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公路隧道学科发展研究报告

公路隧道学科发展研究报告

（2011）

中国公路学会隧道工程分会

2012年4月

一、引言………………………………………………………………………………1

二、我国公路隧道发展历史沿革及特征………………………………………3

三、国内外公路隧道建设技术发展状况………………………………………4

3.1我国公路隧道科技发展情况……………………………………………………4

3.2“十五”以来西部项目科研成果与突破………………………………………5

3.2.1勘察设计技术方面…………………………………………………………6

3.2.2隧道施工技术方面…………………………………………………………11

3.2.3隧道设计基础理论方面……………………………………………………12

3.2.4检测评估、维修加固与养护管理技术方面………………………………13

3.2.5隧道防灾减灾技术方面…………………………………………………13

3.2.6总体评价……………………………………………………………………14

3.3国外技术发展现状与趋势……………………………………………………16

3.4与国外先进水平的差距………………………………………………………17

四、“十二五”公路隧道科技重点突破的方向与技术………………………30

4.1技术发展需求…………………………………………………………………30

4.2重点研究方向及主要目标……………………………………………………31

4.3重点研究项目建议……………………………………………………………31

公路隧道学科发展研究报告（2011）

一、引言

我国是多山国家，75％左右的国土都是山地，且江河纵横，海域宽阔。

近10年来，公路隧道平均每年新建350公里（见图1），28座水下公路隧道已建成通车，隧道在交通基础设施的建设中起到越来越重要的作用，同时在城市建设中，以节约土地和保护环境为宗旨，城市道路隧道也方兴未艾。

总体上，公路隧道已由重丘走向深山、由陆域走向水下、由山区走向城市。

面对地震、火灾和暴雨等灾害日益频发，面对高地应力、活动断裂、高寒、高海拔和富水等复杂地质条件，面对保护环境和节约能源等日益增强的建设理念，面对我国跨江海、穿高原等重要战略通道建设的实际需要，公路隧道建设尚存在突出技术瓶颈亟待解决。

图1近10年来我国公路隧道修建公里

随着我国国民经济的迅速发展，我国公路的建设规模在日益扩大，尤其是公路隧道的建设已进入一个快速发展的时期。

据统计，截至2010年底，全国公路隧道为7384处、512.26万米，其中，特长隧道265处、113.80万米，长隧道1218处、202.08万米。

其中，2007年建成通车的秦岭终南山公路隧道全长18.02公里，位居世界规模第一、长度第二，是我国公路隧道建设的标志性工程。

目前，尚有众多的特长隧道正在建设之中（见表1）。

我国中西部特长公路隧道表1

No.

隧道名

长度（m）

位置

车道

通风方式

1

秦岭终南山隧道

18020

陝西

2×2

3竖井分段纵向式

2

大坪里隧道

12290

甘肃

2×2

2竖井分段纵向式

3

包家山隧道

11500

陝西

2×2

3斜井分段纵向式

4

宝塔山隧道

10391

山西

2×2

竖斜井送排式纵向通风

5

泥巴山隧道

9985

四川

2×2

斜井+竖井分段纵向式

6

麻崖子隧道

9000

甘肃

2×2

斜竖井送排+射流风机纵向

7

龙潭隧道

8700

湖北

2×2

立坑送排+射流风机纵向式

8

米溪梁隧道

7923

陕西

2×2

左（右）洞单井送排式通风

9

括苍山隧道

7930

浙江

2×2

纵向式+半横流式（排煙）

10

方斗山隧道

7581

重庆

2×2

2座斜井送排式纵向通风

例如位于甘肃省宝天高速公路上的大坪里隧道全长12.29公里、位于陕西省西康高速公路上的包家山隧道全长11.5公里、位于四川省雅西高速公路上的的泥巴山隧道全长10公里、位于湖北省沪蓉西高速公路上的龙潭隧道全长8.7公里、位于陕西省安康至陕川界高速公路上的米溪梁隧道全长7.92公里，等等。

