洪開榮,馮歡歡
(1. 中鐵隧道局集團有限公司,廣東 廣州 511458;2. 盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室,河南 鄭州 450001)
對于我國隧道及地下工程來說,“十三五”是一個黃金發(fā)展期。鐵路、公路、地鐵作為我國隧道及地下工程應(yīng)用的3大主要領(lǐng)域,截至2020年底,累計運營里程分別達到19 630[1]、21 999.3[2]、6 280.8 km[3]?!笆濉逼陂g,我國鐵路、公路、地鐵隧道新增運營里程分別達到6 592、9 315.4、3 622.8 km,相比“十二五”期間的新增量,分別同比增長約9%、23%、184%。除此之外,我國水工隧道、綜合管廊、地下洞庫等方面也都完成了大批工程建設(shè)并投入運營。除了數(shù)量的顯著提升,質(zhì)量方面也取得了驕人的成就。如先后建設(shè)完成了世界最長、埋入海底最深(50 m)、單個沉管體量最大的公路沉管隧道——港珠澳大橋沉管隧道[4],世界最大直徑水下鐵路盾構(gòu)隧道——佛莞城際獅子洋隧道[5],國內(nèi)首座位于8度地震烈度區(qū)的海底盾構(gòu)隧道——汕頭海灣隧道[6],國內(nèi)規(guī)模最大、組成最復雜的地下空間工程——武漢光谷廣場地下綜合體[7]等一批里程碑式隧道及地下工程; 與此同時,新開工建設(shè)的世界最長高速公路隧道——烏尉高速天山勝利隧道[8],國內(nèi)在建最長雙線鐵路隧道——川藏鐵路色季拉山隧道[9],世界上首例集超寬超長海底沉管隧道、超大跨海中橋梁、深水人工島、水下互通“四位”一體的集群工程——深中通道工程[10],亞洲第二大綜合交通樞紐——深圳前海綜合交通樞紐工程等在順利推進。基于大批重難點隧道及地下工程建設(shè),我國在隧道工程勘察技術(shù)、隧道建設(shè)BIM技術(shù)、隧道機械化及智能化建設(shè)技術(shù)、盾構(gòu)/TBM制造及再制造技術(shù)、海上沉管隧道修建技術(shù)、軟巖大變形控制技術(shù)、巖爆監(jiān)測及防控技術(shù)、新型破巖技術(shù)、隧道大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)技術(shù)等方面均取得了長足發(fā)展[11-17]。
為更好地促進我國隧道及地下工程技術(shù)在“十四五”期間能夠取得長足發(fā)展,有必要對“十三五”期間的發(fā)展狀況及存在不足進行總結(jié)分析,并提出今后階段性的建設(shè)技術(shù)需求及攻關(guān)方向。2017—2018年度我國隧道及地下工程行業(yè)發(fā)展情況已有研究論述[18],本文著重對近2年的行業(yè)發(fā)展情況進行總結(jié)分析。
近2年來,在持續(xù)推進大瑞鐵路高黎貢山隧道[19-20]、滇中引水香爐山隧洞等既有重難點隧道工程建設(shè)的基礎(chǔ)上,又新開工了川藏鐵路色季拉山隧道、天山勝利隧道等一批重難點隧道工程,促進我國隧道建設(shè)技術(shù)在軟巖變形控制、巖爆監(jiān)測、裝備制造等方面取得長足進步。近2年我國修建完成的鐵路隧道、公路隧道、地鐵隧道長度,相比前2年同比增長分別達到了約49%、49%、62%。
1.1.1 鐵路隧道
截至2020年底,我國鐵路營業(yè)里程達14.5萬km,其中投入運營的鐵路隧道16 798座、總長19 630 km,近2年新增運營的鐵路隧道1 681座、總長3 299 km,相比前2年分別同比增長約66%、49%。全國在建鐵路隧道2 746座、總長6 083 km;規(guī)劃建設(shè)鐵路隧道6 354座、總長16 255 km。
1.1.2 高速鐵路隧道
截至2020年底,我國已投入運營高速鐵路總長約3.7萬km,已投入運營的高速鐵路隧道3 631座、總長6 003 km,其中特長隧道87座、總長1 096 km。近2年新增運營的高速鐵路隧道603座、總長1 127 km,如銀西客運彬縣隧道(14.251 km)、京沈客專梨花頂隧道(12.245 km)、太焦客專太谷隧道(11.497 km)等; 我國正在建設(shè)的高速鐵路隧道1 811座、總長約2 750 km,如西延客專新延安隧道(16 km)、鄭萬客專小三峽隧道(18 954 km)、渝黔客專白馬山隧道(13.407 km)等。截至2020年底,我國規(guī)劃的高速鐵路隧道3 525座、總長約7 966 km。
1.1.3 公路隧道
截至2020年底,我國等級以上運營公路上的隧道有21 316處,總長約21 999.3 km。其中,特長隧道1 394處、總長6 235.5 km,長隧道5 541處、總長9 633.2 km。近2年新增運營的公路隧道3 578處、總長4 763 km,相比前2年分別同比增長約40%、49%。目前已投入運營的最長公路隧道是位于陜西省的終南山隧道,長18.02 km;在建的最長公路隧道是天山勝利隧道,長22.11 km。
1.1.4 地鐵隧道
截至2020年底,我國共計有38個城市開通運營地鐵線路182條,總長約6 280.8 km; 近2年新增運營地鐵隧道總長約1 927 km,相比前2年同比增長約62%。截至2020年底,有57個城市在建城市軌道交通,線路總長6 797.5 km,其中地鐵隧道5 662.2 km,占比83.3%。
1.1.5 水工隧洞
自黨中央、國務(wù)院2014年作出加快推進172項節(jié)水供水重大水利工程的決策部署后,截至2020年7月,已經(jīng)累計開工重大水利工程146項,在建投資規(guī)模超過1萬億元。同期,國務(wù)院圍繞防洪減災(zāi)、水資源優(yōu)化配置、水生態(tài)保護修復等,研究部署了2020—2022年期間規(guī)劃建設(shè)的150項重大水利工程,總投資1.29萬億元。
近2年,國內(nèi)成功建設(shè)了佛莞城際獅子洋隧道、鄭萬鐵路小三峽隧道、南京長江五橋夾江隧道等一批重難點隧道工程,成功攻克了高強度硬巖地層的鑲齒型滾刀技術(shù)、極硬極軟復合地層盾構(gòu)直接掘進技術(shù)、水下超大直徑盾構(gòu)隧道施工技術(shù)等;同時,在鐵路、公路、水利等領(lǐng)域均涌現(xiàn)出了大量代表性工程,如國內(nèi)在建最長雙線鐵路隧道——川藏鐵路色季拉山隧道、世界在建最長高速公路隧道——天山勝利隧道、國內(nèi)水利工程領(lǐng)域在建最大直徑TBM隧洞——滇中引水香爐山隧洞等,在大斷面TBM極高地應(yīng)力硬巖巖爆和軟巖大變形防控、超長距離獨頭通風及運輸、大埋深超長距離公路隧道TBM施工等方面還面臨著眾多技術(shù)難題需要進一步突破。
