编者按：

8月13-14日，第四届山地城镇可持续发展专家论坛在新疆伊宁成功召开，本次论坛主题为“一带一路倡议略与山地城镇交通规划建设”。中国岩石力学与工程学会常务理事，中国科学院页岩气与地质工程重点实验室主任、研究员，中科院战略性先导项目首席科学家李晓出席论坛，并作了题为《山地城镇交通建设面临的隧道地质灾害问题》的大会学术报告。国家一带一路重大战略部署为西部交通基础设施建设提供了难得的发展机遇，在山区高速交通建设中隧道经常是控制性和高风险工程，施工地质灾害频发。李晓教授结合工作经验通过典型的案例，从工程技术的角度系统分析了山地隧道工程的特点、隧道地质灾害类型、隧道塌方原因与对策，并提出科学预防与合理处置隧道施工地质灾害，对降低隧道施工风险、保证工期、控制投资具有重要意义，在规划、勘查、设计阶段应以足够重视。

李晓 中国岩石力学与工程学会常务理事，中国科学院页岩气与地质工程重点实验室主任、研究员，中科院战略性先导项目首席科学家

一、交通隧道概况

丝绸之路经济带是一个宏伟的规划，特别是通过伊宁出境一直到俄罗斯，一直到欧洲的荷兰，这是一个非常宏大的规划。但是西部的交通状况是远低于东部地区的，截至2014年底，西部铁路的路网密度是每百万平方公里0.65公里，高速公路的路网密度是百万平方公里0.54公里。再看河北省的数据，截至2015年6月底，河北等级以上公路网达到了每百平方公里107公里，高速公路的路网达到了每百平方公里3.6公里，东西部差距还是比较大的。

长大隧道工程是山区高速公路建设的控制性工程。我国75%是山地或丘陵，在道路建设当中，以前普遍的做法就是盘山绕行或是升斜坡。但随着我国经济社会的发展，需要高速或快速交通，在山区高速/快速交通的建设中，越来越多地使用隧道方案。隧道是一个风险性较大、投资较多、工期又比较长的工程，因此它经常是道路建设的一个控制性的工程。

1、高速交通线路采用隧道的优越性

高速交通线路采用隧道工程的优越性是：线性好，可以大大缩短里程，根除道路病害，保证道路的畅通；安全性和耐久性好；保护环境和节约供地；特别是抗震性能比较好，尤其在地震级别比较高的西部地区。

汶川地震给了我们启发，汶川地震后路面基本上损毁很大，边坡到处都是坍塌，东部高速公路尚未通车的一个百花大桥断裂。但是极震区有三条二级路的隧道没有按照抗震设计：友谊隧道、白云顶隧道、马鞍山隧道，却损坏非常轻微，稍做维修即可使用。在震中区317公道、318公道有两个比较重要的隧道是经过抗震设计的，鹧鸪山隧道和二郎山隧道基本上没有出现任何问题，成为了进入汶川县城救灾的唯一通道，因此隧道工程抗震性能非常好。

2、我国的公路隧道发展迅速

我国的公路隧道发展迅速，50年代全国一共才30座隧道，总长度2.5公里，2014年已经有12404座隧道，总长度超过了1万公里，单栋长度超过了1.8公里。

世界上最长的隧道是挪威的诺达尔公路隧道24.5公里，但是它是单洞双向行使，类似于我国二级路的隧道。我国2007年建成的秦岭终南山隧道，是中国第一、世界第二长的公路隧道，长度18.02公里。台湾的雪山隧道一共12.9公里，历时15年，在施工当中遇到了很大的困难，所以工程技术也是一个制约交通建设的非常重要的因素。

3、我国的铁路隧道发展迅速

我国的铁路隧道发展也是非常迅速的，2013年的铁路隧道已经有11000座，总长度接近9千公里。2014年在建的4000多座，长度将近8千公里，隧道的工程量在迅猛增加。

我国最长的隧道是2014年底通车的青藏铁路的新关角隧道，以前需要两个小时来绕青藏公路，现在新广角隧道开通以后，二十分钟就通过，大大提高了运行的速度，节省了时间。

我国第二长的隧道是石太线太行山隧道，长度27.8公里。我们参与了整个隧道的施工地质难题，它主要是膏溶角砾岩，强度非常低，只有0.14兆帕，遇水膨胀。采用长隧短打的钻爆法施工，全隧设9个斜井、24个工作面同时施工。