根据国家"十一五”发展规划，还将有更多的特长公路隧道建成通车。

图22001~2009年公路工程增长情况

因此，山岭公路隧道的建设日益增多。

我国交通运输部发布的《公路水路交通行业发展统计公报》（表1-1）中的统计数据未包含水下公路隧道和城市道路隧道以及香港、澳门和台湾地区的山岭公路隧道。

图2反映出2001～2009年山岭公路隧道年均增长率高达50.97%，分别是“路”和“桥”的3.61倍和2.94倍，表明公路隧道在山区公路建设中的重要地位日益凸显。

表1-1隧道与公路的增长关系

年份

高速公路

二级及以上公路

隧道

总里程/万公里

年增长/万公里

总里程/万公里

年增长/万公里

总里程/万延米

年增长/万延米

占高速公路增长里程的百分比/%

占二级及以上公路增长里程的百分比/%

2001

1.94

22.7

70.5

2002

2.51

0.57

24.97

2.27

83.5

13

2.28

0.57

2003

2.97

0.46

27.16

2.19

100.1

16.6

3.61

0.76

2004

3.43

0.46

29.95

2.79

124.56

24.46

5.32

0.88

2005

4.10

0.67

32.58

2.63

152.7

28.14

4.20

1.07

2006

4.53

0.43

35.33

2.75

184.18

31.48

7.32

1.14

2007

5.39

0.86

38.04

2.71

255.55

71.37

8.30

2.63

2008

6.03

0.64

39.97

1.93

318.64

63.09

9.86

3.27

2009

6.51

0.48

42.52

2.55

394.20

75.56

15.74

2.96

2010

7.41

0.9

44.73

2.21

512.26

118.06

13.12

5.34

二、我国公路隧道发展历史沿革及特征

据交通部统计，20世纪50年代，我国仅有30多座公路隧道，总长约2.5公里。

60至70年代，我国干线公路上曾修建了百米以上的公路隧道。

1964年修建的北京至山西原平公路上，修建了两座200米以上的隧道，已是非常大的工程。

据统计，截至1979年，我国公路隧道通车里程仅为52公里，数量为374座。

1993年发展到682座，总长136公里。

隧道平均长度为199米，均是二级以下的短隧道为主。

进入21世纪的10年来，我国公路网交通逐渐穿越崇山峻岭，向离岸深水延伸，截至2010年底，全国公路隧道为7384处、512.26万米，其中，特长隧道265处、113.80万米，长隧道1218处、202.08万米。

秦岭终南山隧道、上海崇明隧桥、厦门翔安海底隧道等重大工程相继建成，是世界上公路隧道最多的国家。

据统计，我国铁路隧道数量和长度也已突破7000座和4000公里，均为世界第一。

与铁路、水利和矿山隧道相比，公路隧道在我国的起步最晚，发展速度最快，真正意义上的现代公路隧道只有二十几年的发展历史。

公路隧道之所以能够取得如此快速和巨大的成就，这与我国在铁路、水利和矿山隧道长期的技术发展积累是密不可分的。

正是我国在二十世纪后五十年大量的铁路、水利和矿山隧道的建设经验，为今后修建高速公路隧道奠定了坚实的基础。

与铁路、水利和矿山隧道相比，公路隧道有其独特的特点：

1）公路隧道是大跨扁平结构，其跨度远大于铁路和矿山隧道；2）公路隧道穿越的地质条件异常复杂，围岩稳定性差，这是同样跨度大的水利隧道所不能想象的；3）公路隧道为满足线形、逃生等需要，采用的结构形式比铁路隧道复杂，如：

连拱、小净距、分岔、螺旋隧道等；4）公路隧道为保证行车舒适性、安全性，必须配备复杂的运营机电系统，含：

通风、照明、消防、监控、供配电、救援等系统，这是其他类型隧道所没有的。

这些特点表明公路隧道的技术难度更大，也促使公路隧道界必须在设计、施工、运营和养护方面开展大量的开拓创新研究工作，解决自己特有的技术和管理问题。

总之，公路隧道是在汲取铁路、水利和矿山隧道建造经验的基础上，不断开拓创新，高起点、高水平的发展形成独特的公路隧道技术体系。

当前，随着技术的不断发展和运营的需要，公路隧道趋势是越修越长、越修越宽，技术越来越难、越复杂。

公路隧道的修建涉及到了结构、防排水、岩土、地质、地下水、空气动力、光学、消防、交通工程、自动控制、环境保护、工程机构等十几个学科领域，是综合复合技术，需要多学科进行联合研究、进行攻关。

