超大直径水下盾构隧道施工技术进展与展望.pdf
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1、超大直径水下盾构隧道施工技术进展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024收稿日期:2024-02-18修回日期:2024-02-29基金项目:山东省自然科学基金面上项目(ZR2023ME048);泰山产业领军人才工程专项经费资助(tscx202306015);中国铁建科研开发计划(2023-B04);中铁十四局科技研发计划项目(9137000016305598912021A01).作者简介:陈 健(1973-),男,博士,正高级工程师
2、,主要从事水下大直径盾构科研及技术管理相关工作,E-mail:.通讯作者:苏秀婷(1986-),女,博士,高级工程师,主要从事大直径盾构变形控制及浆渣资源化利用相关研究工作,E-mail:.超大直径水下盾构隧道施工技术进展与展望陈 健1,2,3,4袁大军5苏秀婷1,2王志奎1,2,3(1.中铁十四局集团有限公司,济南 250101;2.中国铁建水下隧道工程实验室,济南 250101;3.大盾构隧道智能化建造与装备再制造山东省工程研究中心,济南 250101;4.中国海洋大学,青岛 266100;5.北京交通大学,北京 100044)摘要:随着“一带一路”、国家海洋战略、区域经济一体化战略布局发
3、展,大批轨道交通、公路、铁路等大型基础设施工程面临着越江跨海的挑战。从南京长江隧道、上海长江隧道、武汉长江隧道的发端,通过引进、消化、实践、再创新盾构技术,促使我国水下盾构隧道技术进入快速发展阶段,一大批已建和在建超级水下盾构隧道工程极大推动了我国乃至世界水下盾构隧道技术的创新、发展和进步,在水下隧道盾构装备、设计、施工、运维等方面突破了一系列技术瓶颈。文章系统阐述了盾构技术三大要素及其内涵,即土水稳定、盾构设备及控制、结构安全与防水,分析了国内外超大直径水下盾构隧道技术现状与发展趋势,总结了近年来超大直径水下盾构隧道技术方面取得的重要创新成果,提出了大直径、长距离、高水压、复杂地质条件下水下
4、盾构隧道工程的技术挑战、对策及工程应用前景。关键词:超大直径;水下盾构隧道;研究现状;发展趋势;技术创新;挑战与对策中图分类号:U455.43文献标志码:A文章编号:1009-6582(2024)02-0124-15DOI:10.13807/ki.mtt.2024.02.012引文格式:陈 健,袁大军,苏秀婷,等.超大直径水下盾构隧道施工技术进展与展望J.现代隧道技术,2024,61(2):124-138.CHEN Jian,YUAN Dajun,SU Xiuting,et al.Progress and Prospects of Construction Technology for Ult
5、ra-Large DiameterUnderwater Shield TunnelsJ.Modern Tunnelling Technology,2024,61(2):124-138.1引 言水下盾构隧道,顾名思义是指采用盾构法在江河湖海等水底以下岩土体中修建的隧道。早期,人们普遍将盾构直径在1012 m级的隧道称为超大直径盾构隧道,以满足单层2车道需求,而近10年来,基于交通需求量的大幅增长和盾构施工技术的进步,盾构直径14 m及以上是当前的主流,以满足双层4/6车道或单层3车道需求,现在普遍认为直径超过14 m以上的盾构称为超大直径盾构,主要应用于公路或公路与轨道交通合建的水下隧道工程。我
6、国盾构隧道技术引入较晚,虽然上世纪60年代在上海打浦路水下隧道采用了网格挤压式盾构法,但真正采用现代泥水或土压平衡盾构法是从进入21世纪开始的。随着国家海洋战略、国家能源战略、区域经济一体化、国家大通道建设的逐步实施,大批轨道交通、公路、铁路等大型基础设施工程面临着越江跨海的挑战。从武汉长江隧道和南京长江隧道工程发端,通过引进、消化、再创新国外盾构先进技术,促使我国超大直径水下盾构隧道技术进入快速发展阶段,一大批已建和在建工程极大推动了我国乃至世界水下盾构隧道技术的进步。仅用十余年时间,我国水下盾构隧道突破了众多技术瓶颈,在盾构装备、隧道建造等多方位赶上甚至超过发达国家。图1所示为200020
