我国城市地下空间盾构法隧道工程技术新进展

易国良, 陈 馈, 2, 3, 4, 卢高明, 2, *, 周建军, 2, 范文超, 2

(1. 中铁隧道局集团有限公司, 广东 广州 511458; 2. 隧道掘进机及智能运维全国重点实验室,河南 郑州 450001; 3. 山东大学, 山东 济南 250100; 4. 陕西铁路工程职业技术学院, 陕西 渭南 714000)

0 引言

随着社会经济和科学技术的不断发展,我国城市地下空间建设规模持续增长。地铁、地下停车场以及综合管廊等地下工程的建设,是实现社会可持续发展、建设资源节约型和环境友好型社会的重要途经[1-2]。我国城市地下空间建设总量在“十二五”规划以来显著增加,年均增速20%以上,其中约60%是在“十二五”规划期间完成的;“十三五”规划期间我国基于轨道交通和综合管廊的地下交通和市政设施,在建设规模、建设水平、运维管理等多个方面已赶超世界;盾构法施工在城市地铁建设中发挥着重要作用,“十四五”规划期间及更远时间内,盾构法在城市地下空间建设中仍然占据主导地位。

盾构法施工技术在地铁、市政公路、城市铁路、城市水工隧洞、城市综合管廊等工程中得到广泛应用,已成为我国重大地下工程领域不可或缺的关键技术。当前国产盾构产销量已跃居世界第一,国内占有率从2008年以前的0增加到现在的90%以上。我国相关学者已经对盾构施工技术的发展进行了总结和论述。例如: 刘仁鹏[3]在1985年介绍了我国盾构施工技术的应用情况,随后王振信[4]、张凤祥等[5]、薛备芳[6]、洪开荣[7]、傅德明等[8]、陈馈等[9-10]学者对我国不同阶段盾构技术的发展及应用情况进行了总结和分析,并提出了相应建议。

我国大直径盾构隧道发展起步阶段为2000—2010年,快速跨越式发展阶段为2010年至今。经过20多年的发展,我国大直径盾构隧道在勘察规划、工程设计、装备制造、规范、材料和施工技术管理等方面积累了丰富的经验和教训,大直径盾构隧道综合技术达到了国际领先水平[11-14]。鉴于我国战略性的发展需求,隧道断面尺寸不断增大,埋深越来越大,区间距离也越来越长[15]。由于我国不同地区地质条件差异很大,长距离隧道在开挖过程中遭遇的复杂地质越来越多,如上土下岩地层、超软土地层和砂卵石地层等,盾构刀盘刀具磨损严重[16]。随着科技不断进步,大数据、云计算、人工智能、物联网、卫星通信、5G、区块链等新一代信息技术快速发展,自动化与智能化已经成为盾构施工的主要发展方向之一。

本文总结了我国城市盾构法隧道的概况,阐述了城市盾构法隧道面临的挑战,梳理了盾构法隧道工程技术的新进展,介绍了盾构智能化掘进技术,指出了未来盾构法隧道的发展方向,以期为我国城市盾构法隧道的修建和盾构装备技术的发展提供借鉴。

1 城市盾构法隧道概况

我国是世界上隧道建设规模最大、地质条件和结构形式最复杂、修建技术发展速度最快的国家。盾构法隧道具有安全性高、建设速度快、质量可控性好的优势,在地铁隧道、市政公路隧道、城市铁路隧道、城市水工隧洞、城市综合管廊等各个领域的隧道工程建设中发挥了越来越重要的作用。

1.1 地铁隧道

随着我国城市化进程加快,城市交通堵塞问题越来越凸显,地铁作为解决道路堵塞的有力交通工具,为城市公共交通事业做出了巨大贡献。根据《2023—2029年中国地铁行业市场现状分析及市场前景评估报告》《2024—2030年中国地铁建设行业市场发展监测及投资潜力预测报告》统计分析,中国地铁运营线路长度由2011年的1 401 km增长至2022年的8 008.17 km,呈现高速增长态势。我国地铁运营线路长度统计如图1所示。

图1 我国地铁运营线路长度统计

地铁隧道从结构上分为单洞单线和单洞双线2种基本形式。单洞单线式隧道,列车去行和回行区间各自采用单独的隧道;单洞双线式隧道,列车去行和回行区间共用同一条隧道,隧道宽度一般不超过9 m,每个隧道洞内铺设2条轨道。我国地铁隧道一般为单洞单线形式,多采用直径6～7 m的盾构,少数单洞双线地铁隧道一般采用直径10～12 m的盾构。

土压盾构、泥水盾构、TBM及多模盾构在地铁隧道中均有应用。上海、天津、郑州、苏州、杭州、无锡、常州、温州等城市以软土地层为主,地铁隧道主要采用土压平衡盾构;北京、成都、南昌、兰州、沈阳、南宁等城市以砂卵石地层为主,地铁隧道部分采用泥水平衡盾构;青岛、深圳、广州、重庆等城市硬岩地层中应用了TBM或双护盾TBM;近年来广州、深圳等地铁工程采用多模盾构以适应不同地层。