1.2.1 佛莞城際獅子洋隧道
佛莞城際獅子洋隧道全長6 150 m,其中明挖隧道長1 250 m,盾構(gòu)隧道長4 900 m。隧道穿越珠江獅子洋,最大埋深64 m,最大水深17 m,采用直徑13.61 m的泥水盾構(gòu)施工。地下水豐富,水位高,隧道洞身段基巖及破碎帶富存中等透水—強透水性承壓水,盾構(gòu)隧道洞身主要穿過第四系沉積層、軟弱土層、軟硬不均地層、全斷面砂巖、泥巖等地層(見圖1)。
圖1 佛莞城際獅子洋隧道縱斷面圖
全斷面硬巖長度達2 380 m,占隧道總長48.5%,巖石最大飽和抗壓強度為75.7 MPa,石英含量達70%~80%,對刀具質(zhì)量和掘進參數(shù)控制要求較高。針對高強度、高石英含量地層對刀具的不良影響,創(chuàng)新開發(fā)了“低硬材料作母體、硬度材料作牙齒、耐磨材料作外衣”的技術(shù)路線(見圖2),成功解決了刀具一直存在的“耐磨不耐撞,耐撞不耐磨”難題。該隧道于2019年12月17日實現(xiàn)貫通,是世界上已建成的最大直徑水下鐵路盾構(gòu)隧道,它的貫通標志著廣東珠三角佛莞城際鐵路建設(shè)取得重大進展。
圖2 自主研發(fā)適合硬巖掘進的鑲齒型滾刀
1.2.2 汕頭海灣隧道
汕頭海灣隧道全長6 680 m(其中過海段長3 047 m),采用2臺直徑分別為15.01、15.03 m的超大直徑泥水平衡常壓刀盤盾構(gòu)掘進施工,于2020年8月7日實現(xiàn)雙線貫通。隧道上覆土主要為淤泥地層,始發(fā)和到達段埋深淺(始發(fā)段8 m,到達段12.5 m),東、西線盾構(gòu)分別經(jīng)歷了始發(fā)段64、184 m孤石群和海域區(qū)間3段巖石強度最高達216 MPa的基巖凸起段。隧道建設(shè)過程中成功攻克了海域環(huán)境條件下極硬極軟復合地層盾構(gòu)直接掘進施工技術(shù)難題,并成功開發(fā)了智慧盾構(gòu)工程大數(shù)據(jù)平臺、極軟極硬復合地層刀盤刀具配置技術(shù)、常壓刀具防后退及報警裝置(見圖3)等,達到了盾構(gòu)施工“可感、可知、可掘、可穩(wěn)”新的先進水平。
圖3 常壓刀具防后退裝置
汕頭海灣隧道是國內(nèi)首座位于8度地震烈度區(qū)、按9度地震烈度設(shè)防的超大斷面海底盾構(gòu)隧道,工程地質(zhì)復雜、施工難度大、管控要求高,被孫鈞、錢七虎、周福霖等院士譽為“世界級挑戰(zhàn)性工程”。該隧道連接汕頭市中心城區(qū)南北兩岸,于2020年8月7日實現(xiàn)雙線貫通,對加快“一灣兩岸”城市發(fā)展、推動城市擴容提質(zhì)具有重大意義。
1.2.3 嘉興頂管隧道
嘉興市市區(qū)快速路環(huán)線下穿南湖大道頂管隧道,開挖斷面達123 m2,埋深5.68~6.45 m,為世界上首座雙向6車道超大斷面矩形頂管隧道,南北線結(jié)構(gòu)凈距1.2 m。工程所處區(qū)內(nèi)第四系土層的形成及其結(jié)構(gòu)與長江三角洲的發(fā)育、江海變遷、氣侯等自然變化有著密切的聯(lián)系,具有層序復雜、相變劇烈、厚度較大的特點。針對大斷面頂管始發(fā)/接收、下穿道路沉降控制、頂進姿態(tài)控制和長距離頂進過程中縱向密封止水等方面的技術(shù)難題,項目研發(fā)了多刀盤組合式頂管機、減阻泥漿自動補償系統(tǒng)、三螺機出渣系統(tǒng)(見圖4)、整體吊裝翻轉(zhuǎn)技術(shù),順利建成國內(nèi)外第一座雙向6車道小凈距頂管隧道。工程于2020年10月20日實現(xiàn)全隧貫通,開創(chuàng)了雙向6車道超大斷面矩形頂管施工先河,標志著我國超大斷面矩形頂管制造和隧道建造水平達到新高度。
圖4 三螺機出渣系統(tǒng)
1.2.4 深圳春風隧道
春風隧道工程線路全長5 078 m,隧道最小埋深6.9 m,最大埋深46.3 m,采用直徑15.8 m泥水盾構(gòu)施工,為當時國內(nèi)最大直徑泥水平衡盾構(gòu)法公路隧道。穿越地質(zhì)由東向西依次為花崗巖、糜棱巖、凝灰質(zhì)砂巖、碎裂巖、片巖和變質(zhì)砂巖,最硬巖層單軸抗壓強度值最大為173.7 MPa。主要為上軟下硬及硬巖地層,其中硬巖段占掘進通過地層80%以上,并穿過9條斷層破碎帶和2條次生斷裂帶,地質(zhì)情況相對復雜、圍巖破碎(見圖5)。盾構(gòu)一次性連續(xù)掘進3 603 m,穿越軟硬不均地層、全斷面硬巖、構(gòu)造碎裂巖層、糜棱巖斷層等極具挑戰(zhàn)性復雜地層;穿越城市老城區(qū),沿線連續(xù)下穿高層建筑物、地鐵、鐵路、橋梁等建(構(gòu))筑物,對刀盤刀具管理及地面沉降控制要求極高。針對盾構(gòu)掘進過程中長距離軟硬不均地層、糜棱巖破碎帶等刀盤易結(jié)泥餅地層,采取加強刀盤面板沖刷、化學藥劑浸泡泥水艙、高壓水刀沖刷、輔助氣壓掘進等措施,順利安全通過糜棱巖斷層破碎帶等不良地層[21]。該工程是深圳市“東進戰(zhàn)略”重大交通項目之一,建成后將與現(xiàn)有的春風高架橋共同構(gòu)成羅湖區(qū)南部東西向復合通道,實現(xiàn)春風路段通行能力提升1倍左右,有效緩解片區(qū)交通擁堵;也將開創(chuàng)深圳市盾構(gòu)施工機動車隧道之先河,并成為深圳首條“單洞雙層”構(gòu)造的機動車隧道,對豐富和完善深圳地下工程建設(shè)技術(shù)具有重要意義。
圖5 春風隧道工程地質(zhì)縱斷面圖
1.2.5 深圳媽灣隧道
深圳媽灣跨海通道線路全長8.05 km,盾構(gòu)隧道段長2.06 km,隧道最大埋深35 m,最大水深約9 m,左右線凈間距最小13 m、最大23 m,采用直徑15.53 m盾構(gòu)施工,為深圳首條海底隧道,也是國內(nèi)最大直徑跨海盾構(gòu)隧道。該隧道穿越地層主要為全斷面土層、全斷面巖層、軟硬不均地層,分別占比16%、32%、52%,如圖6所示。
圖6 深圳媽灣隧道盾構(gòu)段地質(zhì)縱斷面圖
深圳媽灣隧道盾構(gòu)段地質(zhì)縱斷面如圖6所示。盾構(gòu)段巖面起伏大,巖層為混合花崗巖,石英含量平均為34%(最高54%),長石含量平均為55%(最高69%);巖石單軸抗壓強度平均值為44.9 MPa(最大193 MPa),對刀具質(zhì)量和掘進參數(shù)控制要求高。針對上述地層特點,該項目采用48.26 cm(19英寸)光面滾刀、前裝式刀筒(見圖7)解決硬巖、軟硬不均地層掘進中刀具破巖能力不足及刀具螺栓松動問題。該隧道于2019年2月開工建設(shè),建成后對于完善“特區(qū)中的特區(qū)”前海周邊路網(wǎng)結(jié)構(gòu),實現(xiàn)城市發(fā)展空間的拓展與整合具有重要作用。
