葉萬軍， 周子豪， 吳云濤, *， 陳 明， 陳孫恩， 趙建國(guó)

(1. 西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710054； 2. 中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西 西安 710024； 3. 中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司， 河北 三河 065201；4. 西安捷達(dá)測(cè)控有限公司， 陜西 西安 710000)

0 引言

隧道線路平緩順直，能夠大大降低目的地之間的距離，在選線時(shí)一直受到線路設(shè)計(jì)人員的青睞。隨著《國(guó)家高速公路網(wǎng)規(guī)劃》以及《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的相繼出爐，隧道工程進(jìn)入蓬勃發(fā)展階段。以往大多數(shù)專家學(xué)者針對(duì)隧道施工技術(shù)[1-3]、圍巖工程特性[4-5]、圍巖壓力及變形規(guī)律[6-7]、支護(hù)結(jié)構(gòu)[8-9]以及施工參數(shù)[10-11]等展開了一系列研究。這些研究均針對(duì)某一特定依托工程，而針對(duì)“隧道工程”這一方向，仍缺乏以文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)為紐帶展開的相關(guān)研究。

采用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法對(duì)文獻(xiàn)的外部特征進(jìn)行定量分析，能夠避免受到主觀因素的影響，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)該領(lǐng)域研究現(xiàn)狀、各機(jī)構(gòu)研究水平、評(píng)估學(xué)科發(fā)展態(tài)勢(shì)、捕捉科研熱點(diǎn)等[12]。近些年，國(guó)內(nèi)專家已經(jīng)運(yùn)用文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)的方法針對(duì)物流需求[13-14]、公共衛(wèi)生[15-17]、城市發(fā)展及治理[18-19]、農(nóng)業(yè)發(fā)展[20-22]等進(jìn)行了大量研究。

本文將從文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)角度出發(fā)，以“隧道工程”為研究對(duì)象，從文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)分析、研究熱點(diǎn)、研究趨勢(shì)等方面開展研究，明確隧道工程發(fā)展歷程，了解研究熱點(diǎn)，歸納主要研究?jī)?nèi)容，預(yù)測(cè)未來主流發(fā)展方向，以期為隧道工程的相關(guān)研究提供參考。

1 方法與數(shù)據(jù)收集

1.1 研究及使用方法

統(tǒng)計(jì)知識(shí)載體從而進(jìn)行定量分析作為文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的基礎(chǔ)，該方法能夠揭示和研究發(fā)文規(guī)律，方便文獻(xiàn)管理。近些年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于大數(shù)據(jù)進(jìn)行文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，從而形成可視化網(wǎng)絡(luò)，CiteSpace、UCINET、VOSviewer和Global maps of science等軟件工具均能實(shí)現(xiàn)以上功能。

本文所采用的VOSviewer是荷蘭萊頓大學(xué)科技研究中心開發(fā)的一款基于Java的開源軟件，主要面向文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，適應(yīng)于無向網(wǎng)絡(luò)的分析，側(cè)重科學(xué)知識(shí)的可視化。該軟件簡(jiǎn)單易于操作、支持多格式使用，可提供多類視圖解讀。

操作流程如下： 1)將圈定后的文獻(xiàn)導(dǎo)出為txt格式文件； 2)對(duì)txt文件中的符號(hào)字符進(jìn)行調(diào)整； 3)導(dǎo)入文獻(xiàn)管理器，并轉(zhuǎn)換為ris格式文件； 4)導(dǎo)入VOSviewer軟件，限定關(guān)鍵詞貢獻(xiàn)數(shù)量； 5)生成網(wǎng)絡(luò)可視化圖、標(biāo)簽視圖及密度可視化圖。

1.2 數(shù)據(jù)收集

本文數(shù)據(jù)來源于中國(guó)期刊CNKI全文數(shù)據(jù)庫(kù)，以主題檢索的方式進(jìn)行檢索，以“隧道工程”作為檢索詞，共計(jì)檢索結(jié)果80 088項(xiàng)，包含期刊、學(xué)位論文、專利、圖書、會(huì)議、年鑒及標(biāo)準(zhǔn)等。為了提高檢索精度，更好地發(fā)掘數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析，將檢索范圍進(jìn)行一定限制，具體如下： 1)圈定檢索類型為中文學(xué)術(shù)期刊； 2)圈定為近20年文獻(xiàn)(2001—2020年)； 3)圈定文獻(xiàn)來源均為核心期刊及EI來源期刊。根據(jù)以上限定進(jìn)行檢索，剔除創(chuàng)刊紀(jì)念稿、征稿信息、新聞報(bào)道等共計(jì)125項(xiàng)，剩余5 259項(xiàng)作為全文研究的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)分析

2.1 不同時(shí)間發(fā)文數(shù)量分析

根據(jù)文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)理論，文獻(xiàn)數(shù)量反映了該領(lǐng)域研究水平。本文統(tǒng)計(jì)了近20年“隧道工程”領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn)(見圖1)，從圖中可以看出，雖然曲線過程有一定的波動(dòng)，但是整體表現(xiàn)為隨時(shí)間增長(zhǎng)發(fā)文數(shù)量逐漸增加的趨勢(shì)，充分說明近些年人們對(duì)隧道工程領(lǐng)域的關(guān)注度逐漸增加，國(guó)內(nèi)專家學(xué)者在該領(lǐng)域的研究不斷豐富。結(jié)合發(fā)文數(shù)量，將關(guān)于“隧道工程”的研究分為緩慢增長(zhǎng)階段、增長(zhǎng)階段和快速增長(zhǎng)階段，分別以發(fā)文量200篇和300篇為界限，具體如圖1所示。