1.2 市政公路隧道

我国城市市政公路隧道近10年修建数量明显增加[17]。上海于2003年采用盾构法修建直径14.5 m的上中路隧道,2010年后陆续修建周家嘴路越江隧道、郊环隧道、虹梅南路隧道等。上海北横通道西段隧道2021年6月通车,全长7.8 km,在建的东段隧道全长6.9 km,建成后东西段隧道总长14.7 km,将成为我国最长的市政公路隧道[18]。我国市政公路盾构隧道典型案例如表1所示。

表1 我国市政公路盾构隧道典型案例

盾构法市政公路隧道的主要特点为: 1)断面尺寸不断增大。近年来出现许多单洞4车道和6车道超大断面公路隧道,例如深圳春风隧道为“单洞双层”双向4车道,全长4.82 km,使用直径15.80 m泥水平衡盾构[19];北京东六环改造工程隧道全长9.20 km,为“双洞单层”双向6车道设计[20]。2)水下隧道明显增多。近年来黄浦江、甬江、珠江、黄河及长江等地修建了很多水下隧道[21-22],如武汉三阳路隧道穿越长江,两湖隧道穿越城市湖泊[23]。3)隧道施工环境日趋复杂。随着断面尺寸增大,开挖地层愈加复杂,多为复合地层,岩土力学、工程地质和水文地质等特征相差悬殊[24]。4)施工智能化水平不断提升。目前多家单位研制了盾构/TBM工程大数据平台,采用数据挖掘技术结合地层数据对盾构掘进进行精确指导及辅助控制。

1.3 城市铁路隧道

由于地面环境的限制,城市铁路地下化时会采用盾构法隧道,我国城市铁路盾构隧道典型案例如表2所示。

北京铁路地下直径线工程全长9.151 km,隧道长7.230 km,盾构段长5.175 km。穿越地层差异较大,西端主要为卵石层、圆砾层,包含最大强度约30 MPa的砂层与卵石层的胶结层[25];东端主要为粉质黏土层、粉土层和砂层等。采用泥水加压平衡盾构独头掘进5.175 km。2013年7月26日工程顺利贯通[26],是北京首次采用直径12.04 m泥水盾构施工的隧道,被评定为“最难、风险最大的在建地下工程”,铁道部将其列为“极高风险1号工程”。

表2 我国城市铁路盾构隧道典型案例

天津地下直径线位于天津枢纽内,全长5.2 km,海河隧道全长3.61 km,盾构段长2.146 km,为单洞双线设计,最小平面曲线半径为600 m,使用1台直径11.97 m的泥水平衡盾构施工。该工程在R600 m圆曲线盾构接收技术、复杂地下障碍物清理技术、泥水平衡盾构施工技术、泥水处理分离技术以及复杂周边环境极其苛刻变形控制技术等方面进行攻关。

城市铁路隧道建设面临行车速度快、隧道断面大、区间隧道长、埋深变化大、下穿敏感点多、地质条件复杂等难题。

1.4 城市水工隧洞

我国水问题复杂且治水任务艰巨。与构建现代化高质量基础设施体系要求相比,水利工程体系还存在系统性不强、标准不够高、智能化水平有待提升等问题,国家水网总体格局尚未完全形成。我国城市水工隧洞典型案例如表3所示。

表3 我国城市水工隧洞典型案例

珠江三角洲水资源配置工程横跨佛山市、广州市、东莞市、深圳市,输水线路总长113.2 km,其中盾构隧洞总里程135 km(部分线路双洞),开挖直径4.1～8.3 m,线路如图2所示。珠江三角洲水资源配置工程土建施工B3标段全长11.359 km,包含4个盾构区间,土压盾构区间长2.279 km和2.398 km,泥水盾构区间长3.406 km和3.178 km。盾构穿越莲花山水道及狮子洋水道,开挖面易失稳,甚至造成盾构上方出现冒顶、涌水等重大风险;盾尾和主轴承密封系统发生密封磨损后失效风险高;岩石饱和抗压强度达97.2 MPa,岩层石英质量分数为50%～70%,刀具磨损较大。

图2 珠江三角洲水资源配置工程线路

城市水工隧洞是地下建筑物,与地面建筑物相比,洞身断面小、施工场地狭窄、洞线长、施工作业工序多、干扰大、难度较大、工期一般较长,尤其是兼有导流任务的隧洞,施工进度往往控制着整个工程的工期。因此,在水工隧洞建设中亟需采用新的施工方法,改善施工条件,加快施工进度和提高施工质量。

1.5 城市综合管廊

国家住房和城乡建设部等部门自2015年1月开始联合支持地下综合管廊试点工作,到2022年6月我国已累计开工建设管廊项目1 647个,总长度达5 902 km,形成廊体3 997 km。综合管廊极大提升了城市安全保障和灾害应对能力,促进了土地资源的集约高效利用[27]。我国城市综合管廊典型案例如表4所示。

苏通GIL综合管廊工程采用泥水盾构,开挖直径12.07 m,掘进总长5.468 km,具有管廊直径大、掘进距离长、埋深大、地质复杂等特点,是我国埋深最大、水压最高(隧道结构底面标高-74.83 m,水压力最高达0.8 MPa)的综合管廊。其地理位置如图3所示。

