水下隧道工程实践面临的挑战、对策及思考

首先介绍钻爆法、TBM/盾构法以及沉管法3种主要水下隧道建设方法的优点及不足,进而从地质条件、水流速度、水面交通、隧道埋深、通行车道数量、渗漏情况、工程总量、施工工期、施工安全、工程造价等方面对3种修建方法进行对比分析。最后重点分析当前水下隧道工程建设过程中存在的主要挑战与相应对策,主要包括:沉管法施工中河床冲刷、管段局部高出河床、埋深增大的挑战及对策,盾构穿越浅覆土层、刀盘刀具磨损、埋深提高、轴承损坏及盾构通过断层和破碎地层施工中的挑战与对策。     

隧道掘进机技术及其在我国的发展和应用

掘进机在隧道工程中得到了越来越广泛的应用。该文主要介绍了隧道掘进机的分类、发展简史以及近半个世纪以来在我国的应用情况,同时,简要分析了隧道掘进机的未来发展趋势,以及在我国发展中存在的问题、有利条件以及应用前景。最后,针对隧道掘进机在我国的应用情况提出了几个值得思考的问题。     

超高水压越江海长大盾构隧道工程安全

随着中国交通建设和城市建设的迅猛发展,越江跨海盾构隧道工程大量增加,而且工程规模(隧道的直径和长度等)和水压条件也在增加。现阶段,仍未明确定义高水压,但一般以0.5 MPa作为高水压的分界线。近期,中国在长江、黄河以及珠江等所建设的高铁、公路以及地铁等盾构隧道工程水压均超过了0.5 MPa,正在筹划建设的琼州海峡隧道等水压更大,将高达2.0 MPa,面临巨大挑战。为此,国家决定针对超高水压(2.0 MPa)越江海长大盾构隧道工程安全问题展开“九七三”计划基础研究。研究采用理论分析、物理试验(室内、室外试验和模型试验)、数值模拟分析和监控测量等多种手段,针对其中涉及的多元、多相和多场耦合物理本质,对高水压水土与结构静动相互作用机理、盾构掘进中的动静力学机理、隧道结构特性及防水特性动态演化机理等核心问题进行深入系统的基础研究,提出了高水压下考虑渗流条件下的水土荷载计算理论和深水盾构隧道地震分析方法,建立了“机-土”动态作用力学模型,提出了盾构姿态、刀具磨损、开挖面稳定和高压成膜及闭气控制方法,提出了高水压大直径盾构隧道衬砌结构设计理论和高水压盾构隧道接缝长期防水安全与监控技术,最终形成超高水压越江海长大盾构隧道工程安全控制理论体系。为确保超高水压越江海长大盾构隧道工程安全提供设计理论依据,为实现大直径泥水盾构在超高水压等复杂条件下安全长距离施工提供理论支持。     

大直径盾构隧道穿黄河关键技术研究

针对黄河下游“地上悬河”的特点,对市区穿黄河大直径盾构隧道的安全覆土厚度,盾构隧道掘进对黄河两岸堤防工程的影响、管片结构及接缝防水3个关键技术进行研究。主要研究结论如下： 1）确定了过河段河床最大冲刷深度,并基于此研究了隧道过河段控制埋深及纵坡设计; 2）基于隧道控制埋深,验算了隧道对黄河两岸堤防的影响,映证了控制埋深的正确性; 3）进行盾构管片、接缝设计及弹性密封垫设计,并验算管片接缝防水性能。     

复杂地质条件TBM研制关键技术及应用

为解决高黎贡山隧道出口段软岩收敛卡机、破碎坍塌、岩爆片帮、高温热害、突泥涌水等不良地质TBM适应性差的问题,采用TBM适应性设计方法,提出并采用变截面抬升式开挖、水岩一体超前预报、隐藏式常态化超前钻探、前置式自动化湿喷、加强型大范围初期支护、通风系统强制制冷、刀盘刀具优化设计、物料快速运输等关键技术方案,联合研制出国产最大直径TBM（9.03 m）; 针对现场应用测试存在的部分问题,对TBM创新设计方案进行优化改进,使国产最大直径TBM在复杂地层前期应用中,取得月进尺400 m以上的掘进业绩。     

地铁盾构隧道施工方案比选及控制

北京地铁8号线永定门外站一木樨园北站区间隧道埋深较深、受地下水影响严重、周围环境复杂,对施工提出了较高要求。为保证施工顺利进行,对明挖法、暗挖法及盾构法3种施工方法进行比选,确定了加泥式土压平衡盾构机的施工方案,拟定了隧道净空尺寸、对管片结构进行设计及优化。采用MIADS／GTS数值模拟软件对盾构法施工造成的地表及过街通道变形进行验证,计算结果显示地表最大沉降为14．4mm,过街通道最大沉降为5．5mm,满足控制要求。研究结果可为类似工程提供借鉴及参考。     

