改写黄土隧道建设的历史

文|长安大学 陈建勋 罗彦斌 陈丽俊

“黄土隧道支护理论与设计施工关键技术”项目研究，创立了黄土隧道支护理论，创建了公路黄土隧道结构设计方法，创新了黄土隧道施工技术，形成了完整的黄土隧道设计施工综合技术体系，并形成了交通运输部行业标准和地方标准。研究成果总体达到国际领先水平，为我国黄土隧道的建设提供了设计理论支撑和施工技术支持，提升了我国黄土隧道工程技术整体水平。

我国是世界上黄土分布面积最多的国家，总面积达64万平方公里。黄土地区沟壑纵横，峁梁起伏，我国西部大开发需要建设大量黄土隧道。黄土垂直节理发育、多孔、结构疏松，遇水易崩解、剥落。由于黄土隧道建设起步较晚，套用岩石隧道支护理论和设计施工技术修建黄土隧道，普遍出现地表裂缝、拱部整体沉降、衬砌开裂和坍塌等严重的工程问题和事故，经济损失和社会影响极大，成为制约西部交通建设事业发展的技术瓶颈，亦属世界性技术难题。

“黄土隧道支护理论与设计施工关键技术”项目自2005年起，历经13年科研攻关与工程实践，系统研究了公路黄土隧道支护理论、设计方法和施工技术三大关键问题，形成了完整的黄土隧道支护理论与设计施工关键技术体系，攻克了黄土隧道地表裂缝、拱部沉降、衬砌开裂和坍塌防控技术难题，创立了黄土隧道支护理论，探明了公路黄土隧道变形规律，发现了黄土隧道拱部系统锚杆受压，揭示了系统锚杆不能约束黄土隧道变形的机制，建立了黄土隧道钢架锁脚锚杆（管）组合结构力学分析方法，从而提出了黄土隧道采用钢架为主体控制变形的刚性支护理论，突破了以锚喷柔性支护为主体的岩承理论。

南沟隧道

该项目成果获省部级科学技术奖特等奖1项、一等奖1项，获授权专利37项（其中发明专利12项）、软件著作权4项，获国家级工法3项、省部级工法4项，出版专著3部，发表学术论文103篇（SCI、EI收录29篇），编制了国家行业标准《公路隧道设计细则》（JTG/T D70-2010）（黄土地区隧道设计）和《公路水运工程试验检测机构等级标准》（交质监发〔2008〕274号）（隧道施工监控量测相关内容）。核心成果还被纳入《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》（JTG 3370.1-2018）和《铁路黄土隧道技术规范》（Q/CR 9511-2014）。目前，我国在建和规划的黄土隧道共计386座729公里，该项成果应用前景广阔，仅取消系统锚杆就可节省工程费用32亿元。

该项成果解决了黄土隧道工程设计与施工技术难题，实现了黄土隧道修建技术的重大突破，有力促进了行业科技进步，在黄土隧道工程领域起到了重要引领和示范作用，项目成果经交通运输部、中国公路学会、陕西省交通运输厅组织专家鉴定认为总体达到国际领先水平。

创新：理论、设计与施工的全新颠覆

创立黄土隧道支护理论

项目探明了公路黄土隧道变形规律，发现了黄土隧道拱部系统锚杆受压，揭示了系统锚杆不能约束黄土隧道变形的机制，建立了黄土隧道钢架锁脚锚杆（管）组合结构力学分析方法，从而提出了黄土隧道采用钢架为主体控制变形的刚性支护理论，突破了以锚喷柔性支护为主体的岩承理论。

浅埋大跨度黄土隧道偏心CD法施工

软塑粘土地层大断面浅埋隧道微台阶法施工

黄土隧道组合支护结构法施工

变形是黄土隧道各项动态变化综合的、直接的反映，也是诱发各种工程问题和事故的根本原因。项目基于30余座公路黄土隧道变形现场测试，获得实测数据数万组，结合数值模拟和理论分析，研究了黄土隧道变形时空效应，探明了公路黄土隧道变形规律，奠定了黄土隧道支护理论基础。

依据黄土隧道变形规律及黄土隧道中系统锚杆的作用效果，项目首次提出了黄土隧道取消系统锚杆，加强钢架和增设锁脚锚杆（管），建立了隧道钢架锁脚锚杆（管）组合结构。采用结构力学和弹性地基梁理论，构建了钢架锁脚锚杆（管）力学计算模型，提出了其力学计算方法，推导了施工阶段拱部沉降的计算公式，并提出了施工阶段隧道稳定性判据。

结合黄土力学特性，提出了基于弹塑性理论的黄土隧道结构力学分析方法，建立了隧道稳定所需支护阻力与隧道壁位移的关系，以及支护结构抗力与位移的关系，提出了隧道稳定性判据，提供了黄土隧道支护结构理论依据。

