1 引言
40余年来，我国隧道建造经历了从无到有，再到近年来的飞速发展，取得了举世瞩目的成就。如今，我国已成为世界上隧道及地下工程规模最大、数量最多的国家，是当之无愧的隧道大国。据统计，截至2022年底，我国已投入运营的铁路隧道共有17873座，总里程约为21978km [1] ；截至2021年底，已建成的公路隧道共有23268座，总里程约为24699km [2] 。随着国家西部大开发、交通强国战略和一带一路倡议的持续推进，越来越多的西部山区铁路建设不断开启。由于西部山区典型的大高差地形，铁路建设不可避免采用桥隧相连的方式行进在高山峡谷之间。随着山区铁路建设的进行，隧道建设朝着“高、深、大、长”的方向发展则是必然趋势。近年来，随着隧道施工装备的发展，越来越多的山岭隧道采用TBM法建造。与传统钻爆法施工相比，TBM法具有掘进速度快、安全性能高、劳动强度低、环境污染小的优点，但是同样也存在地质适应性差、工程事故多发等问题 [3] 。因钻爆法对复杂地质环境的适应性更强，仍然是目前山岭隧道建造所采用的最普遍的方法。
跟TBM/盾构法相比，钻爆法施工集成度低、工序转换复杂，使施工工作量繁杂、施工效率低下且作业人员较多。此外，爆破作业会产生大量粉尘使掌子面作业环境恶劣。在当前“双碳战略”的大背景以及人口困境下，钻爆法施工向着机械化智能化方向发展是必然趋势。近年来，随着机械配套的进步和工艺的改进，钻爆法施工的机械化程度越来越高。然而，截至目前，其数字化程度仍然较低，掌子面施工环境的保障仍是一个难以解决的问题。
本文从施工技术和施工环境保障方面，对中国钻爆法山岭隧道修建技术发展历程进行详述，总结了中国钻爆法山岭隧道修建技术发展现状，并针对目前存在的技术瓶颈和行业痛点，对钻爆法山岭隧道修建技术发展方向和前景进行了展望，以期为未来“高、深、大、长”的山岭隧道的修建提供参考。
2 钻爆法山岭隧道修建技术发展历程
2.1 开挖技术
2.1.1开挖方式
早在公元前2000多年，人类就开始使用原始工具如镐、铲和凿子，通过手工挖掘建造隧道。采用明挖法建造的古巴比伦城幼发拉底河下修筑的人行隧道，开创了隧道建设的先河。自黑火药于12世纪传入西亚和欧洲后，人类开始尝试利用爆炸产生的能量代替机械工具以及火烧的方式进行岩石的开挖。这种方法最早是在1627年被应用到采矿当中。在当时匈牙利（现为斯洛伐克）的班斯卡·什佳夫尼察镇首次使用火药进行矿山的开挖。这项技术在隧道及采矿工程的发展史上具有里程碑的意义，因而迅速传遍了欧洲和美洲。
虽然隧道工程早已有之，但是真正意义上的现代隧道开挖技术是在19世纪蒸汽机车和铁路诞生后才出现的。1826年，英国利物浦至曼彻斯特的铁路，可以说是铁路隧道建设的开端。自其沿线上的泰勒山单线隧道（770m）和维多利亚双线隧道（2474m）修建以来，英、美、法等国掀起了铁路隧道修建的浪潮。这其中最长的铁路隧道，当属瑞士的圣哥达铁路隧道（14998m）。在这之后，火药和钻眼工具取得了显著的进步。1861年，风动凿岩机代替人工凿孔，被首次应用到隧道施工中，成功建成了穿越阿尔卑斯山脉的仙尼斯峰铁路隧道。1867年，美国胡萨克铁路隧道的建设中，首次将硝化甘油炸药用于隧道爆破。并且，该隧道在进行爆破作业时，起爆方式也采用了电力起爆的方式。硝化甘油炸药和电力起爆技术的应用，进一步推动了隧道施工技术的发展，并被视为现代岩石隧道开挖技术的起源。1898年，TNT炸药和凿岩机首次被应用于隧道的爆破作业，成功建成穿越阿尔卑斯山的辛普郎隧道，标志着隧道爆破技术取得了又一次突破。
到了19世纪60年代，随着技术的进步，隧道钻爆法施工逐步向着机械化作业的方向发展。自20世纪70年代起，各国均开始了对液压凿岩机的研制。其中，比较著名的有美国的IngersollRand公司和GardnerDenver公司，瑞典的AtlasCopco公司和LindenAlimak公司，芬兰的Tamrock公司，法国的Eimco-Secoma公司，德国的Krupp公司和日本的古河(FURUKAWA)公司等。随着凿岩台车技术的进步，用凿岩台车进行隧道开挖的钻孔作业逐渐普及，成为钻爆法隧道施工中比较常用方法。这也标志着钻爆法隧道建设进入机械化时代。
我国现代隧道建设起步较晚，第一座铁路隧道是始建于1888年的基隆至台北的狮球岭隧道，全长261ｍ，于1890年建成。然而，1900年之前，我国铁路隧道都是由外国人主持修建，直到1908年，我国自行修建的第一座越岭铁路隧道八达岭隧道开通。
20世纪60年代，钻爆法开始在我国的隧道工程中应用并推广。凿岩技术经历了从早期的人工手把钎、锤击凿孔，到用凿岩台车或多臂钻车钻孔的发展。爆破作业技术也从最初的用火雷管逐个引爆单个药包，发展到毫秒爆破、预裂爆破及光面爆破等技术。在施工技术发展的同时，机械化配套的进步也在同步进行，隧道钻爆机械化施工和隧道衬砌作业机械化也在这一时期在国内得到应用。
2.1.2开挖断面
隧道的开挖方法分为全断面法、台阶法、CD法等 [4] 。自19世纪末到20世纪初，当时由于各国机械制造和技术水平的限制，隧道开挖绝大部分采用导坑先进、分部开挖、逐步扩大的方法，例如上导坑，下导坑，中央导坑，侧导坑，上下导坑法等。
近年来，随着钻孔机具、装碴机械、段发毫秒雷管、钢拱支撑、锚杆和喷混凝土支护的出现，为逐步向少分部的大断面或不分部的全断面开挖法过渡提供了条件。国外新建的铁路隧道中，这种趋势比较明显。如日本新建的铁路复线隧道，断面较大，地质复杂，由于普遍使用了钢拱支撑，也采用了大断面或全断面开挖。并把底设导坑先进上部半断面施工法作为其标准方法，其特点是先进导坑、钢拱支撑、先拱后墙、同时掘进。这是以不良地质为对象的施工方法，比较安全可靠，同时也易于变换其他方法而不致影响原来的施工部署。在东海道新干线和山阳新干线建设中，其复线断面隧道采用底设导坑先进上部半断面法和上部半断面的正台阶法施工的分别占80%和90%。
2.2 支护技术
早期的隧道支护方式都是以木支撑为主。随着建筑材料的发展，到了19世纪后期，钢筋、混凝土等建筑材料陆续出现并开始运用到隧道的建设中。这时，隧道的结构不再是临时的支撑，而开始具备了整体性。喷射混凝土技术的应用，使得隧道初期支护的效率大幅提升。其实，早在1914年，喷射混凝土就已经在Denver煤矿得到应用。但是早期的喷射混凝土材料主要以砂浆为主，并且还大量添加具有侵蚀性的速凝剂。这使得早期的喷射混凝土强度低，难以起到有效的支护作用，还会使施工作业环境恶化。并且，在这一时期，喷射混凝土的支护作用也并不受重视，更多是作为防止围岩风化的一种封闭措施。直到20世纪中叶，喷射混凝土的作用才开始受到广泛的重视。这得益于奥地利建造的一系列开创性工程。同一时期，锚杆也开始在水电站有压输水隧洞中成功应用，随后和喷射混凝土组成了喷-锚初期支护结构，并在隧道中得到更加广泛的应用。于20世纪60年代，喷-锚支护体系正式被命名为“新奥法”。其主要原理是用薄层的支护结构控制围岩变形，保持围岩整体的强度，从而发挥围岩的自身承载能力 [5,6] 。其基本组成要素包括：喷射混凝土、锚杆和监控量测。在施工过程中，需要通过监控量测，实时监测围岩的收敛变形量，来指导隧道工程设计与施工。
在20世纪80年代以前，我国还没有引入新奥法，这一时期的隧道的支护结构还是以传统矿山法的整体式衬砌为主，即在隧道开挖后立即采用木支撑、喷混凝土锚杆支护等方式进行支护。而开挖方法则是以先拱后墙的台阶法为主。此时的衬砌普遍具有厚度较大、以素混凝土为主、防排水措施简单的特点。到了20世纪90年代，“新奥法”设计理念开始在铁路隧道修建中逐步得到应用和推广。锚-网-喷初期支护结构、复合式衬砌等开始在隧道建设中应用。在21世纪初期，已经形成了以“新奥法”理论为基础的复合式衬砌结构体系，并在大量工程实践中持续完善。