圖1 2001—2020年隧道工程研究文獻(xiàn)分布

1)2001—2007年。從圖1可以看出，在2007年以前，年發(fā)文量不超過200篇，發(fā)文量相對(duì)較少，增長(zhǎng)率較小，間接反映該階段隧道工程領(lǐng)域發(fā)展相對(duì)較慢。雖然我國(guó)在2004年就通過了《國(guó)家高速公路網(wǎng)規(guī)劃》，但是截至2007年僅完成“五縱七橫”主干道的建設(shè)，且大部分均在東部城市，隧道使用率相對(duì)較低。

2)2008—2012年。隨著高速網(wǎng)的不斷擴(kuò)展，相對(duì)偏向西部地區(qū)，而西部地區(qū)山地較多，為隧道建設(shè)提供了廣闊的平臺(tái)；同時(shí)，隨著2007年《綜合交通網(wǎng)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》的提出，我國(guó)鐵路網(wǎng)不斷壯大，使得隧道工程里程不斷刷新；另外，在此階段，國(guó)內(nèi)地鐵建設(shè)進(jìn)入發(fā)展階段。三者共同作用造成“隧道工程”領(lǐng)域發(fā)文量進(jìn)入增長(zhǎng)階段，但年均發(fā)文量不超過300篇。

3)2013—2020年。步入2012年后，年發(fā)文量超過300篇，且自此開始進(jìn)入快速增長(zhǎng)階段，這緣于我國(guó)近些年提出“一帶一路”的發(fā)展戰(zhàn)略，多項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施向西部地區(qū)傾向，無論公路、鐵路、地鐵均呈現(xiàn)爆發(fā)式發(fā)展。以2020年建成的銀西鐵路為例，全線依次穿越咸陽塬、長(zhǎng)武塬、早勝塬、董志塬，其中全線隧道集中，超過10 km隧道6座，分別為新永壽梁隧道、彬縣隧道、永樂隧道、早三隧道、慶陽隧道、賈塬隧道，這將或多或少刷新隧道工程里程，也將成為文獻(xiàn)增加的主要原因之一；同樣，以城市地鐵建設(shè)為例，截至2012年我國(guó)內(nèi)地?fù)碛械罔F城市17個(gè)，截至2020年內(nèi)地?fù)碛械罔F城市45個(gè)，這也是推動(dòng)該領(lǐng)域發(fā)展的主要原因。

2.2 關(guān)鍵詞熱度及聚類分析

對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)行分析，由于文獻(xiàn)基數(shù)較大，限定出現(xiàn)頻次不少于20次的共有85個(gè)關(guān)鍵詞，分別繪制了關(guān)鍵詞聚類視圖、標(biāo)簽視圖和密度視圖，如圖2所示。同種類型關(guān)鍵詞字號(hào)越大、顏色越偏向紅色，代表出現(xiàn)的頻次越高，圖中主要分為紅色、黃色、綠色、藍(lán)色、紫色5個(gè)聚類。

圖2 2001—2020年文獻(xiàn)關(guān)鍵詞圖譜

同時(shí)，統(tǒng)計(jì)了該領(lǐng)域高頻關(guān)鍵詞，按照關(guān)聯(lián)強(qiáng)度進(jìn)行排序依次為隧道工程、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)、施工技術(shù)、盾構(gòu)、監(jiān)測(cè)等，其中，關(guān)聯(lián)強(qiáng)度最大的關(guān)鍵詞為隧道工程，而出現(xiàn)頻次最大的依然為隧道工程，具體見表1。

表1 隧道工程領(lǐng)域Top 10高頻關(guān)鍵詞

由于篇幅原因，文章并未一一列舉關(guān)鍵詞情況，以表格形式列舉了部分高頻關(guān)鍵詞，并對(duì)其進(jìn)行了分類，大致分為隧道施工技術(shù)、特殊巖土和不良地質(zhì)、穩(wěn)定性分析、隧道類型、風(fēng)險(xiǎn)控制及動(dòng)力分析，具體見表2。

表2 隧道工程領(lǐng)域研究主題及關(guān)鍵詞聚類

3 研究熱點(diǎn)及階段性前沿分析

3.1 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展分析

通過應(yīng)用VOSviewer軟件對(duì)國(guó)內(nèi)“隧道工程”相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行計(jì)量分析，初步得到了該領(lǐng)域研究者以及研究主題情況，對(duì)該領(lǐng)域有了初步認(rèn)識(shí)。結(jié)合圖2及表1內(nèi)容，歸納總結(jié)了該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，并預(yù)測(cè)了今后的研究方向。

3.1.1 隧道施工技術(shù)