综合上述研究，黄土隧道开挖后变形急剧且量值大，围岩自稳性差，必须采用钢架和锁脚锚杆（管）强支护，且拱部系统锚杆受压其支护效果不显著，而岩承理论其核心是充分发挥围岩的自承能力，采用锚喷柔性支护，其前提是围岩要具有自承能力。由此可见，锚喷柔性支护为主体的岩承理论不适合黄土隧道，从而提出了黄土隧道采用钢架为主体控制变形的刚性支护理论。

创建公路黄土隧道结构设计方法

项目建立了基于现场实测钢架应力的黄土隧道结构荷载计算方法，提出了公路黄土隧道围岩分级标准，创建了黄土隧道“钢架喷网锁脚锚杆（管）+二次衬砌”结构体系，提出了公路黄土隧道结构支护设计参数，从而形成了公路黄土隧道结构设计方法，为制定公路黄土隧道设计规范奠定了理论依据。

传统松散介质理论和现行规范方法按松动压力确定隧道荷载，其结果与现场实测值相差甚远，而实际上黄土隧道结构承受的是形变压力。项目采用实测钢架应力反分析法，建立了基于现场实测钢架应力的黄土隧道结构荷载计算方法，推导了黄土隧道结构荷载计算公式，提供了黄土隧道结构计算的基本条件。

围岩分级是隧道工程设计和施工的基础和关键。岩石隧道通常采用围岩坚硬程度和完整程度作为围岩分级的基本指标，不适合于黄土物理性质的描述。项目采用定性特征和定量指标相结合的综合评判方法，结合黄土形成时代、塑性状态、节理发育程度、围岩开挖后的稳定状态等定性指标和围岩剪切波波速定量指标，明确了黄土围岩分级指标及获取方法，并考虑隧道土质特征、地下水及隧道埋深等因素进行修正，建立了黄土（黏质土）围岩潮湿程度定性值与定量对应关系，提出了公路黄土隧道围岩分级标准，形成了公路黄土隧道围岩分级方法，提供了黄土隧道设计规范制定依据。

岩承理论提出隧道初期支护应采用“系统锚杆+喷射混凝土+钢筋网+钢架”组合结构。通过对黄土隧道钢架支护条件下系统锚杆进行现场测试和理论分析，表明系统锚杆在黄土隧道中作用不显著，可以取消。同时，现场测试发现锁脚锚杆受力较大，最大应力达到锚杆极限应力的55.4%，作用显著。因此，项目提出黄土隧道取消系统锚杆，采用“钢架+喷射混凝土+钢筋网+锁脚锚杆（管）”的初期支护组合新结构，由此创建了黄土隧道初期支护结构，突破了传统的隧道支护结构体系。

在高管薪酬方面，王化成等（2015）研究认为企业聘请具备海外背景的人才担任独立董事是排除人性自觉和依法治理等内外部治理环境后随着社会的发展而形成的新型治理机制。理论与实证研究都证实，具有海外背景的独立董事的企业的高管薪酬业绩敏感性更高，促使高管们决定持有更多现金。原因在于我国独立董事具备海外背景后，可以有足够的实力去调节高管的薪酬契约，较大幅度地提高董事会的办事效率和治理水平。

黄土隧道拱部系统锚杆受压机制（浅埋隧道）

黄土隧道拱部系统锚杆受压机制（深埋隧道）

传统黄土隧道衬砌结构

新提出的黄土隧道衬砌结构

项目总结了150余座黄土隧道工程实践，结合黄土隧道现场实测和数值模拟研究，基于提出的黄土隧道结构荷载计算方法、围岩分级方法和“钢架+喷射混凝土+钢筋网+锁脚锚杆（管）”的初期支护组合新结构，针对不同的围岩级别，提出了公路黄土隧道结构支护设计参数，指导了黄土隧道设计施工。

创新黄土隧道施工技术

项目提出了“快挖、快支、快封闭，二次衬砌仰拱紧跟，二次衬砌适时施作”的黄土隧道施工方法，形成了3项国家级工法；研制了一系列应力应变测试仪器和远程监测系统，建立了高效率的黄土隧道施工监控量测方法；创新了黄土隧道施工技术体系，提高了施工工效近2倍，攻克了黄土隧道地表裂缝、拱部整体沉降、衬砌开裂和坍塌防控技术难题。

根据黄土隧道变形规律，控制拱部沉降尤其是早期沉降是确保黄土隧道结构稳定的关键，项目提出快挖，初期支护快支和快封闭，增设锁脚锚杆（管）。在变形持续增长阶段，二次衬砌仰拱要紧跟，并及时进行仰拱回填和施作路面基层，增加结构整体稳定性。强调加强初期支护，二次衬砌拱墙不宜紧跟，应适时施作，形成了浅埋大跨度黄土隧道偏心CD法施工、软塑粘土地层大断面浅埋隧道微台阶施工、严寒地区土质隧道组合支护结构施工3项国家级工法，提高了黄土隧道施工工效近2倍，攻克了黄土隧道地表裂缝、拱部整体沉降、衬砌开裂和坍塌防控技术难题。

