公路隧道建设技术国家工程实验室：谋领先设施 出创新成果
时间：2020年05月29日
随着国家西部大开发战略的实施，高速公路的建设向西部山区延伸。高速公路建设技术迎来了新的挑战。特别是公路隧道建设面临着前所未有的高难度：特长和大断面隧道的结构设计、多年冻土和高寒隧道的挖掘技术、水下隧道和富水岩层隧道的掘进工艺、越江跨海隧道的铺设施工等等，都必须有我们中国自己的建设标准和特色。
目前，我国已建成和在建各类公路隧道近2万座，运营公路隧道数量之大，位居世界第一。为确保隧道安全施工和全面提升运营安全水平，安全施工和安全运营都面临严峻的挑战。为实现公路隧道大国向公路隧道强国迈进，隧道建设和养护管理的技术创新任务异常艰巨和迫切。交通部公路局的领导强调，今后要以隧道提质升级行动为契机，强化责任落实、过程管理、技术支撑，建立科学的隧道养护管理机制，进一步提高公路隧道养护水平和公共服务能力，为人民群众安全便捷出行和高效畅通运输提供更加安全可靠的保障。
2007年，经过10年筹建的国家山区公路工程技术研究中心在重庆正式成立，她所属的道路、桥梁、隧道等一系列的实验室也在筹建过程中陆续完善，具备国内外技术领先的公路交通路桥隧系统完整的科学实验体系，并都逐渐成长为国家级的科研平台。其中，公路隧道建设技术国家工程实验室就是具有代表性的一员。
创新设施
针对各种公路隧道建设的环境和地质条件，通过实验和依托工程实践，建设并完善了全套的实验设施。其中包括200米长的1:1实体隧道、通风照明系统、防灾灭火系统、运营监控系统、结构稳定和衬砌支撑实验系统、水下隧道试验系统等等。这些实验设施在国内是首屈一指的，与国外同类设施相比也是先进的。
以水下隧道试验系统为例，李科博士带领项目组承担了水下隧道试验系统的研究和建设，建成了交通行业首个水下隧道实验室，其设施包括：水下隧道实验水池、水下沉管隧道实验系统、水中悬浮隧道实验系统、水下钻爆法隧道试验系统和水下盾构法隧道试验系统。实验室建设是科技创新的基础，其本身就包括系统的设施创新和手段创新。目前，已开展了世界上最大比尺和水域条件的悬浮隧道试验研究，组织召开了悬浮隧道国际会议，保持了中国在悬浮隧道研究领域处于世界先进水平。
该水下隧道试验系统可以完成波流共同作用下沉管隧道纵向拖曳试验；波流共同作用下沉管隧道横向沉放试验；波流作用下沉管隧道管段结构和接头的力学响应规律的试验；沉管隧道基础水下处理方案研究试验；波流作用下悬浮隧道结构体系力学响应规律的试验；悬浮隧道结构体系在水下冲击荷载下力学行为的试验；悬浮隧道不同结构体系要素的水动力影响规律的试验；水下盾构隧道和水下钻爆法隧道的水下模型试验等等高难度的水下试验。通过各种实验把建设当中可能遇到的难题提前解决，给工程质量和施工安全提供了保证。
水下试验主要基于大比尺模型试验方法，在实验水池内根据实际条件设计相应的外部边界条件以及沉管或悬浮隧道模型，同时利用造波、造流设备产生不同的流场环境，模拟真实的复杂水文环境；利用先进的数据采集设备测试隧道结构体系各关键部位和区段在拖曳、沉放和静置等不同阶段的力学响应，包括速度、位移、加速度、锚索间距以及流固耦合产生的动力响应等控制性参数，从而为水下隧道工程的设计和施工提供依据。
这个实验室可以重点研究软基、超长、高水位、大流速下的沉管隧道、深海悬浮隧道以及钻爆法和盾构法等特殊环境下的水下隧道关键技术问题，为跨海超长公路隧道的建造超前研发和储备核心技术。
实验室的其他各种重要设备功能齐备，对公路隧道建设和运营维护都起着不可缺少的技术支撑作用。
水下悬浮隧道模型试验
创新成果