圖7 前裝式刀筒
1.2.6 川藏鐵路色季拉山隧道
新建川藏鐵路雅安至林芝段色季拉山隧道全長37.965 km,為國內(nèi)在建最長雙線鐵路隧道,于2020年11月開工。設(shè)計采用4臺10.2 m敞開式TBM+鉆爆法聯(lián)合施工,最大埋深1 687.85 m,最大水平主應(yīng)力為45.52 MPa,強度應(yīng)力比為2.07~5.37,隧道進口海拔3 158 m,出口海拔2 969 m。隧道洞身地層主要為喜山期花崗巖及閃長巖、加里東期花崗巖(見圖8),花崗巖飽和單軸抗壓強度平均為82.9 MPa,閃長巖飽和單軸抗壓強度平均為88.9 MPa,片麻巖飽和單軸抗壓強度平均為88.67 MPa。隧道主要不良地質(zhì)有巖爆、節(jié)理密集帶和蝕變巖,面臨大斷面TBM極高地應(yīng)力硬巖巖爆和軟巖大變形地段安全施工難題、高原缺氧地區(qū)長距離獨頭通風難題、軟弱富水圍巖段突泥涌水防治難題。為應(yīng)對色季拉山隧道建設(shè)難題,中鐵隧道局從高原特長TBM隧道施工效率與安全防控、高應(yīng)力環(huán)境下斷層與破碎巖體隧道圍巖變形控制、高原高寒脆弱生態(tài)環(huán)境特長隧道施工環(huán)境保護等方面開展針對性科研攻關(guān)。色季拉山隧道計劃工期92個月,預(yù)計2028年7月10日完工,對于鞏固邊疆穩(wěn)定、強化國防保障、促進民族團結(jié)、維護國家統(tǒng)一具有重大的戰(zhàn)略意義。
圖8 色季拉山隧道地質(zhì)縱斷面圖
1.2.7 大瑞鐵路高黎貢山隧道
高黎貢山隧道全長34 538 m,最大埋深1 155 m,最大地應(yīng)力30 MPa,具有“三高”、“四活躍”地質(zhì)特征,共穿越18種地層、19條斷層破碎帶,隧道最大涌水量19.2萬m3/d,涵蓋高地震烈度、活動斷裂、高地溫(熱害段落10 122 m)、巖爆(2 020 m)及軟巖大變形(3 185 m)、滑坡、巖溶(920 m)、放射性、順層、有害氣體、特殊巖土等不良地質(zhì)。隧道進口端21.2 km采用鉆爆法施工,出口端13.3 km正洞、平導分別采用直徑9.03、6.39 m敞開式TBM施工。針對花崗巖不均勻風化易造成TBM頻繁卡機、超高壓富水花崗巖深豎井治水、高地溫施工等技術(shù)難題,項目首次采用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的TBM卡機預(yù)測方法、花崗巖地層鐵路深豎井地表受控定向鉆深孔預(yù)注漿技術(shù)(見圖9)、機械制冷等措施,大幅提高了卡機預(yù)測準確率,治理了花崗巖高角度裂隙超高壓地下水,將隧道內(nèi)環(huán)境溫度降低了4~6 ℃。
圖9 豎井地表受控定向鉆深孔預(yù)注漿技術(shù)
截至2020年底,在地質(zhì)條件復雜情況下,高黎貢山隧道TBM綜合進度指標達180 m/月,1#、2#豎井分別于2019年11月、2020年5月掘砌到底,1#斜井地處高地溫段落,是我國橫斷山脈第一條采用“TBM+豎井工法”聯(lián)合施工的隧道,它的修建標志著中國鐵路隧道施工技術(shù)正邁向世界隧道施工技術(shù)的前端。
1.2.8 引漢濟渭秦嶺隧洞
引漢濟渭工程秦嶺隧洞全長81.8 km,最大埋深2 012 m,設(shè)計流量為70億m3/s,工程采用“2臺TBM+鉆爆法”施工方案。秦嶺隧洞是人類首次嘗試從底部橫穿世界十大山脈之一的秦嶺,成功克服了隧道施工過程中極硬巖、大涌水、強巖爆等工程挑戰(zhàn)。工程范圍內(nèi)地下水發(fā)育,主要涉及地層為下元古界長角壩巖群黑龍?zhí)稁r組石英巖、印支期花崗巖、華力西期閃長巖以及斷層碎裂巖、糜棱巖,具有高圍巖強度、高石英含量、高溫濕、強巖爆、強涌水、長距離施工等技術(shù)難題,圍巖完整性系數(shù)超過0.8,巖石最大干燥抗壓強度317.6 MPa,平均石英含量為64%、最高達92%,掘進速度緩慢,刀具磨損嚴重;同時,巖爆防治是施工組織常態(tài),采取有效措施防治巖爆(見圖10)是施工管理的重點與難點[22]。
(a) 噴高壓水軟化圍巖 (b) 水錘鉆機安裝及鉆孔施作
(c) 應(yīng)急噴混系統(tǒng) (d) 型鋼拱架+McNally系統(tǒng)鋼筋排
通過采用“鉆孔分流+表面嵌縫+淺層封堵+深層加固”的斷面分流與加固方案,輔以特殊漿材,硬巖地段涌水封堵率達到90%;通過刀具試驗、優(yōu)化刮板座結(jié)構(gòu)和新材料引進,刀具消耗由0.86把/m降低至0.72把/m,節(jié)省了刀具成本。工程建成后,可解決陜西省關(guān)中地區(qū)水資源短缺問題,有效遏制渭河水生態(tài)環(huán)境惡化,減輕關(guān)中地區(qū)環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害,是實現(xiàn)陜西省水資源優(yōu)化配置且影響長遠的永久性措施。
1.2.9 YE供水KS隧洞
YE供水二期輸水工程KS隧洞全長約283 km,為目前世界上最長輸水隧洞。KS隧洞Ⅴ標隧洞全長43.847 km,工程具有“一洞雙機”“獨頭掘進距離長”“長距離皮帶出渣”“小斷面”等特點,采用TBM掘進及鉆爆施工相結(jié)合的方案進行施工(見圖11),其中TBM掘進施工段長41.115 km,采用2臺敞開式TBM施工。隧道巖性主要以Ⅱ類花崗巖、凝灰?guī)r為主,穿越2條次級斷層破碎帶,局部夾石墨礦化凝灰?guī)r,埋深較大段伴有中度滯后性巖爆,其中,花崗巖圍巖強度高,最高抗壓強度達182.9 MPa,平均抗壓強度在120 MPa以上。針對“一洞雙機”超特長TBM獨頭掘進施工,國內(nèi)無成熟經(jīng)驗可參照,項目從掘進與支護、皮帶機系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、風水管線系統(tǒng)、其他保障系統(tǒng)等方面出發(fā),對其施工技術(shù)和方法進行了深入探索和實踐,創(chuàng)新形成了“特長TBM隧道一洞雙機施工”的施工方法,實現(xiàn)了2臺TBM同時組裝、同時始發(fā),具有較為明顯的社會和經(jīng)濟效益。2020年10月實現(xiàn)了采用單臺TBM獨頭掘進15.474 km隧洞并貫通,標志著我國超特長隧洞TBM獨頭施工技術(shù)又取得新突破。
圖11 KS隧洞工程布置示意圖(單位: m)
1.2.10 滇中引水香爐山隧洞