2.3 修造理论
整个20世纪，隧道修造理论和技术飞速发展。30年代，苏联采矿学家普罗托季亚科诺夫提出了普氏地层压力理论 [7,8] 。这是一种以均质松散体为基础的地层压力计算方法，如图1所示。由于需要假定“隧道顶部的围岩变形是局限于一定范围的”，该方法存在较大的局限 [9] 。通常只适用于松散岩体，对于整体性好、强度高的岩体，则无法应用该理论计算地层压力。尽管存在诸多局限，但由于其计算简便，仍然得到了广泛的应用。
图1普氏拱理论示意
同样是基于上述观点，奥地利土力学家Terzaghi也提出了一种地层压力计算的方法。一系列的地层压力计算方法也导致这一时期的隧道设计始终把围岩看成是必然要松弛塌落而成为作用于支护结构上的荷载，从而导致围岩自身的承载能力被忽视。20世纪60年代，新奥法则创造性地提出“充分发挥围岩的自承能力”的观点，采用喷锚支护为主要手段，形成了“少扰动、早支护、勤量测、紧封闭”的基本原则 [5,6] 。但是，根据新奥法原理，在围岩自承能力较差时，需要通过初期支护快速提供支护反力以控制围岩变形。然而在实际工程中，受限于材料和支护技术，软弱围岩段的临时支护和初期支护都较为薄弱，难以提供足够的支护反力。
到了20世纪70年代，意大利学者在压力拱理论和新奥法施工理论的基础上，又提出了一种新的施工方法——新意法。新意法又被称为岩土控制变形分析法，是一种隧道动态设计和施工指导原则。其核心是根据掌子面超前核心土的稳定性，设计相应的围岩变形控制措施 [10～12] 。在施工过程中，需要通过监控量测实时反馈，并优化设计方案，提高围岩稳定性，进而实现全断面的机械化开挖 [10～12] 。20世纪80年代，挪威的工程师根据本国隧道修建的大量工程实践，总结出挪威法。挪威法的关键在于围岩的分级，主要还是依托工程经验，采用定性的分级方 法，即经验性Q系统 [13～15] 。Q系统以钻孔取芯率 RQD 值为基础，同时引入5个岩体参数定量计算得到岩石质量等级Q [16,17] 。这种分级方式综合考虑了岩体结构的完整性、结构面特性、填充物性质以及主动应力条件等因素 [16,17] 。
自20世纪90年代引进新奥法以来，该方法已逐步成为我国铁路隧道建设应用最为广泛的方法。然而，新奥法原理的围岩特征曲线（图2）难以在实际工程中获取，通常用于定性分析，因此并不能定量指导支护参数的设计 [18] 。因此，早期的隧道设计，主要是基于普氏地层压力理论，普遍采用“荷载?结构”的计算模式。
图2围岩特征曲线
经过多年在工程实践中的改进和完善，目前已逐步建立了一套较为完善的钻爆法支护体系。其核心思想是以围岩变形主动控制为目标，充分发挥锚杆、初期支护混凝土的径向约束作用，从而实现围岩变形动态主动干预以及围岩与结构的协同作用 [19,20] ，如图3所示。
图3隧道纵向施工变形控制示意 [21]
3 钻爆法山岭隧道修建技术现状及困境
3.1 施工技术
3.1.1发展现状
（1）修造理论
隧道工程理论从普氏“塌落拱理论”到现在普遍采用的新奥法原理，始终没有摆脱地面结构的“荷载-结构”方法，而地下工程的荷载确定具有很大的不确定性，而对于隧道施工应力场的变化也是非常不清晰。
在变形控制方面，对于高地应力岩土体中修建隧道，受高地应力的影响，变形速率高、变形量大，支护开裂、侵限等现象普遍存在，不仅大幅降低施工工效，且危及支护结构安全。如奥地利的Tauren-I隧道 [22] 、日本的Enasan-II隧道 [23] 和国内的兰渝铁路木寨岭隧道 [24] 。其中，兰渝铁路木寨岭隧道在部分段落初期支护钢拱架达到了3层，大变形问题仍然突出，初期支护换拱率高达25% [25] 。这表明以“拱架+喷射混凝土”为主体的支护体系对高地应力隧道的变形控制效果不佳。因为这类支护（包括普通型锚杆）是在围岩发生变形后，与围岩协同变形才发挥作用，所以一般称这类支护为“被动支护”，其理念是被动抵抗围岩变形，他不能协调围岩变形，因此主体是“抗变”。这种采用厚层喷射混凝土、小间距大型号钢拱架的强被动支护体系，不仅忽视了对围岩的早期干预，未能抑制围岩初期变形的发展，更是抑制了岩体形变能的释放，反而可能诱发更大的围岩压力，使结构承受更大的荷载 [26] 。即使是“让抗结合”的支护方式，也不能主动调控围岩应力场的变化。
（2）机械化配套
钻爆法施工虽然地质适应力极强，但却存在诸多缺陷。其中最主要的问题就是对作业人员人数要求较高，每道工序的作业人数通常都在10人以上，有时甚至会出现22人同时作业的情况。并且，掌子面的钻爆作业是一项最危险的施工作业，极易出现安全事故，导致人员伤亡。在这种情况下，钻爆法施工不仅劳动强度大，还将随时面临各种风险。随着时代的进步和经济的发展，年轻一代中愿意从事艰苦的人工钻爆开挖工作的人逐年减少，导致人工作业的成本逐年攀升。在这样的大环境下，各国都将机械化作业作为钻爆法施工发展的方向，可以概括为凿岩作业台车化、装岩机械大型化、运输车辆大型化以及联合机组化。
自19世纪60年代新奥法问世以来，历经数十年的发展，钻爆法施工的各项工序已基本实现了机械化，如图4所示。当前，隧道钻爆法施工中，拱架的安装、喷射混凝土的施作、防水板的铺设、衬砌的施工等工序均有相应的机械化配套[27]。甚至出现了全断面封闭温控养护台车、智能二次衬砌台车、自行式液压仰拱栈桥等[27]。
图4钻爆法施工机械化示意
3.1.2面临的困境
（1）适应性难题
虽然隧道钻爆法施工已经基本实现了全工序的机械化，但是钻孔、装药爆破、立拱架在很多工况下仍然依赖人工作业 [28] 。掌子面的开挖方式受地质条件的限制，在围岩地质条件较好的地段，可以采用全断面或微台阶法进行开挖，在这种工况下，炮眼可以采用凿岩台车来钻孔，拱架也可以采用拱架安装机来安装。但是，在围岩地质条件较差的地段，比如软弱围岩或围岩较破碎的地层，由于围岩稳定性较差，不得不采用分部开挖的方式 [29] 。在这种情况下，由于距离太长，很难使用凿岩台车进行钻孔，如图5所示。并且，在台阶法施工时，拱架安装机也无法到达掌子面位置，拱架的安装只能采用人工安装。
图5钻爆法掌子面施工图
（2）特殊环境下的设备降效问题
随着国家西部大开发战略的持续推进，铁路建设不断向西部高原山区延伸。在高原环境下，机械装备受到低气压、低温、低氧含量等环境因素的影响，出现零部件工作性能劣化、工作寿命缩短等问题，从而导致机械降效，甚至装备故障率升高、维保负担加大 [30] ，具体见表1。
表1高海拔地区机械设备降效程度 [31]
（3）工序转换效率问题
对于采用大机配套施工的钻爆法隧道，在钻孔装药环节，凿岩台车进场钻孔，完成后退场。爆破后装载机和运输车辆进场，进入出渣环节。出渣完成后分别进行拱架的安装、初喷混凝土、锚杆的安装以及复喷混凝土。在这个过程中喷浆机械手需要进场两次。由此可知，钻爆法隧道施工工序繁杂，如果采用机械化施工，不可避免会出现因工序的转换机械设备频繁进场和退场。因此，工序的转换需要耗费大量的时间，从而导致钻爆法的施工效率不如集成度更高的TBM和盾构隧道。并且，对于长大隧道，通常是多掌子面同时作业，设备、人员和物料的管理也需要耗费大量的人力。
3.2 施工环境保障
3.2.1发展现状