公路隧道建设技术国家工程实验室有一大批博士、硕士和专业人员组成的科研技术团队。多年来，这个实验室承担了大量的国家级和省部级科研创新项目，其中有：国家自然科学基金项目《断裂带隧道岩体应力场变化与地表非连续沉陷过程研究》、国家重点研发计划子项目《隧道施工安全等级评价技术与便携式人员跟踪预警系统装备研发》等，对穿越断层区隧道工程地压特征及灾变防控系统技术进行了系统研究。揭示了断层构造区围岩地压特性、开挖扰动位移的局部化及其对工程结构的影响规律、隧道结构灾变演化特征，建立了三维复 杂构造应力场 DDM 数值方法、各向异性裂隙岩体三维非线性统一本构模型及其方向性的定量评价方法；针对典型支护方式在破碎岩体隧道应用的弊端，建立了基于支护结构强度和变形综合优化的支护理论和技术体系。“穿越断层区隧道工程岩体地压特征及灾变防控系统技术研究”成果，获中国公路学会科技奖一等奖。众多的科技创新成果使我国隧道建设的科技水平跻身于世界先进行列，并对我国西部地区公路隧道和铁路隧道起到了重要的技术支撑作用，取得了良好的社会效益和经济效益。
还比如，国家自然科学基金项目“基于波流场固体运移的动荷载下悬浮隧道响应与实验研究”、交通运输部科技项目“深海悬浮隧道关键技术的前期研究”等，针对跨海隧道技术的前沿课题水中悬浮隧道研究，重庆交科院隧道团队开展了目前世界上最大比尺、最大水域环境的模型实验，由隧道专家、设计大师蒋树屏博士牵头，丁浩博士、李科博士等参加的“悬浮隧道结构设计基础理论及关键技术研究”成果，评审专家一致评价为整体达到国际先进、部分达到国际领先水平。获得中国公路学会科技奖一等奖。目前，这些研究成果为人们翘首以盼的琼州海峡海底悬浮隧道的设计方案奠定了坚实的理论基础，提供了可靠的技术保障。
推广应用科研创新成果，促进工程建设提质增效
科技创新的最终目标，是推广成果的实际应用，提高工程的建设水平，创造良好的社会效益和经济效益。比如，该技术创新团队承担的隧道施工围岩安全评价预警技术及装备项目，在国家重点研发计划的支持下，利用基于极限应变的强度折减法，提出了隧道围岩稳定判定方法，建立了2、3、4车道公路隧道预警标准，研发了隧道施工安全无线实时便携式预警技术与装备，实现了对隧道内施工人员的无线实时定位和预警。比如，位于西藏国道318线林芝至拉萨高等级公路上的米拉山隧道，面临岩层破碎变化频繁、涌水量大等地质难题，公路隧道建设技术国家工程实验室科研团队努力攻关，协助海拔4900米的高寒隧道工程，经过1500多天的奋战，顺利完成了施工，有效地保障了工程质量和施工安全。
还比如，重庆曾家岩大桥工程连接隧道，项目地处重庆市核心区，施工环境极为复杂，要求极为严苛，隧道上方就是高楼大厦，项目周边人口密集，商业发达。该技术团队针对特殊的周边环境，制定了施工安全技术方案，部分区段采用潜孔钻机+破碎机进行非爆破开挖工艺，全程严格遵从“管超前，严注浆，短进尺，强支护，早封闭，勤量测”原则；同时，积极做好排水、通风、降尘各项工作，为安全施工提供了技术支持。
为了加强营运隧道的安全检测，在国家重点研发计划课题等支持下，该实验室结合公路隧道通车特点，将结构病害和服役性能相关联，建立了在役公路隧道典型病害及设施安全状态的评估方法，基于机器视觉和人工智能，研发了实时监测及隧道巡检机器人装备系统，搭建了公路隧道养护管理云平台。
此外，该技术创新团队最近几年还参加了行业标准《公路隧道设施运营风险评估技术规范》和重庆、广东、贵州、青海等7部地方标准的编制，有力地推动了科技成果向生产力的转化。为我国交通由隧道大国向隧道强国迈进做出了重大贡献。
（撰稿人：关书敏）
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