滇中引水工程香爐山隧洞線路全長62.596 km,最大埋深1 450 m。隧洞設(shè)計斷面為圓形、設(shè)計流量135 m3/s、設(shè)計縱坡1/1 800,采用“鉆爆法+TBM”組合施工(見圖12),所采用“云嶺號”TBM于2020年5月8日成功下線(國內(nèi)在建水利工程最大直徑TBM,為9.83 m)。隧洞穿越多個地質(zhì)構(gòu)造和區(qū)域性大斷裂,巖溶水系發(fā)育,圍巖變換頻繁,工程地質(zhì)條件極為復雜。隧洞施工過程中軟巖大變形、涌突水、高外水壓力、高地應(yīng)力巖爆、高地溫、巖溶溶洞等地質(zhì)災(zāi)害問題突出[23-24]; 同時,還面臨23 km級超長距離獨頭通風、超長距離獨頭運輸?shù)仁┕ぜ夹g(shù)難題。
圖12 香爐山隧洞施工方案布置圖(單位: km)
通過升級、強化施工通風、運輸設(shè)備性能,優(yōu)化運輸線路形式,加強超前地質(zhì)預(yù)報工作,強化TBM針對性設(shè)計和輔助配套施工設(shè)施,并開展施工過程中的科研攻關(guān)、技術(shù)優(yōu)化等工作,以保證隧洞安全、高效施工。滇中引水工程是解決云南省滇中地區(qū)水資源短缺問題的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)工程,具有顯著的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益。香爐山隧洞是滇中引水工程全線最具代表性的深埋長隧洞,為全線重點控制性工程。
1.2.11 其他重難點工程
1.2.11.1 深圳高速公路蓮塘隧道
2018年12月,世界最大斷面高速公路隧道——深圳高速公路蓮塘隧道成功貫通,該隧道開挖斷面達428.5 m2,全長2 650 m,包括2車道和3車道、超大斷面、漸變段和標準4車道等多種隧道形式。
1.2.11.2 廈門軌道交通2號線
廈門軌道交通2號線海滄大道站—東渡路站區(qū)間,是國內(nèi)首條采用盾構(gòu)法施工的過海地鐵隧道[25],區(qū)間線路分為盾構(gòu)段和鉆爆法段,其中盾構(gòu)區(qū)間長度約2.3 km,區(qū)間隧道覆土厚度為8.7~65.7 m,最大水土壓力約600 kPa,采用2臺直徑6.99 m復合式泥水平衡盾構(gòu)施工,成功克服了跨海段孤石密集段的不良影響,于2019年3月實現(xiàn)隧道貫通。
1.2.11.3 青島地鐵8號線
青島地鐵8號線大洋站—青島北站東側(cè)過海段為國內(nèi)最長過海地鐵隧道,采用“盾構(gòu)法+礦山法”相向施工(見圖13),最小曲線半徑800 m,線路最大坡度28‰,區(qū)間最大埋深約51 m,最小埋深約26.49 m,于2020年1月20日貫通,創(chuàng)造了國內(nèi)首例泥水盾構(gòu)3節(jié)分體始發(fā)和過海隧道泥水盾構(gòu)月均掘進220 m共2項全國紀錄[26]。
圖13 青島地鐵8號線過海段地質(zhì)縱斷面圖
1.2.11.4 南京長江五橋夾江隧道
南京長江第五大橋夾江隧道全長1.159 km,管片外徑15 m,采用直徑15.46 m盾構(gòu)施工,為國內(nèi)當時在建最大直徑水下公路盾構(gòu)隧道。隧道施工過程中先后克服了淺覆土盾構(gòu)始發(fā)、下穿夾江大堤、超深基坑盾構(gòu)接收等施工風險,于2020年5月13日實現(xiàn)雙線貫通,為連接南京主城和江北新區(qū)起到了重要紐帶作用。
1.2.11.5 鄭萬鐵路小三峽隧道
新建鄭州至萬州鐵路重慶段小三峽隧道全長18.954 km,為全線最長隧道和控制性工程,處于水平循環(huán)帶,巖溶發(fā)育,穿越可溶巖地段長達7.3 km,是目前亞洲時速350 km單洞雙線最長高鐵隧道,于2020年7月26日實現(xiàn)貫通,為我國高速鐵路特長隧道建設(shè)積累了寶貴經(jīng)驗。
1.2.11.6 濟南黃河隧道
濟南黃河隧道全長4 760 m,其中盾構(gòu)段長2 519 m,設(shè)計為雙管雙層、市政道路與軌道交通合建,上層為雙向6車道公路,下層為軌道交通,采用直徑15.76 m盾構(gòu)施工,是目前我國最大直徑公軌合建盾構(gòu)隧道[27]。其具有盾構(gòu)開挖斷面大、掘進距離長、淺覆土、深基坑、高水壓、地質(zhì)情況復雜多變、穿越既有物等特點,先后克服了大斷面、長距離、淺覆土、深基坑、高水壓、鈣質(zhì)結(jié)核和粉質(zhì)黏土不規(guī)則分布等技術(shù)難題,于2020年10月30日實現(xiàn)了東線貫通。
1.2.11.7 天山勝利隧道
烏魯木齊—尉犁高速公路天山勝利隧道全長22.11 km,最大埋深1 112.6 m,是目前世界在建最長的高速公路隧道,采用2臺直徑8.43 m多模式TBM施工。TBM于2020年4月28日下線,實現(xiàn)了TBM在國內(nèi)高速公路隧道中的首次應(yīng)用。該隧道地質(zhì)條件復雜,存在巖爆、突涌水、高地應(yīng)力等不良地質(zhì)條件[28],預(yù)計于2025年建成通車。
1.2.11.8 深中通道沉管隧道
深中通道沉管隧道全長約6.8 km,為世界首例雙向8車道海底沉管隧道,也是目前世界上最寬的海底沉管隧道[29],其斷面寬度達46~55.46 m,是世界上最長、最寬的鋼殼混凝土沉管隧道,2020年6月18日實現(xiàn)首節(jié)沉管、西人工島實現(xiàn)對接。
1.3.1 行業(yè)規(guī)范
隨著大量的公路隧道工程的實施,公路隧道施工經(jīng)常面臨斷面大、地質(zhì)條件復雜、施工風險高等困難,“四新”技術(shù)得到不斷應(yīng)用,新型建筑材料和施工機械不斷出現(xiàn),環(huán)保安全要求進一步提升。為進一步保障隧道工程施工的安全和質(zhì)量,交通運輸部組織完成對JTG F60—2009《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》的修訂工作,發(fā)布了JTG/T 3660—2020《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》作為公路工程行業(yè)推薦性標準,自2020年8月1日起施行。新規(guī)范對3車道、4車道開挖方法選擇,支護參數(shù)選定,預(yù)留變形量設(shè)置,對向開挖兩工作面安全施工距離控制,質(zhì)量控制標準,監(jiān)控量測測點布置等均給出了規(guī)定;在規(guī)定公路隧道施工過程控制標準的基礎(chǔ)上,對施工各工序、各環(huán)節(jié)的技術(shù)、工藝、質(zhì)量、材料進一步給出了具體的要求,增加了公路隧道施工安全環(huán)保技術(shù)的強制性要求。