隧道开挖过程中，经常出现有毒有害气体如：甲烷、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、氮气和数量不等的烃以及微量的稀有气体等。如果控制不当，极易引发重大安全事故 [32～34] 。除了开挖时地层排放的各类气体之外，隧道开挖与施工过程由于爆破开挖、喷射混凝土施工及装渣无轨运输车辆废气排放，洞内会产生大量的粉尘和有害气体，加剧隧道中的污染。因此，在隧道的掘进施工过程中，必须对隧道通风送入新鲜空气，从而稀释和排出爆破烟、粉尘和有毒有害气体，保持良好的工作条件，为洞内作业人员、机械设备提供必要的氧气。
国外早在1919年就开始针对汽车CO排放量和人体对CO浓度的容许值进行了研究，并以此作为隧道通风计算的依据。1985年日本的关越隧道一线首次将纵向式通风应用于10km以上公路隧道。我国在通风的研究方面起步较晚，但是通过借鉴国外隧道的成功经验并引进先进的通风技术，历经30余年的发展，目前也形成了成熟的通风设计方案。国内在隧道通风方式的选择上，主要是根据隧道长度、断面大小、施工方法和现场施工条件等因素。通风方式主要可以划分为自然通风和机械通风两大类，其中又包括7种通风方式：纵向自然通风、竖向自然通风、压入式通风、抽出式通风、混合式通风、巷道式通风和风墙式通风 [35] 。
3.2.2面临困境
（1）高海拔长大隧道通风难题
随着隧道建造技术的发展和山区铁路建设的进行，隧道建设朝着“高、深、大、长”的方向发展。截至目前，超过10km的特长隧道已经超过100座，超过20km的隧道也有12座 [1] 。隧道的距离越长洞内的机械设备就越多，传统的采用内燃机动力的机车，在行进过程中会产生大量有害气体，在低压环境中燃料燃烧不充分时，这种现象尤其严重[36]。会使超长距离的隧道本就十分困难的通风雪上加霜。根据国内以往铁路隧道施工经验，中低海拔地区（海拔高度低于1500m）钻爆法隧道无轨运输条件下采用独头压入式通风时送风距离不超过6.5km，对于高海拔（1500 ～ 3500m）地区，独头压入式通风时送风距离不超过3.5km，显然无法满足高海拔长大隧道的通风需求 [37] 。
（2）掌子面粉尘控制难题
钻爆法隧道在施工期间，钻孔、爆破、喷射混凝土、出渣等工序都会产生大量粉尘颗粒物，严重危害现场人员的身体健康，降低施工现场的能见度，影响施工的效率和安全。同时，大量的颗粒物会加剧机械设备的磨损，在一定程度上，会影响设备的使用寿命。现有的隧道除尘技术和设备虽然在一定程度上能够降低粉尘浓度，但是效果仍然不够理想。
（3）通风供氧控制问题
在对高海拔隧道施工进行供氧时，供氧量的确定大都由经验公式确定，然而在隧道施工不同工序不同机械设备工作甚至不同作业人员数量时，对供氧量的需求都不相同，一味按照公式计算出的供氧量进行供氧可能会造成供氧过多或者过少的问题，供氧过少不仅会导致隧道施工机械设备燃烧不充分从而产生大量CO、NO等有毒气体，也会威胁到作业人员的生命安全，而供氧过多导致隧道作业区域氧含量过高不仅会造成不必要的浪费，同时过高的氧含量也可能导致作业人员出现氧中毒。与此同时，在隧道实际建设过程中，不同的施工工序对风量的需求是有所不同的，爆破施工后排除炮烟中的污染物气体时需要比较大的风量，而在排除喷浆过程中产生持续性粉尘时就不宜采用大风量，尤其是对于高海拔隧道还需要进行施工供氧，但是过大的风量会加速稀释作业环境中的氧浓度。因此，若高海拔隧道施工通风过程中一味采用设计时的额定风量，不仅会造成不必要的浪费，也不利于部分污染物的扩散和供氧系统的供氧效果 [37,38] 。
4 钻爆法山岭隧道修建技术发展方向和前景
4.1修造理论及技术的革新
4.1.1支护理念的转变
（1）主动控制围岩变形的主动支护理念
随着大量高原隧道的开建，由于大埋深、高地应力是这类隧道的普遍特点，目前已经出现超过60MPa的极高地应力，隧道建设必然面临严重的深部岩石力学问题，因此对支护结构的要求远高于普通隧道 [39,40] 。而目前在隧道的建设中，长期以来浅部隧道的建设形成了被动、滞后、浅层的支护理念，忽视了对围岩的早期干预，使之难以承受过高的地应力。因此，近年来，对于深部隧道，特别是软弱围岩隧道，变形问题愈发突出，具体表现为围岩及支护结构变形速率高、变形总量大，初期支护和二次衬砌开裂现象较为普遍，甚至导致支护构件拆换现象频繁发生，不仅大幅降低施工工效，更是严重威胁支护结构的安全 [41] 。
以往被动且滞后的建造理念显然已经不能满足深部高能隧道的建造需求。因此，隧道的修造理念亟需向“主动控制围岩变形”的方向转变。以预应力锚杆（索）和高性能的喷射混凝土为主要支护手段，在核心扰动区主动重构围岩刚度，诱导应力调整的隧道施工场变控制是主动支护理念的核心，也是未来隧道修造技术发展的方向 [42～46] 。
（2）开挖方式的标准化
经过几十年的发展，隧道钻爆法施工技术已日益成熟，但其工序繁杂、劳动密集的问题始终未从根本上得到解决。在我国“双碳战略”和“人口困境”双加持下，隧道钻爆技术向少人化、数字化、智能化方向转型是必然趋势。随着近年来隧道的开挖直径不断加大，在复杂地质条件下，钻爆法隧道开挖不可避免采用分部开挖的方式，开挖方式的多样化导致其难以适应机械化施工 [47] 。因此，研究多种围岩条件下掌子面机械化开挖标准化的施工工艺及工法，解决钻爆法隧道开挖方法通用性的问题是当前亟需解决的问题 [48～50] 。
4.1.2控制标准的转变
隧道施工持续扰动围岩赋存状态，其时空效应极其复杂，仅仅通过围岩开挖面的变形量不足以准确反映围岩应力的演化和损伤的发展。而目前在动态设计中，通常都是采用收敛变形这一单一的控制标准。这显然无法保障深部高地应力隧道的安全，从而在此类隧道中频繁出现支护结构的破坏。因此，在围岩稳定性控制中，不应采用变形控制这样单一指标，而是应该更加关注围岩的损伤和力学性能的演化。研究新的围岩物性快速检测技术及设备，建立基于围岩物性的控制标准，构建隧道施工场变量化分析系统（图6），将有利于提高隧道施工过程围岩稳定控制的精准性和效率。
图6隧道施工场变量化分析系统
4.2 装备的升级
4.2.1钻孔装药装备的改进
目前，钻爆法施工的各项工序已基本实现机械化，但是装药和爆破环节仍然采取人工作业。如果这一工序也能采用机械化作业的方式进行，再加上对开挖方式的适应性改良，则钻爆法施工将可以全机械化施工，从而在减小劳动强度的同时使施工效率大幅提升。目前，澳大利亚Orica和Epiroc公司联合研发了全球首个用于硬岩钻爆法施工的无线式自主化炸药装填系统“Avatel” [51] 。该系统将在自动或半自动模式下运行，可在准确的时间点内将定量炸药安全地装填至隧道钻孔内并进行引爆，改善现有钻爆法的安全性与效率。国内在装备研发方面可以借鉴。
4.2.2装备的信息化
目前国内钻爆法隧道施工工序可分为钻爆、挖装、运卸、初期支护、喷锚、仰拱和二次衬砌。其中钻爆、挖装、运卸、喷锚工序以通用型设备应用较多，基本已经可实现单机操作数控化、自动化，在提高工效与质量、减少人员配置、降低材料消耗等方面效果显著，同时为多机信息互联协作提供了设备支撑条件。初期支护、仰拱和二次衬砌施工以定制的专用型设 备 应用较多，目前仍处于机械化向自动化、信息化探索研发之中。二次衬砌施工质量对隧道结构的耐久性有直接影响。拱墙衬砌台车、防水板铺设台车和衬砌养护台车是二次衬砌施工的主要装备，快速提升其自动化、信息化水平，对于提升隧道衬砌建设品质，减少运营期运维成本具有重要意义。
4.2.3提升对高原环境的适应性
在钻爆法施工机械配套方面，常规环境下隧道钻爆法施工机械化配套研究及应用已经成熟，而针对高原高海拔、低氧环境下的机械化配套施工尚存在一些问题，比如凿岩台车、铣挖装备、支护装备等开挖与支护设备的性能提升及适应性改造等。因此，结合国内在建的类似环境隧道工程，研发适用于高原铁路隧道的机械化装备，进行隧道钻爆法机械化配套方案研究及施工工艺工法试验，对于指导复杂地质条件及高海拔低氧环境的钻爆法隧道高效、高质量、高水平修建均具有重要意义。
