2）。

表1 中國已建成的鐵路和高速鐵路超長隧道

表2 中國建成及在建的水工超長隧道

中國在建的超長隧道有6座，其中大瑞鐵路高黎貢山隧道長34538 m，隧址區域被稱為“地質博物館”，地質特征可概況為“三高四活躍”，“三高”即高地熱、高地應力、高地震烈度，“四活躍”即活躍的新構造運動、活躍的地熱水環境、活躍的外動力地質條件、活躍的岸坡淺表改造過程（表3）。

表3 中國在建的超長隧道

除此之外，根據國家路網的完善需求，中國在近期規劃了27座待建超長隧道，數量上超過了已建和在建隧道的總和（表4）。這些規劃中的隧道有的尚在預可研階段，有的已經進入施工圖階段，開工指日可待。

表4 中國規劃建設的超長隧道

世界超長隧道建設現狀

目前世界最長交通隧道是瑞士的聖哥達基線隧道，總長57 km。該隧道不僅超長，而且大部分地段埋深達到1800 m，個别地段埋深2200 m。隧道在施工過程中遇到了高地應力、高地溫等諸多難題，曆時17年修建貫通。除聖哥達基線隧道之外，歐洲各國和日本等國也先後修建了多座超長隧道，其中有英法海底隧道、日本青函海底隧道等（表5）。

表5 世界超長隧道

每一座超長隧道的成功修建都凝聚了建設者無數的心血，也為隧道及地下工程領域帶來一次次技術飛躍，使人們有信心将目光投向更為深邃的地下和海洋，迎接更多的挑戰與技術可能。

02超長山嶺隧道面臨的挑戰與思考

深部地下空間地質勘探方式亟需突破

超長隧道的埋深一般較大，如全長34.6 km的勒奇山隧道埋深2000 m，全長57 km的聖哥達隧道埋深在1800~2200m，全長34.5 km 的高黎貢山隧道埋深在800~1155m左右。這些超大埋深導緻地表鑽探的鑽孔加長，取芯效率降低，超長的隧道導緻鑽孔的數量也随之增加，整個鑽探耗費的人力物力都将急劇增加。而從建設經驗看，深埋隧道的地質情況複雜多變，建設者面對數十千米的隧道和超過10年的工期又需要盡可能詳細的地勘資料進行施工方案的制定。

因此超長山嶺隧道的地質勘探要面向未來，重點結合國家深地探測戰略，将中國深部探測取得的研發成果盡快應用到具體隧道工程的地質勘探中（圖1）。一方面改進取芯方法，提高取芯效率，逐步淘汰提鑽取芯，發展不取芯随鑽測量技術和無鑽杆鑽進系統。另一方面是将中國在大功率地面電磁測量儀、無纜地震儀和無人機航磁系統等關鍵儀器研發方面取得技術突破因地制宜地應用到超長隧道的地質勘探中，進一步降低鑽孔的數量。在将來超長隧道的地質勘探中，逐步形成以物探為主、洞内超前地質預報輔助驗證的地質勘探思路和成套裝備與技術，改變目前單純依賴鑽探取芯的地質勘探方法。

圖1 深地探測技術

深埋超長隧道施工方法選擇面臨考驗

山嶺超長隧道可選工法是鑽爆法和會斷面隧道掘進（TBM）方法，兩種方法各有千秋、各具特色。從目前應用現狀看，選擇應用鑽爆法的較多。但是從未來技術發展的方向看，應逐步采用TBM工法替代鑽爆法，形成以TBM為主、鑽爆法為輔的施工模式。從技術層面上講，鑽爆法解決長距離開挖的策略是增設輔助坑道，增加工作面，形成“長隧短打”的局面來彌補掘進速度的不足。當技術手段受限時，這樣是非常有利于工程進度的。但是，目前TBM的設備水平和輔助技術都在不斷革新，技術優勢已經越來越明顯。更為重要的是，很多超長隧道可選擇的輔助坑道條件嚴重受限，且輔助坑道過長經濟性太差，不具備“長隧短打”的條件。因此超長隧道在工法選擇方面要審時度勢轉變思路，更多的考慮TBM方法，并進一步發掘該工法的潛力。

由于TBM對地質條件的針對性強，适應性差，對于不同地質條件需要設計不同的掘進機，TBM的選型是整個工程最為重要的一環。近年來也出現了對軟硬複合地層有一定适應性的複合型TBM，但在實際應用中穿越軟岩大變形段或者斷層破碎帶都沒有很理想的表現。因此針對超長隧道豐富的圍岩類型和各種極端的地質情況，未來全斷面掘進機的研發方向無疑是性能更為優異，設備的通用性更強，最終目标是研發出全能型的TBM，設備選型将成為曆史。

