0 引言
随着中国高速铁路的崛起，作为支撑高速铁路基础设施的重点学科———高速铁路隧道工程也得到了快速发展，为中国高速铁路的技术进步增添了动力。中国工程院院士王梦恕曾经说过: “正是有了长大隧道、各种复杂地质隧道修建技术的进步，才使高速铁路采用大曲线半径以及高速列车穿山越岭成为可能。”以前修建的普速铁路隧道，一般断面较小，长大隧道少，遇到不良地质时尽量绕避，修建技术相对简单。而高速铁路需要采用直线或大曲线半径，很难绕避不良地质或障碍物，需要采用隧道方案下穿通过，有时“明知山有虎，偏向虎山行”，这给隧道工程建设带来很大的挑战。高速铁路隧道具有断面大、长隧道多、施工风险大和耐久性要求高等特点，往往成为控制全线工期的重、难点工程，所以，高速铁路隧道工程是高速铁路工程建设的重中之重。
1 中国高速铁路隧道发展历程
1． 1 中国高速铁路发展历程
长期以来，中国铁路推行“速度、密度、重量合理匹配”的技术政策，绝大部分铁路实行客货混跑运行模式。从20 世纪90 年代初，中国开始进行高速铁路的相关研究，并把“提高旅客列车速度”上升到铁路发展的战略高度，对高速铁路的设计建造技术、高速列车、运营管理的基础理论和关键技术组织开展了大量的科学研究和技术攻关。以此为基础，中国铁路进行了广州至深圳铁路提速改造，修建了秦皇岛至沈阳客运专线，实施了既有铁路的六次大提速等，为构建中国高速铁路技术标准体系奠定了必要的基础［1］。
2002 年12 月建成的秦皇岛至沈阳客运专线，是中国自主研究、设计、施工的第一条客运专线铁路，目标速度为200 km/h，基础设施预留运行速度为250km/h。自主研制的“中华之星”电动车组在秦沈客运专线创造了当时“中国铁路第一速”— 321． 5 km/h。
2005 年以来，按照国家《中长期铁路网规划》( 2008 年调整，如图1 所示) 和铁路“十一五”、“十二五”规划［2］，以“四纵四横”快速客运网为主骨架的高速铁路建设全面加快推进，建成北京至天津、上海至南京、北京至上海、北京至广州、哈尔滨至大连、郑州至西安等一批设计时速350 km、具有世界先进水平的高速铁路，形成了比较完善的高速铁路技术体系［3］。通过引进消化吸收再创新，系统掌握了时速200 ～ 250 km动车组制造技术，成功搭建了时速350 km 的动车组平台，研制生产了CＲH( China railway high-speed) 380 型新一代高速列车; 正在研发的中国标准动车组列车，运营性能更好，已经成功下线并在大同至西安铁路完成测试，不久也将批量生产。
图1 2020 年中长期铁路网规划(2008 年调整)
中国高速铁路坚持走“自主创新、集成创新和引进消化吸收再创新相结合”的创新之路。经过十多年坚持不懈的努力，中国高速铁路在工务工程、高速列车、牵引供电、通信信号、客运枢纽、运营管理、安全监控和系统集成等技术领域，取得一系列重大成果，形成具有中国特色的高速铁路技术体系，总体技术水平进入世界先进行列。
1． 2 中国高速铁路隧道发展历程
中国高速铁路隧道技术在近十几年得到了快速发展。中国台湾台北至高雄高速铁路，全长345 km，于2007 年1 月5 日正式通车，共有隧道48 座，总延长47km，是中国最早通车的有隧道工程的高速铁路。中国大陆第一条通车运营的有隧道工程的高速铁路是沪汉蓉客运通道中合肥至南京铁路，该项目全长148 km，于2008 年4 月18 日开通运营，仅有2 座隧道，全长2 005 m。截至2015 年底，中国建成通车的高速铁路隧道长度总计约3 200 km，数量超过2 200 座，成为全世界拥有高速铁路隧道最多的国家。中国已投入运营高速铁路隧道通车数量和长度见表1［4］。此外，中国正在建设的高速铁路隧道长度约2 900 km，加上正在设计和规划的高速铁路隧道，高速铁路隧道总长度将超过10 000 km。中国已经成为名副其实的高速铁路大国、隧道大国，并初步形成了一套完整的中国标准的高速铁路隧道技术体系。
表1 中国已投入运营的高速铁路隧道年度统计
2 中国已运营高速铁路隧道概况
截至2015 年底，中国已投入运营或建成的高速铁路有66 条，总长20 987 km。设计速度目标值为300 ～ 350 km/h 的高速铁路有25 条，总长12 828 km;设计速度250 km/h 的高速铁路有32 条，总长7 147km; 其他客运专线或城际铁路有9 条，总长1 012 km。共有高速铁路隧道2 202 座，总长约3 151 km，其中长度大于10 km 的特长隧道29 座，总长约370 km。