JTG/T 5440—2018《公路隧道加固技術(shù)規(guī)范》、JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范 第一冊 土建工程》,自2019年5月1日起施行,原JTG D70—2004《公路隧道設(shè)計規(guī)范》及其英文版廢止。
1.3.2 隧道勘察設(shè)計
1)GIS技術(shù)。通過計算機信息系統(tǒng)對信息實現(xiàn)資源共享、勘察設(shè)計的優(yōu)化、更科學更系統(tǒng)的策劃,更多的地質(zhì)信息在建筑工程中得到了很好的應(yīng)用。
2)無人機傾斜攝影測量技術(shù)。集成遙感傳感器技術(shù)、POS定位定向技術(shù)和GPS差分技術(shù)具備自動化、智能化特點,能夠獲取國土、資源、環(huán)境等空間信息,采用數(shù)據(jù)快速處理系統(tǒng)作為技術(shù)支撐,進行實時處理、建模。
3)數(shù)字攝影測量技術(shù)。數(shù)字攝影測量是以計算機視覺代替人眼的立體觀測,所使用的儀器最終只是通用計算機及其相應(yīng)外部設(shè)備;其產(chǎn)品是數(shù)字形式的,傳統(tǒng)的產(chǎn)品只是該數(shù)字產(chǎn)品的模擬輸出。其全數(shù)字化、全自動化的優(yōu)良性能為數(shù)字化勘察設(shè)計提供了可靠的數(shù)據(jù)源。
4)高分辨率衛(wèi)星遙感技術(shù)。應(yīng)用航天遙感技術(shù)所獲得的衛(wèi)星相片,具有廣闊的視域、逼真的影像、豐富的信息。隨著衛(wèi)星遙感圖像的定位精度越來越高,空間分辨率越來越細,為宏觀地分析地質(zhì)情況提供了方便的條件,能解譯出區(qū)域路網(wǎng)和經(jīng)濟布局,道路沿線的各種最新的自然、經(jīng)濟現(xiàn)象。
5)高精度GPS-RTK技術(shù)。該技術(shù)能真正實現(xiàn)高精度的一次測量、三維定位,大大減少甚至取代繁瑣、困難、精度難保證的常規(guī)地面測量作業(yè),工作效率大幅提升,加快了隧道勘察設(shè)計進度。
1.3.3 高地應(yīng)力軟巖變形控制技術(shù)
在大埋深及高地應(yīng)力作用下,部分軟質(zhì)巖層和破碎巖體強度不足以承受隧道開挖后重新分布的圍巖應(yīng)力,易發(fā)生擠壓性大變形,變形量大、變形速率高、持續(xù)時間長、具有明顯的流變現(xiàn)象,對工程安全影響極大。以前多采用“強支硬頂”的方式,導致要多次拆換拱;后來在蘭渝鐵路木寨嶺隧道按照“先放后抗、抗放結(jié)合、錨固加強”理念,采用“超前導洞釋放+圓形4層支護結(jié)構(gòu)”方案使變形得到了控制[30],但仍存在優(yōu)化空間。
近年來,高地應(yīng)力軟巖變形控制技術(shù)得以逐步完善,目前主要采用“預(yù)留余量、先柔后剛、先放后抗”理念,并在渭武高速公路木寨嶺隧道施工中進行了應(yīng)用。該隧道全長15.2 km,最大埋深629.1 m,全隧均為Ⅴ級圍巖,巖性為礫巖、斷層壓碎巖、炭質(zhì)板巖、千枚化炭質(zhì)板巖、砂巖等,以軟質(zhì)炭質(zhì)板巖為主;隧址范圍內(nèi)褶皺帶活動強烈、近東西走向斷層發(fā)育,地質(zhì)構(gòu)造極為復雜,共有3個背斜、3個向斜構(gòu)造、6處褶皺、12條斷層,最大水平主應(yīng)力為24.95 MPa,以“極高地應(yīng)力軟巖”著稱。通過采用NPR錨網(wǎng)索新技術(shù)施工(見圖14)[31],解決了頻繁拆換拱和多層支護問題,起到很好的效果。
(a) NPR錨索技術(shù)原理示意圖 (b) 實施效果圖
NPR錨索在錨桿(索)軸力大于恒阻力后,仍有一定的抵抗變形能力,因而不會出現(xiàn)突然斷裂失效的破壞現(xiàn)象。當圍巖產(chǎn)生一定形變時,NPR錨索隨之拉伸變形,圍巖變形能得以緩解釋放;當圍巖重新穩(wěn)定后,NPR錨索在拉伸變形之后仍保持穩(wěn)定的支護阻力,并可在地層基本穩(wěn)定后,進行二次張拉,長期受力。
1.3.4 高地應(yīng)力巖爆監(jiān)測及處治技術(shù)
巖爆是指在具有高地應(yīng)力的巖體中進行洞室開挖,洞周巖體受內(nèi)部集中應(yīng)力釋放,經(jīng)歷張性劈裂、破裂成塊和巖塊彈裂等階段,從巖面以一定初速度釋放出來。脆性硬質(zhì)巖石及高地應(yīng)力是巖爆發(fā)生的主要條件,按巖爆的不同特征和影響程度一般分為4級: 輕微、中等、強烈和極強。利用系統(tǒng)工法和綜合措施,通過誘導、釋放、鎖錨和防護等方式及圍巖自身控制以盡量降低巖爆的危害。近年來,微震監(jiān)測技術(shù)在隧道施工中得到了更深入的應(yīng)用,針對即時型巖爆、滯后型巖爆的發(fā)生位置、巖爆等級等信息預(yù)測有了新的突破[32-33]。針對各類型巖爆的防治技術(shù),基于引漢濟渭引水隧洞建設(shè),中鐵隧道局摸索建立了一套巖爆防治措施。1)輕微巖爆:φ12鋼筋排+普通鋼筋網(wǎng)片+預(yù)應(yīng)力錨桿+局部格柵拱架+C20噴混凝土。2)中等巖爆: H125型鋼拱架(間距0.6~0.9 m)+φ18鋼筋排+φ25漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿+C20納米纖維混凝土。3)強烈?guī)r爆: 超前應(yīng)力釋放孔+H150型鋼拱架(間距0.6 m)+φ22鋼筋排+縱向型鋼連接+φ32漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿+C20納米纖維混凝土。4)極強巖爆: 遵循“加強監(jiān)測、超前釋放、錨桿加密、拱架消能”的施工原則。引漢濟渭工程巖爆分級處理措施見圖15。
(a) 輕微巖爆 (b) 中等巖爆
(c) 強烈?guī)r爆 (d) 極強巖爆
盡管巖爆監(jiān)測和預(yù)測技術(shù)有了較大進展,但極強巖爆在時間、空間上難以準確預(yù)測和控制。TBM針對極強巖爆的應(yīng)對手段有限,應(yīng)先采用超前水錘鉆機實施應(yīng)力釋放或超前應(yīng)力解除爆破(水錘鉆機頂部鉆孔爆破應(yīng)力釋放、掌子面中部手風鉆鉆孔爆破應(yīng)力釋放、超前小導洞應(yīng)力釋放等模式),然后再評估能否繼續(xù)采用TBM施工,能施工則參照強烈?guī)r爆治理措施進行施工。目前,對于巖爆發(fā)生時間還不能準確預(yù)測,且滯后性強巖爆發(fā)生頻率逐步增大,對巖爆的治理形成較大制約。巖爆作為世界性技術(shù)難題,其治理措施還需要繼續(xù)摸索與實踐驗證。