三、国内外公路隧道建设技术发展状况

3.1我国公路隧道科技发展情况

为适应我国公路隧道建设快速发展的需求，突破和解决重点工程建设和养护管理方面面临的重大需求问题，交通运输部自“十五”开始，加大了对公路隧道科研的支持力度，从设计、施工、检测评价、维修加固与养护管理等各个环节，按需求的紧迫性有计划地设立了一系列科研项目。

截至2008年，“十五”和“十一五”期间交通运输部在隧道工程方向设立西部项目32项（见表2），投入研究经费约6593万元。

涉及隧道设计技术（24项）、施工技术（14项）、基础理论研究（2项）、检测评估、维修加固与养护管理技术（3项）、防灾减灾（4项）。

组织调动全国科研、设计、施工等单位参与研究攻关，针对隧道建设和养护中的难点、焦点和热点问题，形成了一批创新型技术、工法和装备，部分成果达到国际领先或先进水平，填补了国内诸多空白，对公路隧道的又好又快发展起到了保驾护航的关键作用。

山区高速公路隧道修筑技术课题一览表表2

序号

项目名称

承担单位

负责人

1

黄土地区隧道的修筑技术研究

甘肃省交通厅工程处

康军

2

秦岭终南山特长公路隧道关键技术研究

陕西省公路局

袁雪戡

3

连拱隧道建设关键技术的研究

云南省公路规划勘察设计院

李志厚

4

隧道路面结构与材料的研究

贵州省交通规划勘察设计研究院

佘远程

5

雪峰山公路隧道关键技术研究

湖南省交通规划勘察设计院

彭建国

6

双洞小净距隧道设计、施工关键技术研究

四川省交通厅公路规划勘察设计研究院

李玉文

7

公路隧道健康诊断的应用技术研究

中交第一公路勘察设计研究院

王华牢

8

分岔式隧道设计施工关键技术研究

湖北沪蓉西高速公路建设指挥部

曹传林

9

沪蓉国道主干线龙潭特长隧道特殊地质条件下的关键技术

湖北沪蓉西高速公路建设指挥部

白山云

10

高海拔地区复杂地质条件下公路隧道设计与施工技术研究

四川省交通厅公路规划勘察设计研究院

郑金龙

11

公路隧道围岩分级指标体系与动态分类方法研究

西南交通大学

王明年

12

公路隧道喷射防水层技术研究

重庆交通科研设计院

刘伟

13

公路隧道松驰荷载预测理论与预警系统及设计方法研究

重庆交通科研设计院

蒋树屏

14

公路隧道建设中数字化技术应用研究

交通部公路科学研究院

王晓晶

15

单拱四车道公路隧道设计优化与施工技术研究

湖南省交通科学研究院

张亮

16

大相岭泥巴山深埋特长隧道关键技术研究

四川省交通厅公路规划勘察设计研究院

陈乐生

17

公路隧道施工重大险情预警与应急救援技术研究

交通部公路科学研究院

张高强

18

山区隧道建设环境保护关键技术研究

重庆交通科研设计院

张兰军

19

沿河傍山路段棚洞结构适应性及设计施工技术研究

重庆交通科研设计院

黄伦海

20

西部地区公路瓦斯隧道设计与施工技术研究

四川省交通厅公路规划勘察设计研究院

王联

21

乌鞘岭特长公路隧道群建设与运营安全控制技术研究

甘肃路桥公路投资有限公司