4.3 施工环境保障
4.3.1智能通风系统的应用
在复杂的施工环境下，准确的需风量计算对现场人员的专业水平要求较高，且工作量较大。低压、稀氧与高寒的施工环境致使隧道工作面面临缺氧、粉尘与有害气体释放偏离常规机理以及洞内沿程温度波动大等通风与安全问题，常规通风已无法解决高原高寒隧道特有的技术瓶颈。在这种情况下，亟需一种能够根据施工作业环境特征智能控制和调节通风量和供氧量的控制系统（图7），当作业环境中的污染物浓度很高时，够自动控制风机增加供风量从而加快污染物气体的扩散；当作业环境污染物浓度很低时，控制风机维持隧道要求的基础的风量即可，从而避免稀释作业环境中的氧气浓度。通过自动计算隧道的需风量并将作业环境氧气浓度维持在人体舒适的氧浓度标准，从而能够达到高效节能的目的。
图7隧道智能通风及供氧系统组成示意
隧道通风系统是典型的分布式参数系统和大滞后系统，具有很强的非线形特征，如果用传统的线性控制理论，获得便于设计、控制的数学模型，势必在模型简化过程中引入很大的误差 [52] 。对于高海拔长 大隧道，首先要充分掌握隧道施工工程有害气体及粉尘的运移规律及致灾机理，并在此基础上建立有害气体及粉尘风险评价指标体系，通过物联网监测设备终端实时采集传送BIM综合管控平台，并基于数字孪生等技术建立虚拟-现实实时映射场景，实现隧道内部环境智能监测与控制，如图8所示。
图8高海拔隧道施工通风智能控制技术
4.3.2智能通风系统的应用
（1）抑尘设备参数的改进
隧道爆破、出渣和喷浆都会产生大量粉尘，单纯依靠通风来改善掌子面恶劣的施工环境并不现实，而现有的隧道除尘技术和设备效果并不理想，尤其是在高海拔隧道中。高海拔隧道掘进面粉尘由掌子面喷出后，相比于平原隧道粉尘沉降速度更快，粉尘运移距离更短，沉降位置距离掌子面更近，如图9所示。由于钻爆法施工的爆破作业易损坏设备，抑尘设备无法距离掌子面过近。因此，新型抑尘技术的研发，需要在充分掌握钻爆法施工作业粉尘运移机制的前提下，定量得出雾滴有效捕尘的细观粒径、相对速度等参数标准，结合动态感知技术和通风的智能控制技术，优化降尘设备相关参数，研发针对不同工况的隧道降尘系统。
图9不同海拔高度和位置隧道污染物运移规律
（2）新型复合抑尘剂的研发
超声波雾化除尘是近年出现的一种新型除尘技术，他是利用压缩空气冲击共振腔形成超声波，借助超声波的特殊性使液态水滴充分雾化，形成粒径为1 ～ 50μm的微细水雾，从而有效凝聚微细粉尘，实现微细水雾就地捕尘。与常规喷雾除尘技术相比，该技术具有耗水量极少、除尘效率高、运行成本低、无二次污染等优点。这项新的除尘技术在高海拔长大隧道中有非常广阔的应用前景，而目前的研究尚显不足。不同类型喷嘴喷雾压力、流量与雾化角、射程、雾滴粒度等的对应关系，雾滴有效捕尘的细观粒径、相对速度等参数标准都有待深入研究和完善。采取二元单体复配的方式，配置新型复合抑尘剂，形成绿色、环保、高效、低成本且能有效防止二次扬尘的可降解流质薄膜粘结抑尘剂是未来的发展方向。
4.4 数字化与智能化
4.4.1钻爆法隧道施工信息数字化感知与管理
钻爆法隧道施工管理数字化程度低、单个施工循环工序紧凑、掌子面暴露窗口期短。对于长大隧道，通常有多个辅助坑道，多个掌子面共同作业将面临频繁的工序转换问题，给施工的管理带来巨大的挑战。人工采集难以满足掌子面结构信息动态采集要求，人工管理难以满足复杂设备、人员及物料的调度，人工决策难以应对多变地质环境的动态设计。
在这种情况下，未来应针对目前隧道施工信息涵盖内容不全面、结构化不彻底、自动化程度不高等问题，研究钻爆法隧道施工地质预报信息结构、数字化技术，钻爆法隧道施工人员、机械、设备的位置与姿态等动态信息感知技术，钻爆法隧道初期支护变形实时数据监控技术和钻爆法隧道质量检测信息结构、数字化技术，为钻爆法施工安全、质量、进度管理提供科学有效的数字化支撑。在此基础上基于隧道施工信息数字化感知与采集、大数据与人工智能等数据分析及GIS+BIM等新兴信息技术，构建集钻爆法隧道施工信息“采集-评估分析-反馈-处置”于一体的平台，为钻爆法施工管理提供科学的信息化工具。
4.4.2钻爆法隧道施工智能化技术
在当前“双碳战略”的大背景以及人口困境下，钻爆法施工必然向着智能化方向发展，这也是产业转型的必然趋势。而智能化技术的应用必须建立在施工的机械化和数字化的基础之上。其关键在于通过大型施工装备群组及关键监控量测设备之间信息的实时交互，并基于新一代信息技术，建立施工协同管理系统，实现施工装备智能化信息采集、监控、反馈与控制，最终形成面向隧道智能建造的群组装备协同作业控制系统。
5 结论
经过多年的发展，钻爆法的建造理论、装备配套和工艺工法日趋完善。然而，随着山岭隧道逐渐向着“高、深、大、长”的方向发展，现有的修造技术已不能满足隧道建设的需求，因此山岭隧道钻爆法建设理论亟需革新、装备配套亟需升级、施工环境保障技术亟需突破、智能化技术亟待发展。
（1）在修造理论方面 ，浅部隧道建设长期以来形成的被动、滞后、浅层支护，忽视了对围岩早期干预，使之难以承受过高的地应力，已不能适应深部隧道的建造。因此，隧道的修造理念亟需向“主动控制围岩变形”的方向转变，从以往的单一收敛变形控制标准转变为更加关注围岩场态控制，突破收敛-约束法“你变我抗”的模式。
（2）在施工技术方面， 为适应山岭隧道复杂的地质环境，加上近年来隧道开挖直径越来越大，隧道开挖多以台阶法、CD法的方式，使钻孔爆破和立拱的环节无法适应机械化施工。如今，钻爆法施工的各项工序已基本实现机械化，而爆破立拱工序的机械化问题始终无法得到解决，无法彻底改变钻爆法施工劳动密集的现状。因此，隧道开挖及支护技术需要进行改进使之能够适应机械化施工。比如开挖方式的标准化、用高性能喷射混凝土代替型钢拱架等。
（3）在装备配套方面， 钻爆、挖装、运卸、喷锚工序以通用型设备应用较多，基本已经实现单机操作数控化、自动化，然而机械配套整体的数字化程度偏低，且装药和爆破环节仍然是采取的人工作业。因此，当前应大力研发装药和爆破的相关设备，实现钻爆法隧道的全机械化施工，并在此基础上研究机械、设备的位置与姿态等动态信息感知技术，使其能够适应数字化管理。
（4）在环境保障方面， 大量高海拔超长深埋隧道的开建对隧道通风供氧技术带来前所未有的挑战。通过智能化的控制系统解决多掌子面同时作业隧道掌子面需风量的自动计算和控制，通过研发新型抑尘技术解决钻爆施工粉尘问题，是钻爆隧道环境保障的关键。
（5）在智能化建设方面， 针对隧道施工信息涵盖内容不全面、结构化不彻底、自动化程度不高等问题，应首先解决钻爆法隧道施工人员、机械、设备的位置与姿态等动态信息感知问题，为钻爆法施工安全、质量、进度管理提供科学有效数字化支撑，并基于此构建集钻爆法隧道施工信息“采集-评估分析-反馈-处置”于一体的平台，从而实现钻爆法施工的信息化和数字化管理。在此基础上，通过大型施工装备群组及关键监控量测设备之间信息的实时交互，建立施工协同管理系统，实现施工装备智能化信息采集、监控、反馈与控制。
综上所述，当前钻爆法施工业态缺陷突显，劳动力密集、工序复杂、机械化信息化水平相对较低，施工环境恶劣，人员健康难以保障，未来必然是以主动支护、主动控制的理念为指导，全面改进施工技术和装备配套，辅以施工环境监控手段，实现隧道施工过程中“人机料法环”的数字化管理，并最终实现隧道的智能化建造。从而促进我国隧道建造理念的提升、技术的革新、装备的突破、产业的升级，实现我国从“隧道大国”向“隧道强国”的跨越。
来源 ：施工装备与技术