7、23年新建超大直径水下盾构隧道数量及里程统计数据,我国水下盾构隧道在近十年发展迅猛,新建数量和里程均位居世界第一。水下盾构隧道的关键问题在于“水”,与普通盾构隧道相比,水下盾构隧道面临着水压作用“强烈”,水体“巨量”,水源供给“无限”,地质条件“多变”等困难和挑战,施工风险及代价更为巨大。我国水下盾构隧道所遭遇的水文地质状况更为复杂多变,在水下盾构隧道的设计、建造等方面尚有诸多“卡脖子”技术亟待突破。124超大直径水下盾构隧道施工技术进展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61
8、卷第2期(总第415期),2024年4月出版图1 已建水下盾构隧道里程统计Fig.1 Mileage statistics of built underwater shield tunnels盾构技术的进步主要围绕三大要素展开,土水稳定、盾构设备及控制、结构安全与防水(图2)。水下盾构隧道的建设属于多元、多场耦合的系统,且具有复杂、开放和动态等特点,不仅需要盾构硬件技术支撑,还涉及岩土、结构等力学,地质、地震、防灾、材料、机电、计算机、交通等多个学科交叉,这也加剧了水下盾构隧道建设安全以及功能保障的难度。土水稳定。土水是盾构设备和隧道结构依存的大环境,土水稳定是水下隧道建设的前提。水下盾构隧道
9、工程面临盾构-土水-结构三者动态相互作图2 水下盾构隧道的三大要素Fig.2 The three key elements of underwater shield tunnelling用,水下复杂地质条件下的开挖面失稳形态难明,刀盘切削扰动与泥浆共同作用下开挖面稳定机理复杂,难以建立盾构掘削及带压开舱条件下的动、静态开挖面稳定控制理论体系,使水下盾构隧道开挖面土水稳定精准评价与控制尤为困难。盾构设备及控制。盾构机本身就是集机、电、液一体的现代化大型装备,近年来朝着自动化、智能化方向发展。水下盾构隧道的长、大、地质条件复杂特性,给设备研发、制造带来挑战,刀盘设计理论、刀具材料及磨损的评价、关键
10、部件的制造、掘进位姿与管片拼装精细控制等问题,是水下大直径盾构设备及控制的关键所在。结构安全与防水,贯穿了盾构隧道设计、建造和运营维护阶段。水下复杂的水文地质环境给管片结构及密封垫设计、拼装形式、管片上浮及破损等一系列隧道结构安全和防水问题提出了更高的要求。地震、火灾等灾害对水下盾构隧道威胁极大,提高结构韧性和抗灾能力,是水下盾构隧道结构安全及防水性能的保障。近十年来,我国在长江、珠江、钱塘江、黄浦江、湘江、赣江、黄河和多个内湖与沿海修建了大量的公路、铁路、地铁、电力、市政等隧道工程,仅在长江流域江苏省范围内已建及规划多达十余条越江隧道,有力地推动了超大直径盾构技术的进步。我国超大直径盾构隧道
11、技术整体水平已跻身世界先进行列,目前正朝着模块化、信息化、智能化方向发展。本文比较系统地评述了我国超大直径盾构隧道发展现状,总结了近十年来在理论、技术与工程应用方面取得的主要创新成果,分析了当前超大直径盾构隧道技术面临的挑战,并提出了相应对策。2超大直径水下盾构隧道工程领域研究进展与创新近年来,我国在水下盾构隧道技术方面展开了大量研究,根据 Scopus 数据库,检索Shield ORTBM AND Underwater OR Submarine OR125超大直径水下盾构隧道施工技术进展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第4
12、15期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024Cross river OR Cross sea等关键词,统计得到了20122023 年国内外水下盾构隧道中、英文发文量如图3所示。根据知网数据库、Scopus数据库和国家专利局官网,统计得到20122023年水下盾构隧道中、英文发文数量及专利数量分布情况,如图4所示。图3 20122023 年水下盾构隧道发文量统计Fig.3 Publication statistics for underwater shield tunnels from2012 to 2023图4 20122023 年水下盾构隧