“中国的桥隧博物馆”宜万铁路，从湖北宜昌到重庆万州，全长377公里，桥隧占线路总长的74%，桥隧占比为世界之最。在施工当中也遇到了岩溶、断层破碎带、滑坡、崩塌这些地质灾害。

还有刚刚开工建设的蒙华铁路，从内蒙主要产煤地一直到江西吉安，这是一个南北大通道，线路一共长度是1800多公里，隧道占22%长度是400多公里。因此西部山区交通大通道，隧道的工作量是很大的。

值得说的是世界上最长的隧道是辽宁大伙房输水隧道，全长85.3公里，使用三台隧道掘进机施工，连续皮带机出渣。施工建设过程中的遇到断层、溶洞、涌水等不良地质灾害，也采用多种手段做了整个隧道的不良地质超前预报。

4、展望跨流域调水工程和大型水电工程

正在规划的南水北调一线工程全长260公里，隧道占93.6%，特别是要通过巴彦格拉山脉，海拔比较高。还有一些大型的水电工程，埋深比较大，跨度也比较大，像锦屏一级水电站宽度达到29米，高度达到69米。

二、山地隧道工程特点

·高速交通不像盘山路一样，要强调线性和坡度，因此选线的余地比较小。

·山区地质条件比较多变，勘察手段难以事先确定，目前国内勘察阶段道路勘察准确率不到60%。

·施工中不断爆破和破坏岩体，围岩力学状态与性质不断劣化，因此隧道建设是一个风险比较高，事故率也比较高的工程。

·支固设计隐蔽性比较强，质量难以控制。

·作业空间和行走通道比较有限，一旦出现事故比较难以逃生。

三、隧道地质灾害类型

隧道地质灾害分两类，一类叫固体地质灾害，包括隧道塌方过程中的坍塌、冒顶、片帮，岩爆，软岩大变形。还有一些水气参与进去以后，第二类就是流体地质灾害，包括涌水突泥、瓦斯突出、高温热害和低温热害。

有数据统计，2009-2013年各种不同类型的隧道工程类型发生次数和死亡人数，塌方冒顶事故数是最多的，占到事故总数的71%，死亡人数也占到总死亡人数的48%。

1、塌方冒顶

塌方冒顶是隧道里面最为常见，也是发生次数最多、伤亡最大的一种典型的地质灾害。事故的因素很多，有地质原因，有工程因素，突发性比较强，危害巨大，而且比较难以预测，难以治理。以塌方位置划分，可分为洞口塌方、掌子面塌方、掌子面后部塌方。

洞口塌方非常多，因为由于洞口具有仰坡临空面，如果坡体不稳定，进洞、出洞时，极易产生大塌方。比如2007年11月份伊万铁路的塌方造成35人死亡，主要原因是出洞爆破时把一个山体崩塌，滚落下来砸坏了一辆正在通过的大客车。还有个例子今年7月份贵州云海高速公路1号隧道刚刚开始打洞的时候，产生了山体崩塌，掩埋了一些民房和公路建设，造成汇集河道堵塞，形成了堰塞湖，不得不改线，大大延误工期，至今尚未全线通车，改线部分正在建设。

另外隧道进洞的时候仰坡的滑坡，因为很多隧道进洞的时候，山前的冲洪堆积物、崩塌堆积物等与积岩有一个交面，刚打隧道就从基岩产生一些滑坡，即使是钢筋混凝土二衬，也不可能抗住滑坡，这种情况下必须要进行处理。例如云南的大瑞铁路线沙坝隧道，大理到瑞丽的高速公路，也是隧道塌方很多，洞口边坡和仰坡采用大断面护坡桩，很粗的桩打下去，先把山地稳定了以后再在里面开发隧道。还有一些掌子面塌方的例子也很多。现在我们看到报道的大多是掌子面后部塌方，开到前面了，后面塌方了。

2、岩爆

岩爆是一种岩体中聚积的弹性变形能在一定条件下的突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象，属于动力地质灾害。例如新疆齐热哈塔尔水电站现在正在建设，是在塔苏过尔干河上面建的水电站，属于卡拉昆域山脉，它的定力比较高，构造活动也比较强烈。隧道已施工9738米，产生岩爆强度占总长度的30%，有几个掌子面开发6个小时岩体突然产生了爆响，弹射岩块最大20cm，而且还有一些弹射的现象，最大的弹射距离达到了弹射距离达2m。从岩爆来看，基本上随着埋深的增加，岩爆的发生次数和强度都在增加。