2． 1 已运营设计速度300 ～ 350 km/h 高速铁路隧道
截至2015 年底，中国已投入运营的设计速度300 ～ 350 km/h 的高速铁路中，有隧道工程的项目共21 个，共有设计速度为300 km/h 及以上的隧道1 348座，累计长度为1 921 km。隧道分段统计见表2。
表2 设计速度300 ～ 350 km/h 已运营高速铁路隧道分段统计
2． 2 已运营设计速度250 km/h 高速铁路隧道
截至2015 年底，中国己投入运营的设计速度250km/h 的高速铁路隧道共808 座，累计长度为1 151km。隧道分段统计见表3。
2． 3 已运营客运专线和城际铁路隧道
截至2015 年底，中国已投入运营的设计速度200km/h 及以下的客运专线和城际铁路隧道共46 座，累计长度为80 km。隧道分段统计见表4。
表3 设计速度250 km/h 已运营高速铁路隧道分段统计
表4 设计速度200 km/h 及以下已运营客运专线和城际铁路隧道分段统计
3 中国在建高速铁路隧道概况
截至2015 年底，中国正在建设的有隧道工程项目的高速铁路及城际铁路共28 条，总长8 452 km，共有隧道1 331 座，累计长度约2 868 km。设计速度为300 ～ 350 km/h 的高速铁路项目10 条，总长4 360km; 设计速度为250 km/h 的高速铁路项目13 条，总长3 545km; 其他客运专线或城际铁路项目5 条，总长547 km。
3． 1 在建设计速度300 ～ 350 km/h 高速铁路隧道
截至2015 年底，中国正在建设的高速铁路中，共有设计速度300 ～ 350 km/h 的隧道395 座，累计长度为949 km。隧道分段统计见表5。
表5 设计速度300 ～ 350 km/h 在建高速铁路隧道分段统计
3． 2 在建设计速度250 km/h 高速铁路隧道
截至2015 年底，中国正在建设的高速铁路中，共有设计速度250 km/h 的隧道757 座，累计长度为1 596 km。隧道分段统计见表6。
表6 设计速度250 km/h 在建高速铁路隧道分段统计
3． 3 在建客运专线和城际铁路隧道
截至2015 年底，中国正在建设的客运专线和城际铁路中，共有设计速度200 km/h 及以下的隧道180座，累计长度为323 km。隧道分段统计见表7。
表7 设计速度200 km/h 及以下在建客运专线和城际铁路隧道分段统计
4 中国高速铁路隧道的主要特点
4． 1 高速铁路隧道分布区域及地质环境
中国国土面积大，高速铁路隧道在东北、华北、华东、中南、东南沿海、西南和西北地区均有分布，所通过地形及地质情况异常复杂。东北地区气候寒冷，隧道工程要重点考虑防冻害问题; 西北地区黄土分布广泛，要重点解决大断面黄土隧道的施工技术问题; 东南沿海地区地层岩性比较坚硬，需要解决火成岩的不均匀风化技术难题; 中南地区江河较多，经常遇到长距离穿越江河的技术难题; 西南地区隧道岩溶发育，需要攻克岩溶隧道的突泥突水等地质灾害问题。几种复杂围岩条件如图2 所示。
4． 2 高速铁路隧道断面特征
高速铁路隧道的断面特点主要体现在其净空有效面积上，断面大小与相应的移动设备标准、乘车舒适度标准、防灾救援以及经济性有关，各国采用的标准相差比较大。以日本新干线隧道为代表，采用较小隧道断面积方案，通过提高运营车辆的密封性能，达到节约工程投资的目的，其运营速度为270 km/h 的双线隧道断面净空有效面积为64 m2。以韩国高速铁路隧道为代表，通过适当加大隧道断面净空有效面积的方法，缓解高速铁路隧道的空气动力学效应，首尔至釜山高速铁路设计速度为350 km/h，双线隧道断面净空有效面积为107 m2。德国科隆至法兰克福高速铁路设计速度为300 km/h，双线隧道断面净空有效面积为92 m2。中国高速铁路采用相对较大断面积标准的方案，设计速度350 km/h 的双线隧道的断面净空有效面积为100 m2 ( 见图3) ，设计速度250 km/h 的双线隧道的断面净空有效面积为92 m2［5 － 6］。
图2 隧道复杂围岩条件
4． 3 高速铁路隧道施工工法及支护形式由于高速铁路的安全性要求极高，隧道的支护结构必须满足安全可靠和耐久性要求; 所以，中国高速铁路暗挖法施工的隧道均采用复合式衬砌，明挖法施工的隧道采用明洞式钢筋混凝土结构，盾构法施工的隧道采用管片式衬砌。常用隧道衬砌形式如图4 所示。隧道主要施工方法以矿山法为主［7］。复合式衬砌的初期支护承担施工阶段全部荷载和运营阶段的主要荷载，二次衬砌作为安全储备，承担由于初期支护可能劣化而作用于二次衬砌上的荷载或由于软岩蠕变、环境条件变化等引起的附加荷载。