國(guó)內(nèi)針對(duì)隧道施工技術(shù)類研究主要集中在鉆爆法、盾構(gòu)法、沉管法、TBM法、頂管法及明挖法的優(yōu)化改良、信息化配置、機(jī)械設(shè)備提升以及施工組織設(shè)計(jì)等，這些施工措施很大程度地解決了施工難點(diǎn)，提高了施工效率，保證了高效安全施工。

3.1.1.1 鉆爆法

鉆爆法作為目前隧道工程的主流施工方法，經(jīng)歷了數(shù)年的發(fā)展，取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。針對(duì)炸藥類型的選擇、炮孔布置方式及爆破參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量研究；但堵塞材料及堵塞長(zhǎng)度對(duì)爆破沖擊波和爆炸產(chǎn)生氣體的作用機(jī)制尚未明確，不同作用下的炮孔堵塞長(zhǎng)度、方便有效的新型填塞材料等問題還需進(jìn)一步研究[23-26]。為減少周邊圍巖擾動(dòng)而制定針對(duì)性的周邊爆破施工技術(shù)不斷引起專家學(xué)者的重視，通過采用預(yù)留光爆層全斷面一次開挖及分段預(yù)留減振孔等爆破施工新技術(shù)，達(dá)到了較好的開挖效果[27]。

同時(shí)，智能裝備配套鉆爆法也在隧道施工中得到了應(yīng)用。例如： 智能化鑿巖臺(tái)車、裝配式襯砌結(jié)構(gòu)、多功能臺(tái)車、履帶式鑿巖車等已經(jīng)在工程建設(shè)中取得了良好的效果。

3.1.1.2 盾構(gòu)法

盾構(gòu)法以其地層適應(yīng)性強(qiáng)、掘進(jìn)速度快、沉降變形控制效果良好等優(yōu)點(diǎn)受到工程項(xiàng)目的青睞，成為城市軌道交通建設(shè)的首選工法。近些年，針對(duì)盾構(gòu)施工的刀盤選型、刀盤受力特征、圍巖沉降量測(cè)、盾構(gòu)姿態(tài)控制、掘進(jìn)參數(shù)選擇以及注漿方式、注漿材料等方面均進(jìn)行了大量研究[28-33]。

可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)測(cè)沉降變形規(guī)律、選擇合適掘進(jìn)參數(shù)、選擇適當(dāng)注漿材料是保障施工質(zhì)量的關(guān)鍵，尤其近些年提出了克泥效技術(shù)進(jìn)行加固，對(duì)控制沉降具有顯著效果。

3.1.1.3 沉管法

沉管法是預(yù)制管段沉放法的簡(jiǎn)稱，是指在水底建筑隧道的一種施工方法。隨著港珠澳工程的建成，沉管法引起了廣泛關(guān)注。目前，對(duì)于沉管隧道的研究主要集中在地基處理、沉管接頭力學(xué)行為、接頭防滲水處理以及沉管安裝技術(shù)[34-36]等方面。

3.1.1.4 TBM法

硬巖掘進(jìn)技術(shù)(TBM)具有施工速度快、圍巖擾動(dòng)小、機(jī)械化程度高等優(yōu)點(diǎn)，隨著TBM由進(jìn)口轉(zhuǎn)向國(guó)產(chǎn)化，使得其在山嶺隧道、水工隧洞中得到廣泛應(yīng)用。目前，針對(duì)刀盤性能、切削力學(xué)模型等進(jìn)行了大量研究[37-39]。同時(shí)，TBM選型、TBM卡機(jī)、配套設(shè)備等也引起了大量關(guān)注，取得了一定研究成果[40-42]。

3.1.1.5 頂管法

頂管法作為一種非開挖或少開挖技術(shù)，由于能夠顯著降低對(duì)土層的擾動(dòng)，被廣泛應(yīng)用于管線及通道鋪設(shè)。由于城市建筑物密度較大，頂管法施工多需穿越地鐵、高架、區(qū)間、車站以及城市既有道路等工程，在施工準(zhǔn)備階段往往需要考慮用途、場(chǎng)地條件等影響因素，針對(duì)管節(jié)形狀、尺寸、長(zhǎng)度、配筋情況及固定支架作用力等進(jìn)行設(shè)計(jì)和充分論證[43-44]。另外，頂管施工引起地表沉降的計(jì)算方法、變形規(guī)律和控制措施也是需要關(guān)注的重點(diǎn)。

3.1.1.6 明挖法

明挖法作為地下工程施作最常用的方法，指先開挖構(gòu)筑物，后續(xù)回填恢復(fù)原有場(chǎng)地的施工方法。不同明挖法項(xiàng)目具有不同特點(diǎn)，針對(duì)具體工程的方案比選、設(shè)計(jì)以及施工方法均需要結(jié)合工程實(shí)際，進(jìn)行針對(duì)性分析；明挖法往往與其他工法結(jié)合施作，接頭部位往往受力復(fù)雜、工序較多，選擇合理的工法及安排合理的施工組織設(shè)計(jì)有助于保證工程項(xiàng)目安全推進(jìn)；另外，由于明挖過程時(shí)常涉及深大基坑工程，基坑設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性分析、風(fēng)險(xiǎn)分析及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律同樣是關(guān)注的重點(diǎn)。

3.1.2 特殊巖土和不良地質(zhì)