公路隧道也有岩爆现象。例如重庆渝长线铁山坪公路隧道和川藏线的二郎山公路隧道。只要是通过这些构造运动比较活跃、定力比较高、岩石相对来说比较脆的地方，都会产生这种岩爆现象，只不过程度的强弱不一。

3、软岩大变形

一般的岩石强度都比较低，软岩是指在力作用下能产生显著塑性大变形的岩体。例如，泥岩、页岩、粉砂岩、弱胶结砂岩、膨胀岩、断层破碎带等。例如甘肃金川镍矿一个很大的挤入性大变形，把很粗的金属支架折断，钢筋也折进了弯，本来是一个拱形最后挤成尖桃形。

高速公路的隧道大变形例子也很多，比如保阜高速韩家庄隧道，软弱夹层膨胀性软岩大变形等。钢筋混凝土一旦发生开裂或者发生坍塌了，处理起来非常复杂。

4、突水涌泥

突水涌泥的事故是隧道施工中常见的地质灾害，危害较大。突水涌泥主要发生在断层、大型溶洞及暗河、煤系地层中的采空区和金属、非金属矿山老窑积水等。

“中国的桥隧博物馆”宜万铁路野三关隧道在掌子面出砟过程中，突发突水突泥事故，1.5小时突水15万m3，致使52名工人被困，最终10人死亡。主要原因是地表水与地下岩溶及断层水系相通，造成岩溶承压水突水突泥。

铁路、公路隧道的突水涌泥事故，例如日本的青函隧道曾4次发生突水事故，死伤严重。

5、岩溶塌陷

在沉积岩（石灰岩、白云岩）地区，隧道施工经常遇到溶洞，极易产生塌方冒顶事故。例如在河北的太行山脉溶洞就很多。从青岛到兰州的青兰高速鼓山隧道，长58米，连续四次遇到溶洞，四次塌方，也有一些伤亡，溶洞高度达到了将近9米，扎坏了一些机械设备。还有一些其它的高速公路的岩溶的塌陷也非常重要。

6、瓦斯突出

在煤系地层开挖隧道经常伴有瓦斯存在，它对隧道施工人员和机械设备是一个巨大的威胁。

7、低温冻害

特别是北方、高原地区，由于低温，在混凝土二衬上面，可能有一些水没有及时排出来，产生了冻害。例如在河北的张家口地区，坝上一个高速公路的低温冻害，特别是高速公路下面有一些水，冬天一结冰，在汽车的行使上是非常危险的。

8、高温热害

超过规定温度28℃即为高地温或者称为热害。例如新疆齐热哈塔尔水电站工程发电引水隧洞，地面温度局部地段达到80℃，地下水温达到了62-67℃，整个高温地段占总主体长度差不多70%，最后用了很多措施来解决。

四、隧道塌方原因与对策

塌方是发生次数最多，损失最大的，是经常遇到的地质灾害事故。发生的原因有地质的因素，也有工程的因素，事实上也有施工的因素，就是人为的因素，有些是几个综合作用的结果。

1、沿断层破碎带塌方

保阜高速（保定-阜平）是河北省高速公路“五纵六横”中的“六横”之一，保阜高速有一个隧道叫韩家庄隧道，长度为300多米，左右幅双洞四车道，左线历时6个月贯通，右线却历时3年。原因是设计的时候，左线基本上是沿着山里面走，右线恰好是落在断层带里面，全洞沿F22断层破碎带（宽度40m）布设。塌方冒顶，大变形，侵入二衬一系列的灾害，300多米用3年时间，因此给我们的教训是在规划勘察选线时，隧道向外面偏30-40米，或者向里面偏20米或者30米，即可避让断裂带。

2、沿软弱面塌方

京承高速（北京-承德）是河北省第一条高速公路隧道，曾产生大的隧道塌方，隧道被完全封堵，致使洞内5名作业工人被困，冒落孤石结构达到1.6m×1.6m，双排支架都被压弯。主要原因是沿后期侵入的花岗岩脉与混合岩母岩之间的接触蚀变带滑塌。在后期侵入过程中，由于热液作用，侵入体与母岩之间的岩体高度蚀变，形成一层接触蚀变带。蚀变带岩石多为胶泥状，极易风化，遇水呈泥状。救人方案是沿塌方体右边界快速掘进导洞。经23小时抢险，被困5人全部获救，救出来40分钟以后，一声巨响，整个的隧道一直塌到山上。这个案例就是对地质条件了解不清，在施工当中，也没有把这个作为一个重要的问题导致的。