表4 我国城市综合管廊典型案例

图3 苏通GIL综合管廊工程地理位置

广州中心城区综合管廊工程是国内规模最大的地下环线隧道,地质条件复杂,3次穿越珠江,3次下穿既有铁路,16次穿越既有地铁运营线,30余处与广州地铁11号线交汇穿越,20余处下穿/侧穿危旧房屋群、敏感建(构)筑物。全线有4个区间位于溶洞发育区,14个区间穿越断裂破碎带,5个区间洞身及洞顶范围存在淤泥、砂层、花岗岩残积土层等不良地质,28处穿越上软下硬地层。盾构直径6.25 m,管廊最小曲线半径仅为235 m,线形设计基本达到盾构施工极限。

城市综合管廊具有管线高度集中、建设地段繁华、附属工程系统庞大等特点,未来将朝着规划体系完备、设计规范标准、设施协同开发、运行模式智能等方向发展。

1.6 城市盾构法隧道面临的挑战

1)地质条件多样化。我国幅员辽阔,各城市地质条件种类多样,软黏土地层盾构掘进稳定性控制,砂卵石地层盾构刀具高磨耗、大粒径漂石孤石处理,老黄土地层塌陷等问题是未来技术攻关的方向。

2)越江跨海常态化。我国水系众多,城市盾构法隧道穿越江河在所难免,土压盾构和泥水盾构选型、刀盘刀具优化配置设计、隧道施工安全性和经济性选择等问题至关重要。

3)结构断面多元化。根据实际发展需要,城市盾构法隧道结构断面尺寸不一,从城市水工隧洞到城市地铁隧道,再到市政公路隧道和城市综合管廊,尺寸呈现多元化趋势。

4)地面条件复杂化。城市盾构法隧道需要下穿城市建筑密集区、地铁、水库、桥基等,近距离交叉、斜穿,面临着开挖面稳定和地面沉降控制等难题。

5)隧道结构耐久性问题。城市盾构法隧道结构受到新建(构)筑物近接施工、车辆振动、弥散电流等影响,越江线路隧道受到高水压、侵蚀介质等长期作用,隧道管片裂缝、渗漏水、钢筋锈蚀、混凝土腐蚀老化甚至剥落、掉块等现象开始频繁出现,隧道管片衬砌结构的耐久性问题是目前面临的挑战。

2 盾构法隧道工程技术新进展

2.1 超大直径盾构装备技术

随着我国经济的迅猛发展,城市交通、轨道交通、铁路、综合管廊等过江过海需求迅速增加。铁路行车速度不断提高,大断面单洞双线隧道成为发展趋势;公路等级不断提升,车流量激增,公路隧道断面日益增大。

1)主轴承及密封系统。我国自主研发了伸缩摆动技术,满足了刀具更换需要。通过设计多道唇形密封结构,控制多道密封腔内外压的差值,提高了结构的密封耐压能力及可靠性;通过开展盾构主轴承国产化研究,目前已实现8 m级盾构主轴承、减速机等工业基础零部件国产化。

2)油缸自由分区技术。油缸自由分区技术实现了推进油缸的自由分区,通过控制推进油缸各分区的压力差对盾构姿态进行调整,推进油缸分区布置如图4所示。该技术已在汕头海湾隧道、深圳春风隧道工程中成功应用,在上软下硬地层或软弱地层中可有效对盾构姿态进行控制。

图4 推进油缸分区示意图

3)高精度自动保压系统。为了提高系统控制精度,国内研发了四回路并联式分段控制自动保压系统,将保压系统进气调节阀和排气调节阀分为大、小阀门并联进气,控制器对大、小阀门进行分段控制,从而减少系统响应时间,提高系统控制精度。

2.2 大直径泥水盾构常压换刀技术

砂卵石、卵砾石、硬岩等复杂工况下的盾构刀具磨损尤为严重,带压进舱刀具检查和更换风险高且耗时长,我国采用的第4代常压换刀技术达到世界领先水平。常压刀盘主梁由多个中空梁组成,主梁上刮刀和滚刀可在常压环境下更换,作业人员进入中空刀盘辐条臂内,在常规大气压下进行刀盘及刀具检查和维护,有效降低高水压环境下换刀的风险。常压换刀装置如图5所示。

图5 常压换刀装置

常压换刀原理为在法兰罐内(一个与外界连通的独立区域,与刀盘泥水舱高压区域隔离)作业人员对高压区域的刀具进行更换。正常掘进时刀具伸出刀盘面板切削土体,当检查刀具磨损或换刀时,作业人员首先将待更换刀具所在刀臂转至刀盘中心正下方,通过配套工装将整个刀筒先抽离至闸板阀后面,然后关闭闸板阀隔绝泥水舱高压区域,再将刀筒整个抽出进行刀具检查更换。第4代常压换刀技术可更换的刀具种类多,通过配备液压油缸系统插拔刀具,设置机械保护装置,提升了闸门的密封性能,使换刀操作更加安全便捷。

