水下盾构隧道建造与运维技术研究现状与展望.pdf
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1、水下盾构隧道建造与运维技术研究现状与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024收稿日期:2023-12-10修回日期:2024-01-08基金项目:国家自然科学基金重大项目(52090084,52379104);深圳市科技计划资助(KQTD20200909113951005,JCYJ20220531101214031).作者简介:包小华(1983-),女,博士,教授,主要从事岩土与地下结构研究工作,E-mail:.通讯作者:沈 俊(199
2、4-),男,博士,副研究员,主要从事隧道与地下工程研究工作,E-mail:.水下盾构隧道建造与运维技术研究现状与展望包小华1,2,3袁槐岑1,2,3陈湘生1,2,3沈 俊1,2,3郭建波4沈 翔1,2,3崔宏志1,2,3(1.极端环境岩土与隧道工程智能建养全国重点实验室,深圳 518060;2.深圳大学 滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室,深圳 518060;3.深圳大学土木与交通工程学院,深圳 518060;4.中铁二十二局集团深圳建设有限公司,深圳 518060)摘要:随着我国水下隧道建造技术的迅速发展,越来越多的长距离、大直径、高水压、复杂地质的水下盾构隧道将被修建,在建设过程中将面临
3、更加复杂的地质条件和更为严格的技术标准。为保证水下盾构隧道的全寿命周期安全,文章阐述了水下盾构隧道的发展现状和所面临的挑战,并从水下隧道建造和运维两个角度对现有技术进行总结。建造方面分别从盾构机械优化和掘进参数控制技术、水下盾构隧道防水技术、水下盾构隧道的抗震设计3个角度进行了总结与展望:介绍了盾构掘进控制的发展现状,分析了盾构隧道修建引起渗水的原因以及现有防水技术,阐述了现阶段盾构隧道的抗震设计方法;运维方面分别从水下盾构隧道的耐久性长期监测技术、水下盾构隧道结构无损检测技术、水下盾构隧道智能运维系统3个角度进行了总结与展望:采用耐久性传感器的优化设计实现了对结构耐久性的长期监测;介绍了隧道
4、结构的检测技术,包括衬砌表观质量检测技术和结构隐蔽病害检测技术,以及基于建设的智能运维系统如何实现对隧道的安全管理和运营高效监测。通过全面梳理水下盾构隧道建造和运维关键技术,以期为水下盾构隧道全寿命周期安全提供更加可靠和高效的解决方案。关键词:水下盾构隧道;安全建造;智慧运维;抗震性;防水技术;耐久性;无损检测中图分类号:U455.43文献标志码:A文章编号:1009-6582(2024)01-0016-20DOI:10.13807/ki.mtt.2024.01.002引文格式:包小华,袁槐岑,陈湘生,等.水下盾构隧道建造与运维技术研究现状与展望J.现代隧道技术,2024,61(1):16-3
5、5.BAO Xiaohua,YUAN Huaichen,CHEN Xiangsheng,et al.Current Situation and Outlook of Research into SubaqueousShield Tunnel Construction and O&M TechnologiesJ.Modern Tunnelling Technology,2024,61(1):16-351引 言我国是一个河流湖泊众多,水域分布广阔的大国,七大水系纵横分布。渤海湾、北部湾、杭州湾等大型海湾面积均超过5 000 km2,而城市交通便利性依赖于丰富的水域体系。因此,建设大直径水下隧道不仅
6、是现阶段研究的重点方向,同时也是我国交通基础设施建设过程的必经之路。水下隧道具有受外界干扰小、不影响通航等独特优势,对于城市空间的节约以及促进城市可持续性建设具有重要的里程碑意义。目前,水下隧道仍然面临着诸多亟待解决的科学问题和技术瓶颈。首先,在水下隧道修建过程中,面临着复杂多变的地质条件,水下隧道所处的地层一般具有天然含水率高、可压缩性强、力学强度低等特点,易造成地基基础沉降过大、不均匀沉降和基底失稳等事故。同时,水下隧道在实际的运维中会遭遇频繁的水位波动以及水中腐蚀离子的侵蚀,导致一些隧道仅仅在1520 a的使用期内就出现衬砌劣化和钢筋腐蚀等问题。此外,由于我国地处喜马拉雅地震带和环太平洋
