浙江省公路隧道科技成果回顾与展望

吴德兴, 李伟平， 李长俊, *, 迟凤霞, 郑云辉, 陆钰铨, 渠成堃, 詹 伟, 黄 廷, 孙 飞

(1. 浙江数智交院科技股份有限公司， 浙江 杭州 310030； 2. 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， 浙江 杭州 310030； 3. 浙江省交通运输科学研究院， 浙江 杭州 310023； 4. 浙江公路水运工程咨询有限责任公司， 浙江 杭州 310004)

0 引言

浙江省是多山省份，素有“七山一水二分田”之称，地形以丘陵山地为主，地势由西南向东北呈阶梯状倾斜。陆域山地丘陵(高程200 m以上)占70.4%，平原和盆地占23.3%，河流、湖泊占6.4%，整体地貌形态复杂，地域差异明显[1]。从地质构造方面来说，主要有华夏系构造体系、新华夏系构造体系、华夏式构造体系，尚有断续或局部分布的纬向(东西向)和经向(南北向)构造体系。从水文地质方面来说，地下水类型在基岩山区及山麓沟谷区主要有松散岩类孔隙潜水、红色碎屑岩类基岩裂隙水，在平原区主要有松散岩类孔隙水及松散岩类孔隙承压水。

隧道作为克服翻山越岭和穿越江海阻隔的重要手段，在交通网络发展中发挥了重要作用。随着浙江省交通建设的快速发展，隧道工程的占比也不断增大。截至2020年底，浙江省已通车的公路隧道有2 264道，总长1 824.897 km，其数量和里程分别位居全国第1和第2。据统计，目前省内已建及在建十大最长公路隧道皆超过5 km(见图1)，其中长度超过6 km的公路隧道有7座，其建设情况见表1。从发展历程来看，浙江省公路隧道实现了从无到有、从短到长、从简单的“土洞”到设备功能齐全的现代化隧道等一系列重大突破(见图2)。

图1 浙江省内十大最长公路隧道

图2 浙江省公路隧道建设发展时间史

表1 浙江省已建及在建长度超过6 km的公路隧道

作为隧道大省，崇山峻岭和沿海临江的地貌特征增加了隧道建设的难度。面对复杂的地质环境和日新月异的科学技术，如何采用新技术、新方法、新工艺科学应对塌方、围岩大变形、地表沉陷、管涌突水等复杂地质问题，如何充分发挥科技创新的引领作用有效开展长大隧道施工安全管理，彻底改变人工劳动强度大、效率低、安全风险大的落后局面，提高公路隧道建设工业化、信息化、智能化水平，成为当前浙江省隧道工程领域科技发展的当务之急。

基于当前隧道工程建管养中对科技创新与应用的需求日益迫切的背景，从产学研用全过程融合的维度对近年来浙江省隧道工程领域的科技成果进行总结、提升并推广应用；同时，分析省内公路隧道领域科技发展的短板，进而提出未来浙江省隧道工程领域科技创新发展方向，以期推动未来浙江省公路隧道工程技术的发展。

1 浙江省公路隧道典型科技成果

浙江作为公路隧道大省积累了丰富的设计经验，浙江省交通规划设计院率先编制了国内第1部JTJ 026—1990《公路隧道设计规范》。近年来，浙江省隧道工程领域科技创新紧密结合《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》，围绕浙江省隧道工程建设与养护技术发展趋势，累计开展了隧道领域科技攻关项目百余项，在隧道建设、运营、养护等方面取得了一系列科技成果，部分成果达到国际先进水平，获得国家各类工程奖(见表2)和科技奖数十项(见表3)。主要代表性研究成果包括特殊隧道建设技术(如软土、陡坡偏压、水下等特殊环境，连拱、单层衬砌等特殊结构)、安全节能运营技术(如竖井送排、节能通风、节能照明等)和隧道养护技术(如土建与机电的在线监控、检测评估及维修等)。

表2 典型隧道工程获奖情况

表3 典型科研成果获奖情况

1.1 特殊隧道建设技术

1.1.1 滨海深厚软土区公路明挖隧道关键技术

《滨海深厚软土区公路明挖隧道关键技术研究》针对浙江省内嘉兴、杭州、宁波、舟山、台州、温州等滨海地区的代表性土样，建立了滨海软土特性数据库；对各种支护形式在滨海软土基坑中使用的特点进行研究，提出了适用于明挖隧道的基坑选型方法，通过考虑基坑宽深比影响的系统柔度进行变形预估，使得选型过程从纯粹的经验方法过渡到半经验半理论的方法。最后，在以上研究基础上给出了一套浙江省滨海软土区地下结构耐久性解决方案。

研究成果在平阳万全至瑞安锦湖公路(简称万锦公路)及宁波市轨道交通4号线工程中得到了应用，节省了工程建设费用，并合理缩短了施工工期。万锦公路见图3。

图3 万锦公路

1.1.2 连拱公路隧道综合修建技术

《连拱公路隧道综合修建技术的研究》在国内外首次采用室内大比尺相似模型试验、计算机数值模拟计算和现场试验分析相结合的手法，从连拱隧道优化施工步骤、连拱隧道支护结构参数、连拱隧道现场监控量测管理体系和监控基准以及连拱隧道衬砌结构长期安全性评价及对策等方面展开。