1 引言
40余年来，我国隧道建造经历了从无到有，再到近年来的飞速发展，取得了举世瞩目的成就。如今，我国已成为世界上隧道及地下工程规模最大、数量最多的国家，是当之无愧的隧道大国。据统计，截至2022年底，我国已投入运营的铁路隧道共有17873座，总里程约为21978km [1] ；截至2021年底，已建成的公路隧道共有23268座，总里程约为24699km [2] 。随着国家西部大开发、交通强国战略和一带一路倡议的持续推进，越来越多的西部山区铁路建设不断开启。由于西部山区典型的大高差地形，铁路建设不可避免采用桥隧相连的方式行进在高山峡谷之间。随着山区铁路建设的进行，隧道建设朝着“高、深、大、长”的方向发展则是必然趋势。近年来，随着隧道施工装备的发展，越来越多的山岭隧道采用TBM法建造。与传统钻爆法施工相比，TBM法具有掘进速度快、安全性能高、劳动强度低、环境污染小的优点，但是同样也存在地质适应性差、工程事故多发等问题 [3] 。因钻爆法对复杂地质环境的适应性更强，仍然是目前山岭隧道建造所采用的最普遍的方法。
跟TBM/盾构法相比，钻爆法施工集成度低、工序转换复杂，使施工工作量繁杂、施工效率低下且作业人员较多。此外，爆破作业会产生大量粉尘使掌子面作业环境恶劣。在当前“双碳战略”的大背景以及人口困境下，钻爆法施工向着机械化智能化方向发展是必然趋势。近年来，随着机械配套的进步和工艺的改进，钻爆法施工的机械化程度越来越高。然而，截至目前，其数字化程度仍然较低，掌子面施工环境的保障仍是一个难以解决的问题。
本文从施工技术和施工环境保障方面，对中国钻爆法山岭隧道修建技术发展历程进行详述，总结了中国钻爆法山岭隧道修建技术发展现状，并针对目前存在的技术瓶颈和行业痛点，对钻爆法山岭隧道修建技术发展方向和前景进行了展望，以期为未来“高、深、大、长”的山岭隧道的修建提供参考。
2 钻爆法山岭隧道修建技术发展历程
2.1 开挖技术
2.1.1开挖方式
早在公元前2000多年，人类就开始使用原始工具如镐、铲和凿子，通过手工挖掘建造隧道。采用明挖法建造的古巴比伦城幼发拉底河下修筑的人行隧道，开创了隧道建设的先河。自黑火药于12世纪传入西亚和欧洲后，人类开始尝试利用爆炸产生的能量代替机械工具以及火烧的方式进行岩石的开挖。这种方法最早是在1627年被应用到采矿当中。在当时匈牙利（现为斯洛伐克）的班斯卡·什佳夫尼察镇首次使用火药进行矿山的开挖。这项技术在隧道及采矿工程的发展史上具有里程碑的意义，因而迅速传遍了欧洲和美洲。
虽然隧道工程早已有之，但是真正意义上的现代隧道开挖技术是在19世纪蒸汽机车和铁路诞生后才出现的。1826年，英国利物浦至曼彻斯特的铁路，可以说是铁路隧道建设的开端。自其沿线上的泰勒山单线隧道（770m）和维多利亚双线隧道（2474m）修建以来，英、美、法等国掀起了铁路隧道修建的浪潮。这其中最长的铁路隧道，当属瑞士的圣哥达铁路隧道（14998m）。在这之后，火药和钻眼工具取得了显著的进步。1861年，风动凿岩机代替人工凿孔，被首次应用到隧道施工中，成功建成了穿越阿尔卑斯山脉的仙尼斯峰铁路隧道。1867年，美国胡萨克铁路隧道的建设中，首次将硝化甘油炸药用于隧道爆破。并且，该隧道在进行爆破作业时，起爆方式也采用了电力起爆的方式。硝化甘油炸药和电力起爆技术的应用，进一步推动了隧道施工技术的发展，并被视为现代岩石隧道开挖技术的起源。1898年，TNT炸药和凿岩机首次被应用于隧道的爆破作业，成功建成穿越阿尔卑斯山的辛普郎隧道，标志着隧道爆破技术取得了又一次突破。
到了19世纪60年代，随着技术的进步，隧道钻爆法施工逐步向着机械化作业的方向发展。自20世纪70年代起，各国均开始了对液压凿岩机的研制。其中，比较著名的有美国的IngersollRand公司和GardnerDenver公司，瑞典的AtlasCopco公司和LindenAlimak公司，芬兰的Tamrock公司，法国的Eimco-Secoma公司，德国的Krupp公司和日本的古河(FURUKAWA)公司等。随着凿岩台车技术的进步，用凿岩台车进行隧道开挖的钻孔作业逐渐普及，成为钻爆法隧道施工中比较常用方法。这也标志着钻爆法隧道建设进入机械化时代。
我国现代隧道建设起步较晚，第一座铁路隧道是始建于1888年的基隆至台北的狮球岭隧道，全长261ｍ，于1890年建成。然而，1900年之前，我国铁路隧道都是由外国人主持修建，直到1908年，我国自行修建的第一座越岭铁路隧道八达岭隧道开通。
20世纪60年代，钻爆法开始在我国的隧道工程中应用并推广。凿岩技术经历了从早期的人工手把钎、锤击凿孔，到用凿岩台车或多臂钻车钻孔的发展。爆破作业技术也从最初的用火雷管逐个引爆单个药包，发展到毫秒爆破、预裂爆破及光面爆破等技术。在施工技术发展的同时，机械化配套的进步也在同步进行，隧道钻爆机械化施工和隧道衬砌作业机械化也在这一时期在国内得到应用。
2.1.2开挖断面
隧道的开挖方法分为全断面法、台阶法、CD法等 [4] 。自19世纪末到20世纪初，当时由于各国机械制造和技术水平的限制，隧道开挖绝大部分采用导坑先进、分部开挖、逐步扩大的方法，例如上导坑，下导坑，中央导坑，侧导坑，上下导坑法等。
近年来，随着钻孔机具、装碴机械、段发毫秒雷管、钢拱支撑、锚杆和喷混凝土支护的出现，为逐步向少分部的大断面或不分部的全断面开挖法过渡提供了条件。国外新建的铁路隧道中，这种趋势比较明显。如日本新建的铁路复线隧道，断面较大，地质复杂，由于普遍使用了钢拱支撑，也采用了大断面或全断面开挖。并把底设导坑先进上部半断面施工法作为其标准方法，其特点是先进导坑、钢拱支撑、先拱后墙、同时掘进。这是以不良地质为对象的施工方法，比较安全可靠，同时也易于变换其他方法而不致影响原来的施工部署。在东海道新干线和山阳新干线建设中，其复线断面隧道采用底设导坑先进上部半断面法和上部半断面的正台阶法施工的分别占80%和90%。
2.2 支护技术
早期的隧道支护方式都是以木支撑为主。随着建筑材料的发展，到了19世纪后期，钢筋、混凝土等建筑材料陆续出现并开始运用到隧道的建设中。这时，隧道的结构不再是临时的支撑，而开始具备了整体性。喷射混凝土技术的应用，使得隧道初期支护的效率大幅提升。其实，早在1914年，喷射混凝土就已经在Denver煤矿得到应用。但是早期的喷射混凝土材料主要以砂浆为主，并且还大量添加具有侵蚀性的速凝剂。这使得早期的喷射混凝土强度低，难以起到有效的支护作用，还会使施工作业环境恶化。并且，在这一时期，喷射混凝土的支护作用也并不受重视，更多是作为防止围岩风化的一种封闭措施。直到20世纪中叶，喷射混凝土的作用才开始受到广泛的重视。这得益于奥地利建造的一系列开创性工程。同一时期，锚杆也开始在水电站有压输水隧洞中成功应用，随后和喷射混凝土组成了喷-锚初期支护结构，并在隧道中得到更加广泛的应用。于20世纪60年代，喷-锚支护体系正式被命名为“新奥法”。其主要原理是用薄层的支护结构控制围岩变形，保持围岩整体的强度，从而发挥围岩的自身承载能力 [5,6] 。其基本组成要素包括：喷射混凝土、锚杆和监控量测。在施工过程中，需要通过监控量测，实时监测围岩的收敛变形量，来指导隧道工程设计与施工。
在20世纪80年代以前，我国还没有引入新奥法，这一时期的隧道的支护结构还是以传统矿山法的整体式衬砌为主，即在隧道开挖后立即采用木支撑、喷混凝土锚杆支护等方式进行支护。而开挖方法则是以先拱后墙的台阶法为主。此时的衬砌普遍具有厚度较大、以素混凝土为主、防排水措施简单的特点。到了20世纪90年代，“新奥法”设计理念开始在铁路隧道修建中逐步得到应用和推广。锚-网-喷初期支护结构、复合式衬砌等开始在隧道建设中应用。在21世纪初期，已经形成了以“新奥法”理论为基础的复合式衬砌结构体系，并在大量工程实践中持续完善。