13、道发文量及专利数量分布Fig.4 Distribution of publication and patent numbers forunderwater shield tunnels from 2012 to 2023由图3、图4可知,水下盾构隧道中、英文论文发文量总体呈逐年增多趋势,特别是2023年,中文论文发文量达88篇。专利数量近12年来呈现一定波动和周期性。这也表明中国在水下盾构隧道技术方面的研究力度远远超过其他国家,这与我国基础工程建设的迅猛发展密切相关。近年来国家对水下盾构隧道技术的发展给予了巨大支持。据不完全统计,近十年科技部批准立项的“973 计划”、国家自然科学基金重大项目
14、共6项,国家科技奖励共5项,具体见表1。我国盾构隧道技术起步较晚,但与国际上盾构技术先进国家如日本、德国、意大利、美国等相比,目前我国在水下盾构隧道领域的整体科技实力已名列前茅,各式各样的建设条件与使用要求,促进了该领域技术的快速迭代和进步。2.1土水稳定方向2.1.1越江跨海盾构隧道覆土厚度设计越江跨海软土隧道往往采用泥水平衡盾构进行施工。受到线路线形、地层条件和工程造价等因素制约13,一般要求隧道覆土厚度尽可能薄。由于隧道覆土浅,开挖面稳定难控、泥水劈裂难防,易引发泥水喷发、地层塌陷和江(海)水倒灌等重大事故。对于硬岩隧道的最小岩层覆盖厚度,国际上有挪威经验法、日本最小涌水量预测法等,李术
15、才等1采用工程类比、数值模拟等方法分析了最小岩石覆盖厚度,确定了厦门翔安海底隧道和青岛胶州湾海底隧道最小岩石覆盖厚度。对于水下软土盾构隧道覆土厚度问题,此前国外学者主要考虑抗浮作用4,袁大军5提出了综合性的“合理覆土厚度”概念,以开挖面劈裂压力和主动失稳压力作为泥水支护压力的上下限6,7,根据施工中的泥水支护压力波动范围与支护压力上下限的匹配关系给出满足掘进安全的最小覆土厚度8,并考虑隧道抗浮、坡率限制、基岩避让等因素综合得出合理覆土厚度9,10,成功应用于南京市纬三路过江通道、深圳妈湾跨海通道设计。2.1.2盾构施工超前地质预报技术随着我国隧道建设规模的不断扩大,遭遇异常复杂地质条件的情况也
16、越来越多,暗河、溶洞、断层破碎带、孤石等不良地质条件都会给隧道施工带来重大危害,突水突泥、塌方、卡机、机毁人亡等事故时有发生。超前地质预报是预防该问题的有效方法,但在软土盾构隧道中的超前地质预报是一个世界性难题11。李术才等1214研发了可搭载于TBM上的超前地质预报技术及设备,其中用于探测含水构造的三维激发极化法(前方30 m)和探测不良地质的三维地震法(前方100 m)已在国内TBM施工中得到应用15。在盾构施工方面,张星煜等16以盾构刀盘切削震动为震源,基于地震波反射法探索了盾构施工超前地质预报方法,预报距离为刀盘前方20 m。总体而言,由于盾构施工时软土介质中电磁、弹性波传播距离短、反
17、应信号较弱,目前盾构施工超前地质预报技术的定量化水平及精度较低,难以满足工程实际需要17。另外,现有技术多针对单一不良地质体,缺乏应对上软下硬、上土下岩等多种地层情况的综126超大直径水下盾构隧道施工技术进展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版表 1 盾构技术领域国家科技奖励及重大项目Table 1 National science and technology awards and major projects in the f
18、ield of shield tunnelling technology类别国家科技奖励国家重大项目负责人何川浙江大学肖明清何川肖明清杜修力朱合华刘泉声李建斌袁大军杜严良依托单位西南交通大学浙江大学中铁第四勘察设计院集团有限公司西南交通大学中铁第四勘察设计院集团有限公司北京工业大学同济大学武汉大学中铁工程装备集团有限公司北京交通大学山东大学项目名称大型及复杂水下隧道结构分析理论与设计关键技术盾构装备自主设计制造关键技术及产业化高水压浅覆土复杂地形地质超大直径长江盾构隧道成套工程技术砂卵石地层盾构隧道施工安全控制与高效掘进技术高速铁路狮子洋水下隧道工程成套技术近海重大交通工程地震破坏机理及全寿命
19、性能设计与控制城市轨道交通地下结构性能演化与感控基础理论深部复合地层围岩与 TBM 的相互作用机理及安全控制TBM 安全高效掘进全过程信息化智能控制与支撑软件基础研究高水压越江海长大盾构隧道工程安全的基础研究超长跨海隧道的灾害规律和施工控制奖项/项目类别国家科技进步二等奖国家科技进步一等奖国家科技进步二等奖国家技术发明二等奖国家科技进步二等奖973 计划973 计划973 计划973 计划973 计划国家自然科学基金重大项目时间20112012201420152017201120112014201520152019合性探测方法,难以满足与盾构机装备的一体化、探测自动化等更高的需求。2.1.3水