3、开挖下道塌方

2009年河北张家口-石家庄高速公路保定段，岳家沟隧道在开挖下道时掌子面后部产生大塌方，将洞身封堵，使洞内3名作业工人被困。当时有两个救援方案，其中一个是从另外一条线掘进50多米长的横洞，必须要快速掘进。7天6夜，真正打横洞用了120小时，因为一开始是从塌方体里面走，最后由横洞里面走，把3名工人抢救出来了。现在隧道塌方的灾害很多，特别是像保定、承德这些离北京也比较近，一旦发生，公私媒体蜂拥蝶至，其中不乏敲诈勒索之人。危机公关处置的正确办法就是地方各级党报第一时间的正确报道，起到舆论引导的作用。另外为什么会产生这个问题呢？主要原因是隧道施工封门塌方经常发生，危害较大。拱部大面积空顶，支架拱脚长距离悬空--上空顶、下悬脚。开挖上台阶时，存在小塌冒，或爆破超挖严重，而没有正确处理，致使拱顶部位大面积空顶。开挖下台阶时，钢拱架悬空，若锁脚锚杆设置不良，上部空顶围岩塌落冲击，极易产生“封门”塌方。因此在施工当中，一定要注意顶板的空顶的处理。

4、贯通带塌方

一般都是相向打，打到中间了产生一些塌方。

5、其他隧道塌方

资料显示，还有一些其他的隧道塌方。近几年施工单位都在做施工保险，施工保险一旦出现了地质灾害，保险公司要赔付，甚至还会有司法部门介入。因此我们在隧道的施工过程当中，隧道产生塌方了，一定要保留一些原始的摄影摄像资料，原始的技术资料，照片、录像、文字、报告等。特别是这几年要强调关于隧道地质灾害的超前预报非常重要，包括现在用的最多的是地球物理的方法，我们一直在做这方面的工作。

6、加强隧道超前地质预报与施工质量检测

主要是使用超前地质预报的技术方法。例如控顶，因为隧道是个隐蔽性工程，支固一旦上去，里面到底有多少空顶，支固情况如何是看不到的，因此施工前面的超前预报，后面的质量检测是非常重要的。

五、几点建议

从工程的角度对西部山区隧道工程提几点建议。

1、加强施工地质工作

现在通常重视勘察期间的地质工作，轻视施工期间的地质工作。而在勘察阶段，不可能把所有的不良地质现象搞清楚。受地理环境影响勘察的钻孔比较少，比如高山没电没水，钻机上不去，有时电可以发，水上不去，特别是钻孔和隧道是垂直的，隧道是水平打，钻孔是垂直打，隧道能揭露一些不良的地质现象，钻孔未必能揭露得出来。因此在施工过程中的地质工作非常重要。例如在花岗岩地区，很多花岗岩的风化囊，里面有碎石、水等地面根本看不见。勘查阶段除非钻孔恰好打到这里，否则很难发现，隧道一旦揭露，没有迹象，突水涌泥，一冒到顶。

石灰岩地区经常遇到岩溶管道流，勘查阶段不易发现， 隧道一旦揭露， 突水涌泥， 若是承压水， 或与地表水系连通， 灾害更大。所以一定要重视施工地质工作，否则灾害发生很难预测。

2、加强超前地质预报与施工质量检测

现在我们的地球物理探测手段是发展中的一个科学，还不完善。发展高新技术手段，深化地球物理反演理论方法，提高预报和检测精度。

3、大力推广液压凿岩台车

隧道掘进，特别是公路铁路隧道掘进，现在大部分还是冒钻，钻孔的工作量占2/3，爆破孔要打钻，锚杆孔要打钻，隧道掘进30岁以下的年轻工人严重缺乏。

4、加快推进隧道掘进机（TBM）小型化

与国家“一带一路”倡议与重大装备制造战略相结合，推进TBM小型化研发，使1km以上的隧道均可采用小型TBM施工，减轻劳动强度、提高作业效率、增加施工安全性。

国家“一带一路”重大战略部署为西部交通基础设施建设提供了难得的发展机遇。在山区高速交通建设中，隧道经常是控制性和高风险工程，施工地质灾害频发。科学预防与合理处置隧道施工地质灾害，对降低隧道施工风险、保证工期、控制投资具有重要意义，在规划、勘查、设计阶段应以足够重视。

（根据速记整理，未经专家审阅）