在施工步骤优化方面，提出适应各类围岩情况下的合理开挖方法，以有效地控制因多次开挖而引起的围岩过度变形和松弛，提高施工期间的安全性，增加支护体系的可靠性；在支护参数研究方面，提出增强和减弱支护结构的原则和措施，通过围岩和支护结构的力学行为随施工进展的动态特性，建立连拱隧道新奥法施工的现场监控量测管理体系和监控基准，并提出及时解决施工过程中出现不良情况时的各种应急措施；在衬砌结构长期安全性评价及对策研究方面，对连拱隧道永久衬砌结构的长期安全性进行综合评价，提出衬砌结构接头等部位防渗漏水的有效措施及衬砌结构实际承载力下降的工程维护加固对策。

研究成果应用于金丽温高速公路二期工程，该工程主要在地质及地形条件十分复杂的山岭重丘区通过，由于连拱隧道具有在地形局限时桥隧衔接适应性好、总体路线展布规模较小、综合工程造价低等优势，在工程总长90余km的线路中优先采用连拱隧道方案，包括钦村隧道等共计20余座连拱隧道，连拱隧道的建设规模和难度在我国高速公路的建设史上前所未有。钦村隧道见图4。

图4 钦村隧道

1.1.3 陡坡偏压小净距隧道设计与施工关键技术

《陡坡偏压小净距隧道设计与施工关键技术》基于强度折减法并考虑坡度、净距及拱肩覆土厚度影响因素，对不同工况下隧道的极限状态及破裂面形式进行探究，得到了不同因素对陡坡偏压小净距隧道破坏模式的影响规律；基于围岩压力拱理论，考虑坡度对隧道压力拱的影响，应用应力路径分析方法确定不同工况下围岩压力拱的范围，获得了陡坡偏压小净距隧道深埋洞及浅埋洞的临界成拱坡度，以此为依据判定陡坡偏压隧道的深浅埋划分；对陡坡偏压小净距隧道施工力学效应进行了计算分析，确定了不同坡度下陡坡隧道的偏压程度分级，确定了陡坡偏压条件下不考虑偏压的拱肩最小覆土厚度以及不同条件下陡坡偏压小净距隧道的合理净距。基于以上中夹岩柱塑性区的分类和加固范围分区，探究注浆、系统锚杆、预应力对拉锚杆以及相应加固方法组合的加固效果，得到2大类情况的中夹岩柱加固方式(围岩条件较好时，采用砂浆锚杆或预应力对拉锚杆加固中夹岩柱即可；围岩条件较差时，需额外采用注浆方案加固中夹岩柱主要加固区，次加固区根据地质情况酌情考虑是否需要注浆)。

研究成果在龙浦高速公路小净距排头隧道中得到了应用，排头隧道处于单斜地貌，右洞较左洞埋深小，偏压较严重。研究成果提高了对国内陡坡偏压小净距隧道设计施工关键技术的认知水平，为此类型隧道工程的设计及施工提供了理论基础，对国内地形横坡大于30°的偏压小净距隧道工程的建设决策和施工、运营安全管理工作具有重要的指导意义，填补了浙江省陡坡偏压小净距隧道方面研究的空白。

1.1.4 既有公路隧道单层衬砌关键技术

在单层衬砌的受力与排水模式研究上，国内外专家虽进行了部分开拓性研究，但在国内尚处于初级阶段，需要从围岩稳定性评价方法、支护体系及防排水措施等方面进行深入研究。

《既有公路隧道单层衬砌关键技术研究》揭示了既有隧道扩挖围岩变形和支护受力的规律，指出扩挖引起的围岩变形和应力释放与扩挖厚度密切相关；提出了一种基于虹吸原理的隧道自排水技术，通过钻造下倾钻孔将围岩内地下水通过虹吸作用自动排出，实现降低围岩中地下水位和衬砌后水压力的目的，并提出了隧道自排水系统的钻孔深度、倾角、高差，孔底储水管长度、直径等参数确定方法和相应构造措施，可供类似改扩建工程参考和借鉴。研究结果得出，若隧道围岩条件较好，对小断面既有公路隧道改扩建工程可采用单层衬砌支护。

研究成果应用于黄沙岭隧道改扩建工程，原有隧道因受建设资金和当时条件所限，开挖横断面不规则，且大部分洞段无支护，存在渗漏水严重、掉块甚至部分塌方现象。为保障人民生命安全，提高道路通行能力，对该隧道进行扩建和加固。隧道由原来的4.5 m(宽)×5 m(高)扩挖至7.0 m(宽)×4.5 m(高)，在该隧道试验段开展单层喷锚衬砌技术应用，不仅施工工艺简单、工期短，而且经济效益显著。相比于复合衬砌，采用合适的单层衬砌方案可节省20%～35%的成本。黄沙岭隧道改建前后对比见图5。