2.3 修造理论
整个20世纪，隧道修造理论和技术飞速发展。30年代，苏联采矿学家普罗托季亚科诺夫提出了普氏地层压力理论 [7,8] 。这是一种以均质松散体为基础的地层压力计算方法，如图1所示。由于需要假定“隧道顶部的围岩变形是局限于一定范围的”，该方法存在较大的局限 [9] 。通常只适用于松散岩体，对于整体性好、强度高的岩体，则无法应用该理论计算地层压力。尽管存在诸多局限，但由于其计算简便，仍然得到了广泛的应用。
图1普氏拱理论示意
同样是基于上述观点，奥地利土力学家Terzaghi也提出了一种地层压力计算的方法。一系列的地层压力计算方法也导致这一时期的隧道设计始终把围岩看成是必然要松弛塌落而成为作用于支护结构上的荷载，从而导致围岩自身的承载能力被忽视。20世纪60年代，新奥法则创造性地提出“充分发挥围岩的自承能力”的观点，采用喷锚支护为主要手段，形成了“少扰动、早支护、勤量测、紧封闭”的基本原则 [5,6] 。但是，根据新奥法原理，在围岩自承能力较差时，需要通过初期支护快速提供支护反力以控制围岩变形。然而在实际工程中，受限于材料和支护技术，软弱围岩段的临时支护和初期支护都较为薄弱，难以提供足够的支护反力。
到了20世纪70年代，意大利学者在压力拱理论和新奥法施工理论的基础上，又提出了一种新的施工方法——新意法。新意法又被称为岩土控制变形分析法，是一种隧道动态设计和施工指导原则。其核心是根据掌子面超前核心土的稳定性，设计相应的围岩变形控制措施 [10～12] 。在施工过程中，需要通过监控量测实时反馈，并优化设计方案，提高围岩稳定性，进而实现全断面的机械化开挖 [10～12] 。20世纪80年代，挪威的工程师根据本国隧道修建的大量工程实践，总结出挪威法。挪威法的关键在于围岩的分级，主要还是依托工程经验，采用定性的分级方 法，即经验性Q系统 [13～15] 。Q系统以钻孔取芯率 RQD 值为基础，同时引入5个岩体参数定量计算得到岩石质量等级Q [16,17] 。这种分级方式综合考虑了岩体结构的完整性、结构面特性、填充物性质以及主动应力条件等因素 [16,17] 。
自20世纪90年代引进新奥法以来，该方法已逐步成为我国铁路隧道建设应用最为广泛的方法。然而，新奥法原理的围岩特征曲线（图2）难以在实际工程中获取，通常用于定性分析，因此并不能定量指导支护参数的设计 [18] 。因此，早期的隧道设计，主要是基于普氏地层压力理论，普遍采用“荷载?结构”的计算模式。
图2围岩特征曲线
经过多年在工程实践中的改进和完善，目前已逐步建立了一套较为完善的钻爆法支护体系。其核心思想是以围岩变形主动控制为目标，充分发挥锚杆、初期支护混凝土的径向约束作用，从而实现围岩变形动态主动干预以及围岩与结构的协同作用 [19,20] ，如图3所示。
图3隧道纵向施工变形控制示意 [21]
3 钻爆法山岭隧道修建技术现状及困境
3.1 施工技术
3.1.1发展现状
（1）修造理论
隧道工程理论从普氏“塌落拱理论”到现在普遍采用的新奥法原理，始终没有摆脱地面结构的“荷载-结构”方法，而地下工程的荷载确定具有很大的不确定性，而对于隧道施工应力场的变化也是非常不清晰。
在变形控制方面，对于高地应力岩土体中修建隧道，受高地应力的影响，变形速率高、变形量大，支护开裂、侵限等现象普遍存在，不仅大幅降低施工工效，且危及支护结构安全。如奥地利的Tauren-I隧道 [22] 、日本的Enasan-II隧道 [23] 和国内的兰渝铁路木寨岭隧道 [24] 。其中，兰渝铁路木寨岭隧道在部分段落初期支护钢拱架达到了3层，大变形问题仍然突出，初期支护换拱率高达25% [25] 。这表明以“拱架+喷射混凝土”为主体的支护体系对高地应力隧道的变形控制效果不佳。因为这类支护（包括普通型锚杆）是在围岩发生变形后，与围岩协同变形才发挥作用，所以一般称这类支护为“被动支护”，其理念是被动抵抗围岩变形，他不能协调围岩变形，因此主体是“抗变”。这种采用厚层喷射混凝土、小间距大型号钢拱架的强被动支护体系，不仅忽视了对围岩的早期干预，未能抑制围岩初期变形的发展，更是抑制了岩体形变能的释放，反而可能诱发更大的围岩压力，使结构承受更大的荷载 [26] 。即使是“让抗结合”的支护方式，也不能主动调控围岩应力场的变化。
（2）机械化配套
钻爆法施工虽然地质适应力极强，但却存在诸多缺陷。其中最主要的问题就是对作业人员人数要求较高，每道工序的作业人数通常都在10人以上，有时甚至会出现22人同时作业的情况。并且，掌子面的钻爆作业是一项最危险的施工作业，极易出现安全事故，导致人员伤亡。在这种情况下，钻爆法施工不仅劳动强度大，还将随时面临各种风险。随着时代的进步和经济的发展，年轻一代中愿意从事艰苦的人工钻爆开挖工作的人逐年减少，导致人工作业的成本逐年攀升。在这样的大环境下，各国都将机械化作业作为钻爆法施工发展的方向，可以概括为凿岩作业台车化、装岩机械大型化、运输车辆大型化以及联合机组化。
自19世纪60年代新奥法问世以来，历经数十年的发展，钻爆法施工的各项工序已基本实现了机械化，如图4所示。当前，隧道钻爆法施工中，拱架的安装、喷射混凝土的施作、防水板的铺设、衬砌的施工等工序均有相应的机械化配套[27]。甚至出现了全断面封闭温控养护台车、智能二次衬砌台车、自行式液压仰拱栈桥等[27]。
图4钻爆法施工机械化示意
3.1.2面临的困境
（1）适应性难题
虽然隧道钻爆法施工已经基本实现了全工序的机械化，但是钻孔、装药爆破、立拱架在很多工况下仍然依赖人工作业 [28] 。掌子面的开挖方式受地质条件的限制，在围岩地质条件较好的地段，可以采用全断面或微台阶法进行开挖，在这种工况下，炮眼可以采用凿岩台车来钻孔，拱架也可以采用拱架安装机来安装。但是，在围岩地质条件较差的地段，比如软弱围岩或围岩较破碎的地层，由于围岩稳定性较差，不得不采用分部开挖的方式 [29] 。在这种情况下，由于距离太长，很难使用凿岩台车进行钻孔，如图5所示。并且，在台阶法施工时，拱架安装机也无法到达掌子面位置，拱架的安装只能采用人工安装。
图5钻爆法掌子面施工图
（2）特殊环境下的设备降效问题
随着国家西部大开发战略的持续推进，铁路建设不断向西部高原山区延伸。在高原环境下，机械装备受到低气压、低温、低氧含量等环境因素的影响，出现零部件工作性能劣化、工作寿命缩短等问题，从而导致机械降效，甚至装备故障率升高、维保负担加大 [30] ，具体见表1。
表1高海拔地区机械设备降效程度 [31]
（3）工序转换效率问题
对于采用大机配套施工的钻爆法隧道，在钻孔装药环节，凿岩台车进场钻孔，完成后退场。爆破后装载机和运输车辆进场，进入出渣环节。出渣完成后分别进行拱架的安装、初喷混凝土、锚杆的安装以及复喷混凝土。在这个过程中喷浆机械手需要进场两次。由此可知，钻爆法隧道施工工序繁杂，如果采用机械化施工，不可避免会出现因工序的转换机械设备频繁进场和退场。因此，工序的转换需要耗费大量的时间，从而导致钻爆法的施工效率不如集成度更高的TBM和盾构隧道。并且，对于长大隧道，通常是多掌子面同时作业，设备、人员和物料的管理也需要耗费大量的人力。
3.2 施工环境保障
3.2.1发展现状