牛思胜

22

重庆地区高速公路隧道结构安全与健康状态标识系统研究

重庆高速公路发展有限公司

杜国平

23

寒冷地区公路隧道冻害雪害防治技术研究

长安大学

吕康成

24

西部复杂环境条件下隧道洞口段设计施工综合技术研究

长安大学

陈建勋

25

连拱隧道建设关键技术的推广应用研究

云南省公路勘察设计院

李志厚

26

黄土地区公路隧道修筑技术推广应用研究

甘肃省交通厅工程处

康军

27

公路隧道超深大断面竖井工程施工技术研究

中交隧道工程局有限公司

李亚武

28

公路隧道抗震及减震技术研究

四川省交通厅公路规划勘察设计研究院

林国进　

29

公路隧道单层衬砌结构关键技术研究

重庆市交通规划勘察设计院

钟明全

30

公路隧道衬砌结构耐火技术研究

重庆交通科研设计院

林志

31

高速公路螺旋型曲线隧道营运安全控制技术研究

四川雅西高速公路有限责任公司

何刚

32

多断层、富水岩溶地区特长公路隧道修建关键技术及防灾救援方案研究与应用

陕西省交通建设集团公司

杨育生

3.2“十五”以来西部项目科研成果与突破

为解决我国中、西部困难复杂地区公路隧道勘察设计技术与方法面临的挑战，交通运输部针对公路隧道、尤其是西部地区公路隧道建设和养护的关键技术问题，把握行业热点问题和国际前沿技术，在基础理论研究、应用技术研发、成果应用转化与推广等方面设立了多个重点科研攻关项目，同时在支持国家重点工程建设项目中有针对性地布局了大量的专题性研究。

“十五”以来，西部课题在山区高速公路隧道修筑技术领域开展的主要工作有：

1）复杂水文地质和工程地质环境下（断层、岩溶、富水、瓦斯等）的隧道建造技术；2）特长隧道（群）通风、防灾和监控技术；3）非常规隧道（大跨度、小净距、连拱、分岔、螺旋隧道、棚洞、大断面竖井等）设计、施工和运营技术；4）高寒地区公路隧道建造技术；5）隧道施工过程中的超前地质预报技术；6）公路隧道结构健康监控和诊断技术；7）黄土地区隧道修筑技术；8）隧道建设的数字化技术应用；9）隧道新型设计理论和方法（抗震设计、单层衬砌、围岩荷载和分级等）；10）新材料、新技术和新工艺的应用研究（喷射防水层、太阳能照明等）。

总体而言，一大批重大科研项目和重大工程的完成表明，制约我国特长公路隧道建设与运营的技术瓶颈已经取得了突破，公路隧道的设计水平已接近国际先进水平，部分达到国际先进水平，施工技术有了重大进步，解决了：

1）隧道选型；2）隧道安全快速施工；3）特长隧道通风、照明、运营安全控制。

取得了一系列的技术成果与突破，并提炼为共性技术，为国家重点工程项目建设、行业技术标准的制修订、隧道行业的整体技术进步发挥了重要的、积极的作用。

以交通运输部西部交通建设科技项目为例简要介绍如下：

3.2.1勘察设计技术方面

我国西部地区多为山区，自然地理条件恶劣，高速公路隧道修建面临众多难点问题，依托山区高速公路隧道建设的实际需求，科技工作者们重点就特殊结构形式和西部特殊自然环境下公路隧道设计、特大公路隧道工程配套技术等方面立题开展了研究。