7、地震带,地震活动较为频繁,这些地震带覆盖了广大领土,使得我国各地均存在不同程度的地震风险。同时,水下隧道工程不仅投资大,建设工期长,一旦工程出现破坏,将造成不可估量的经济损失。党的二十大提出“发展海洋经济,保护海洋生态环境,加强建设海洋强国”,重点支持海洋交通设施建设和发展,并提高海洋防灾减灾能力,完善海洋服务体系。因此,提高水下隧道建造与运维技术是水下盾构隧道工程必须解决的重大问题。16水下盾构隧道建造与运维技术研究现状与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第4
8、14期),2024年2月出版鉴于此,本文首先对水下隧道的发展现状进行梳理回顾。其次,分析阐述水下超大直径隧道建设中面临的一系列挑战。在此基础上,针对水下盾构隧道施工阶段和运维阶段现有技术发展进行系统介绍与讨论,以期为水下盾构隧道安全建造与智慧运维技术体系建立提供参考,助力提升水下盾构隧道的施工质量以及抗风险能力,为城市的基础设施建设提供有力的支持。2水下隧道发展现状水下隧道位于水体下方,受到高水压条件和高腐蚀等水下环境因素的影响1。水下隧道的修建需要考虑特殊的水下环境要求,因此相对于普通隧道,水下隧道的建设会面临更多的施工难题。水下隧道作为一种独特的交通和基础设施工程,经历了漫长的发展历程。早
9、期的水下隧道通常是为了连接城市的两岸,以便加强城市之间的交流和联系。其中最著名的早期尝试是英国伦敦的“泰晤士河隧道2”(Thames Tunnel),由Brunel设计并于1843年顺利竣工,是世界上第一条水下隧道,当时引起了广泛的关注。在1880年,美国纽约市修建了连接曼哈顿到布鲁克林的水下隧道3,为全球水下隧道建设开辟了新的领域。而在20世纪60年代,跨越英吉利海峡的英法海底隧道正式开始修建,并于1994年完工,成为当时最长的海底隧道4。此外,日本也修建了众多的水下隧道,如东京湾隧道5、青函隧道6等。我国于1965年修建了第一条跨越黄浦江的水下隧道打浦路隧道7,是我国在水下隧道建设领域的初
10、步探索。进入21世纪以来,随着我国经济的快速发展和工程能力的显著提高,一系列长距离越江跨海隧道的建成和投运标志着我国水下隧道施工成套关键技术取得了显著进步。截至2021年底,我国共修建245条水下隧道8,其中采用盾构法施工的隧道有171条,占比为69.8%。这些水下隧道主要分布在经济发达的地区,包括广东、江苏、上海、浙江等省市,例如,厦门翔安海底隧道9、长沙湘江营盘路隧道10、广深港高速铁路狮子洋隧道11、汕头苏埃海底隧道12、港珠澳沉管隧道13等项目。随着我国技术的不断进步和工程经验的累积,越来越多的长距离、大直径、高水压、复杂地质的水下隧道将被规划修建14,15。国内在建最大直径水下盾构隧
11、道深圳荷坳隧道,其管片外径达到了17.5 m。现今,直径达到14 m或更大的超大直径盾构隧道已成为主流,用以支持双层4/6车道或单层3车道的交通需求16,图1所示为我国现有水下隧道断面尺寸分布统计。水下隧道的发展历程见证了工程技术的进步,也反映了人类克服自然界地理限制的能力。在接下来的章节中,将深入探讨水下大直径盾构隧道工程在建造和运维过程中所面临的挑战。图1 水下盾构隧道直径分布8Fig.1 Diameter distribution of subaqueous shield tunnel83水下盾构隧道建设面临的挑战不同场地水下隧道施工时,其施工方式以及施工时所遇到的问题也不尽相同。在修建
12、过程中,针对场地地质条件的不同,一般可采用盾构法、钻爆法、沉管法17。目前盾构法是水下隧道的主要修建方式,占国内水下隧道建设的7成左右。因此,本文以水下盾构隧道为主进行介绍。3.1典型工程案例介绍(1)南京长江隧道南京长江隧道18是在长江修建的风险最大的大型越江隧道,其盾构直径为14.50 m,采用的泥水盾构机工作压力达到0.65 MPa。在穿越砾砂地层时,地层渗透系数高达110-2cm/s,泥浆难以平衡地层水压力且开挖面的稳定难以保证。在穿越粉细砂层时,由于隧道掘进对地层扰动以及承压水作用,面临管涌或地层不均匀沉降19,南方长江隧道地质纵断面图20如图2所示。(2)珠海十字门隧道十字门隧道工