(a) 改建前

1.1.5 机械化施工及成套设备关键技术

《公路山岭隧道机械化施工及成套设备关键技术研究》通过对多臂凿岩台车(见图6)、初期支护湿喷机械手、自行式移动栈桥、多功能拱架台车、多功能防水作业台车等机械装备优化改进，自主研发了初期支护内轮廓预检台车、二次衬砌养护台车，形成了以智能化、信息化装备为基础的公路山岭隧道成套机械施工及质量检验关键技术；提出了不同地质条件、不同宽度下山岭公路隧道钻爆法施工关键设备的选型及优化配置方法，建立了基于“九台套”的机械化集群配置模型；建立了山岭公路隧道机械化集群配置的各施工作业线技术经济评价指标分级及统计模型，基于技术测定与二次平均的耦合分析方法系统分析了山岭公路隧道钻爆法施工关键设备在不同围岩等级下全工序机械化作业中的工效及其定额水平[2]。

图6 多臂凿岩台车

研究成果在建金高速大青尖隧道和目科里隧道、千黄高速淳安段云头3号隧道、杭州绕城高速西复线杭绍段奇坑隧道(见图7)、杭绍台高速绍兴金华段白尖岭隧道等都得到了良好应用。隧道机械化配置及成套设备的开发与应用，使隧道施工总体工作效率提高35%以上，同时有效降低施工现场的劳动力需求20%以上，中远期的工程成本预期减少20%以上。

图7 奇坑隧道

1.1.6 洞口微开挖及景观技术

《公路隧道微开挖进洞及洞口景观技术研究》通过对省内外公路隧道洞口工程的调查分析，结合省内大量工程实践，开展了洞口微开挖的定量化指标研究，隧道边仰坡坡体结构工程地质及稳定性研究，以及基坑法、倾斜护拱法、先墙后洞进洞法、半明半暗法等微开挖进洞工法的施工力学分析研究；通过对省内外公路隧道各类洞门的景观技术现状调查，结合洞口景观元素对隧道照明节能影响分析研究，编制了《洞口微开挖及洞口景观营造设计施工指南》。

该研究引领了微创开挖进洞趋势，实现了恢复生态、营造自然美观、预防边仰坡地质灾害、缓解视觉疲劳、融合地域文化、降低洞口环境亮度和照明节能的综合效益。其科技成果在杭新景高速公路衢州段、杭金衢高速公路拓宽工程新岭隧道工程中得到了应用。新岭隧道微开挖进洞见图8。

图8 新岭隧道微开挖进洞

1.1.7 水下隧道建设技术

宁波甬江沉管隧道工程作为我国第1座采用沉管法修建在软土地基上的单管双车道水底隧道，长1 019 m，于1995年11月建成通车。甬江隧道见图9。设计建造时国内沉管隧道无先例可循，关键技术全靠自行摸索，在沉管隧道设计、施工、运维方面有着诸多开创性的研究成果[3]，摸索出一套适合软土地基上建造干坞和管段浇筑的方法，所建造的干坞为当时软土地基上建设的最大面积干坞，坞门及其门柱建在承台上，钢筋混凝土门柱为2.4 m×2.4 m，其两侧与永久性钢筋混凝土排桩组成的南护岸相接。首创管段四点吊装钢浮箱、大抓力沉埋锚，研发适应大回淤的高效清淤机，成功实现了清淤、抛石整平、出坞沉放等复杂工艺。针对甬江沉管隧道的沉降监测和大修工程，为优化沉管隧道地基处理方案提供了许多宝贵监测数据[4]。而后，浙江省还修建了常洪隧道、舟山沈家门港人行海底隧道，为后续沉管隧道工程积累了宝贵的经验。

图9 甬江隧道

盾构隧道方面，浙江省有诸多工程建设经验，较为突出的有钱江隧道(直径15.43 m)、望江路隧道、庆春路隧道等，在建的舟山鲁家峙海底公路隧道(省内第1条海底公路盾构隧道)、杭州天目山路隧道(直径13.46 m)，规划中的金塘海底隧道(公、铁分离布置，铁路隧道采用单管直径13.8 m盾构方案，公路隧道采用双管直径15 m盾构方案)。以当时世界上最大直径盾构隧道——钱江隧道(见图10)为例，建设过程中进行了大量的研究[5-9]。科研成果如下： 《钱塘江流域大断面盾构隧道关键性技术研究》《钱江隧道涌潮对越江隧道结构的影响》《钱江隧道火灾排烟及疏散救援技术研究》《大断面公路盾构隧道火灾烟气控制关键技术研究》《钱江隧道盾构段横通道的风险与控制技术研究》等共计11项交通部、浙江省的科研项目成果中，3项达到国际领先水平，8项达到国际先进水平，1项获得中国公路学会一等奖。