工程環境保護思路的重大調整

在隧道修建過程中對環境的影響是複雜而深遠的，如對地下水的擾動和破壞、隧道廢渣、廢液、廢氣的排放和堆放問題。還有上述提到的“長隧短打”，增設斜、豎井等輔助工程對自然生态環境的影響更大。

對于建設過程中的環境影響，以往多認為是工程建設中認識不到位，對環境問題不夠重視造成的。但從根本上講這不僅是一個認識問題，更是一個技術問題。一方面是現有環保技術不夠普及，目前對廢水、廢氣以及廢渣的解決方案多集中在市政工程方面，山嶺隧道在處理這些問題時缺乏合适的解決方案，導緻這些問題的長期存在；另外一方面是隧道修建技術還需完善，以“長隧短打”為例，想要改變這一落後的設計理念須從提升隧道單個工作面施工能力着手，綜合施工能力的提升才是減少輔助坑道數量的根本途徑。

健康運營管理與防災救援的觀念革新

從目前隧道出現的各種病害來看，隧道運營期的結構安全狀态不容樂觀，世界範圍内對于結構健康監測的研究也處于起步階段。很多都是被動式管理，病害已經形成甚至已經造成不良後果才被發現。在中國古代就有“治未病”的理念，這一理念不僅适用于醫學也同樣适用于隧道健康運營管理。

以往物聯網技術不夠成熟，人機交互能力弱，數據的采集與上傳困難，尤其是高頻次、大數據的自動化采集與分析滿足不了要求。随着互聯網、物聯網技術的發展，已經具備了良好的人機交互、機機交互平台，為隧道結構健康全天候動态監測平台的搭建提供了技術條件。全天候動态監測不僅可以實現隧道健康狀況的實時評估，還可以提供基于環境感知的減災技術，真正做到防患于未然。

後壽命周期的隧道健康評估與重置技術

很多隧道在達到壽命周期後仍處于運營狀态，其主要原因是隧道以及很多地下工程不具備二次建設的條件。超長隧道很多都是基線隧道，更難具備二次建設的條件，超期服役的現象也更為普遍。無論是對超長隧道還是普通隧道，結構的後壽命周期健康評估以及修複重置技術尚未有系統開展，給這些隧道的後續使用留下了巨大隐患。

隧道後壽命周期的健康評估是一個外延清楚、内涵模糊的“灰色系統”，其影響因素既有定性也有定量，且各因素之間彼此相關，相互作用。随着達到後壽命周期的隧道越來越多，隧道“老齡化”的相關問題也将越來越凸顯。應在隧道運營管理的基礎上建立後生命周期健康評價體系，科學客觀地評價隧道所處的健康狀态，并據此制定相應的隧道結構修複重置技術，使超期服役的隧道也能延長壽命，更好地服務社會。

03超長水下隧道面臨的挑戰與思考

超長水下隧道布設方式選擇

水下隧道按照與河床、海床不同位置關系可以有3種布設方式。第1種是深入地下的鑽爆法及盾構法隧道；第2種是放置于河床、海床之上的沉管法隧道；第3種是浮于水中的懸浮隧道。以往受限于整體技術水平，在修建水下隧道時深入地下的鑽爆法和盾構法是首選布設方式。在水深不大、修建距離較短時考慮采用沉管法。懸浮隧道作為一個設想，自初次提出距今已有160年的時間，直到2016年第一條水中懸浮隧道在挪威松恩（Sognefjord）峽灣才正式開建（圖2）。

圖2 挪威懸浮隧道效果圖

盾構法和鑽爆法隧道與地層關系緊密，受地層狀況影響也最大。因此常常考慮避開不良地層而加大埋深，這樣就導緻隧道線路增長，掌子面水壓的增大，給施工階段的通風和設備密封帶來難題，同時也使得維護運營費用較高，并且通行車輛的能量消耗較大。

沉管法對基礎沒有強度和承載力方面要求，但過硬的基礎會導緻基槽開挖困難。沉管法可以有效縮短線路長度，同一隧址處，可将隧道的長度有效縮短，運營條件相對較好。但沉管法受水深影響嚴重，大水深下基槽開挖整平精度難以達到，沉放對接精度難以保障，同時多次沉放的累計對接誤差也會明顯增加，因此沉管法可以接受的最大水深一般不超過50 m。

懸浮隧道是想法最為新穎和大膽的隧道方案，且提供了多種布設方式，基本可以擺脫水深和地質方面的影響。目前受懸索錨固技術的限制，懸浮隧道難以大範圍實施，且工程造價較高（挪威松恩隧道造價高達250億美元），但由于受限因素最少且技術攻關方向明确，應用前景最為廣闊。

對以上各種布設方式的選取原則并不是一成不變的，而是随着開挖方法的重大技術創新而改變。以懸浮隧道為例，一旦懸索錨固技術得到實質性突破，懸浮隧道将成為最為經濟的水下隧道形式。