特殊巖土和不良地質(zhì)作為制約隧道工程建設(shè)的主要因素，直接決定設(shè)計(jì)選線及施工工法，本文選擇幾種高頻關(guān)鍵詞，對(duì)其研究熱點(diǎn)進(jìn)行一一歸納。

3.1.2.1 破碎地層

近些年，隨著基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，千枚巖、變質(zhì)砂巖、碳質(zhì)板巖等軟弱破碎圍巖成為隧道工程建設(shè)的難點(diǎn)。例如： 蘭渝鐵路木寨嶺隧道、蘭新鐵路烏鞘嶺隧道、成蘭鐵路云屯堡隧道等均由于工程地質(zhì)問題延誤施工工期，帶來了一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

此類圍巖多處于斷裂帶附近，由地殼擠壓作用形成，圍巖結(jié)構(gòu)面發(fā)育，多填充碎屑或黏土礦物，不具有一定的承載力，極易在開挖擾動(dòng)條件下出現(xiàn)變形失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，通常需要在隧道掘進(jìn)過程中進(jìn)行超前加固，采用大管棚輔助注漿的方式能夠有效控制圍巖變形，而注漿參數(shù)、大管棚布置均成為研究的重點(diǎn)[45-46]；同時(shí)，斷面形式“化大為小”，逐級(jí)支護(hù)，快速開挖，設(shè)置預(yù)留，極有利于控制圍巖變形；另外，選擇合理支護(hù)形式、調(diào)整支護(hù)結(jié)構(gòu)間距、研發(fā)高強(qiáng)支護(hù)系統(tǒng)均成為克服破碎地層的主要方向。

3.1.2.2 黃土地層

黃土主要分布于我國(guó)西部，形成于第四紀(jì)，孔隙較大、結(jié)構(gòu)疏散、節(jié)理裂隙發(fā)育，受水分影響較大。福銀高速、鄭西高鐵、寶蘭高鐵、西安地鐵等項(xiàng)目的開展，極大程度提高了黃土隧道修建技術(shù)[47-49]。

由于黃土抗拉性極小，因此對(duì)于淺埋隧道應(yīng)關(guān)注地表沉降或開裂，黃土地區(qū)地鐵開挖往往造成地層損失從而直接產(chǎn)生地表變形，且根據(jù)開挖工法在沉降方面表現(xiàn)出一定的差異性。另外，由于黃土自身的結(jié)構(gòu)性，造成其遇水結(jié)構(gòu)破壞從而劣化，因此黃土隧道設(shè)計(jì)、施工時(shí)應(yīng)著重關(guān)注含水率的影響。以西安地鐵3號(hào)線通化門—胡家廟右線隧道為例，采用礦山法進(jìn)行施工，飽和軟黃土地層相比較普通黃土地層下的地表沉降值增加了28.1 mm[50]。同樣，對(duì)于深埋隧道而言，黃土-古土壤夾層中的含水層下方普遍存在1層大小不一的軟塑黃土層，該層黃土似泥糊狀，極易坍塌，銀西鐵路上闔村隧道便是典型案例[51]。值得關(guān)注的是，無論深埋、淺埋隧道，超前地表降水對(duì)于降低含水率、保證圍巖穩(wěn)定性能夠起到顯著效果[52-53]。

根據(jù)黃土自身工程特性，在隧道設(shè)計(jì)開挖時(shí)應(yīng)著重考慮防水、止水和降水。對(duì)于淺埋隧道，地表裂隙、自然塌坑、沖溝、進(jìn)出洞口等敏感部位需要著重關(guān)注，而深埋隧道則應(yīng)考慮是否存在潛水層。

研發(fā)更為有效的防排水措施，盡可能降低防排水體系阻塞、結(jié)晶顯得尤為迫切。

3.1.2.3 膨脹地層

遇水膨脹、失水收縮是人們對(duì)于膨脹土最直接的定義，近些年膨脹土已成為隧道工程的主要病害之一。水作為膨脹力釋放的元兇，降雨入滲、干濕交替均會(huì)對(duì)圍巖含水產(chǎn)生一定影響[54-56]。應(yīng)當(dāng)指出，膨脹力釋放過程往往具有一定的時(shí)間效應(yīng)，并非隧道開挖完成或支護(hù)結(jié)構(gòu)形成后膨脹力就能完全釋放；因此，采取延緩二次襯砌澆筑時(shí)間、設(shè)置預(yù)留變形、提高支護(hù)參數(shù)等方式能夠一定程度上消耗膨脹力[57-58]。同時(shí)，根據(jù)膨脹特性試驗(yàn)結(jié)果可知，重塑圍巖膨脹性明顯大于原狀試樣，快速、少擾動(dòng)開挖也是減緩膨脹力的主要方式之一[59]。另外，膨脹力作為形變壓力的一種形式，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中難以測(cè)量，這也是難以定量分析膨脹力的一個(gè)原因，容易造成支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不適。

3.1.2.4 含瓦斯地層

瓦斯爆炸是隧道施工中最嚴(yán)重的災(zāi)害之一,危害性極大，瓦斯隧道應(yīng)著重關(guān)注施工過程的防護(hù)問題。隧道勘察應(yīng)查清賦存規(guī)律，施工過程中應(yīng)做好防護(hù)及通風(fēng)措施，多管齊下保證施工安全[60-62]。