图10 钱江隧道

1.2 隧道安全节能运营技术

1.2.1 竖井送排式纵向通风技术

1999年12月26日，甬台温高速公路大溪岭—湖雾岭隧道左右双洞双线正式通车[10]。该隧道作为当时国内已建成通车的最长公路隧道，首次采用竖井送排式纵向通风方式。为了解竖井送排式通风的基本方法和原理，开展了该通风方式关键技术的理论研究和1∶11的通风模型试验(长70 m)研究。模型试验验证了在大溪岭—湖雾岭隧道中采用的竖井送排式组合纵向通风方式，经济效果显著。隧道初期投资比全横向通风方式节省46.7%，比半横向通风方式节省10.5%;营运电费相应分别节省158.0%、62.3%。由于其具有较好的安全性及经济性，在浙江省的一些重要隧道中均进行了推广应用。例如： 台缙高速公路苍岭隧道(2×7.6 km)，诸永高速公路括苍山隧道(2×7.9 km)，杭绍台高速公路大盘山隧道(2×8.6 km)[11](见图11)。此外，省外许多特长隧道，尤其是2007年竣工运营的陕西秦岭终南山隧道(2×18.0 km)，作为当时世界最长双洞单向公路隧道，也采用了竖井送排式纵向通风方式。

图11 大盘山隧道

竖井送排纵向通风技术的应用与推广，促进了纵向通风方式的发展与革新。现有长距离隧道通风技术出现了竖(斜)井纵向通风、多竖井分段纵向通风、竖(斜)井+互补式通风等各种用竖(斜)井辅助通风的形式，通风控制模式的节能、高效、自动化、智能化、精细化是未来追求的目标，降低隧道内通风系统高昂的运营费用是未来研究的热点。

1.2.2 节能通风技术

《特长公路隧道互补式通风系统防灾救援及节能控制技术研究》依托特长隧道——金华山隧道提出了采用互补式通风结合竖井排烟的新型通风模式，为国内首次采用单竖井送排结合互补通风模式，开发了竖井结合互补式通风模式计算程序[12]。

成果应用于金华山特长隧道，节约竖井、地下机房各1处，降低设备功率，节约建设成本约3 500万元；通风能耗费降低30%，运营期间节约成本约120万元/年，按照收费年限25年计算，可节约成本3 000万元。

《公路隧道低碳节能与营运舒适环境研究》通过交通风的无动力通风技术、“天窗开口式”、“烟囱效应”自然通风技术、竖井自然通风结合互补式通风技术、竖井送排结合互补式通风技术、联络风道优化技术等多项节能技术的研究，形成了公路隧道新型通风方式综合节能技术体系。

对于长度为5～7 km的特长隧道，如果其纵坡大致呈单向坡，左、右洞的需风量差异大，可采用互补式通风，并设置仅用于排烟的竖井，以满足《公路隧道通风设计细则》中纵向排烟距离不宜大于5 km的要求，可有效降低通风竖井和设备的规模。大于7 km隧道单向坡仍需继续探索采用竖井送排+互补，并加大推广应用和实践验证。“互补式通风+竖井排烟节能通风”技术目前已在冬奥会配套项目延庆—崇礼高速公路金家庄特长隧道(世界第1长双螺旋隧道)，G4012景宁—文成高速公路叶麻尖特长隧道、临金高速公路金华山隧道等项目中得到成功应用。金华山隧道地下风机房结构见图12。

图12 金华山隧道地下风机房结构图

1.2.3 交通安全运营和防灾救援技术

《高速公路特长隧道及隧道群运营安全及防灾救援技术研究》在对浙江省甬台温高速公路和金丽温高速公路隧道群交通事故调研分析的基础上，对括苍山隧道群(见图13)交通事故风险、机电设备风险、火灾风险和危险品运输风险进行了评估[13]。通过事故后时间因素分析，结合国内外隧道安全管理情况，建立了括苍山隧道群的防灾救援体系；以人员安全疏散的评价标准为依据，对特长隧道疏散人行横通道的合理设置间距进行了分析；编制了诸永高速公路括苍山隧道群各单元发生火灾、交通事故和危险品泄漏的应急预案。

图13 括苍山隧道

《浙江省高速公路隧道事故的调查分析及对策研究》[14]深入开展了驾驶员视觉适应性机制及行车安全研究，提出了采用障碍物视认距离作为隧道入口照明设计的方法，建立了隧道入口障碍物视认距离与障碍物/背景对比度的相关关系，提出了采用贴地照明的改善方法并获得试验验证；提出了高速公路隧道基于视觉适应性的隧道侧墙图案，从而达到缓解压抑、改善驾驶环境的效果；提出满足不同设计车速情况下平面线形一致性的相应指标临界值及一般性计算公式，对现行规范中洞内外3 s行程范围指标提出了实际应用方法。

研究成果能够明显减少交通安全隐患，重大、特大事故的发生率降低20%～30%。

1.2.4 能耗智能监测管控技术

针对高速公路沿线隧道、服务区、收费站等重点用能场所，研究制定了适用于浙江省公路的能源监测体系架构，设计全省高速公路能源监测布局方案，制定了符合全省公路特点的在线能耗监测与管控技术架构。

项目研发了公路能耗在线监测设备装置，并制定适合于交通大规模应用和大数据量的开放式技术标准和协议，为能耗监测的融合提前做准备。根据公路条状和分布式的特点，建立能耗数据集中采集的技术架构，保障多点数据的同步采集，提高实时采集的工作效率和稳定性。依托成果编制了《浙江省高速公路能耗在线监测应用技术指南》。