常压换刀装置的优点: 1)高安全性,常压换刀技术可避免作业人员在高压环境下进行舱内作业,减少人员伤亡的风险; 2)方便快速,常压下刀具的检查和更换可利用设备检修时间进行; 3)低成本,普通人员经过简单培训即可进行常压下的刀具检查和更换,刀具检查和更换的费用更低。

2.3 多模盾构技术

近年来,隧道建设逐渐呈现出长距离化、施工环境复杂化等趋势,对隧道掘进设备的创新性设计要求越来越高[28]。为解决因地层显著差异而出现的施工问题,多模盾构应运而生。目前多模盾构在城市地铁隧道建设中应用最为广泛。国内外多模盾构隧道工程如表5所示。

表5 国内外多模盾构隧道工程

目前多模盾构施工技术主要包含“选、转、掘”,即设备选型、模式转换和掘进效能3个方面。多模盾构的主要适应性地层及工作特点是该施工技术的重要特征[30]。

1)土压/TBM双模盾构,适用于长距离硬岩段及软岩、软土复合地层。TBM模式可以提高硬岩段掘进效率;软岩、软土地层采用土压模式平衡掌子面压力。

2)土压/泥水双模盾构,适用于高地下水压力及软岩、软土复合地层。软岩、软土地层采用土压模式,降低成本,提高掘进效率;强透水地层采用泥水模式规避施工风险,控制地层沉降。

3)泥水/TBM双模盾构,适用于长距离硬岩与强透水性软土复合地层。强渗透性地层采用密闭式泥水模式开挖;硬岩及渗透性弱的地层采用TBM模式开挖。

4)土压/泥水/TBM三模盾构,适用于高透水、沉降敏感地层、长段硬岩及软土共存复合地质。高水压、地表沉降敏感地层、透水破碎带采用泥水模式;风化软土层采用土压模式;孤石及硬岩段采用TBM模式。

2.4 类矩形盾构隧道建造技术

为解决施工时地下空间“放不下”、周边建筑“碰不得”的难题,研发了类矩形盾构隧道修建技术。例如: 宁波轨道交通2号线五里牌站—枫园区间,采用“阳明Ⅱ号”类矩形土压平衡盾构,如图6所示。尺寸为11.83 m×7.27 m,采用2个X型辐条式圆形大刀盘加1个偏心多轴驱动仿形刀盘的组合切削形式,2个大刀盘在矩形盾构最前端同一水平面上左右分布,偏心多轴驱动仿形刀盘位于矩形盾构切削面的中央位置,交错置后于2个大刀盘。

图6 类矩形土压平衡盾构

与圆形隧道相比,类矩形盾构挖掘的隧道空间使用率可提升35%,实现双向隧道同时掘进,在推进效率、成本与车辆通行方面具有更大优势。该盾构具有切削全断面化、控制智能化等特性,可实现长距离曲线施工及高精度沉降控制,地层适应能力强,可满足地下空间高度集约化及环境保护要求。

2.5 联络通道机械法施工技术

根据GB 50157—2013《地铁设计规范》的规定,地铁隧道上下行线之间需设置联络通道。软土地区采用冻结法加固结合矿山法开挖的工法,该工法工期长、机械化程度低。采用盾构法修建联络通道,能有效缩短工期,提高机械化程度,能更好地控制工后冻融沉降。

1)盾构法联络通道掘进装备,包含盾构及其后配套、始发和接收套筒、快速支撑体系。采用锥形刀盘和特殊设计实现狭小空间内始发、掘进、接收。始发套筒分段设计,内部设置密封刷,接收套筒内部带压灌注泥浆,保证始发和接收的密封性;始发及接收影响范围内,设置一体化内支撑台车系统,实现施工全过程隧道结构保护。

2)辅助施工技术。采用微扰动双液注浆加固技术对联络通道与主隧道连接位置的T型接头位置进行第1道止水注浆;始发时在始发套筒内切削复合管片混凝土洞门,实时监测支撑轴力、千斤顶推力、扭矩等变化。

2.6 软硬极端悬殊地层掘进技术

市政公路隧道断面通常较大,超大直径盾构的开挖面及延伸方向上一般由多种地层组成[31]。在软硬极端悬殊地层中掘进时,容易出现开挖面失稳、掘进参数突变、姿态不易控制、刀具异常损坏、泥水环流易滞排等现象。例如: 汕头海湾隧道主航道下方有3段基岩突起段,单轴抗压强度最高达214 MPa,上部为淤泥、淤泥质土等极软弱地层。盾构掘进时极易击穿上覆土导致水底冒浆、开挖面失稳坍塌,下部基岩导致刀具磨损快、易损坏,盾构载荷波动大。通过技术攻关,形成了盾构装备针对性选型设计技术、盾构掘进姿态及地层稳定性控制技术、软硬极端悬殊地层刀具监测管理技术等。

1)盾构装备针对性选型设计技术。汕头海湾隧道采用15.01 m/15.03 m超大直径气垫式泥水平衡盾构,常压刀盘配置多把可常压更换的滚刀、切刀,配置滚刀磨损、温度等监测装置;配置颚式破碎机对岩石二次破碎,便于岩渣排出;主驱动配置伸缩摆动功能,实现刀盘小幅后退及摆动;配置高强度滚刀,刀圈硬度按HRC55—58从内到外梯度分布,单把滚刀最大工作荷载为315 kN。