1.3.5 高地震烈度區(qū)復雜地層大直徑盾構(gòu)隧道修建技術(shù)
為實現(xiàn)汕頭海灣隧道在8度地震區(qū)的安全修建及安全運營,柔性消能節(jié)點特殊結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新及應(yīng)用(見圖16)是我國水下隧道的一項重大突破[34]。該技術(shù)基于“連接加強、誘導變形、集中消能、低模隔震記憶恢復”的總體思路,采用C60鋼筋混凝土管片,局部連接螺栓由6.8級提高到8.8級,對于地層剛度變化大的部位,設(shè)置誘導、消能節(jié)點,并采用形狀記憶合金構(gòu)件。該合金具有超彈性,可恢復應(yīng)變達8%、極限應(yīng)變達17%甚至更多,震后能夠自恢復變形。
(a) 柔性消能節(jié)點結(jié)構(gòu)原理圖
(b) 柔性減震管片環(huán)
同時,針對強度達216 MPa巖石與海相淤泥組合地層所帶來的掘不進、易失穩(wěn)、掘進參數(shù)控制難等問題,開發(fā)了刀具與掘進狀態(tài)智能感知與判釋系統(tǒng),開創(chuàng)了水下極硬巖與極軟土體組合地層盾構(gòu)直接掘進的先河,創(chuàng)建了“可感、可知、可掘、可穩(wěn)”的復雜地層盾構(gòu)施工技術(shù)體系[35]。2020年8月7日,我國自主研制的國產(chǎn)首臺15 m級超大直徑泥水盾構(gòu)成功穿越汕頭海灣。
1.3.6 國產(chǎn)盾構(gòu)/TBM裝備制造技術(shù)
2019年6月22日,首臺采用4.8 m級國產(chǎn)主軸承再制造盾構(gòu)(直徑11.7 m)在天津下線,用于浙江舟山魯家峙海底公路隧道項目; 2020年10月27日,我國首臺采用國家強基工程國產(chǎn)3 m級主軸承(見圖17)盾構(gòu)成功通過試掘進驗收。
圖17 國家強基工程國產(chǎn)3 m級主軸承
2020年10月,世界最大直徑(15.08 m)國產(chǎn)單護盾TBM主機在國內(nèi)組裝完成,用于格魯吉亞南北走廊Kvesheti—Kobi公路項目建設(shè)。針對長距離、大埋深、巖石硬度高帶來的施工難題,該TBM采用超大直徑主動鉸接系統(tǒng)、雙速減速機系統(tǒng)、箱涵同步拼裝等針對性設(shè)計,實現(xiàn)了主機姿態(tài)精確調(diào)整和大埋深設(shè)備強脫困功能,使設(shè)備在不同地質(zhì)條件下具有良好掘進能力。國內(nèi)最大直徑(9.83 m)國產(chǎn)敞開式TBM于2020年5月8日在德陽下線,用于滇中引水工程建設(shè),該TBM具備拼裝型鋼骨架的新型拱架安裝器、自動接桿能力的錨桿鉆機、L1區(qū)具備應(yīng)急濕噴能力的自動化噴頭等,可解決“巖爆、大變形、斷層破碎帶”等行業(yè)性難題。應(yīng)用于浙江嘉興下穿南湖大道工程的世界最大斷面國產(chǎn)土壓平衡矩形盾構(gòu),采用6前8后多刀盤組合開挖設(shè)計、盾體分塊優(yōu)化設(shè)計、多螺機出渣設(shè)計、自動減摩等技術(shù),解決了超大斷面矩形盾構(gòu)施工一次開挖成型、主機姿態(tài)控制以及土體沉降控制等技術(shù)難題,并于2020年10月21日成功下穿南湖大道。
針對斷層破碎帶地層,中鐵裝備成功開發(fā)了雙結(jié)構(gòu)TBM(見圖18),在不改變傳統(tǒng)敞開式TBM主要結(jié)構(gòu)和主要功能的基礎(chǔ)上,增加了管片支護和輔助推進的功能。目前已成功應(yīng)用于川藏鐵路色季拉山隧道。
圖18 雙結(jié)構(gòu)TBM
1.3.7 新型破巖技術(shù)
當遇到超硬巖石時,TBM便會出現(xiàn)破巖困難、掘進效率低、主軸承壽命短、刀具磨損嚴重等系列問題,提高TBM在極硬巖地層破巖效率,用“水刀”和“滾刀”共同破巖成為一種可行途徑。高壓水耦合破巖技術(shù)利用超高壓水力射流沖切巖石成槽,為滾刀切割巖石提供自由面,同時水力劈裂巖石形成不規(guī)則裂縫,形成的環(huán)痕與滾刀的環(huán)痕有效疊加,可顯著提高滾刀貫入速度,減少滾刀法向推力,延長主軸承使用壽命,不僅能解決TBM施工中超硬巖破巖問題,還能進一步加快中硬巖掘進速度[36]。2019年6月18日,國內(nèi)首臺高壓水力耦合破巖掘進機(敞開式TBM)下線,應(yīng)用于福建萬安溪引水隧洞工程建設(shè)。
1.3.8 大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)
隧道機械化配套成為趨勢,智能終端開始規(guī)?;母倪M和應(yīng)用,群組裝備全方位監(jiān)測和統(tǒng)一信息化管理,為大數(shù)據(jù)在隧道及地下工程中的智能應(yīng)用奠定了一定基礎(chǔ)。BIM技術(shù)開始應(yīng)用于隧道及地下工程,實現(xiàn)了設(shè)計/施工協(xié)同,有助于提升隧道及地下工程設(shè)計-施工-運維全生命周期管理。工程管理信息系統(tǒng)已經(jīng)成熟應(yīng)用于隧道工程,實現(xiàn)了工程建造數(shù)字信息化管控;行業(yè)大數(shù)據(jù)中心已經(jīng)初具規(guī)模,基于大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的盾構(gòu)/TBM巡航掘進開始行業(yè)應(yīng)用,為隧道及地下工程智能建造提供了輔助決策。
1.3.9 科技創(chuàng)新系統(tǒng)又添新成員
2020年3月,依托重慶交通大學建設(shè)的省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國家重點實驗室正式獲批,其主要圍繞“山區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)行為與控制、山區(qū)橋梁智能感知與維護、山區(qū)隧道力學行為與運營安全”3個方面開展研究;廣東省隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護企業(yè)重點實驗室于2020年2月獲批建設(shè),其著力構(gòu)建隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與評價、隧道結(jié)構(gòu)全壽命周期維護2大體系,建立以隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控系統(tǒng)等大型試驗平臺資源共享為核心的開放型科研創(chuàng)新機構(gòu),形成廣東省乃至全國隧道工程全壽命周期健康狀況數(shù)據(jù)庫,為隧道建設(shè)和運營管理提供病害預(yù)報、成因評價及智能維護等方面的科學方法。