2001～2008年西部交通科技项目山岭公路隧道设计与施工技术方面课题一览表表3

序号

项目类别及名称

实施年限

特殊结构形式公路隧道的设计技术

1

连拱隧道建设关键技术的研究

2002～2005

2

隧道路面结构与材料的研究

3

双洞小净距隧道设计、施工关键技术研究

2003～2007

4

分岔式隧道设计施工关键技术研究

2004～2007

5

公路隧道喷射防水层技术研究

2005～2008

6

单拱四车道公路隧道设计优化与施工技术研究

2006～2009

7

沿河傍山路段棚洞结构适应性及设计施工技术研究

2007～2010

8

连拱隧道建设关键技术的推广应用研究

2007～2009

9

公路隧道超深大断面竖井工程施工技术研究

2008～2010

10

公路隧道单层衬砌结构关键技术研究

2008～2010

复杂恶劣自然环境下公路隧道的设计技术

11

黄土地区隧道的修筑技术研究

2001～2005

12

高海拔地区复杂地质条件下公路隧道设计与施工技术研究

2004～2006

13

沪蓉国道主干线龙潭特长隧道特殊地质条件下的关键技术

2004～2009

14

西藏扎木至墨脱公路建设关键技术研究

（课题一西藏扎墨公路嘎隆拉隧道设计与建设关键技术研究）

2007～2010

15

寒冷地区公路隧道冻害雪害防治技术研究

2007～2010

16

西部复杂环境条件下隧道洞口段设计施工综合技术研究

2007～2010

17

黄土地区公路隧道修筑技术推广应用研究

2007～2009

18

山区隧道建设环境保护关键技术研究

2007～2010

19

西部地区公路瓦斯隧道设计与施工技术研究

2007～2009

20

公路隧道抗震及减震技术研究

2008～2011

21

多断层、富水岩溶地区特长公路隧道修建关键技术及防灾救援方案研究与应用

2008～2010

特大公路隧道工程配套技术

22

秦岭终南山特长公路隧道关键技术研究

2001～2007

23

雪峰山公路隧道关键技术研究

2003～2007

24

乌鞘岭特长公路隧道群建设与运营安全控制技术研究

2007～2010

（1）特殊结构形式公路隧道的设计技术

与常规的公路隧道结构形式相比，我国过去在特殊结构隧道上的设计和施工经验几乎是空白，为适应西部地区特殊地形条件，满足高速公路路线方面的要求，科技工作者们重点针对连拱隧道、小净距隧道、分岔隧道、特大跨扁平隧道、棚洞型隧道、超深竖井、单层衬砌隧道、喷射防水层技术等新型隧道结构形式，在其设计理论和施工方法等方面开展研究，解决上述非常规结构隧道在设计荷载、结构形式、支护衬砌参数、施工工法、施工监控等方面的问题。

这些课题的设置和研究工作的开展，确实保证了类似工程建设的成功，提高了我国建设人员在恶劣地形条件下修建高等级公路隧道的能力，形成了一批指南，部分研究成果进入了规范，对于填补我国特殊结构形式公路隧道建设技术的空白起到了至关重要的作用，提升了我国特殊隧道的建设水平。

1）不同隧道断面结构形式

连拱隧道。

系统研究了连拱隧道的适应性，针对不同围岩类别和环境下隧道围岩压力分布，提出了连拱隧道合理的断面型式、接线方式。

并基于双塌落拱假定首次建立了完整的连拱隧道荷载模式与确定方法；给出了荷载结构法下初期支护与二次衬砌的荷载分担比例和地层结构法的各施工步荷载释放系数，形成了系统的连拱隧道设计计算方法；研制出连拱隧道监测数据库管理软件、连拱隧道施工动态数值模拟分析软件、连拱隧道施工动态反馈分析软件、连拱隧道计算机辅助设计与计算软件、隧道洞口边仰坡稳定性分析软件，可实现连拱隧道的动态自动化设计、施工、监测与管理；

双洞小净距隧道。

首次将小净距隧道划分为A、B、C三类，并给出分类方法和标准；提出了小净距隧道中岩墙垂直应力的理论估算公式、针对中岩墙加固技术及施工工艺；提出了不同类型小净距隧道合理的支护体系、支护参数、施工工序、小净距隧道施工爆破振动速度控制标准和先行洞与后行洞掌子面的合理施工间距；明确了小净距隧道施工的重点监控范围；并最终编制了小净距隧道设计与施工指南和图集。

分岔隧道。

提出分岔隧道设计的理论依据和原则。

建立了不同围岩条件下的分岔隧道围岩支护参数的确定方法和岩柱宽度的留设方法；提出了不同围岩类别分岔隧道的合理施工工法，并提出围岩和衬砌结构的稳定性评价方法与标准；提出了减少施工过程中工程爆破对隧道岩柱的破坏方法。