2)盾构掘进姿态及地层稳定性控制技术。通过建立盾构主机受力平衡方程,掌握总推力不变时各个分区压力、推力的变化规律,分析推进系统各个分区输出不同推力时管片结构的受力变化,调整推进系统分区压力,保证总推力、优化分区推力,保证盾构掘进姿态和管片合理受力。采用数值模拟和经验公式计算初始泥水支护压力,根据地表沉降监测值,调整支护压力设定值,保持地层稳定。

3)软硬极端悬殊地层刀具监测管理技术。软硬极端悬殊地层下,刀具受高频交变荷载作用,刀筒内各连接螺栓易松动、易疲劳断裂。利用盾构TBM大数据平台的统计分析和常压刀具监测装置,关注刀具旋转、温度状态,在中心舱主动检查刀筒和密封座螺栓的松动及后退情况,适时抽检刀具。通过加强刀具管理,对状态异常的刀具及时检查更换,保障盾构顺利通过软硬极端悬殊地层。

2.7 富水砂卵石地层土压平衡盾构技术

富水砂卵石地层属于一种非常典型的不稳定地层,卵石之间空隙较大,且填充着各种砂层,结构非常松散;地层含水量较大,透水性较差,开挖时易出现砂流失、水流失等情况,进而诱发坍塌;且易出现刀盘刀具严重磨损、刀盘螺旋输送机卡死、螺机喷涌、刀盘结泥饼、地面沉降坍塌等问题。富水砂卵石地层土压平衡盾构技术包含了渣土改良技术、渣土舱位控制技术、泥饼防治技术、喷涌防控技术、坍塌防控及处理技术、穿越重要建筑物变形控制技术等。

成都轨道交通17号线一期盾构区间长20.785 km,9个盾构区间采用20台直径8 634 mm的土压平衡盾构。洞身处于全断面砂卵石地层,温江段卵石质量分数超过75%,漂石粒径多为20～70 cm,漂石及卵石天然抗压强度一般为41～200 MPa,个别达到299 MPa。隧道穿越含水量丰富、补给充足的强透水砂卵石土,埋深均位于地下水位以下。掘进时刀盘前方及上方砂卵石土易松散坍塌,地面易沉降[32]。

2.7.1 渣土改良技术

砂卵石地层的原状渣土中卵石和砂土分离严重,依靠渣土压力保持开挖面平衡几乎不可能;且渣土流动性很差,很难通过螺旋机排出。因此,必须改良渣土保持开挖面的稳定和顺利出渣。本工程采用2种方式改良渣土: 1)常规区段掘进时,主要采用泡沫+水的方式改良渣土; 2)加固区、降水区及高风险区掘进时,主要采用膨润土+泡沫+水的方式改良渣土。

2.7.2 渣土舱位控制技术

砂卵石地层中舱内渣土卵石质量分数高、粒径大、密度大,满舱位推进会导致盾构扭矩大、推力高、渣土滞排、渣温高、速度慢、憋舱加大,对周边地层扰动而出现超挖、结泥饼等现象。采取的措施为: 1)快速推进,采用控制欠压模式推进以保证推进速度,减少超挖; 2)适当保压,欠压推进时在舱内土体上方充填膨润土液或泡沫; 3)进行渣土舱位控制。

2.7.3 泥饼防治技术

掘进过程中通过渣土改良、控制土舱渣土舱位、控制土舱温度等方式减少泥饼生成。当出现土压频繁波动变化、扭矩规律性波动、推力持续增加、推进速度降低、渣温持续上升等现象时,及时采取措施或开舱检查。泥饼形成前期使用分散剂泡舱,或根据参数波动预判板结位置,通过在土舱壁处预留的注入孔对其冲洗,泥饼严重时开舱清理。

2.7.4 坍塌防控及处理技术

1)严格控制每环出土量,采用出土体积和出土质量双重指标控制。

2)严格把控同步注浆的浆液质量和注浆量。本工程砂卵石地层受扰动易松散并具有强透水性,同步注浆采用凝结时间较短(初凝3～6 h,终凝10 h)、强度高的浆液,每环注浆结束或中途停机时采用膨润土清洗注浆管路,以防堵管。

3)正常注浆量为计算空隙体积的1.5～1.8倍,在出土超方地段加大同步注浆方量,或采取背后二次补注浆。

4)空洞回填。当出现大方量超方时,停止掘进,探测寻找空洞,进行土舱保压;若空洞与开挖面连通,径向及盾尾注入膨润土防止盾体被抱死。为避免回填材料造成刀盘抱死和土舱渣土固结,在刀盘周围回填砂子形成隔离层后,再回填水泥砂浆或混凝土使地层形成板块效应,待回填材料凝固后再恢复掘进。

2.8 地下高地震烈度盾构隧道减隔震抗震技术

我国地震频发,许多隧道位于高烈度地震区,隧道结构在地震作用下会发生破坏。目前主要通过3种途径进行隧道抗减震设计: 1)通过注浆等地层加固手段,提高周围地层抗变形能力; 2)通过调整结构参数,降低结构刚度,增强结构变形能力,如管片间采用柔性接头连接; 3)通过施加隔震层,将衬砌和地层隔开,使地层变形无法直接作用于衬砌上,从而减轻地震荷载作用下隧道的动力响应。

