工程技术难题

地球科学

土木工程,道路与铁道工程

隧道工程；灾变机制；安全控制；性能保持

tunnel engineering; catastrophic mechanism; safety control；properties resistant

青藏高原山川密布，地质复杂，气象多变，严寒缺氧。川藏铁路横穿内外动力耦合作用最活跃、最复杂的青藏高原东部地形急变带，隧道群密集，长大深埋隧道众多，这些隧道面临着大位移活动断层位错、强烈大变形、极强岩爆、高温热害、高水压突水涌泥等重大工程地质灾害，隧道建造安全风险极大。

与此同时，板块构造运动、自然沉积等作用引起超长深埋隧道周边环境具有显著的空间非均匀性和多相性，部分岩体物理力学特征呈现高度各项异性，这些非均匀各向异性自然效应严重影响隧道的长期正常服役。为探明川藏铁路深埋超长隧道工程在四高（高海拔、高水压、高地应力、高地温）和两强（强动力扰动与强卸荷）作用下的灾变机理，构建深埋超长隧道工程的安全建造技术体系，构建超长深埋隧道非均匀各向异性自然效应作用下超长深埋隧道的受荷模式及其结构性能劣化模式，亟需开展大型活动断裂带黏滑及蠕滑作用下隧道灾变机制与减震结构、深部复杂软岩损伤时效演化过程与大变形防治、极高地应力岩体能量赋存规律与岩爆控制、高原岩溶和构造带高压水灾变机理与防控、高地温隧道固液气多相耦合传热机理与热害防治、非均匀各向异性自然效应下超长深埋隧道劣化机理与性能保持技术等方面的研究，以解决青藏高原内外动力与工程扰动叠加条件下超长超深埋隧道的建造安全面临的重大风险难题，进而构建极复杂地质超长深埋隧道灾害风险防控理论与安全建造技术体系，形成超长深埋隧道性能保持技术。

川藏铁路工程区域处于青藏高原印度板块与欧亚板块相互碰撞的接触带北东侧，全线深大断裂发育、新构造运动活跃、地震频繁强烈、高地应力和高地温热害显著。在印度板块向欧亚板块推挤过程中，板块的缩短、增厚、俯冲、滑脱、掀斜、褶皱、错断等造成了青藏高原东部剧烈的内动力作用，活动构造广布，大震频发，岩体结构破碎；同时，河流深切、冰川广布、季风降雨等形成了青藏高原强烈的外动力作用。地球内外动力强烈耦合作用的结果，形成了青藏高原东部地质条件极其复杂、地壳变动极其活跃、地貌过程极其迅速、地质灾害极其频繁的地质环境。在这种复杂的地质构造环境下，川藏铁路区域已成为我国乃至全球地质演化过程最复杂、地形陡度最大、内外动力作用最强烈的区域，给川藏铁路超长深埋隧道工程建造带来了巨大的挑战和工程风险。

在隧道震害方面：地震对穿越活动断层隧道会造成局部边仰坡地面开裂变形、衬砌开裂、错台，局部掉块、垮塌、上部拱圈整体掉落，仰拱隆起、围岩垮塌，危及隧道正常施工与营运安全。在高地应力方面：受到强烈的水平构造挤压导致的极高地应力赋存环境的影响，预测岩爆灾害段总长147km，其中强烈岩爆段长达13.2km，预测大变形灾害段总长169.88km，其中强烈大变形段长达21.7km。同时，该地区的岩爆、大变形灾害还表现出了特殊性，例如，发育于缝合带、深切峡谷浅表生改造带、高地温带的岩爆灾害，以及发育于缝合带、复理石带、断裂剪切带、节理密集带的大变形灾害。

在高地应力作用下，岩爆和大变形都可能造成隧道施工过程中人员伤亡、设备损毁、工期延误。在突水突泥方面：青藏高原多期变化和高寒少雨多雪的气候特征造就了川藏铁路所经区域较为独特的地表大型冰湖、高原型岩溶，全线高压涌水突泥高风险段主要分布在林芝到波密段、昌都到贡觉段、巴塘到理塘段以及康定至泸定段。富水地层所造成的突涌水灾害是我国西部山区隧道工程建设的主要威胁之一，经常造成严重的工期延误、人员伤亡、经济损失和环境破坏，更甚者造成隧道废弃或改线易址。

在高地温方面：全线有50余个对线路影响的高温热泉，约15个隧道可能存在高温热害。地热能量侵入围岩接触带使隧道出现热灾变，造成隧道内环境重构、支护材料性能退化、隧道结构稳定性衰减，耐久性下降等。高地温热害使得人体心率加快、体能下降，同时出汗量剧增导致脱水甚至晕倒，极大降低施工效率，危机施工人员生命安全。同时，川藏铁路超长深埋铁路隧道由于不良围岩荷载、侵蚀环境、结构材料老化等多因素联合影响，其结构长期安全面临着严峻挑战，为保证川藏高原环境下超长深埋隧道的全寿命安全，开展隧道结构性能的劣化机理、衰退演化规律与保持机制等相关研究已迫不容缓。