图3 设计速度350 km/h 单洞双线高速铁路隧道进口(断面净空有效面积100 m2 )
图4 高速铁路隧道衬砌形式
4． 4 高速铁路隧道道床结构形式
由于中国是人口大国，高速铁路客流量巨大，列车运行密度大，可用于运营维护的天窗时间非常短; 另外，中国高速铁路隧道数量多、里程长，运营维护工作量也比较大。为尽量减少高速铁路隧道的运营维护工作量，中国高速铁路隧道道床形式采用易于养护的无砟轨道为主［8 － 9］。设计速度目标值为350 km/h 的高速铁路隧道，全部采用无砟轨道; 设计速度目标值为250 km/h 的长度大于1 km 的高速铁路隧道，一般采用无砟轨道; 其他隧道也可采用有砟轨道。有砟轨道和无砟轨道如图5 所示。
图5 铁路隧道道床结构
5 中国高速铁路隧道规划
按照国务院批复的《中长期铁路网规划》，在原“四纵四横”的高速铁路基础上，补充增加标准适宜、发展需要的高速铁路，形成以“八纵八横”主通道为骨架、区域连接线和城际铁路为补充的高速铁路网( 如图6 所示) ，实现省会城市高速铁路通达、区际之间高速铁路相连。其中，高速铁路主通道将达45 000 km，高速铁路连接线约10 000 km，城际铁路达10 000 km以上。根据规划，到2020 年，铁路网规模将达到150 000 km，其中高速铁路达30 000 km 以上。按此规划，展望到2030 年，将继续建设一大批高速铁路和城际铁路隧道，预计总规模在10 000 km 以上。
截至2015 年底，正在开展设计的高速铁路隧道有贵阳至南宁客运专线、太原至焦作城际铁路、银川至西安客运专线、重庆至昆明客运专线、福州至厦门客运专线、赣州至深圳客运专线、佳木斯至牡丹江客运专线、张家界至吉首至怀化铁路、川南城际铁路、崇礼铁路、鲁南高速铁路、长白山至敦化客运专线等。
图6 中长期高速铁路网规划( 2030 年)
6 结语
近10 年，伴随着大规模的高速铁路建设，已积累了大量的高速铁路隧道工程科技成果和实践经验，并形成中国自主的高速铁路隧道标准技术体系，为高速铁路隧道技术水平和建设能力的进一步发展奠定了坚实的基础。
中国高速铁路建设方兴未艾，但也存在许多不足之处，在很多方面还需要进一步完善和提高。今后中国高速铁路隧道的发展重点主要有以下几个方面。
1) 形成更加完善的技术体系。中国高速铁路隧道虽然初步形成了自主的技术体系，但对有些技术标准的研究还不够深入，理论基础还需要加强。未来中国高速铁路隧道应立足国情，自主创新，形成科学的设计标准、施工技术、建设管理和运营维护标准等更加完善的技术体系。
2) 隧道断面尺寸和设计参数的进一步优化。经过十几年的高速铁路快速发展，中国已经成为名副其实的高速铁路大国，中国高速动车组的研发和制造技术已经达到国际领先水平。随着这些移动装备水平的提高，应进一步研究并优化高速铁路隧道的断面净空有效面积和隧道结构的设计参数，在确保安全可靠的前提下，提高中国高速铁路隧道的经济性。
3) 全面实施大型机械化配套施工。由于中国高速铁路隧道建设迅猛，隧道大型机械需求量大，而国内成熟的隧道施工大型专用机械比较少［10］，以至于很多隧道采用人工操作小型机具进行开挖和支护施工作业。随着大型隧道施工机械国产化程度以及中国劳动力成本的不断提高，今后中国高速铁路隧道施工的发展方向应该是采用大型机械化配套作业的模式，形成地质超前预报、施工超前支护、开挖作业、初期支护作业、仰拱施工、防水板铺设、二次衬砌的浇筑和养护作业等多条机械化配套作业线。有条件的隧道建议采用TBM、盾构等大型机械化非钻爆作业方式，从而节约人力资源，更好地保证施工安全和质量。
4) 提高隧道建设信息化管理水平。利用信息化手段对高速铁路隧道建设过程中的勘察、设计、施工和监测等方面的数据进行集中、高效管理［11］，借助于虚拟现实、地理信息空间分析等技术手段为高速铁路隧道的建设、管理、运营和维护等提供信息共享方式，实现对隧道全生命周期的数字化管理是未来高速铁路隧道的发展方向［12］。随着计算机技术、数据库技术、GIS技术、空间信息技术、三维仿真与模拟技术和数控技术等高新技术在铁路隧道研究与应用中的不断深入，以及物联网技术和云计算技术的逐步引入，将隧道的建设和运营全生命周期运用信息化、数字化的手段进行管理是必然发展趋势。
摘自：隧道建设