为提高黄土隧道施工监控量测精度和工效，项目自主研制了CD型钢弦式测力锚杆，提高了测试精度，获得发明专利3项；研发了隧道光纤光栅锁脚锚管测力系统，形成了光纤光栅测力锚管的制作、引线、封装和保护全知识产权技术，获得发明专利2项；提出了采用表面应变传感器量测隧道型钢钢架应力的方法，解决了钢架应力量测不准的难题，获得发明专利1项；开发了钢弦式传感器智能测频系统和土木工程结构健康状态远程监测系统，提高了黄土隧道施工监控量测自动化和智能化，获得发明专利1项。针对传统接触量测法测量隧道变形存在劳动强度大、效率低、干扰施工等问题，项目提出了采用全站仪对边量测法（RDM）进行黄土隧道变形量测，给出了精度要求和测站设置的最佳距离，提高了黄土隧道变形量测工效50%。

实践：工程、标准及人才队伍的全面提升

“黄土隧道支护理论与设计施工关键技术”成果直接应用于陕西省吴子高速公路32座黄土隧道、神府高速公路墩梁隧道工程建设，保证了施工安全、工程质量和工期，实现了施工“零死亡”的目标，经济和社会效益显著。工程已分别于2007年10月和2011年12月建成通车，2018年由第三方检测机构定期检查表明，隧道技术状况评定为1类和2类。隧道运营十几年来结构稳定，未发生衬砌渗漏、开裂等现象。

项目成果推广应用于黑龙江哈尔滨绕城公路天恒山隧道，实现了黄土隧道支护理论和设计施工技术体系在高含水率粘土隧道中的成功应用。天恒山隧道（全长3350米）处于软可塑及软亚粘土层中，锚杆施工成孔困难，注浆效果差，严重影响工程进度和质量。应用项目成果全部取消系统锚杆，采用留核心土微二台阶五步开挖法，解决了施工难题，确保了施工安全。天恒山隧道2009年10月建成通车，隧道结构稳定，衬砌安全可靠，运营效果良好。

郑西、宝兰和大西铁路客运专线，西安地铁、兰州地铁，青兰高速公路等数十个国家重点建设项目的数百座黄土隧道运用了项目成果，应用时间3年以上，取得了十分显著的效果。依托项目工程大西客运专线马家庄隧道获2016年至2017年度中国建设工程鲁班奖（国家优质工程）和2015年至2016年度铁路优质工程一等奖（国家铁路局）。

项目成果“黄土隧道支护设计与关键施工技术研究”和“公路隧道施工围岩稳定性及支护效果监控量测技术的研究”被列入2012年交通运输部交通运输建设科技成果推广项目。

隧道光纤光栅锁脚锚管测力系统示意图

成果编制了国家行业标准《公路隧道设计细则》（JTG/T D70-2010）（黄土地区隧道设计）和《公路水运工程试验检测机构等级标准》（交质监发〔2008〕274号）（隧道施工监控量测相关内容）、《陕西省高速公路施工标准工艺-黄土隧道开挖施工标准工艺》（陕交发〔2009〕120号）、《陕西省公路建设工程质量工作指导意见》（〔2009〕99号、〔2012〕41号）等7部国家行业标准、地方标准及地方工程建设指导意见，对我国黄土隧道建设提供了技术指导。

成果被纳入《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》（JTG 3370.1-2018）和《铁路黄土隧道技术规范》（Q/CR 9511-2014），被著名隧道工程专家、中国工程院王梦恕院士撰写的专著《中国隧道及地下工程修建技术》引用，被公路隧道设计施工工具书《公路隧道设计手册》引用。

成果编写了全国公路工程试验检测人员资格考试用书《隧道》（发行11.3万册），应邀举办了32次共计5000余人参加的全国技术培训交流会，效果显著，深受好评。项目成果培养研究生29名，造就了一大批工程设计施工技术和管理人员，为隧道工程建设提供了人才储备。

硕果：经济、社会和生态效益的全方位收获

黄土隧道中系统锚杆的取消，不仅降低了工程造价，而且减少了工序，缩短了初期支护封闭成环时间，加快了施工进度，提高了施工安全和结构稳定性。根据对黄土隧道不同围岩级别段落施工各工序所需时间的统计，两车道黄土隧道Ⅳ级围岩取消系统锚杆可缩短13%的建设工期；三车道黄土隧道Ⅴ级围岩取消系统锚杆可缩短15%的建设工期，在Ⅵ级围岩情况下节省时间则更加显著。