隧道开挖过程中，经常出现有毒有害气体如：甲烷、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、氮气和数量不等的烃以及微量的稀有气体等。如果控制不当，极易引发重大安全事故 [32～34] 。除了开挖时地层排放的各类气体之外，隧道开挖与施工过程由于爆破开挖、喷射混凝土施工及装渣无轨运输车辆废气排放，洞内会产生大量的粉尘和有害气体，加剧隧道中的污染。因此，在隧道的掘进施工过程中，必须对隧道通风送入新鲜空气，从而稀释和排出爆破烟、粉尘和有毒有害气体，保持良好的工作条件，为洞内作业人员、机械设备提供必要的氧气。
国外早在1919年就开始针对汽车CO排放量和人体对CO浓度的容许值进行了研究，并以此作为隧道通风计算的依据。1985年日本的关越隧道一线首次将纵向式通风应用于10km以上公路隧道。我国在通风的研究方面起步较晚，但是通过借鉴国外隧道的成功经验并引进先进的通风技术，历经30余年的发展，目前也形成了成熟的通风设计方案。国内在隧道通风方式的选择上，主要是根据隧道长度、断面大小、施工方法和现场施工条件等因素。通风方式主要可以划分为自然通风和机械通风两大类，其中又包括7种通风方式：纵向自然通风、竖向自然通风、压入式通风、抽出式通风、混合式通风、巷道式通风和风墙式通风 [35] 。
3.2.2面临困境
（1）高海拔长大隧道通风难题
随着隧道建造技术的发展和山区铁路建设的进行，隧道建设朝着“高、深、大、长”的方向发展。截至目前，超过10km的特长隧道已经超过100座，超过20km的隧道也有12座 [1] 。隧道的距离越长洞内的机械设备就越多，传统的采用内燃机动力的机车，在行进过程中会产生大量有害气体，在低压环境中燃料燃烧不充分时，这种现象尤其严重[36]。会使超长距离的隧道本就十分困难的通风雪上加霜。根据国内以往铁路隧道施工经验，中低海拔地区（海拔高度低于1500m）钻爆法隧道无轨运输条件下采用独头压入式通风时送风距离不超过6.5km，对于高海拔（1500 ～ 3500m）地区，独头压入式通风时送风距离不超过3.5km，显然无法满足高海拔长大隧道的通风需求 [37] 。
（2）掌子面粉尘控制难题
钻爆法隧道在施工期间，钻孔、爆破、喷射混凝土、出渣等工序都会产生大量粉尘颗粒物，严重危害现场人员的身体健康，降低施工现场的能见度，影响施工的效率和安全。同时，大量的颗粒物会加剧机械设备的磨损，在一定程度上，会影响设备的使用寿命。现有的隧道除尘技术和设备虽然在一定程度上能够降低粉尘浓度，但是效果仍然不够理想。
（3）通风供氧控制问题
在对高海拔隧道施工进行供氧时，供氧量的确定大都由经验公式确定，然而在隧道施工不同工序不同机械设备工作甚至不同作业人员数量时，对供氧量的需求都不相同，一味按照公式计算出的供氧量进行供氧可能会造成供氧过多或者过少的问题，供氧过少不仅会导致隧道施工机械设备燃烧不充分从而产生大量CO、NO等有毒气体，也会威胁到作业人员的生命安全，而供氧过多导致隧道作业区域氧含量过高不仅会造成不必要的浪费，同时过高的氧含量也可能导致作业人员出现氧中毒。与此同时，在隧道实际建设过程中，不同的施工工序对风量的需求是有所不同的，爆破施工后排除炮烟中的污染物气体时需要比较大的风量，而在排除喷浆过程中产生持续性粉尘时就不宜采用大风量，尤其是对于高海拔隧道还需要进行施工供氧，但是过大的风量会加速稀释作业环境中的氧浓度。因此，若高海拔隧道施工通风过程中一味采用设计时的额定风量，不仅会造成不必要的浪费，也不利于部分污染物的扩散和供氧系统的供氧效果 [37,38] 。
4 钻爆法山岭隧道修建技术发展方向和前景
4.1修造理论及技术的革新
4.1.1支护理念的转变
（1）主动控制围岩变形的主动支护理念
随着大量高原隧道的开建，由于大埋深、高地应力是这类隧道的普遍特点，目前已经出现超过60MPa的极高地应力，隧道建设必然面临严重的深部岩石力学问题，因此对支护结构的要求远高于普通隧道 [39,40] 。而目前在隧道的建设中，长期以来浅部隧道的建设形成了被动、滞后、浅层的支护理念，忽视了对围岩的早期干预，使之难以承受过高的地应力。因此，近年来，对于深部隧道，特别是软弱围岩隧道，变形问题愈发突出，具体表现为围岩及支护结构变形速率高、变形总量大，初期支护和二次衬砌开裂现象较为普遍，甚至导致支护构件拆换现象频繁发生，不仅大幅降低施工工效，更是严重威胁支护结构的安全 [41] 。
以往被动且滞后的建造理念显然已经不能满足深部高能隧道的建造需求。因此，隧道的修造理念亟需向“主动控制围岩变形”的方向转变。以预应力锚杆（索）和高性能的喷射混凝土为主要支护手段，在核心扰动区主动重构围岩刚度，诱导应力调整的隧道施工场变控制是主动支护理念的核心，也是未来隧道修造技术发展的方向 [42～46] 。
（2）开挖方式的标准化
经过几十年的发展，隧道钻爆法施工技术已日益成熟，但其工序繁杂、劳动密集的问题始终未从根本上得到解决。在我国“双碳战略”和“人口困境”双加持下，隧道钻爆技术向少人化、数字化、智能化方向转型是必然趋势。随着近年来隧道的开挖直径不断加大，在复杂地质条件下，钻爆法隧道开挖不可避免采用分部开挖的方式，开挖方式的多样化导致其难以适应机械化施工 [47] 。因此，研究多种围岩条件下掌子面机械化开挖标准化的施工工艺及工法，解决钻爆法隧道开挖方法通用性的问题是当前亟需解决的问题 [48～50] 。
4.1.2控制标准的转变
隧道施工持续扰动围岩赋存状态，其时空效应极其复杂，仅仅通过围岩开挖面的变形量不足以准确反映围岩应力的演化和损伤的发展。而目前在动态设计中，通常都是采用收敛变形这一单一的控制标准。这显然无法保障深部高地应力隧道的安全，从而在此类隧道中频繁出现支护结构的破坏。因此，在围岩稳定性控制中，不应采用变形控制这样单一指标，而是应该更加关注围岩的损伤和力学性能的演化。研究新的围岩物性快速检测技术及设备，建立基于围岩物性的控制标准，构建隧道施工场变量化分析系统（图6），将有利于提高隧道施工过程围岩稳定控制的精准性和效率。
图6隧道施工场变量化分析系统
4.2 装备的升级
4.2.1钻孔装药装备的改进
目前，钻爆法施工的各项工序已基本实现机械化，但是装药和爆破环节仍然采取人工作业。如果这一工序也能采用机械化作业的方式进行，再加上对开挖方式的适应性改良，则钻爆法施工将可以全机械化施工，从而在减小劳动强度的同时使施工效率大幅提升。目前，澳大利亚Orica和Epiroc公司联合研发了全球首个用于硬岩钻爆法施工的无线式自主化炸药装填系统“Avatel” [51] 。该系统将在自动或半自动模式下运行，可在准确的时间点内将定量炸药安全地装填至隧道钻孔内并进行引爆，改善现有钻爆法的安全性与效率。国内在装备研发方面可以借鉴。
4.2.2装备的信息化
目前国内钻爆法隧道施工工序可分为钻爆、挖装、运卸、初期支护、喷锚、仰拱和二次衬砌。其中钻爆、挖装、运卸、喷锚工序以通用型设备应用较多，基本已经可实现单机操作数控化、自动化，在提高工效与质量、减少人员配置、降低材料消耗等方面效果显著，同时为多机信息互联协作提供了设备支撑条件。初期支护、仰拱和二次衬砌施工以定制的专用型设 备 应用较多，目前仍处于机械化向自动化、信息化探索研发之中。二次衬砌施工质量对隧道结构的耐久性有直接影响。拱墙衬砌台车、防水板铺设台车和衬砌养护台车是二次衬砌施工的主要装备，快速提升其自动化、信息化水平，对于提升隧道衬砌建设品质，减少运营期运维成本具有重要意义。
4.2.3提升对高原环境的适应性
在钻爆法施工机械配套方面，常规环境下隧道钻爆法施工机械化配套研究及应用已经成熟，而针对高原高海拔、低氧环境下的机械化配套施工尚存在一些问题，比如凿岩台车、铣挖装备、支护装备等开挖与支护设备的性能提升及适应性改造等。因此，结合国内在建的类似环境隧道工程，研发适用于高原铁路隧道的机械化装备，进行隧道钻爆法机械化配套方案研究及施工工艺工法试验，对于指导复杂地质条件及高海拔低氧环境的钻爆法隧道高效、高质量、高水平修建均具有重要意义。