3.1.3 隧道穩(wěn)定性分析

對(duì)隧道圍巖進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，通常以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的變形、壓力作為依據(jù)，以支護(hù)-圍巖相互作用情況作為落腳點(diǎn)，綜合考慮地下水的影響進(jìn)行隧道穩(wěn)定性分析。

3.1.3.1 圍巖變形規(guī)律

圍巖變形作為反映隧道穩(wěn)定性的重要手段，由于方便測(cè)量，成為工程領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。雖然各個(gè)工程隧道結(jié)構(gòu)具有差異性，各行業(yè)對(duì)變形標(biāo)準(zhǔn)也具有不同要求，但是總體來說，現(xiàn)如今變形測(cè)試技術(shù)仍以全站儀為主，近些年三維掃描技術(shù)、光纖測(cè)試技術(shù)、信息化監(jiān)測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)，也極大程度地豐富了傳統(tǒng)測(cè)試手段[63-65]；同時(shí)，針對(duì)圍巖變形的研究，更多的是考慮臨近建筑物、構(gòu)筑物對(duì)既有線、基坑、橋樁等的影響。

3.1.3.2 圍巖壓力情況

圍巖壓力是指巖體受擾動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)力重分配過程中，圍巖變形受到支護(hù)結(jié)構(gòu)的阻擋而在支護(hù)與圍巖的接觸面上所產(chǎn)生的壓力，是進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。目前關(guān)于隧道圍巖壓力的研究方法，通常有實(shí)測(cè)分析、理論計(jì)算、模型試驗(yàn)和反分析預(yù)測(cè)等。不足之處是多數(shù)圍巖壓力計(jì)算中以經(jīng)驗(yàn)為主，造成主觀性較大，適應(yīng)性較差。

3.1.3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)能有效約束和控制圍巖的變形，能夠保持圍巖的穩(wěn)定性，保證施工安全。不同隧道結(jié)構(gòu)形式呈現(xiàn)出不同施工力學(xué)行為，在選擇支護(hù)結(jié)構(gòu)形式時(shí)通常考慮工程巖體類別、工程特性、隧道埋深、原巖應(yīng)力大小、變形規(guī)律、地下水賦存狀態(tài)以及作業(yè)時(shí)間等；同時(shí)，針對(duì)錨噴支護(hù)、錨桿支護(hù)、噴射混凝土支護(hù)等具體支護(hù)形式中的具體支護(hù)結(jié)構(gòu)，如錨桿、錨索、鋼拱架等結(jié)構(gòu)機(jī)制進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)[66-68]。

3.1.3.4 地下水問題分析

地下水是隧道設(shè)計(jì)、修建過程中最棘手的問題之一。不同地區(qū)地下水往往呈現(xiàn)不同水化學(xué)特征，地下水在堿性環(huán)境、高含鹽狀態(tài)與碳酸鹽礦物發(fā)生反應(yīng)，生成物易導(dǎo)致盲管結(jié)晶致使防排水體系失效。因此，近些年對(duì)于新型防排水體系的探索一直未停下腳步[69-71]；同時(shí)，長(zhǎng)期滲流作用、干濕循環(huán)侵蝕圍巖使得其強(qiáng)度軟化，從而加劇襯砌結(jié)構(gòu)劣化風(fēng)險(xiǎn)，增大襯砌滲漏概率[72]；最后，在巖溶地區(qū)，隧道設(shè)計(jì)過程中往往綜合考慮巖溶水系統(tǒng)特征，進(jìn)行水害預(yù)測(cè)及用水量計(jì)算，綜合研究隧道選線方案[73-74]。

3.1.4 隧道類型

3.1.4.1 鐵路隧道

鐵路作為國(guó)家經(jīng)濟(jì)的命脈，近些年取得了長(zhǎng)足發(fā)展，隧道里程逐年刷新。高速鐵路項(xiàng)目的不斷推進(jìn)，成為推動(dòng)鐵路隧道發(fā)展的主要助推力。我國(guó)高速鐵路隧道斷面面積較大，基本在100 m2左右。隧道數(shù)量不斷刷新記錄，以2020年為例，運(yùn)營(yíng)高鐵隧道189座，其中超長(zhǎng)隧道15座；在建隧道1 811座，其中特長(zhǎng)隧道50座；規(guī)劃隧道3 525座，其中特長(zhǎng)隧道134座[75]。由于我國(guó)領(lǐng)土廣闊，工程地質(zhì)情況復(fù)雜，在修建隧道時(shí)表現(xiàn)出一定的地域性，例如： 東北地區(qū)應(yīng)注意隧道防凍問題，西北地區(qū)應(yīng)總結(jié)黃土地層隧道修建技術(shù)，西南地區(qū)應(yīng)防止涌水病害[76-79]；隨著運(yùn)營(yíng)里程的不斷增加，還應(yīng)時(shí)刻關(guān)注隧道運(yùn)營(yíng)期維護(hù)問題。

3.1.4.2 公路隧道

公路隧道的限制坡度和限制最小曲線半徑要求遠(yuǎn)不如鐵路嚴(yán)格，過去在山區(qū)修建公路時(shí)為了降低造價(jià)，多采用繞行的方式，但隨著高速公路的建設(shè)，隧道成為重要選擇之一。