盾构隧道实用抗震计算方法研究

首先分析了各国盾构隧道抗震计算的现状,总结了常用的盾构隧道抗震计算方法,分析了这些方法的优缺点及适用性。在此基础上介绍了在盾构隧道抗震分析方法方面笔者带领的研究团队近年来取得的部分进展,主要有:在盾构隧道横向抗震计算中提出修正静力法,解决了静力法的计算合理性问题;提出考虑环间接头非线性刚度的纵向迭代计算方法,进一步发展了纵向广义反应位移法的适用性,以期解决大型复杂结构在非均匀地层中的高精度计算问题;并介绍了上述研究进展在中国相关抗震规范中的采纳应用情况。最后对隧道实用抗震计算方法进行了展望:在管片结构劣化对盾构隧道抗震的影响、拟静力计算方法如何考虑地层非线性、近场地震动对隧道的影响等方面有待进一步研究。     

中国盾构和掘进机隧道技术现状、存在的问题及发展思路

简要分析我国盾构、掘进机隧道修建技术的现状,包括水下盾构隧道、地铁盾构、TBM隧道和山岭TBM隧道的技术现状。通过列举典型工程案例,分析总结我国盾构、掘进机隧道技术存在的问题:1)水底公路隧道盾构直径过大,2)单层管片衬砌的耐久性不足,3)护盾式TBM有很多局限性,4)土压平衡盾构不是万能的,5)隧道线路标高选择不合理,6)工程建设中存在4大不合理。针对这些问题提出解决建议:1)一般情况下,水底公路隧道盾构直径不宜超过12 m;2)增设二次模筑混凝土衬砌,形成复合衬砌结构;3)取消护盾式TBM,提倡采用开敞式TBM;4)盾构选型时,应同时考虑比选泥水盾构、土压盾构和开敞式无刀盘盾构;5)避开在岩层交界面上选线;6)工程建设一定要坚持科学发展观。为盾构、掘进机隧道的设计和施工提出新思路,包括:1)无刀盘的开敞式网格盾构,2)压缩混凝土衬砌,3)TBM导洞超前再钻爆法扩挖,4)风井始发盾构。最后,指出大直径盾构不是发展方向,长距离掘进(2 km)时,深埋盾构施工才是发展方向;并提出琼州海峡隧道采用盾构法施工(深埋优于浅埋),渤海湾海峡海底隧道采用直径为10 m的TBM+钻爆法施工,台湾海峡隧道采用深埋方案开敞式TBM+钻爆法施工的想法。     

上海隧道工程股份有限公司副总工程师 王鹤林

随着中国城市新一轮地铁建设热潮及其他隧道工程建设的长足发展，盾构机这个担当主要掘进任务的专用工程机械成为焦点。上海隧道工程股份有限公司副总工程师王鹤林主要研究盾构各项关键技术、大直径盾构关键技术、泥水平衡盾构关键技术与样机研制课题，理论知识深厚，经验丰富，故此我们特邀他谈谈盾构技术发展的历程和当前的研究与应用。     

封一/四

自21世纪以来,中国国民经济飞速发展,地上空间资源的利用日趋饱和,城市面临着“摊大饼”式快速扩张问题。随着地下隧道、地下车站、地下综合体等重点地下工程项目的建设,地下工程呈现出微变形、小间距、大断面、大埋深、高精度、长距离和超大规模等特点,面临着“水、软、变形难以预测”三大技术难题,严重影响了地下空间的发展,给我国地下工程施工技术与施工装备带来了严峻挑战。为此,总结分析了近年来地下空间尤其是城市地下空间近接施工技术、施工装备和数智化技术等方面的技术进展与创新,详细分析了软土富水地层位移和变形控制技术,提出富水地层冻结技术和跨地铁运营隧道综合辅助施工控制技术;介绍了集合人工智能、物联网等新一代前沿技术和隧道装备核心共性技术,以及具有绿色化、智能化且具有自主知识产权的典型超级地下工程装备。从设计、施工、监测、运维4个方面介绍了现代地下空间数智化技术的特点以及应用情况。强调通过地下空间信息的共建共享,构建可视化的地下空间信息平台,是实现“透明地下空间”的基础;对复杂地质条件灾害的预警与控制,是地下工程安全建设的有力保障;基于物联网、大数据等现代信息技术的控制管理系统,是支撑智慧城市基础设施安全的关键;并指出未来地下工程需加强数智化技术应用,实现整个建设过程的精细化、数字化、智能化以及信息化。     