13、程位于珠海市香洲区南部,是未来横琴新区发挥“衔接港澳,辐射内陆”的重要对外交通体系。盾构掘进段总长940 m,隧道直径15.20 m,隧道最大纵坡-5.0%,最小转弯半径599.75 m,呈现为反“S”形(图3)。工程面临着超大直径极限小曲率掘进所引起的管片错台破损和地层变形等问题。17水下盾构隧道建造与运维技术研究现状与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024图2 南京长江隧道地质纵断面20Fig.2 Geological profi
14、le of Nanjing Yangtze River Tunnel20图3 十字门隧道盾构段地质纵断面Fig.3 Geological profile of the shield section of ShizimenTunnel(3)深港高速铁路狮子洋隧道深港高速铁路狮子洋隧道21位于珠江流域,是世界首座高速铁路水下盾构隧道。盾构隧道自上而下穿越淤泥层、强风化砂岩、泥岩及弱风化含砾砂岩(图4)。工程面临盾构长距离穿越软硬不均段、全断面泥岩和断层破碎带等不良地质,给合理配置刀具以及掘进施工风险控制提出了新的挑战。图4狮子洋隧道地质纵断面21Fig.4 Geological profile o
15、f Shiziyang Tunnel21(4)济泺路穿黄隧道济泺路穿黄隧道22是在黄河兴建的第一条超大直径盾构隧道为穿越地上悬河的公路轨道合建的交通隧道,被誉为“万里黄河第一隧”。盾构掘进区间段位于土-岩界面附近,穿越断面内为全断面硬塑性粉质黏土夹杂大量钙质结核(图5),其钙质结核强度最高可达90 MPa,在盾构施工过程中极易造成刀具磨损和泵浆管道堵塞。图5 济泺路穿黄隧道地质纵断面23Fig.5 Geological profile of Yellow River Jiluo Road Tunnel inJinan23(5)青岛胶州湾第二海底隧道青岛胶州湾第二海底隧道24位于花岗岩地层中(图
16、6),主要采用盾构法与钻爆法相结合的方式进行施工,沿线存在活动断裂带、含水断层等不良地质,在施工过程中易发生涌水、塌方事故25,且易受到地震影响。图6胶州湾第二海底隧道地质纵断面24Fig.6 Geological profile of Second Jiaozhou Bay UnderseaTunnel243.2水下盾构隧道面临的挑战在水下盾构隧道工程的修建过程中,存在多方面的挑战,其中主要包括地质复杂性、高承压、易受地震影响以及高耐久性要求。这些外在因素增加了水下盾构隧道设计和施工难度。(1)地质复杂性随着我国水下隧道的发展,将面临更加复杂的施工地质条件。目前高磨蚀性砂卵石地层、高黏粒粉质
17、黏土地层、高水压强渗透性地层、江底富含沼气地层、密集孤石群地层、长距离地下断层破碎带、极软极硬复合地层、高烈度地震区活动断层等复杂地质18水下盾构隧道建造与运维技术研究现状与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版环境已经成为现阶段盾构隧道施工面临的难点15。(2)大直径、高水压为了满足不断增长的交通需求,我国盾构隧道正朝着大直径、高水压、长距离等方向发展。这一发展趋势将对盾构装备的选择、大直径刀盘的合理配置以及掘进过程中的变形控制等方
18、面产生重要影响。同时,在盾构掘进过程中,隧道渗漏问题26也将对大直径水下隧道的施工质量和安全性产生影响。(3)易受地震影响我国渤海湾、台湾海峡、琼州海峡等沿海区域,位于全球三大主要地震带之一的环太平洋地震带,地震活动频繁。在地震活跃地区,隧道结构的损坏可能导致严重的社会和经济后果27,28。尽管一般认为隧道比建筑物更不易受地震影响,但在某些大地震中,这些结构仍然会遭受严重的损坏29。特别是在埋深浅、断面大、周围地层松软、水下环境复杂的情况下,隧道破坏的可能性会增加3033。(4)耐久性要求高水下隧道结构设计使用寿命一般为100 a34,但部分隧道仅在1520 a的使用周期内就出现了管片劣化和钢
19、筋腐蚀等问题。在高水压环境下,水中离子更容易渗入混凝土结构,逐渐侵蚀混凝土保护层,导致隧道结构的钢筋锈蚀,从而使管片劣化(图7)。图7 盾构隧道管片结构的工作环境示意35Fig.7 Schematic diagram for the work environment at a shieldtunnel segment structure354水下盾构隧道安全建造技术4.1盾构机和掘进参数优化4.1.1刀盘刀具与冲刷系统的综合优化水下隧道常位于富水软土地层和砂层中,软土地层中的黏土及粉质黏土的细颗粒含量高,盾构刀盘刀具极易淤积泥饼,导致刀盘刀具的切削效率降低15。因此,目前在水下隧道施工中会对盾