两车道黄土隧道Ⅳ级围岩取消系统锚杆可节省工程费每延米3174元（占隧道每延米工程造价的11%），Ⅴ级围岩可节省工程费每延米4410元；三车道黄土隧道取消系统锚杆，深埋Ⅴ级围岩条件下可节省工程费每延米6278元，浅埋Ⅴ级围岩条件下可节省工程费每延米8162元。成果应用取得的经济效益和社会效益特别显著。

公路黄土隧道支护设计参数表

郑西铁路客运专线黄土隧道、宝兰铁路客运专线黄土隧道、西安地铁区间隧道、兰州地铁区间隧道、大同至西安铁路客运专线黄土隧道、河南桃花峪隧道、黑龙江天恒山隧道、蒙华铁路黄土隧道等数百座黄土隧道应用了项目研究成果。据不完全统计已为国家节省工程费用13亿元。相关工程已建成通车，自运营以来，隧道结构安全可靠，效果良好，经济效益特别显著。

马家庄隧道

项目建立了黄土隧道支护理论与技术，提出了取消系统 锚杆，采用“钢架+喷射混凝土+钢筋网+锁脚锚杆（管）”的初期支护组合结构，减少了锚杆施工时间，保证了仰拱闭合时间，确保了隧道结构稳定，节省了工程费用，节约了工期。有效控制了黄土隧道变形，预防了隧道地表开裂、支护侵限、洞内坍塌等重大灾害事故的发生，保障了施工人员生命财产安全，提高了工效，确保了施工工期。

在黄土隧道建设期间，应用项目技术，避免了地表开裂和塌方事故，保证了地面既有建筑物的安全稳定，取得了良好的社会影响；黄土隧道运营通车形成了全天候安全运输通道，缩短了公路里程，节约了能源资源，减少了路堑边坡开挖，最大限度保护了黄土地区生态环境。

黄土地区是中华民族的发祥地，是国家“一带一路”倡议实施的主战场，是我国重要的能源基地。新技术支撑了黄土隧道工程建设，促进了西部黄土地区高速公路网、铁路网，以及城市地铁网的形成，对于推动黄土地区经济增长和社会繁荣起到积极的作用。

团队：育才、科创、践行的全力进击

项目团队负责人所在的依托单位——长安大学（原西安公路学院），在我国最早设立了公路隧道工程本科专业。早在20世纪70年代，长安大学就与中交第一公路勘察设计研究院有限公司（原交通部第一公路勘察设计院）开展了公路隧道方面的相关研究工作。特别是近三十年来，我国公路隧道建设得到了迅猛发展，长安大学联合中交第一公路勘察设计研究院有限公司、陕西省交通建设集团公司和陕西省高速公路建设集团公司等企业，完成了十多项国家、省级科研项目研究任务，逐步形成了以陈建勋教授为带头人的“公路隧道建养理论与技术研究”创新团队，并在2014年入选陕西省重点科技创新团队。

团队在王梦恕院士和梁文灏院士的指导下，以国家重大隧道工程建设为依托，以重大科研项目为牵引，以解决西部复杂环境公路隧道工程建设中的关键技术为目标，根据团队成员的意愿，结合各人的学术特长，考虑各研究方向分工和团队协作，在黄土隧道支护理论与技术、寒冷地区隧道冻害机理及其防治技术、深埋软岩隧道大变形机理及其控制技术、超大跨度隧道结构稳定性及施工技术、公路隧道通风照明节能技术等方面开展了特色研究。依托秦岭终南山公路隧道（长18.02公里）、包家山隧道（长11.2公里）、渭武高速公路木寨岭隧道（长15.2公里）等国家大型重点工程，承担各类科研项目80余项，其中国家自然科学基金资助项目20余项（含重点项目1项）、国家重大科学仪器设备开发专项1项、国家重大研发计划课题1项、国家“973”计划课题子项2项、国家科技支撑计划课题子项1项、国家西部交通建设项目4项、交通部科技联合攻关项目1项，合同金额超过5000万元。

团队共发表论文200余篇，SCI、EI收录100余篇，出版专著及教材16部，参编《公路水运工程试验检测机构等级标准》《喷射混凝土应用技术规程》《公路工程质量检验评定标准》和《公路隧道加固技术规范》等规范和标准。团队共获得发明专利60余项、软件著作权3项；获得省部级以上奖励23项，国家科技进步奖一等奖1项、二等奖1项，省部级科学技术奖特等奖2项、一等奖5项、二等奖11项，国家教学成果奖二等奖1项。研究成果在公路、铁路及地铁行业数百座隧道中得到应用，为我国西部地区交通隧道领域的科技进步和工程建设做出了重要贡献。

长安大学教授陈建勋团队所获奖项