某隧洞工程TBM不良地质处置探究

为解决某隧洞工程面临的断层破碎带、软弱围岩大变形、塌方、大坡度、涌水突泥、岩爆、高地热等不良地质问题,设计具有电液混合脱困、刀盘扩挖、护盾延长、超前钻机、应急排水、空气冷却装置等功能的敞开式TBM,并在实际应用中增加螺旋清渣机、钢拱架顶升等功能,与拦水坝、超前注浆、管棚支护等施工手段相结合,有效度过最大涌水量达772.57 m3/h的涌水段、232 m的岩爆段、445 m的蚀变段、塌方段、60 m的涌泥涌沙段,最后根据实际应用效果,指出针对性设计存在的不足和需要改进的地方。     

综合超前地质预报技术在隧道施工中的应用

结合超前地质预报技术在金瓜山隧道施工项目中的应用,具体论述了综合超前地质预报体系的设计思想以及所采用的TSP、雷达探测、超前钻探、地质素描等预报方法的工作原理和实施步骤,并分析了各种方法的特点,为隧道施工提供指导与借鉴     

盾构隧道施工地表沉降数值分析研究

隧道施工引起的地层损失所导致的地表沉降变形预测和控制，是隧道工程领域重要的研究课题之一。以盾构隧道开挖引起地表沉降变形为研究对象，采用有限元数值分析软件模拟盾构隧道施工过程，分析盾构隧道引起的土体应力场、位移场变化，对比分析不同的地层损失、不同的土体本构模型、土体排水和不排水条件下隧道施工引起的地袁沉降变形规律，并进行了不同影响因素的敏感性分析。结果表明，地表沉降槽近似正态分布曲线，地表沉降的主要影响因素依次为隧道埋深、内摩擦角、压缩模量、粘聚力和泊松比；提出了盾构隧道施工引起的地表沉降计算模型，并采取有针对性的措施来减少地表沉降，减小对周围环境的不良影响。     

盾构法隧道施工智能化辅助决策系统

本文介绍了盾构法隧道施工智能化辅助决策系统的结构、功能和特点 ,通过在工程中的应用 ,得到了改进和完善 ,从而显示出它的准确性和实用性     

大伙房特长隧洞TBM施工中TSP超前地质预报

以大伙房特长隧洞桩号8+538前方的地质为例,利用TSP203对其进行地质解译。TBM开挖后所暴露的地质条件表明,TSP203利用泊松比以及波速的变化能够准确预报地质情况。     

西秦岭特长隧道TBM步进段弧形基础的设计与施工

TBM施工前的步进工作顺利与否,直接关系到整座隧道的施工工期。弧形基础是保证TBM步进的关键性附属设施之一。在应用ANSYS软件对弧形基础设计验算基础上,对其施工组织、施工顺序、工艺流程、模板安装、混凝土浇注及养护等进行介绍。通过TBM步进效果信息反馈,施工方法能满足TBM步进安全通过预备洞段,取得了良好的技术和经济效益。     

隧道危石识别及防控研究现状与发展趋势

隧道危石垮塌防控是隧道安全建设面临的重大理论与技术难题,针对危石垮塌机理复杂且缺乏有效的探测技术及方法,难以对其实现有效防控的问题,在系统整理国内外研究资料的基础上,从隧道危石地质调查、危石识别理论、危石监测及控制方法3个方面总结了隧道危石识别与防控的研究现状。在隧道危石地质调查方面,数字罗盘接触测量、近景摄影测量、激光扫描已成为支撑隧道危石地质调查发展的三驾马车,初步形成了基于结构面网络模拟的三维岩体结构信息集成分析方法;在隧道危石识别方面,危石静态及动态识别理论研究取得长远发展,初步形成了静-动结合的隧道危石稳定性判识方法;在隧道危石监测及控制方面,虽然做了一些工作,但尚未形成有效的隧道危石监测及控制技术方法。随后结合笔者团队正在开展的研究工作,系统阐述了现有隧道危石防控理论及技术的不足,并对隧道危石防控对策进行了相关探讨,认为隧道危石防控的研究重点和趋势有以下3点：物-钻-表三位一体的岩体结构探测方法;岩体结构模型跨尺度联合重构方法;隧道危石"点-域"同步监测及靶向控制技术。研究结果可为广大研究者和应用者提供了一个探讨的基本框架,并为本领域研究提供了一定的参考。