20、构刀盘刀具和冲刷系统进行综合优化设计,如图8所示。图8 刀盘结构示意38Fig.8 Schematic diagram for cutterhead structure38陈 健等36针对苏通管廊越江隧道工程,提出了刀盘冲刷喷头数量和位置的优化设计方案。此外,叶家民等37提出了优先选用开口率较大的刀盘以及合理配置刀具的优化方法来改善结泥饼现象。这些综合优化方案有助于应对水下隧道施工中的挑战,提高刀盘切削效率。4.1.2泥浆成膜的配比调节水下盾构隧道所处地层具有高渗透性的特点,盾构泥浆极易渗漏到周围土体中,难以在开挖面形成致密泥膜保护层,导致开挖面产生失稳破坏。因此,盾构泥浆配比对水下盾构隧道施
21、工掘进具有重要意义。研究表明,泥浆粒径对形成泥膜有重要影响,当典型粒径d85大于0.5倍地层平均孔径D0时可形成稳定泥膜39。韩晓瑞等40以南京长江隧道的高渗透性砾砂地层为例,采用在膨润土与天然黏土的混合泥浆中添加2的增黏剂来调节泥浆黏度的方式解决地层渗透性高的问题(图9)。林钰丰等41通过自行设计的泥浆渗透装置,分析了地层渗透系数、泥皮厚度、泥浆滤失量三者的关系以及成膜的判断方法。这些研究有助于确保开挖面的稳定性。未来可通过智能算法实现对盾构泥浆的智能调控,调整其中膨润土、粉土、增黏剂以及粗颗粒等材料的含量,实现泥浆密度、黏度和含砂量等基本性能参数的自动调整,从而更好地适应复杂多变的水下地层
22、条件。图9 泥水盾构开挖面泥膜示意40Fig.9 Schematic diagram for the filter-cake at excavation faceof slurry shield4019水下盾构隧道建造与运维技术研究现状与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.20244.1.3掘进参数控制在水下复合地层中,盾构掘进参数的选择是一个难题。王国安等42以汕头海湾隧道工程为例,针对水下复合地层总结出“控制贯入度为主、转速为辅,严控刀
23、盘转矩波动”的掘进参数控制原则。余国武43分析了小半径曲线隧道掘进中总推力、推进速度、刀盘扭矩、刀盘转速、土舱压力、贯入度等6个重要掘进参数与地层的相关性。此外,当水下隧道的两岸受到接收条件限制和约束的时候,盾构隧道不得不采用小曲率半径的设计。此时,盾构掘进易出现姿态失稳。盾构掘进路径并不总是与理论设计隧道轴线保持一致44,45,如果盾构姿态偏差过大,可能会导致盾构尾部变形、管片破裂、盾构机翻转等问题46。由于刀盘直径略大于盾体直径,开挖区域与盾体外表面之间存在一定的间隙(图10)。顶推千斤顶控制或曲线掘进不精确通常会导致盾构掘进过程呈现“蛇形”运动的趋势47。“蛇形”运动的幅度越大,施工的安
24、全性越低。合理的盾构掘进参数控制是保障水下盾构隧道建造的关键48。图10 盾构姿态与轨迹示意Fig.10 Schematic diagram for shield position and stance and itstrail目前,用于控制盾构姿态的自动控制系统仅基于现有的工程经验,没有可靠的理论支持49。在工程中主要通过盾构操作员经验控制,但传统的人工姿态调整存在滞后性和不准确性。范文超等50在汕头海湾隧道工程中采用BP神经网络方法构建相关性预测模型,实现了盾构在水下掘进从地质参数到掘进参数的量化预测。黄靓钰等51以长沙地铁3号线盾构穿越水下岩溶段为工程依托,提出了用于指导水下岩溶段盾构工
25、程施工的掘进参数模型,有效避免了涌水、涌泥等事故的发生。Shen等52以十字门隧道工程为例,提出了一种将小波变换(WT)融入随机森林模型(RF)的姿态和运动轨迹实时预测框架(图11),并成功应用于盾构施工中。图11 盾构姿态控制和运动轨迹的实施框架52Fig.11 Implementation framework for shield position andstance control and motion trail52此外,国内外学者已进行了多项研究,探讨了预测盾构隧道施工姿态和移动轨迹的方法,如卡尔曼滤波理论53、鲁棒理论54、模糊控制理论55、PID反馈控制56以及多种机器学习算法5
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