单拱四车道。

课题提出了大断面隧道衬砌的拱部极限承载力的确定方法、隧道结构支护方法和开挖断面参数优化设计技术。

棚洞。

对段棚洞结构型式及其在山区公路建设中的适应性展开研究，并最终提出棚洞结构设计方法和施工成套技术。

2）洞口、衬砌、路面结构形式研究方面：

隧道洞口。

西部复杂环境条件下隧道洞口段设计施工综合技术研究、山区隧道建设环境保护关键技术研究等课题，提出了各种隧道洞口形式及其适用条件，以及洞口段支护衬砌设计及优化方案，并且提出基于环境保护的隧道洞门选型技术指南。

单层衬砌和喷射防水层。

从材料、工艺、质量控制指标与检验方法等方面着手，对衬砌结构形式开展了系列研究，形成了符合我国国情的公路隧道喷射防水体系、单层衬砌结构的适用范围、设计原则，质量检测和验收标准。

隧道路面。

首次制定了隧道路面结构与排水设计方法，提出了多孔混凝土、OGFC等隧道路面材料的设计方法与标准，编制了公路隧道路面施工技术指南，对隧道路面的设计与施工具有重要的指导意义。

（2）复杂恶劣自然环境下公路隧道的设计技术

在特殊地质条件下的隧道建设方面，结合公路隧道建设的发展需求，重点针对我国西部地区复杂恶劣的自然地理条件：

黄土、多断层、富水岩溶地区、寒冷气候、高地应力、高地震烈度和活动断层带等地区的公路隧道，解决安全环保进洞、超前地质预报、抗防冻、防排水、环境保护、应急救援等技术难题，提出了相关地质条件下公路隧道的断面型式、衬砌结构参数、抗震及减震技术、通风、防冻、防排水技术及合理的施工方法等，突破和解决了我国在类似复杂环境下的隧道建造技术，确保了复杂条件下公路隧道安全、快速、节约的建成。

研究成果处于国际先进或领先水平，达到了对依托工程优化设计、保障安全、减灾防灾、节约建设资金的目的，同时提高了相关方面的理论及技术水平。

黄土隧道。

提出了隧道深浅埋界定的新方法，推导了浅埋土质隧道围岩压力计算公式；提出了适合于黄土公路隧道的衬砌断面型式及防排水结构型式；在此基础上提出了适合黄土公路隧道的开挖方法、施工工艺及质量评定标准。

为公路黄土隧道的设计和施工提供了依据，有效地指导了黄土公路隧道的设计、施工和养护。

高寒隧道。

针对寒区隧道围岩的温度变化特点，从防水、保温和供热等途径，开发新材料、新技术，探讨隧道防冻设计和病害处理的新理念。

通过开展隧道温度场、渗流场分布及其变化规律研究，提出高海拔、寒区地区公路隧道冻害分级方法及评定标准、冻害设防等级。

通过防冻衬砌及支护结构、隧道防排水、保温材料等方面的研究，建立了一套基于防排水和保温技术相结合的隧道防冻支护结构体系设计方法，并提出了与隧道冻害雪害等级相应的防治技术措施和施工工艺。

隧道抗、减震。

研究了高烈度地震区公路隧道工程结构的动力作用机制及地震动力效应，建立了公路隧道抗震设计中地震输入参数确定方法、地震动力响应计算方法，并建立一套适用的公路隧道抗震、减震和隔震结构模式和抗（减）震性能化设计方法。

填补了我国公路隧道抗震及减震设计规范方面的空白。

地质勘察。

掌握了深埋特长公路隧道综合勘察技术，以及公路瓦斯隧道勘察技术，并首次提出公路瓦斯隧道分级标准。

超前地质预报。

研究了隧道前方断层破碎带、风化破碎带位置与范围、岩溶地质、围岩涌泥、突水、岩爆、围岩垮落和失稳、隧道高地应力范围、隧道地下水等信息的预报与判读标准。

建立起超前地质预报流程，掌握了复杂地质条件下公路隧道施工的地质超前预报方法。

（3）特长公路隧道工程配套技术

我国西部地区公路隧道朝着更长、更深的趋势发展，重点工程有秦岭终南山特长公路隧道、雪峰山特长公路隧道、龙潭特长公路隧道、乌鞘岭特长公路隧道群等世界知名的公路隧道。

为了解决我国公路特长隧道建设需求增大和相关技术