近年來,隨著我國社會與經(jīng)濟的飛速發(fā)展,我國隧道工程呈現(xiàn)出建設(shè)標準高、速度快、長度長、斷面大、地質(zhì)復雜、工期短等顯著特點,并且高海拔、大埋深、高巖溫、強富水、擠壓性圍巖和有害氣體等復雜地質(zhì)隧道逐漸增多,城市區(qū)復雜環(huán)境隧道和跨越江海的水下隧道也呈快速增長之勢。同時,國家“十四五”規(guī)劃提出“加快建設(shè)交通強國,實施川藏鐵路、西部陸海新通道、國家水網(wǎng)等重大工程,推進一批強基礎(chǔ)、增功能、利長遠的重大項目建設(shè)”。未來,我國隧道及地下工程將獲得更大的發(fā)展空間,同時也將面臨前所未有的難題和挑戰(zhàn)。
在《國務(wù)院關(guān)于依托黃金水道推動長江經(jīng)濟帶發(fā)展的指導意見》、《長江經(jīng)濟帶綜合立體交通走廊規(guī)劃(2014—2020年)》等政策相繼發(fā)布之后,國家發(fā)展改革委于2020年又發(fā)布《長江干線過江通道布局規(guī)劃(2020—2035年)》。規(guī)劃中指出,目前過江通道仍存在通道總量偏少、部分通道負荷較重、資源利用水平不高等亟待解決的矛盾和問題,到2025年,建成過江通道180座左右,到2035年,建成過江通道240座左右,另長江下游等重點河段應(yīng)堅持“少橋多隧”“宜隧則隧”的原則。
隨著長江經(jīng)濟帶規(guī)劃、粵港澳大灣區(qū)等政策的推進落地,跨江越海隧道將會越來越多,同時也將遇到更多、更難的技術(shù)問題,如在建和即將開工建設(shè)的深圳望海路隧道、汕頭灣隧道、江陰海太過江隧道等,均或多或少面臨10 km以上超長距離、15 m以上超大直徑、超深覆土、超高水壓等建設(shè)難題。超長跨江越海隧道工程在建設(shè)理念、建設(shè)目標、標準體系、設(shè)計方法、施工工藝、設(shè)備材料、運維管理等方面,亟需進行系統(tǒng)的創(chuàng)新與改進,同時為渤海海峽、瓊州海峽等跨海通道建設(shè)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
川藏鐵路沿線自然環(huán)境惡劣、交通不便、基礎(chǔ)資料匱乏,傳統(tǒng)人工野外勘察技術(shù)可靠性低、效率低、周期長、時效性差,區(qū)域地質(zhì)復雜,地勘資料難以準確,為工程設(shè)計和施工帶來了極大困難。其中,新建雅安—林芝段正線長度為1 011 km,隧道總長占比83%,沿線地質(zhì)復雜,主要體現(xiàn)為: 地質(zhì)構(gòu)造多(4個一級構(gòu)造、12個二級構(gòu)造)、活動斷裂發(fā)育(3條一級構(gòu)造邊界斷裂、3條二級構(gòu)造邊界斷裂、7條一般構(gòu)造斷裂)、高地震烈度(全線50%路段設(shè)計地震動峰值加速度達到0.2g及以上)、高地應(yīng)力(最大水平主應(yīng)力為64 MPa)、高地熱(約15條隧道可能存在高溫熱害)等。川藏鐵路長大隧道密集,區(qū)域板塊活動強烈,高地應(yīng)力軟巖大變形和硬巖強烈?guī)r爆問題突出,預(yù)計軟巖大變形段長147 km、巖爆段長170 km,高地應(yīng)力隧道軟巖變形控制和硬巖巖爆防治是川藏鐵路隧道建設(shè)的2大工程難題。
針對川藏鐵路隧道極軟地層大變形、極硬地層巖爆等問題,應(yīng)逐步建立完善TBM法隧道場解重構(gòu)理論、革新極端地質(zhì)隧道設(shè)計理念,開發(fā)集超前感知、超前加固、及時支護于一體的廣域適應(yīng)性TBM裝備,建立理論-裝備-工法協(xié)同及大數(shù)據(jù)智能導航的極端復雜地質(zhì)TBM施工技術(shù)體系。
TBM和盾構(gòu)刀盤的設(shè)計與巖石性質(zhì)和地質(zhì)條件具有密切關(guān)系。巖石強度是影響TBM盤形滾刀壽命和貫入度的重要參數(shù),而微波照射可顯著降低巖石強度,巖石強度的降低可在一定程度上提高盤形滾刀的壽命和貫入度,降低CAI耐磨性指數(shù)以及滾刀切入巖石所需要的推力。因此,將硬巖微波致裂技術(shù)引入到TBM和盾構(gòu)中,通過微波預(yù)裂堅硬巖石或孤石,使巖石強度降低,從而降低刀具的磨損程度,增加刀具使用壽命,顯著提高掘進效率,進而解決TBM開挖硬巖隧道刀具磨損嚴重和盾構(gòu)破碎孤石的問題。另外,電弧破巖、激光破巖等新型破巖方式也值得進一步探索與嘗試。
針對軟巖大變形地層,開發(fā)雙支護TBM,既具備護盾式TBM的基本功能,又有能適應(yīng)大變形洞段、避免主機被卡的措施。針對大埋深高水壓地層,突破了多種出渣方式同時共存的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù),開發(fā)了具有閉式TBM-土壓平衡-泥水平衡3種掘進模式的多模式TBM(見圖19)。
(a) 雙支護TBM
(b) 多模式TBM
真空管道運輸系統(tǒng)作為一種新型交通系統(tǒng),具有快速、便捷、安全、環(huán)保、高效等優(yōu)勢,目前各國研究機構(gòu)正在對真空管道系統(tǒng)進行不斷設(shè)計和改良。關(guān)于真空管道運輸系統(tǒng)的研究主要集中在列車空氣動力學方面,而管道是整個系統(tǒng)的載體,對系統(tǒng)的安全可靠和成本控制有著至關(guān)重要的作用,因此,非常有必要針對低真空管道磁懸浮隧道建設(shè)開展研究。由于現(xiàn)有的拼裝管片接縫較多,如何保證接頭處的密封性能成為關(guān)鍵問題。開展低真空環(huán)境下現(xiàn)有管片結(jié)構(gòu)的密封材料研究,以及管片結(jié)構(gòu)型式的針對性優(yōu)化設(shè)計研究,并通過試驗驗證材料及結(jié)構(gòu)型式的可靠性,探索適用于低真空環(huán)境的隧道管片結(jié)構(gòu)(見圖20)。
圖20 低真空原型管片試驗方案效果圖