同鐵路隧道相比，除了近些年隧道朝向長(zhǎng)距離發(fā)展外，隧道改擴(kuò)建造成跨度增加也是公路隧道發(fā)展的方向之一。金州隧道曾為中國(guó)第1座單洞4車道公路隧道,最大開挖寬度達(dá)22.482 m；福建的金雞山隧道單洞凈跨18.198 m,連拱隧道總跨度達(dá)41.498 m[80-82]。雖然近些年公路隧道得到了長(zhǎng)足發(fā)展，但在運(yùn)營(yíng)階段發(fā)生了一些安全事故，值得反思、研究。例如： 隧道發(fā)生火災(zāi)使得隧道襯砌破壞、超長(zhǎng)隧道引起駕駛?cè)藛T視覺疲勞、進(jìn)洞時(shí)駕駛員產(chǎn)生黑洞效應(yīng)、長(zhǎng)大隧道通風(fēng)，這些問題引起了專家學(xué)者的更多關(guān)注[83-86]。

3.1.4.3 水底隧道

水底隧道既不影響航道通航，也能避免極端天氣，是穿越大江大河的主要選擇之一。自1970年，我國(guó)第一條水底隧道——穿越黃浦江隧道修建以來，經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)50余年的發(fā)展，陸續(xù)建成下穿長(zhǎng)江、黃河、珠江，橫跨伶仃洋等項(xiàng)目，對(duì)于水壓作用、潮汐作用、地震作用等外荷載作用下襯砌力學(xué)行為進(jìn)行了大量研究，尤其是沉管接頭處力學(xué)行為分析、基地加固處理、抗浮計(jì)算[87-89]，并提出了防災(zāi)關(guān)鍵技術(shù)、人員疏散模型，為后期研究打下了基礎(chǔ)。

3.1.4.4 地鐵隧道

截至2020年底，中國(guó)內(nèi)地累計(jì)有45個(gè)城市開通了城軌交通。隨著城市化進(jìn)程的進(jìn)一步加速，中國(guó)的城市軌道交通建設(shè)有望迎來黃金發(fā)展期。

城市地鐵受場(chǎng)地建設(shè)影響，對(duì)沉降變形要求更加嚴(yán)格，施工風(fēng)險(xiǎn)較大。如今，城市地鐵建設(shè)過程中往往下穿高層建筑基礎(chǔ)、既有線、高鐵、河流、文物古跡等一系列敏感建筑，對(duì)此提出了一系列針對(duì)性較強(qiáng)的開挖方法及支護(hù)措施；同時(shí)，地鐵建設(shè)過程接收始發(fā)井多為深大基坑，對(duì)于支擋結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了一定研究，受場(chǎng)地影響和從成本考慮，裝配式支護(hù)將成為今后發(fā)展的方向之一[90-92]；另外，針對(duì)富水軟土地層進(jìn)出洞口、聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工也進(jìn)行了大量研究，并取得了一些研究成果。

3.1.4.5 水工隧洞

水工隧洞作為水利工程的重要組成部分，近些年隨著引漢濟(jì)渭、滇中引水項(xiàng)目、新疆北部引水工程等水利工程的興建，取得了長(zhǎng)足發(fā)展。今后，隨著更多引水工程的建設(shè)，水工隧洞將進(jìn)入空前發(fā)展階段。

3.1.5 風(fēng)險(xiǎn)控制

風(fēng)險(xiǎn)控制指風(fēng)險(xiǎn)管理者采取各種措施和方法，消滅或減少風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的各種可能性。近些年，隨著施工項(xiàng)目重要程度的不斷增加，風(fēng)險(xiǎn)源逐漸增加，各個(gè)管理機(jī)構(gòu)對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)管理要求逐漸提升，風(fēng)險(xiǎn)控制成為隧道工程領(lǐng)域的熱門研究?jī)?nèi)容。尤其當(dāng)城市軌道交通項(xiàng)目處于城市中心，風(fēng)險(xiǎn)源較多、安全防護(hù)等級(jí)高、管理更加嚴(yán)格，風(fēng)險(xiǎn)控制顯得更加重要。以昆明地鐵5號(hào)線彌勒寺—五一路區(qū)間為例，歸納為自身風(fēng)險(xiǎn)、周圍環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)及地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)合計(jì)14處，其中最為突出的為周圍環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，具體為下穿運(yùn)營(yíng)線路、城市主干道、省委建筑群、軍區(qū)建筑群、國(guó)防大廈等敏感建筑。由于風(fēng)險(xiǎn)源的多樣性、復(fù)雜性使得風(fēng)險(xiǎn)控制顯得非常必要。

現(xiàn)階段對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)控制的研究主要集中在風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)，此類研究通常以施工組織過程、隧道中的變形、應(yīng)力情況為影響因素，采用層次分析等數(shù)學(xué)模型進(jìn)行全面分析，最終落實(shí)到具體措施環(huán)節(jié)。

3.1.6 動(dòng)力分析

隧道工程動(dòng)力分析是以動(dòng)態(tài)荷載的角度分析隧道工程領(lǐng)域的問題，通常涉及爆破荷載、地震荷載、車輛荷載以及高速列車穿越隧道產(chǎn)生的空氣動(dòng)力效應(yīng)4個(gè)方面。