目前，浙江金丽温高速公路有限公司已经实现了对隧道能耗信息的在线能源监测。建立系统后，该公司不仅在新节能产品评估上得到准确数据，也实现了如EPC模式节能改造的能耗数据自动结算与支付。根据近1年的能耗监测数据显示，金丽温高速(见图14)在隧道节能改造后，隧道照明的节能率达到70%以上，每年节省能耗支出1 200万元左右。

图14 金丽温高速

1.2.5 节能照明技术

浙江省在隧道节能环保方面的探索走在国内前列[15]。在隧道照明方面，率先引入逆光照明技术，提出了隧道照明最佳配光形式，包括宽光带照明对称照明系统和逆光照明不对称照明系统，隧道基本段采用宽光带照明对称照明系统，洞口加强段采用逆光照明不对称照明系统。洞口段逆光照明采用不对称配光，灯具主光强，逆向行车方向(洞口)投光而提高其背景亮度值，从而达到洞口照明节能的目的。在结合国外研究成果的基础上合理设计配光形式，得出的隧道营运照明最佳配光形式为众多隧道照明的合理经济与节能提供了技术支持。

早在国内隧道LED照明应用刚刚起步时，浙江省已开始了相关研究，为延长LED灯具寿命并实现灵活节能，在国内首次研究和提出规定系统型号、技术要求、试验方法、检验规则、标志和储存的节能型公路隧道基于车流量可控照明系统。该系统应用于丽水市冷水隧道(见图15)，在投入使用的2个月时间内，采用的隧道照明节能控制系统和LED隧道灯照明，明显改善了隧道的照明环境和节能效果，同时耗电量显著降低，改造后月耗电量不足改造前的1/5。

图15 冷水隧道

1.2.6 发光照明诱导技术

《公路隧道低碳发光照明诱导技术研究》基于不同出行者的交通特性与视觉需求提出了不同长度公路隧道自发光诱导照明系统设置方法，研发了多种新型隧道诱导照明产品组件以及相应的供电控制系统，提出了隧道分段设计和反光环颜色搭配设计，提出了景观型、普通型、改善型3种方案的各诱导照明设施的具体设置方法。

研究成果已在14座公路隧道进行隧道自发光诱导照明技术的推广应用。驾驶员对隧道自发光诱导照明系统的隧道环境普遍满意，认为可提供其良好的视线诱导。研究成果进一步完善了隧道自发光诱导照明技术，公路隧道低碳发光诱导技术与高压钠灯相比，建设费用可降低约75%，用电量降低约99%；与LED相比，建设费用可降低约72%，用电量降低约98%。

1.3 隧道养护技术

1.3.1 公路隧道结构安全监控技术

《苍岭特长公路隧道施工及运营期结构安全一体化监控技术研究》对依托工程——苍岭特长公路隧道施工期间的岩爆预测、隧道建设时主体结构实际力学行为特征、隧道主体结构长期安全性监测数据采集与传输网络技术及隧道结构长期安全性评价体系等方面进行了深入研究。

针对苍岭特长公路隧道形成了一整套完备的施工与营运期间的监控体系及安全评价系统，研发了具有完全知识产权的实用隧道结构与长期安全性智能评价及预警软件，实现了对长大隧道的监测数据采集、传输及分析的整套新技术，完成了对苍岭隧道运营期间结构安全性状况的预测、诊断，并提出最优化的维修加固措施。苍岭隧道见图16。

图16 苍岭隧道

《公路隧道施工及运营期工程安全风险综合评价和预控体系研究》对当时浙江省运营的24条隧道进行了摸底和分析，调研结果表明结构渗漏水、衬砌结构裂损与腐蚀、衬砌背后松动或空洞以及路面破损等4类病害较为常见。采用德尔菲法调查了浙江省公路隧道病害，统计得出了公路隧道结构病害发生的可能性及危害程度，通过风险评价矩阵评价了由故障树分析法和德尔菲法相结合的方法以及德尔菲法2种分析方式下的病害评价结果。结合浙江省岳山隧道、排山隧道存在不同类型、不同严重程度的结构病害，采用故障树分析法和改良德尔菲法相结合的分析方法进行了风险实证评估，研究结果表明结构渗漏水、裂损腐蚀这2类病害属于严重型病害，应采取措施降低风险或转移风险。

1.3.2 公路隧道风机健康动态检测技术

《公路隧道悬挂风机基础健康性动态检测技术研究》通过研究悬挂风机基础不同健康状态下振动信号的差异性，提出基于振动信号特征提取的隧道悬挂风机基础健康性检测方法，开发了隧道悬挂风机基础健康性检测系统，并在风机预埋基础模拟试验平台和实际运营隧道悬挂风机预埋基础上进行了测试，效果良好。

项目首次提出了基于稳态响应的风机基础健康性检测方法，首次提出了基于冲激响应的风机基础健康性检测方法，采用脉冲激励求取传递函数，根据传递函数幅频和相频特性计算特征频率，建立基于多特征频率融合的预埋基础健康性检测模型，识别预埋基础健康状态。