针对国内首条地处8度地震设防烈度区的汕头海湾隧道,隧道线路受高地震烈度与复杂海底地层耦合作用,减隔震抗震设计难度大。盾构隧道的纵向拉伸量主要产生在隧道纵向接头处,为增强其变形能力,采用直螺栓连接的形式和柔性减震节点的方式达到减震的目的。螺栓连接方式有2种,如图7所示。直螺栓在地震时更容易变形,且变形时对隧道管片结构的损害相对较小,从抗震角度推荐采用直螺栓连接形式。

(a) 直螺栓连接

(b) 曲螺栓连接

汕头海湾隧道是国内首条按9度抗震烈度设防的隧道工程,要求成型隧道在地震荷载作用下环缝存在一定张开量的同时保证隧道防水。为减小土层变化处接头的张开量,在岩石两侧土层变化处布置2道柔性减震节点,并对其相邻局部接头螺栓加强,使隧道全线接头张开量(除减震节点外)不超过15 mm,确保隧道在地震时的安全性。减震节点有一定的变形复位能力,在地震后会恢复原位。汕头海湾隧道采用了形状记忆合金(shape memory alloys, SMA)制成的柔性减震节点,如图8所示。

(a) SMA减震节点

(b) SMA棒材

2.9 超长距离综合施工技术

随着我国经济发展的需要,盾构隧道正朝着超大直径、超大埋深、超高水压、超长距离的方向发展。

2.9.1 盾尾刷更换和管路磨损监测及耐磨改进技术

超长距离综合施工技术包括盾尾刷更换、管路磨损监测及耐磨改进技术等[33]。盾尾刷磨损会导致盾尾密封失效,因此盾尾刷更换前要对盾尾及相应管片周围的地层进行密封止水加固。盾尾止水加固技术包含注浆加固法、旋喷搅拌法、冻结法等。注浆加固法是通过管片上的二次注浆孔向地层注双液浆等材料进行止水加固;旋喷搅拌法是将高压喷射出的硬化浆液与围岩进行搅拌混合,在一定范围内形成圆柱形加固体;冻结法是利用人工制冷的方法如盐水冻结、低温液化气(液氮)冻结,将地层中的土冻成硬质冰土,提高该部分土体的强度及稳定性,隔绝地下水。泥水盾构在长距离施工中会出现管路磨损,需使用耐磨材料对管路进行耐磨处理,有效措施包含排浆管内泥浆参数优化、管路材料选择、管路线型设计、粗颗粒石块处理等。

2.9.2 地下对接技术

盾构地下对接技术包含辅助式对接和直接式对接。辅助式对接是指2台盾构相向掘进到接合位置后,采用注浆加固或冻结工法对附近地层进行加固,然后完成对接贯通;直接式对接是利用盾构中设计的特殊机械装置,在对接位置完成对接施工。广深港狮子洋隧道是国内首次完成水下盾构辅助式对接的隧道,隧道长9.3 km,采用4台盾构从两侧同时掘进约4.5 km,最后在水下进行对接[34]。对接前先对周围地层进行注浆加固,2台盾构相距20～30 m时,一台盾构停止掘进并拆除部分部件,另外一台盾构向前缓慢掘进至对接地点,直到与第1台盾构接触。盾构到达对接位置后立即进行管片加固,对最后拼装的(至少60 m)管片进行壁后补充注浆并复紧管片螺栓,在管片端面与盾壳之间焊接钢肋板防止盾构后退,在盾尾管片与盾壳间隙进行注浆填充,对后10环管片沿隧道方向设6道槽钢或角钢纵向拉紧。对接施工中加强盾壳变形和管片变形监测,气压舱封板打开时应加强水量监测,最终在常压下进行最后的拆机工作。

3 盾构智能化掘进技术

随着工业4.0和人工智能2.0的崛起,智能建造理念已广泛应用于地下工程领域。近年来我国盾构智能化掘进技术得到了长足的进步和发展,其包含不良地质识别技术、设备状态实时感知技术、同步推拼连续掘进技术、盾构自动驾驶技术、盾构智能化管控平台技术等。

3.1 不良地质识别技术

盾构隧道施工对不良地质非常敏感,如断层、溶洞、破碎岩体等极有可能造成突水突泥、塌方,易导致刀盘被卡、刀盘损坏、掌子面失稳等。实时准确地对掌子面前方地质情况、不良地质性质和位置进行探测分析,实现对不良地质体空间位置、赋存形态和充填特性的定性辨识和定量预报[35-36]。

超前探测有直流电法、地震波法、电磁波法等。直流电法适用于溶洞、富水不良地质;地震波法中震源的不同发射方式与盾构施工效率相关;电磁波法可以对岩体介质全方位探测,但盾构电磁环境复杂,收发天线布置受极大限制[37-38]。