20、下盾构隧道施工开挖面稳定控制技术开挖面稳定是水下盾构隧道施工安全的前提,高水压、大直径盾构隧道开挖面静、动态稳定尤为难控。国外学者的相关研究大部分集中于计算开挖面失稳的极限支护压力1820,为攻克水下盾构开挖面静、动态稳定控制难题,我国在泥浆成膜和泥水劈裂防控方面形成了系列技术成果。在开挖面主动失稳防控方面,闵凡路等2124聚焦于盾构开挖面泥浆成膜现象,提出了以泥浆颗粒粒径与地层孔径对应关系为核心的泥膜形成理论,研发了基于“渗透带+泥皮”两阶段成膜方法的开挖面稳定控制技术,大幅提升了盾构掘进开挖面稳定性及停机开舱闭气时长,成功应用于国内十余条水下盾构隧道工程。在开挖面泥水劈裂被动失稳防控方面,
21、北京交通大学袁大军团队与中铁十四局集团有限公司联合开展相关研究,国际上首次进行了盾构原位劈裂试验,形成了泥水劈裂发生、伸展系列理论,提出了盾构开挖面泥水劈裂失稳判定方法,研发了对泥水特性、支护压力和掘进参数系统调控的成套施工技术,成功应用于南京长江隧道等国内大型水下隧道工程,初步解决了水下盾构在高水压、小覆土条件下防控开挖面泥水劈裂失稳的核心问题2531。2.1.4盾构施工姿态控制技术目前,人工调姿普遍存在纠偏不及时、多偏欠纠、少偏过纠等问题。随着大数据、深度学习等技术的进步,盾构机姿态控制正朝着自动化、智能化方向发展。浙江大学杨华勇团队32,33从电液控制理论入手,基于提出的推进液压系统载荷
22、顺应性和姿态预测性纠偏理论,形成了一套完整的盾构姿态纠偏策略和轨迹精确跟踪方法,该成果荣获国家科技进步一等奖。龚国芳等34,35基于推进系统的运动学分析,提出了一种基于主/从控制策略的多缸控制系127超大直径水下盾构隧道施工技术进展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024统,形成了一种盾构掘进轨迹自动控制方法,为盾构机姿态自动控制奠定了基础。上海隧道依托人工智能技术,率先研发了具备“自主巡航”功能的“智驭号”盾构机3639,在杭州-绍
23、兴城际铁路区间隧道初步实现了“自主巡航”。2.2盾构设备方向2.2.1盾构装备制造技术盾构机是集隧道掘进、出渣、排泥、拼装衬砌、导向纠偏等功能于一体的机电设备,涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等十多门学科40。2005年之前,中国盾构机市场大部分被德、日、美三国企业垄断。如今,中国 90%市场、全球2/3市场由铁建重工、中铁装备、中交天和、上海隧道、三三工业、北方重工等中国企业所占有。2021年,在盾构机制造企业全球5强榜单中,中国有4家企业上榜,其中铁建重工超越世界知名厂商德国海瑞克位居榜首41。我国盾构机在大直径42(中交天和16.07 m泥水平衡盾构机“运河号”、铁建重
24、工16.07 m泥水平衡盾构机“京华号”)、小直径(铁建重工、中石油管道局联合研发2.77 m泥水平衡盾构“奎河力行号”)、多模式43(中铁装备 12.84 m 土压-泥水双模盾构“紫瑞号”)、异形44(上海隧道研制类矩形盾构“阳明号”,断面尺寸11.83 m7.27 m)等方面均取得显著的成绩。虽然国产大直径盾构已有成功案例,但我国在盾构机部分关键零部件的生产制造技术(主轴承、主密封、减速机、液压配件、检测元器件等)、系统集成技术、控制技术等方面仍然存在“卡脖子”问题。盾构机主轴承技术一直被美国铁姆肯Timken45,日本NSK46,瑞典斯凯孚SKF47等所掌握。对此,国内的企业和科研单位进
25、行了科研攻关并取得一些成果。中铁隧道局、洛阳LYC轴承公司联合研制出了完全自主知识产权的主轴承(轴承直径4.6 m),并应用于11 m直径泥水盾构机中铁R148号,完成舟山鲁家峙海底隧道掘进任务48。2023年10月,由中国铁建重工自主研制的超大直径主轴承(轴承直径8.61 m)在湖南长沙下线,可用于驱动18 m级超大直径盾构机,使国产超大直径盾构有了全系列的中国“心”49。行星工程机械公司研制出首台完全自主知识产权的盾构机主驱动减速机,成功应用于重庆市江北机场线地铁隧道工程50。中交天和在国际上首次将光纤磨损检测技术应用于“运河号”盾构机的刀具检测上,服务于北京东六环改造工程。上海隧道首次将
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