结合项目研究成果编制了《公路隧道射流风机基础健康性检测技术指南》，为公路隧道射流风机基础健康性检测项目推广提供了技术支撑。

1.3.3 公路隧道病害检测评估技术

研制了隧道全断面图像的隧道病害检测车。检测车自带工控机，负责采集隧道衬砌的全景图像，进一步基于计算机视觉技术对获取的图片处理，自动识别图片中的病害，并评估其病害程度。

利用计算机视觉技术的隧道健康监测相比目前国内传统监测方式，由于成本低、高质量和易于操作，近几年被广泛应用于隧道检测中。

1.3.4 公路隧道机电设施维护技术

《公路隧道机电设施维护规程的研究》在对现有公路隧道机电设施系统和设备调研的基础上，参照同类设施维护的经验，确定设备在运行中须保持的状态、指标参数和环境要求；制定日常维护的技术要求，确定性能测试的实用方法，制定日常维护项目与维护周期；收集系统和设备的常见故障现象，分析产生的原因，确定处理方法；提出科学的维护规程，并进行实测验证，以提高公路隧道机电设施的可靠性、耐用性、安全性及完好率，降低实际的维护成本。依托项目研究成果发布了《上三高速公路隧道机电设施维护规程》，该规程的制定可使相关工作人员在日后公路隧道机电设备维护的过程中，重视日常维护，严格遵守预检制度，定期测试设备特性，更换失效器件，修复已损设备，为全省公路隧道机电设施的状态维护提供经验。

1.3.5 衬砌裂缝控制技术

《新型超高韧性水泥基复合材料在公路隧道中裂缝控制的应用研究》通过优化组分，调整水灰比和减水剂用量，掺入硅灰、偏高岭土、可再分散乳胶粉、触变剂等材料，成功研制出适合泵送喷射的UHTCC配比，获得了喷射UHTCC修复或加固混凝土结构的可行方法；通过对新岭隧道缩尺模型的对比试验，验证了喷射UHTCC薄层可控制隧道二次衬砌结构裂缝及提升承载力的效果。新岭隧道应用现场见图17。

图17 新岭隧道应用现场

研究成果在新岭隧道示范工程中应用，验证了新型超高韧性水泥基复合材料在公路隧道中裂缝控制的有效性，探索出了一种隧道病害处理的快捷、高效、经济的材料和施工工艺，为今后类似工程的设计提供了丰富的经验。

2 浙江省公路隧道科技创新发展短板

浙江省隧道建设规模快速发展，在特殊隧道建设技术、安全节能运营技术和隧道养护技术等方面取得了一系列代表性技术成果，部分成果达到国际先进水平，但已有成果系统性不完善，适用性、针对性及推广应用率有待进一步提高，隧道相关标准规范无法适应建设发展新要求，无法充分发挥科技创新对隧道建设运营全过程的技术支撑作用。通过调研总结，浙江省公路隧道工程领域在隧道钻爆法不良地质处治和机械化施工、TBM/盾构工法应用、信息化与智能化技术应用、预防性养护与装备技术等方面仍存在一些差距。

2.1 钻爆法隧道建设尚存在一些待解决问题

钻爆法隧道建设在不同地区不同项目的地质环境复杂多变，机械化程度差别较大，施工质量参差不齐。NATM工法中借助施工监控量测指导设计施工的效果不理想。钻爆法修建隧道通车几年后常常出现二次衬砌裂缝和渗漏涌水病害，且病害整治效果不佳。钻爆法“九台套”机械化施工应用率仍很低，尚未改变劳动力密集型的传统落后施工现状。亟待加快钻爆法隧道存在的的关键技术问题对策及配套装备的攻关与应用，提升钻爆法隧道工程质量和耐久性，推进隧道建设的机械化和工业化进程。

2.2 TBM/盾构工法成本较高，在公路隧道领域应用占比很小

TBM只在国内极个别特长岩石公路隧道应用，盾构主要用于城市土层公路隧道和跨江海水下公路隧道。未来需在TBM/盾构法公路隧道技术方面加强相关研究和实践，提升工程质量和安全，提高施工效率和降低成本，提高TBM/盾构工法在公路隧道建设中应用率。

2.3 以新一代信息技术赋能勘察设计、施工、营运、管理等环节没有形成系统性解决方案

物联网、大数据、云计算、AI、BIM、VR/AR等新技术在隧道工程中的应用融合还处于初级阶段。隧道设计和施工的标准化、信息化和智能化等方面还有待提升。同时，设计、施工、监理、检测、管理等建设期的数据没有传递与延续至运营期。数据利用效率不高，没有形成高效的数据链路。

隧道设计应根据工程地质及水文地质条件，结合断面(跨度)大小、衬砌类型、隧道长度、工期要求、外部施工条件和环境保护等因素综合研究确定适宜的施工方法，根据施工过程中的超前地质预报和现场揭示地质、监测信息开展信息化设计，同时大力推广隧道施工监测的信息化技术应用。在隧道养护中，信息化管理技术的应用可以实现结构病害检查标准化、数据采集智能化、成果分析高效化，最终提升隧道建、管、养技术水平。