我國公路隧道即將進入到建設(shè)與運維并重的階段,但重建輕養(yǎng)的現(xiàn)象依然很嚴重。目前公路隧道運營養(yǎng)護與設(shè)計、施工存在明顯的脫節(jié)現(xiàn)象。一方面,前期隧道建設(shè)過程中對后期運營環(huán)節(jié)考慮不足; 另一方面,后期養(yǎng)護管理對隧道規(guī)劃設(shè)計思路、建設(shè)過程不了解,造成養(yǎng)護工作存有盲目性、養(yǎng)護效率低、養(yǎng)護資源浪費等。距離科學養(yǎng)護管理仍然差距較大,仍存在“建、管、養(yǎng)”分離、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)混亂、評定系統(tǒng)不完善等挑戰(zhàn)。
我國公路隧道建設(shè)技術(shù)和理論水平發(fā)展迅速,已逐漸步入“綠色建設(shè)期”,采用隧道建養(yǎng)并行模式。利用大數(shù)據(jù)、云計算、5G、AI等數(shù)字化技術(shù)手段,將隧道運營期的結(jié)構(gòu)病害整治與建設(shè)期的結(jié)構(gòu)施工數(shù)據(jù)有效融合,實現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)病害原因的可追溯性?;谌珘勖芷诠芾砝砟睿⑺淼澜B(yǎng)一體化平臺,以信息化、智能化實現(xiàn)建養(yǎng)一體化來引領(lǐng)公路隧道工程現(xiàn)代化發(fā)展;進一步加強3D打印混凝土技術(shù)、隧道襯砌智能檢測技術(shù)、隧道健康管理大數(shù)據(jù)平臺等技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用,力爭到2030年實現(xiàn)“人工+物聯(lián)網(wǎng)+機器”的半自動化診斷與維護,到2035年實現(xiàn)全智能作業(yè)。
隧道是在地質(zhì)域中通過開挖形成的、與地層融合為一體的、具有一定凈空面積的條形構(gòu)筑物。建造隧道實質(zhì)上是對一定范圍地質(zhì)體的解構(gòu)與重構(gòu)的活動,并形成隧道場(見圖21)。
圖21 隧道場示意圖
對巖土體不確定性的認知,加上建設(shè)過程中的變異性,期望用純力學方法解決隧道工程問題是不現(xiàn)實的。隧道的形成過程,首先是隧道場的解構(gòu),然后是隧道場的重構(gòu)。解重構(gòu)理論從隧道場的剛度分布、誘導應(yīng)力調(diào)整、形變能轉(zhuǎn)移,構(gòu)建解構(gòu)度和重構(gòu)度(見圖22)。隧道場的解構(gòu)使得隧道臨空面由三維應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎S應(yīng)力狀態(tài),其能量大幅度釋放。隧道場解重構(gòu)引起能量變化: 隧道場解構(gòu)釋能如巖石斷裂、裂隙擴展、早期變形等釋放,這是不可逆的。隧道場重構(gòu)吸能: 在支護的協(xié)同作用下,一部分由支護體吸收消化,一部分由隧道場中的巖土體儲存。傳統(tǒng)隧道工程理念方法難以解決川藏鐵路隧道等極端復雜地質(zhì)隧道工程的關(guān)鍵性難題,隧道場解重構(gòu)理論方法可能是一個新的途徑[35]。
圖22 隧道場解重構(gòu)原理圖
由于隧道建設(shè)環(huán)境的復雜多變性,隧道建設(shè)技術(shù)的智能化程度相對其他行業(yè)要滯后許多。但隨著“智能化”“智慧化”“智能建造”等概念的普及,相關(guān)政策的落地,以及大數(shù)據(jù)等輔助技術(shù)的日趨完善,“十四五”期間,隧道建設(shè)部分工序的智能化水平將得到進一步深化,整體智能化建造水平也將會得到明顯提高。應(yīng)堅持以定性思維促進定量化隧道技術(shù)的實施,開展以建立地質(zhì)信息、解構(gòu)行為、重構(gòu)效應(yīng)、場態(tài)感知、裝備信息互饋為主體的隧道工程大數(shù)據(jù)研究,充分應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能、機器學習等技術(shù)深度挖掘分析隧道全生命周期數(shù)據(jù)的優(yōu)勢,推進隧道建造與運維技術(shù)的提升。
3.2.1 隧道工程實現(xiàn)智能建造的難點
1)微觀層面的實時地質(zhì)智能感知; 2)隧道場巖土體隨隧道開挖后,圍巖的物理力學性能感知; 3)隧道開挖過程中,隧道場巖土體不同時段的位移感知; 4)隧道工程的微震監(jiān)測與判識。
3.2.2 隧道工程智能建造步序設(shè)想
1)地質(zhì)勘察: 區(qū)域地質(zhì)調(diào)繪與大地勘測(宏觀)—地質(zhì)鉆探及試驗(局部細觀)—施工中實時地質(zhì)智能感知(微觀)。
2)隧道設(shè)計: 量化趨勢的定性設(shè)計—定性的動態(tài)量化設(shè)計。由于對隧道場巖土體不確定性的認知及其建造過程中的變異性,采用傳統(tǒng)的力學模型進行隧道設(shè)計會妨礙隧道工程的智能建造。鑒于隧道工程地質(zhì)不確定性認知和不同行為導致變異的差異性,在高速度、低延時通訊下,數(shù)字信息AI技術(shù)為隧道工程智能建造與運維提供了契機。
3)隧道施工: 智能決策開挖方法—智能決策支護參數(shù)—智能實施各工序。隧道施工各工序的智能化、自動化、機械化,主要體現(xiàn)為盾構(gòu)/TBM法的掘進智能化、支護自動化,鉆爆法的鉆孔及裝藥自動化、噴射混凝土智能化、錨桿施作智能化、拱架安裝機械化、防水板鋪設(shè)自動化、襯砌施工半智能化等。
4)隧道運維: 智能巡檢隧道狀態(tài)—智能評估與決策—智能維護和病變修復。
實現(xiàn)隧道工程建造與運維全鏈路智能是“網(wǎng)絡(luò)+數(shù)字”時代的必然選擇,但應(yīng)清醒地認識到仍任重道遠。隧道工程多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合治理機制、隧道場解重構(gòu)的場變機制與控制方法、隧道表層變異對隧道場安全的評價等科學問題,高效實時的地質(zhì)感知、隧道施工與維護的智能裝備等技術(shù)問題,都有待進一步研究并取得突破。
我國隧道及地下工程在“十三五”期間取得了長足的進步與發(fā)展,對于“智能化”“智慧化”“5G”等先進理念與技術(shù)在“十四五”期間的進一步落地,既要抓住歷史機遇、緊跟時代步伐,同時也要充分結(jié)合隧道及地下工程的復雜性、多變性、不可預(yù)測性等特點,有目的、有計劃地促進先進技術(shù)與隧道及地下工程的有機融合,以期為我國隧道及地下工程領(lǐng)域帶來更好的發(fā)展。