4.3 施工环境保障
4.3.1智能通风系统的应用
在复杂的施工环境下，准确的需风量计算对现场人员的专业水平要求较高，且工作量较大。低压、稀氧与高寒的施工环境致使隧道工作面面临缺氧、粉尘与有害气体释放偏离常规机理以及洞内沿程温度波动大等通风与安全问题，常规通风已无法解决高原高寒隧道特有的技术瓶颈。在这种情况下，亟需一种能够根据施工作业环境特征智能控制和调节通风量和供氧量的控制系统（图7），当作业环境中的污染物浓度很高时，够自动控制风机增加供风量从而加快污染物气体的扩散；当作业环境污染物浓度很低时，控制风机维持隧道要求的基础的风量即可，从而避免稀释作业环境中的氧气浓度。通过自动计算隧道的需风量并将作业环境氧气浓度维持在人体舒适的氧浓度标准，从而能够达到高效节能的目的。
图7隧道智能通风及供氧系统组成示意
隧道通风系统是典型的分布式参数系统和大滞后系统，具有很强的非线形特征，如果用传统的线性控制理论，获得便于设计、控制的数学模型，势必在模型简化过程中引入很大的误差 [52] 。对于高海拔长 大隧道，首先要充分掌握隧道施工工程有害气体及粉尘的运移规律及致灾机理，并在此基础上建立有害气体及粉尘风险评价指标体系，通过物联网监测设备终端实时采集传送BIM综合管控平台，并基于数字孪生等技术建立虚拟-现实实时映射场景，实现隧道内部环境智能监测与控制，如图8所示。
图8高海拔隧道施工通风智能控制技术
4.3.2智能通风系统的应用
（1）抑尘设备参数的改进
隧道爆破、出渣和喷浆都会产生大量粉尘，单纯依靠通风来改善掌子面恶劣的施工环境并不现实，而现有的隧道除尘技术和设备效果并不理想，尤其是在高海拔隧道中。高海拔隧道掘进面粉尘由掌子面喷出后，相比于平原隧道粉尘沉降速度更快，粉尘运移距离更短，沉降位置距离掌子面更近，如图9所示。由于钻爆法施工的爆破作业易损坏设备，抑尘设备无法距离掌子面过近。因此，新型抑尘技术的研发，需要在充分掌握钻爆法施工作业粉尘运移机制的前提下，定量得出雾滴有效捕尘的细观粒径、相对速度等参数标准，结合动态感知技术和通风的智能控制技术，优化降尘设备相关参数，研发针对不同工况的隧道降尘系统。
图9不同海拔高度和位置隧道污染物运移规律
（2）新型复合抑尘剂的研发
超声波雾化除尘是近年出现的一种新型除尘技术，他是利用压缩空气冲击共振腔形成超声波，借助超声波的特殊性使液态水滴充分雾化，形成粒径为1 ～ 50μm的微细水雾，从而有效凝聚微细粉尘，实现微细水雾就地捕尘。与常规喷雾除尘技术相比，该技术具有耗水量极少、除尘效率高、运行成本低、无二次污染等优点。这项新的除尘技术在高海拔长大隧道中有非常广阔的应用前景，而目前的研究尚显不足。不同类型喷嘴喷雾压力、流量与雾化角、射程、雾滴粒度等的对应关系，雾滴有效捕尘的细观粒径、相对速度等参数标准都有待深入研究和完善。采取二元单体复配的方式，配置新型复合抑尘剂，形成绿色、环保、高效、低成本且能有效防止二次扬尘的可降解流质薄膜粘结抑尘剂是未来的发展方向。
4.4 数字化与智能化
4.4.1钻爆法隧道施工信息数字化感知与管理
钻爆法隧道施工管理数字化程度低、单个施工循环工序紧凑、掌子面暴露窗口期短。对于长大隧道，通常有多个辅助坑道，多个掌子面共同作业将面临频繁的工序转换问题，给施工的管理带来巨大的挑战。人工采集难以满足掌子面结构信息动态采集要求，人工管理难以满足复杂设备、人员及物料的调度，人工决策难以应对多变地质环境的动态设计。
在这种情况下，未来应针对目前隧道施工信息涵盖内容不全面、结构化不彻底、自动化程度不高等问题，研究钻爆法隧道施工地质预报信息结构、数字化技术，钻爆法隧道施工人员、机械、设备的位置与姿态等动态信息感知技术，钻爆法隧道初期支护变形实时数据监控技术和钻爆法隧道质量检测信息结构、数字化技术，为钻爆法施工安全、质量、进度管理提供科学有效的数字化支撑。在此基础上基于隧道施工信息数字化感知与采集、大数据与人工智能等数据分析及GIS+BIM等新兴信息技术，构建集钻爆法隧道施工信息“采集-评估分析-反馈-处置”于一体的平台，为钻爆法施工管理提供科学的信息化工具。
4.4.2钻爆法隧道施工智能化技术
在当前“双碳战略”的大背景以及人口困境下，钻爆法施工必然向着智能化方向发展，这也是产业转型的必然趋势。而智能化技术的应用必须建立在施工的机械化和数字化的基础之上。其关键在于通过大型施工装备群组及关键监控量测设备之间信息的实时交互，并基于新一代信息技术，建立施工协同管理系统，实现施工装备智能化信息采集、监控、反馈与控制，最终形成面向隧道智能建造的群组装备协同作业控制系统。
5 结论
经过多年的发展，钻爆法的建造理论、装备配套和工艺工法日趋完善。然而，随着山岭隧道逐渐向着“高、深、大、长”的方向发展，现有的修造技术已不能满足隧道建设的需求，因此山岭隧道钻爆法建设理论亟需革新、装备配套亟需升级、施工环境保障技术亟需突破、智能化技术亟待发展。
（1）在修造理论方面 ，浅部隧道建设长期以来形成的被动、滞后、浅层支护，忽视了对围岩早期干预，使之难以承受过高的地应力，已不能适应深部隧道的建造。因此，隧道的修造理念亟需向“主动控制围岩变形”的方向转变，从以往的单一收敛变形控制标准转变为更加关注围岩场态控制，突破收敛-约束法“你变我抗”的模式。
（2）在施工技术方面， 为适应山岭隧道复杂的地质环境，加上近年来隧道开挖直径越来越大，隧道开挖多以台阶法、CD法的方式，使钻孔爆破和立拱的环节无法适应机械化施工。如今，钻爆法施工的各项工序已基本实现机械化，而爆破立拱工序的机械化问题始终无法得到解决，无法彻底改变钻爆法施工劳动密集的现状。因此，隧道开挖及支护技术需要进行改进使之能够适应机械化施工。比如开挖方式的标准化、用高性能喷射混凝土代替型钢拱架等。
（3）在装备配套方面， 钻爆、挖装、运卸、喷锚工序以通用型设备应用较多，基本已经实现单机操作数控化、自动化，然而机械配套整体的数字化程度偏低，且装药和爆破环节仍然是采取的人工作业。因此，当前应大力研发装药和爆破的相关设备，实现钻爆法隧道的全机械化施工，并在此基础上研究机械、设备的位置与姿态等动态信息感知技术，使其能够适应数字化管理。
（4）在环境保障方面， 大量高海拔超长深埋隧道的开建对隧道通风供氧技术带来前所未有的挑战。通过智能化的控制系统解决多掌子面同时作业隧道掌子面需风量的自动计算和控制，通过研发新型抑尘技术解决钻爆施工粉尘问题，是钻爆隧道环境保障的关键。
（5）在智能化建设方面， 针对隧道施工信息涵盖内容不全面、结构化不彻底、自动化程度不高等问题，应首先解决钻爆法隧道施工人员、机械、设备的位置与姿态等动态信息感知问题，为钻爆法施工安全、质量、进度管理提供科学有效数字化支撑，并基于此构建集钻爆法隧道施工信息“采集-评估分析-反馈-处置”于一体的平台，从而实现钻爆法施工的信息化和数字化管理。在此基础上，通过大型施工装备群组及关键监控量测设备之间信息的实时交互，建立施工协同管理系统，实现施工装备智能化信息采集、监控、反馈与控制。
综上所述，当前钻爆法施工业态缺陷突显，劳动力密集、工序复杂、机械化信息化水平相对较低，施工环境恶劣，人员健康难以保障，未来必然是以主动支护、主动控制的理念为指导，全面改进施工技术和装备配套，辅以施工环境监控手段，实现隧道施工过程中“人机料法环”的数字化管理，并最终实现隧道的智能化建造。从而促进我国隧道建造理念的提升、技术的革新、装备的突破、产业的升级，实现我国从“隧道大国”向“隧道强国”的跨越。
来源 ：施工装备与技术