2.4 隧道预防性养护与装备技术有待提升

截至2020年底，浙江省运营公路隧道里程超过1 800 km，已进入建、维并重时期，隧道老龄化问题日渐凸显，隧道运营将面临长期、繁重、艰巨的养护任务。但就目前公路建设的发展来看，普遍存在“重建轻养”及运营期“重土建、轻机电，重硬件、轻软件”等突出问题。应重视隧道检测，加强隧道科学养护和运营管理，延长使用寿命，提高服务水平。

3 浙江省公路隧道工程技术的未来展望

未来的隧道工程将面临空前复杂的地质条件和施工环境，呈现出长距离、大埋深和大断面的发展趋势，修建于高度城镇化地区、复杂地层及深部地层所面临的灾害将愈演愈烈，隧道建设面临着空前严峻的技术挑战。通过回顾省内隧道科技成果，分析省内隧道科技发展的短板，总结浙江省隧道建设、养护、运营中科技创新与应用的新需求，提出隧道工程领域未来科技创新发展要以安全化、智能化、绿色化为重点方向，引领浙江省从“隧道大省”向“隧道强省”发展。

3.1 隧道技术安全化

3.1.1 钻爆法隧道机械化施工技术

“工欲善其事，必先利其器”，通过对隧道施工技术和施工装备的引进、消化、吸收、创新，以及不断实践，研制开发全系列隧道机械化施工技术及装备是今后隧道工程领域发展的重要方向。机械化施工正逐步取代传统、粗放的“人海战术”。“机械化减人，自动化解放人”符合隧道技术进步的前进趋势。

3.1.2 钻爆法岩石隧道新型衬砌结构形式

关于岩石隧道衬砌结构形式，按现行公路隧道设计规范规定均为“锚喷支护为初期支护+防水层+模筑混凝土二次衬砌”，且均为“曲墙+拱形”断面。对非高应力区中—硬岩地质的隧道断面形式和衬砌结构，对于围岩地质良好如Ⅰ—Ⅲ级围岩，如何充分发挥锚杆在地下洞室的作用，采用单一锚喷支护结构降低造价值得研究。随着科学技术的不断发展，因地制宜地采用新型衬砌结构是必要的，在未来的设计和建设中，需要不断地创新优化，提高隧道的安全性和稳定性。

3.1.3 隧道结构耐久性设计技术

针对复杂及深部地层的隧道工程，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，保证隧道安全。

3.1.4 水下隧道建设关键技术

越来越多的河底、江底和海底隧道将投入建设，“遇水隧穿”代替“遇水架桥”将成为可能。其覆盖厚度和路线选址异于山岭隧道，水下隧道设计需更多考虑超高水压条件下结构的防排水和防腐寿命，需研究强渗流和施工扰动双重作用下衬砌结构的动态演化破坏机制，并着重研究地震、火灾等对深水长距离隧道结构设计的影响，突破现有隧道设计理念。

建设方面，水下隧道面临深水不良地质预报和精细化勘察的难题，需突破钻爆法或掘进机穿越浅覆土层、陆域流砂层、海域风化槽等不良地层的施工关键技术。运营方面，应加强对衬砌结构健康监测与运营安全管理的研究，尤其是发生火灾时的预警救援与应急逃生，实现复杂地质条件下高水压、大断面海底隧道施工与运营的安全管理。

3.2 隧道技术智能化

3.2.1 隧道精细化勘察与地质预报技术

隧道勘察将向精细化和智能化方向发展，逐步借助遥感、北斗卫星定位系统等技术，结合多点频物探、高速地质钻机以及水位地质资料信息进行大数据分析，形成天、地、空三位一体化大数据分析平台，提高勘测精度和效率。隧道施工过程超前地质预报，在传统TSP、地质雷达等基础上发展可实现含水构造定位定量预报的复合式激发极化和全空间瞬变电磁技术，汲取地质素描、物探钻探动态信息，进行多元信息的联合反演，实现掌子面前方含水构造的定位预报与水量估算。同时，关注钻孔雷达与跨孔电阻率CT技术，使得预报技术能“深入腹地、精细窥探”。

3.2.2 钻爆法隧道智能化建造技术

在实现隧道施工机械化的基础上，围绕隧道施工作业线，充分总结施工工法与经验，融合机电液光一体化、数字化、智能化等技术，打造钻爆法隧道关键工序智能装备技术体系。通过集成运动和全方位环境感知，3D激光扫描与定位，信号采集、处理与传输及机器人运动与动力学控制等技术为基础，构建支撑技术系统，包括围岩参数识别与处理系统、三维空间定位与量测系统、大数据处理与共享系统、智能控制决策系统等。

3.2.3 隧道智慧防灾和韧性提升技术

隧道及地下工程的灾害预防和治理技术专业性强、涉及面广。在以“预防为主”的指导原则下，研究隧道系统承受自身设施风险(坍塌掉块、风机跌落、路面隆起)、外部环境风险(洞口滑坡崩塌、地震、洪灾)、交通风险(火灾、交通事故)等各类灾害的韧性防灾能力，建立隧道运营韧性评价指标和方法；并从管理和技术2方面入手，针对长大复杂隧道火灾时人员车辆疏散救援和灭火控烟、隧道防洪防淹、危化品防爆、隧道洞门边坡滑塌等突出问题，设置有效的硬件装备、软件平台及应急预案管控措施，发展信息化、智能化防灾手段，提升隧道抗风险的韧性防灾能力。