活动断裂带对隧道的静、动力响应特性影响显著，现有研究在一定程度上揭示了穿越活动断裂带隧道响应机制，但对黏滑动力过程、蠕滑位错时间效应、断层面接触等现象的模拟缺乏充足的理论依据；断层和隧道的互制机制尚不明确，多因素耦合作用下结构破坏和损伤演化机理认识不清，没有发明一种能有效抵抗活动断层大位移错断的隧道结构型式，目前仍缺乏切实有效的穿越活动断裂带隧道安全评价体系和灾害防控方法，传统抗错、抗震和减震措施及其设计标准是否能满足川藏铁路复杂艰险地质环境条件下安全建设和运营要求有待进一步研究。

目前，软岩大变形时效破坏机理及安全防控的研究主要以宏观层面为主，耦合条件下软岩时效损伤细观机理的定量研究相对较少。复杂构造带隧道工程受极高地应力、高地温、高渗透压耦合作用和层面、剪切带切割共同作用的影响，导致其大变形灾变机理及其防治技术极为复杂，需要进一步开展相关研究。现有的大变形隧道控制技术以单一控制技术的特定工程应用为主，尚未形成针对复杂地质构造带隧道工程大变形特征的控制体系和设计理论。基于静、动力学理论的岩爆机制研究已有诸多进展，但考虑实际工程复杂地质环境下岩爆机制的研究较少，如缝合带、强烈卸荷区、深埋区，隧道工程开挖致使围岩处于水-力-热等多场耦合环境之中，岩爆机制更加复杂，仍需对其灾害发生机制及其安全防治技术进行系统研究。

关于高压水赋存规律、灾变机制与防控的研究多集于突涌水灾害致灾构造模式与隧道开挖后的渗流场演变规律，还未对高原冰湖、岩溶和构造带地下水系统结构特征及其赋存规律上进行研究；现有的致灾构造判别理论未能很好的预测和解译高原冰湖、岩溶和构造带等特殊突水致灾构造的赋存属性及孕灾条件，且由于内在结构模式与空间特征的复杂性，致灾构造内部胶结充填状况和导水性的探测也十分困难。

关于复杂构造地热赋存与温度场分布的研究多针对某固定平面进行二维的温度场分析，未能有效考虑热能在地质构造体中的流动及热场的时空效应，特别对于岩体内富存高压高温热水条件下，对岩体扰动后隧道温度场的重构机理研究有待展开；高温环境下隧道结构的研究多集中于宏观且单一的材料力学性能上，在高地温条件下界面力学变化特性及微观颗粒的搭接效应变化规律有待深入。关于高地温支护结构特性的研究以现场实测和数值模拟为主，分析较为宏观，在综合考虑高地温对结构性能劣化方面的影响有待深入；目前对于高地温隧道环境的防治技术多处于被动状态，在热环境控制与人体生理机能衰减的关联性研究有待深入，川藏铁路高地温结合高原缺氧的隧道热害防控技术尚待展开。

当前，隧道结构耐久性研究主要集中在侵蚀环境（氯离子扩散、硫酸盐侵蚀、碳化等）、地层复杂自重应力场及构造应力场等因素单独作用下，支护材料与结构性能的衰退演化规律及破坏机制研究。针对多因素耦合作用下，隧道结构的劣化机理、力学性能退化规律和评价方法的研究还相对较少。由于超长深埋隧道受周围不均匀和各向异性地层环境的影响，结合岩体性质的复杂性，开展隧道结构劣化机理和性能保持技术研究非常必要。

高原极复杂地质超长深埋隧道安全建造与性能保持技术研究涉及隧道工程、构造地质学、工程地质学、水文地质学、岩体力学、弹塑性力学、地下水动力学、水文水资源学、工程热力学、传热学、化学、通风与空调、地震工程学、结构动力学、防灾减灾工程学等众多学科，是一项综合性强，基础理论复杂、实用技术密集的研究项目。开展相关研究，可促进地球科学、工程与材料科学、信息科学、数理学科等的深度交叉融合，突破若干前沿交叉问题。

通过研究，以期探明青藏高原内外动力与工程扰动叠加条件下超长深埋隧道的物理力学时空演化和工程灾变机制及其隧道结构性能劣化机理，从而构建强构造活动区隧道工程安全风险防控与结构性能保持的理论与技术体系。川藏铁路隧道密集，隧线比高达82%，是世界上地质条件最复杂、建设难度最大的铁路工程。

川藏铁路841km 隧道中，采用钻爆法施工比例近90%，开发高原极复杂地质超长深埋隧道安全建造与性能保持技术有助于降低隧道建造风险，保障其安全施工与长期营运安全，其社会环境经济效益巨大。川藏铁路是连接西藏与内地、支撑西藏社会经济发展、保障国防安全的国家重大建设工程，是实现两个百年目标和民族振兴的标志性基建工程，政治、经济和战略意义重大。同时，高原极复杂地质超长深埋隧道安全建造与结构性能保持科学技术相关问题的解决，对于加快西藏和进藏地区的交通基础设施建设，构建西藏地区完善的铁路、公路网，维护国家统一、巩固国防安全、促进民族团结、提升藏区开放水平、推进藏区长足发展和长治久安具有重大的意义。

詹天佑科学技术发展基金会

杜彦良、李国良、贾利民

该难题以期构建强构造活动区隧道工程安全风险防控与结构性能保持的理论与技术体系，川藏铁路隧道密集，该问题的解决，对构建西藏地区完善的铁路、公路网，推进藏区长足发展和长治久安具有重大的意义。