3.1.6.1 爆破荷載

隧道爆破開挖時(shí)，爆破荷載作為爆破參數(shù)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，受裝藥量、鉆孔布置方式等影響，受到了大量研究者的關(guān)注[93-94]。在此基礎(chǔ)上，研究人員逐漸提出了空孔爆破的思想。如何在減少裝藥量、增大炮孔間距的條件下獲得好的爆破開挖效果是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)，但關(guān)于空孔爆破的爆炸作用機(jī)制還需進(jìn)一步完善。隨著對(duì)安全方面的考量，各機(jī)構(gòu)對(duì)爆破試驗(yàn)器材的管控更加嚴(yán)格，使得隧道爆破試驗(yàn)逐漸由實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)向現(xiàn)場(chǎng)，由爆炸力學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)檎駝?dòng)響應(yīng)，如何更貼切地完成現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，有效地獲取、分析及處理振動(dòng)數(shù)據(jù)，尤其是爆破振動(dòng)對(duì)周邊圍巖、建筑物的影響，將成為爆破試驗(yàn)設(shè)計(jì)下一步思考的重點(diǎn)。

3.1.6.2 地震荷載

關(guān)于“地震荷載作用下隧道動(dòng)力響應(yīng)”的發(fā)文量隨時(shí)間變化直線上升，說明專家學(xué)者越來越關(guān)注地震荷載與隧道結(jié)構(gòu)的相互作用。近些年，隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，越來越多的隧道處于地震帶上，國(guó)內(nèi)外研究人員利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值計(jì)算和理論分析的研究方法，針對(duì)研究對(duì)象的速度、加速度、位移等動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行研究，分析敏感部位動(dòng)力參數(shù)分布規(guī)律以及剪切波隨場(chǎng)地變化規(guī)律[95-97]。

3.1.6.3 車輛荷載

隨著西安地鐵下穿徐蘭高鐵、杭州地鐵下穿余杭線、廣州地鐵下穿武廣線等工程項(xiàng)目開展，下穿運(yùn)營(yíng)線路成為工程領(lǐng)域急需解決的難題?？紤]既有線對(duì)在建隧道穩(wěn)定性分析時(shí)，需要模擬車輛荷載對(duì)在建隧道的影響情況。同時(shí)，近些年隨著高速鐵路不斷提速，高鐵荷載作用下動(dòng)力響應(yīng)成為研究熱點(diǎn)。車輛荷載與爆破荷載、地震荷載具有本質(zhì)的區(qū)別，車輛荷載需要考慮車輛荷載形式。對(duì)于地鐵、火車、高鐵還應(yīng)著重考慮輪軌之間的相互作用，這也是主要研究方向[98-100]；另外，對(duì)于荷載傳播規(guī)律也進(jìn)行了大量研究。

3.1.6.4 列車引起隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)

近些年我國(guó)高速列車發(fā)展迅猛，高速列車在隧道中運(yùn)行時(shí)所誘發(fā)的空氣動(dòng)力效應(yīng)(瞬變壓力、附加阻力、列車風(fēng)、微氣壓波)也引起各方關(guān)注。高速行駛的地鐵、高鐵、磁懸浮列車進(jìn)入隧道時(shí)也會(huì)產(chǎn)生氣動(dòng)效應(yīng)，而洞門、豎井、聯(lián)絡(luò)通道等附屬結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)空氣動(dòng)力效應(yīng)產(chǎn)生一定影響，這些均會(huì)對(duì)行車安全及舒適度造成影響[101-103]。研究人員往往通過改變列車幾何外形、設(shè)置隧道緩沖結(jié)構(gòu)等措施減緩空氣動(dòng)力效應(yīng)帶來的影響，雖取得了較為豐碩的成果，但相關(guān)試驗(yàn)仍以大量數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)為主，結(jié)果與實(shí)際狀況存在很大差距[104]。隨著試驗(yàn)條件的逐漸改善，更多的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)將極大豐富該領(lǐng)域的研究成果。

3.2 國(guó)內(nèi)研究方向預(yù)測(cè)

根據(jù)知識(shí)圖譜中標(biāo)簽視圖的結(jié)果，尋找近些年新出現(xiàn)的高頻關(guān)鍵詞，并結(jié)合近些年關(guān)注較多的研究方向，對(duì)國(guó)內(nèi)研究方向進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

3.2.1 高精度勘探

地質(zhì)勘探作為隧道選線、設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，直接關(guān)乎后期設(shè)計(jì)、施工方案的制定。目前，在進(jìn)行隧道勘察過程中，常規(guī)的地球物理勘探手段和巖體試驗(yàn)技術(shù)等均存在較大局限性,在精度上帶來較大的差異[105]。以鉆探為例，通常相鄰鉆孔間距一定距離，很容易錯(cuò)失敏感地層，從而帶來地質(zhì)隱患，為施工運(yùn)營(yíng)埋下隱患。因此，今后隧道勘察方面的研究還有很長(zhǎng)的路要走。