3.2.4 隧道病害智能诊断与快速修复技术

已投入运营的隧道和地下工程建筑由于外围环境的影响、周边介质的变化和荷载的长期冲击及疲劳，其结构状态和力学性能会发生变化。我国各领域运营隧道已接近50 000 km，进入建维并重时期，隧道老龄化问题日渐凸显，对隧道及地下工程设施进行实时检测的手段和状态评判的体系及标准等方面都需要进行大量的、基础性的研究工作。迫切需要开发全隧技术状态长期监测及长寿命传感器，隧道结构风险快速识别与评估预警，隧道衬砌内部全断面快速扫描与病害识别成像技术，不中断交通的隧道快速修复与自修复材料、技术与装备。

3.3 隧道技术绿色化

3.3.1 钻爆法隧道装配化技术

大力推动隧道装配化，还能够减少施工过程中的扬尘、噪音等对环境的影响，使得工程建设更加的绿色环保。然而，目前公路隧道钻爆法装配式衬砌结构的研究相对滞后，仅有少量仰拱和路缘小型构件采用预制结构的案例，有必要对公路隧道钻爆法装配化技术开展研究。

3.3.2 隧道智慧节能运营和“双碳目标”技术

在分析公路隧道运营期碳排放特点基础上，研究总结实现公路隧道碳达峰目标的关键点和存在的问题，研究公路隧道运营的碳排放及碳减排定量分析方法；结合我国公路隧道运营管理实际情况，从基础指标、能耗指标、交通功能、能效指标、交通安全和经济效益等多维度研究构建公路隧道运营期的能耗监测指标体系；针对公路隧道运营中的通风、照明等高能耗项目，从技术和管理2方面研究隧道运营低碳对策措施(结合光伏、分布式储能系统优势，降低传统能源用量占比)；以数字化为载体构建隧道数字化能耗自动管控措施，形成基于车流量和时间的隧道内部灯光亮度智能调节系统、智能通风排烟系统等。

3.3.3 隧道四新技术应用

1)新技术。利用BIM管理平台，实现图纸上传、模型关联、设计变更等设计工作，最大程度实现工程建设全生命期的数字化管理；融合隧道设计BIM模型数据、AR和VR可视化技术，以基于微观时间间隔和驾驶行为的交通仿真技术为手段，进行隧道运行性能验证的智能仿真技术研究；开展数字孪生核心技术在隧道工程中的应用研发，探索三维引擎、3D建模和实时渲染等呈现方式在隧道工程领域的应用，研究适用于隧道工程建设与运营的虚拟现实三维数字孪生隧道模型。

2)新工艺。水下通道顶推法、悬浮隧道建设工法等，对未来的创新性隧道建设提供了可能。

3)新材料。在继续完善当前技术相关理论与工艺优化的同时，应进一步拓展新材料的应用领域，如新型混凝土、新型防水材料、环保材料、自发光材料等的研发与应用。

4)新设备。新型隧道衬砌台车、衬砌自动养护台车、新型超前预报设备、隧道巡检救援机器人、隧道施工机器人等一系列隧道专业设备的开发与应用，推进隧道施工机械创新发展。

4 结论与展望

从浙江省隧道工程建设的发展历程入手，对近年来浙江省公路隧道工程领域的科技成果进行梳理，分析浙江省公路隧道科技发展的短板，提出浙江省公路隧道工程领域科技创新未来重点发展方向，主要结论如下：

1)通过回顾浙江省近年来公路隧道工程领域的科技成果，从隧道建设、养护、运营各阶段对已有成果获奖情况、工程应用等进行全面分析，总结提炼出浙江省公路隧道领域较为领先、较为显著的重点研究成果，包括特殊隧道建设技术(如软土、陡坡偏压、水下等特殊环境，连拱、单层衬砌等特殊结构)、安全节能运营技术(如竖井送排、节能通风、节能照明等)和隧道养护技术(如土建与机电的在线监控、检测评估及维修等)3方面代表性成果，部分成果达到了国际先进水平。

2)总结出浙江省公路隧道技术在钻爆法机械化信息化水平低、钻爆法施工质量缺陷以致后期出现裂缝漏水病害、TBM/盾构法公路隧道占比低、标准化/信息化/智能化新技术应用少、预防性养护和装备等方面的短板。

3)通过回顾省内外隧道科技成果，分析浙江省隧道科技发展的短板，总结省内公路隧道建设、养护、运营中对科技创新与应用的新需求，对未来浙江省隧道工程技术向安全化(如机械化程度更高、衬砌更安全、寿命更耐久、适应更复杂水下建设环境等)、智能化(如勘察更智能、建造更智能、防灾更智能、养护更智能等)、绿色化(如装配化程度更高、更低碳节能、更多四新技术应用等)3大重点方向发展进行了展望。