目前TBM施工中超前地质预报方法较多,例如:德国应用聚焦频域激发极化原理BEAM(bore-tunnelling electrical ahead monitoring)技术和基于面波-横波转换波模型的ISP(integrated seismic prediction)技术;日本利用掘进参数进行超前探测;我国部分学者用三维激发极化法、HSP(horizontal sonic profiling)声波反射法和CFC(complex freqency conductivity)进行超前探测等。地震波法在隧道地质超前预报中的应用较为广泛,如TSP(瑞士安伯格公司开发)、HSP(中铁西南科学研究院有限公司开发)、SAP(山东大学开发)等设备的原理均是基于地震波反射法。超前预报研究多集中于敞开式TBM隧道,盾构隧道的超前地质预报技术较少。

基于BEAM技术的隧道地质超前预报是一种应用聚焦电流激发极化方法原理的地质超前预报系统,能够在隧道恶劣环境下满足探测需求。盾构通过BEAM系统,能够保持持续掘进状态,不断探测隧道掌子面前方3倍隧道直径距离的地质情况。该系统自动进行数据采集和地质评估,实时显示预报结果,利于现场人员快速做出判断。在任何硬岩和软土地质情况下,BEAM系统可在土压平衡盾构、泥水平衡盾构、单护盾或双护盾式盾构上安装使用。

溶洞、孤石体积小,需精细化探测。跨孔电阻率CT法是一种孔中精细化探测方法,利用不良地质构造与周围介质或岩层之间电阻率的差异,通过对电阻率层析成像,对隐藏在岩体内的不良地质构造和岩层交界面进行识别和定位。目前已应用于厦门轨道交通1号线孤石探测、大连地铁2号线东春区间溶洞超前探测、南京地铁上元门站基坑涌水探查等。

目前盾构隧道超前预报技术的研究路线是:一种是与盾构集成,做智能掘进机系统,适用于新建掘进机;另一种是便携式仪器设备,用于现有盾构施工隧道开展具有针对性的超前预报,降低施工风险。未来发展中,超前地质预报设备与掘进机设备一体化、探测自动化是主流趋势,实现实时动态预报、三维精细探测、高效量化预报是主要发展方向。

3.2 设备状态实时感知技术

3.2.1 刀盘刀具智能检测技术

盾构施工中带压进舱检修刀具极易发生安全事故。为解决该问题,创新采用刀盘刀具智能检测技术,包括: 1)刀具关键参数在线检测技术,采用电涡流传感器测量滚刀刀刃磨损量,通过在刀圈中预埋传感器,测量计算滚刀转速; 2)刀具参数实时传输技术,采用双频通讯技术,实现不同施工环境刀具参数的无线实时通信; 3)刀具智能诊断系统,根据刀具关键数据,采用卷积神经网络模型判断识别刀具状态,实现刀具状态智能诊断。

3.2.2 开挖状态智能监测预警技术

舱内可视化装置可视频监控土舱内的工作状况,包括刀盘刀具状态、开挖地层图像信息和渣土流动特性。土舱可视化原理如图9所示。

图9 土舱可视化原理

出渣实时测量系统,通过对出渣量实时监测,计算渣土超排量,进而调控螺旋输送机排渣速度,实现土舱压力测定值与设定值相等,控制超排现象,平衡土舱压力与开挖面的水土压力。

3.2.3 盾尾密封状态监测系统

钢丝刷涂抹盾尾密封油脂是常用的盾尾密封方法,可以填补盾尾和管片之间的空隙,形成可靠的密封层,防止泥浆和水进入盾尾区域。盾构姿态、盾尾密封关键参数(尾刷间距、刷丝数目、盾尾间隙)、外部水压都会对盾尾密封系统的密封能力产生影响。盾尾密封状态监测系统如图10所示。

图10 盾尾密封状态监测系统

3.3 同步推拼连续掘进技术

同步推拼连续掘进技术是指盾构掘进的同时拼装管片,实现连续掘进,施工流程为:

1)初始状态下,所有推进油缸靴板均压在上一环管片并伸出一定距离,当所有推进油缸伸出长度大于管片环宽一定距离后,保持盾构掘进的同时进行当前环管片拼装。

2)收回预拼装管片对应区域的推进油缸,保持其余推进油缸处于正常顶推管片状态,开始第1块管片的拼装,并保持盾构同步掘进。

3)按顺序拼装其他管片,同时保持盾构正常掘进,直到推进油缸行程达到最大值。

4)整环管片拼装完成后重复工序1)—3)。

同步推拼技术通过改进管片连接方式、提高拼装效率等方式尽量缩短管片拼装用时;同时,改进盾构推进系统,通过适当增加推进油缸行程、动态调整掘进速度,保证管片拼装与盾构掘进有序协同。

盾构掘进轴线自主规划技术,采用盾构掘进姿态空间向量轨迹跟踪方法,建立盾构姿态自适应控制策略,开发盾构掘进轴线自适应控制系统,保证盾构按设计轴线稳定连续掘进,实现同步推拼盾构自主连续掘进与安全高效施工。

同步推拼模式下盾构推进系统力矩矢量控制算法及组态控制技术,采用盾构掘进与管片同步拼装稳态控制方法和矢量控制模型,通过组态控制策略比选随机场土压力条件下的推力矢量关键性控制最优算法;通过嵌入同步推拼模式下推进油缸推力矢量控制算法,控制推进系统各组油缸压力,实现推进系统分组推力的精确控制。