3.2.2 機(jī)械化施工

經(jīng)歷多年發(fā)展，我國(guó)隧道工程機(jī)械化程度顯著提高，研發(fā)了適應(yīng)性較強(qiáng)、智能化程度較高的成套工裝設(shè)備。以城市盾構(gòu)為例，目前盾構(gòu)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)常壓換刀、智能管片拼裝、自動(dòng)化量測(cè)等技術(shù)，很大程度上解放了人力資源。然而，山嶺隧道的施工仍然以人工為主，安裝鋼拱架、焊接網(wǎng)片、鋪設(shè)防水板大多由人工完成，研發(fā)配套工裝設(shè)備顯得格外迫切。

3.2.3 隧道防排水體系

隧道防排水技術(shù)作為隧道長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的保障，對(duì)隧道穩(wěn)定性具有重要意義。經(jīng)過多年的發(fā)展，雖然針對(duì)我國(guó)隧道防排水體系進(jìn)行了大量研究，但在運(yùn)營(yíng)過程中時(shí)常暴露許多問題，如排水管失效、盲管結(jié)晶、施工變形縫滲水[106-108]，這些多緣于人們對(duì)于隧道圍巖含水率遷移情況尚未掌握、對(duì)地下水性質(zhì)不知曉、對(duì)防水材料缺乏認(rèn)識(shí)，這些都是以后需要研究和關(guān)注的重點(diǎn)。

3.2.4 襯砌結(jié)構(gòu)開裂

隧道襯砌開裂是目前隧道工程遇到的主要病害，容易造成襯砌承載力降低，發(fā)生滲漏水等災(zāi)害，這種情況在大斷面、超大斷面隧道表現(xiàn)得尤為明顯。以高鐵隧道為例，施作二次襯砌后經(jīng)常出現(xiàn)不同程度的環(huán)向裂紋，在兩環(huán)交接處表現(xiàn)得尤為明顯，究竟是溫度影響、大體積混凝土水化熱、使用外加劑、材料混合比或者模板問題造成此類現(xiàn)象，還不得而知，今后還需進(jìn)一步探究。

3.2.5 不良地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)

由于勘察技術(shù)的局限性，以及不良地質(zhì)災(zāi)害的隱蔽性，使得不良地質(zhì)災(zāi)害表現(xiàn)出一定的突發(fā)性和危害性。由于傳統(tǒng)勘察手段受場(chǎng)地及精度限制，往往很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)災(zāi)害情況，需輔助地質(zhì)調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等手段以提升其準(zhǔn)確性。因此，不斷拓展預(yù)測(cè)手段、研發(fā)高精度儀器、提高災(zāi)害預(yù)測(cè)結(jié)果將極大程度降低隧道災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.6 智能化建造技術(shù)

隧道智能化建造是工程建造領(lǐng)域的發(fā)展方向，是新形勢(shì)下工程建設(shè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，近些年隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、BIM、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用,未來將更好地推動(dòng)隧道智能化發(fā)展。

4 結(jié)論與展望

收集近20年隧道工程領(lǐng)域研究論文，利用知識(shí)圖譜分析軟件VOSviewer針對(duì)文獻(xiàn)作者、關(guān)鍵詞等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析研究熱點(diǎn)并預(yù)測(cè)研究方向，得到如下結(jié)論：

1)國(guó)家政策作為影響隧道發(fā)展的源動(dòng)力，隨著《國(guó)家高速公路網(wǎng)規(guī)劃》《綜合交通網(wǎng)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》以及各個(gè)地方政府城市軌道交通規(guī)劃的相繼出爐，極大程度地推動(dòng)了隧道工程的發(fā)展。近20年，隧道工程領(lǐng)域發(fā)文數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)，以時(shí)間為界限，大致分為緩慢增長(zhǎng)階段、增長(zhǎng)階段和快速增長(zhǎng)階段。

2)根據(jù)可視化聚類網(wǎng)絡(luò)分析，可將目前研究熱點(diǎn)問題分為6個(gè)聚類，分別為： ①施工技術(shù)； ②特殊巖土和不良地質(zhì)； ③穩(wěn)定性分析； ④隧道類型； ⑤風(fēng)險(xiǎn)控制； ⑥動(dòng)力分析。

3)隨著高速鐵路、高速公路、引水工程等項(xiàng)目的不斷推進(jìn)，會(huì)遇到更為復(fù)雜的工程地質(zhì)環(huán)境及更加苛刻的自然環(huán)境，施工技術(shù)、工程管理方法、工裝工藝等方面均面臨較大挑戰(zhàn)。今后，面對(duì)復(fù)雜條件下的隧道修建技術(shù)，還應(yīng)提出針對(duì)性對(duì)策?？焖倬蜻M(jìn)技術(shù)、防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)、高效支護(hù)技術(shù)、新型防排水技術(shù)等將是今后隧道工程發(fā)展繞不開的話題；另外，隨著隧道運(yùn)營(yíng)里程的不斷增加，運(yùn)營(yíng)期病害識(shí)別、病害處置、病害預(yù)防等技術(shù)也需要不斷提高。運(yùn)營(yíng)期病害往往由于地域表現(xiàn)出一定的差異性，如高寒地區(qū)的隧道凍害或者高地應(yīng)力地區(qū)的巖爆問題，這些都需要針對(duì)具體工程具體分析。