地震狀況下水下隧道安全保障技術

水下隧道多修建在複雜的地質環境下，隧址區域常處于地震高發地帶，一旦發生地震，若隧道遭受嚴重破壞，後果将是災難性的。目前，人們對陸上隧道的地震破壞機理和隔震技術已經取得了一定的研究成果，并應用泡沫混凝土材料和橡膠材料作為隔震材料，在隧道結構中設置隔震層、抗震縫等。

海底隧道在抗震問題上的邊界條件比陸上隧道複雜得多，除了隧道襯砌和圍岩之間選取合适材料設置隔震層之外，還應考慮改善隧道結構本身的剛度、質量、強度、阻尼等關鍵抗震因素，從多個方面提高隧道在地震發生時的結構安全性。

水下隧道防排水系統

從大量隧道的運營情況看，因隧道防水體系失效帶來的結構滲漏水是較為普遍的隧道病害，輕則影響隧道正常運營，嚴重的情況下則會導緻隧道關停。水下隧道，尤其是水下超長隧道必須要在這個老問題上尋求新的解決辦法。

對于鑽爆法施工的水下隧道，目前以防水闆和土工布形成的防水結構有較多問題。一方面是材質本身耐腐蝕性不強，易老化失效；另一方面是鋪設工藝和後續施工工序容易導緻防水闆破損，從而防水失效。目前，最新的防水結構是噴層防排水體系，該體系是将排水盲管緊貼圍岩布置并在初支之前噴塗防水材料在圍岩表面形成緻密的防水層，防排結合從而解決隧道防水問題，新型防排水系統與傳統防排水系統對比如圖3所示。這種防排水方法理念先進，易于操作且質量可靠，成熟完善後将會給水下隧道的防排水設計施工帶來巨大改變。

圖3 新型防排水系統與傳統防排水系統結構對比

對于盾構法隧道的管片止水條、沉管法隧道以及懸浮隧道的止水帶，雖然結構形式不同，但多采用橡膠材料制成。橡膠材料在疲勞荷載、沉降荷載以及河水、海水侵蝕作用下很容易發生老化，且難以及時發現。止水條、止水帶通過受壓變形填充混凝土結構之間的空隙從而實現密封防水，因此對這些部位更換或修複風險極高、難度極大。針對這些問題，沉管隧道方面已經有相應的設計改善，如防止Gina止水帶過度壓縮擠破的限位裝置，便于Omega止水帶修複更換的節段接頭構造方案等，為後續盾構管片止水構造的跟進優化提供了參考（圖4）。

圖4 止水條損壞後難以修複的盾構隧道

離岸結構修建技術

超長水下隧道在設置海中通風豎井以及其他離岸結構時常常受到水深的限制。以現有的技術能力難以在水深超過20 m的區域修建海上人工島，下面以港珠澳大橋人工島的修築為例說明。

港珠澳大橋人工島築島處的水深在18 m左右，建設所需鋼圓筒直徑達到22m、高度50.5 m、重500 t，是國内直徑最大、高度最高的鋼圓筒結構，也是世界上體量最大的鋼圓筒結構（圖5）。如果水深進一步加大，達到30、40 m時，鋼圓筒相應高度就達到70~90 m，整個項目将變得難以實施。

圖5 港珠澳大橋人工島築島鋼圓筒

目前，挪威等國采用新型沉井式修築方法較為高效經濟地解決了深水離岸結構的修築問題，其構築物如圖6所示。這種結構的出現基本可以解決超長水下隧道的通風難題，也為海上盾構始發井的修築提供了思路。

圖6 挪威Draugen海灣海上平台

高水壓下施工裝備的适應性

中國規劃建設的渤海海峽隧道、瓊州海峽隧道、台灣海峽隧道等超長水下隧道隧址區域的最大水深将超過100 m，如果采用盾構法進行修建，考慮覆土厚度則需要将盾構機的整體密封性能提到2 MPa以上才能滿足要求。而目前采用盾構法修建的水下隧道最大水壓都在1 MPa以内，盾構機的整體密封性能最高為1.1~1.6 MPa，與建設需求有較大差距，需要有較大的突破。

04結 論

對中國而言，修建超長隧道、完善國家路網是勢在必行之事，其益不止于經貿商旅，其效不止于天塹通途。修建超長隧道既要面對大量世界級難題，也要敢于承接更多未知挑戰，是中國土木工程行業技術自信和技術自強的集中體現。（責任編輯 傅雪）

基金項目：國家自然科學基金項目（51327802）

參考文獻（略）

作者簡介：洪開榮，中鐵隧道局集團有限公司，教授級高級工程師，研究方向為橋梁與地下工程。

注：本文發表于《科技導報》2018 年第10 期，敬請關注。

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