同步推拼模式下拼装机平移机构运动控制技术,实现了对拼装机平移机构进行高精度闭环位移控制,采用管片拼装机同步拼装功能,实现了盾构位移量精确、实时补偿,确保掘进过程中待拼装管片与已成环管片间的相对静止。

3.4 盾构自动驾驶技术

2019年10月,在杭州至绍兴城际铁路开展了“智驭号”盾构自主掘进控制系统第1次无人干预的自动驾驶试验。工程监测结果表明: 盾构姿态偏差、成型隧道轴线和地面沉降控制均满足工程规范,且优于人工推进的效果。“智驭号”盾构自动掘进控制系统基于多层次控制和知识数据融合方法开发了智能控制模块,具备自动启停、自动掘进(含压力平衡)、自动方向控制、自动注浆和自动盾尾油脂注入等5大功能,长距离掘进过程中能自主确定掘进目标、设计控制方案、动态规划控制策略、准确控制隧道轴线并确保周边环境安全。该控制系统应用于郑州、南京、上海等多条区间隧道,穿越了黏土、粉土、砂土、岩层和复合土层等各类土层,并实现了南京地铁5号线科宁路站—竹山路站区间左线自动切削洞门的进洞施工。

3.5 盾构智能化管控平台技术

通过聚焦设计、生产、施工、运维等过程的智能化管理,从下到上解决盾构施工过程中的全面感知、平台整合、智能决策等问题。在边缘感知层,通过为盾构加装智能终端从而增强对人、设备和环境的监测,实时将各类数据传输到信息化平台进行处理和展示。在平台整合层,通过信息化平台实现对人、机、料、法、环的全流程业务覆盖,各业务要素均对应信息化应用,并提供丰富的API和统一数据池,实现多业务平台间的数据贯通与共享。在智能决策层,通过大数据、人工智能、数字孪生等技术,对各阶段采集的数据进行多维度分析挖掘,实现数据可视、可管,构建丰富的智能应用,为隧道建造过程提供信息化工具。

4 结论与展望

4.1 结论

随着科技水平的不断进步,盾构施工技术发展日新月异,为地下空间的建设提供了更多可能和重要保障。

1)盾构法隧道应用日趋广泛。盾构法施工已广泛应用于城市地铁、市政公路、城市铁路、城市水工隧洞、城市综合管廊等领域,在隧道修建过程中发挥着越来越重要的作用,未来盾构法将为我国地下工程建设带来更多发展机遇。

2)盾构法隧道技术日趋更新。我国已形成了超大直径盾构装备、大直径泥水盾构常压换刀、多模盾构、类矩形盾构隧道建造、联络通道机械法施工、软硬极端悬殊地层掘进、富水砂卵石地层土压平衡盾构、地下高地震烈度盾构隧道减隔震抗震、超长距离综合施工等技术,促进了盾构法隧道的发展。

3)盾构智能化掘进日趋精益。基于人工智能、大数据和“互联网+”等新技术的发展,我国盾构智能化掘进取得了巨大进步。不良地质识别、设备状态实时感知、同步推拼连续掘进等技术为盾构智能化掘进奠定了坚实基础。

尽管近年来我国城市地下空间盾构法隧道的施工技术有了长足发展,但依然面临着如下难题: 1)在设计方面,我国地域辽阔,地质环境复杂,盾构装备选型设计面临挑战。2)在生产方面,盾构部分关键部件及设计软件仍依赖于国外,产品国产化仍需进一步加强。3)在施工方面,施工状态需精准感知,如超前地质探测、盾构密封安全预警、地面沉降安全预警、关键设备故障诊断等;施工技术需完备可控,如机器人换刀、智能化拼装管片、刀盘伸缩装备与冷冻刀盘技术、自动掘进控制技术等。4)在运维方面,盾构智能化管控平台数据处理分析、展示预警、精准管控等方面仍需进一步提升。

4.2 展望

随着盾构法建造隧道技术的发展,工程实践中面临着越来越复杂的地质环境和社会环境,需持续开展盾构装备多元化、智能化以及大直径长距离等方面的创新研究。

1)多元化。未来需开发“多模式、无刀化、外星化”等智能盾构装备以适应不同工程,例如: 研发隧道工程抢险救援机械装备,探索新型盾构如“半马”盾构、软岩盾构、闭式TBM多模盾构等,研发第5代无刀化盾构,采用激光、高压水射流等技术。

2)智能化。未来盾构装备将实现智能感知多源信息、动态性能自适应调节,实现无人化运输、管片无人拼装、辅助决策等功能;开发施工可控技术,实现盾构智能纠偏、韧性支护;智能化盾构将实现自主感知、学习、掘进、决策与问题解决。

3)大直径长距离。未来盾构隧道将向特大直径、超长距离、超大埋深和超高水压等方向发展。换刀技术、刀盘磨损检测技术、主轴承检测技术等需进一步精进;盾构大直径、隧道长距离将推动盾构向多功能、多模式、类矩形和异形方向发展。