极端环境隧道建造面临的主要问题及发展趋势

陈湘生, 全昭熹, 陈一凡, 沈 翔, 苏 栋, *

(1. 极端环境岩土和隧道工程智能建养全国重点实验室(深圳大学), 广东 深圳 518060;2. 滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室(深圳大学), 广东 深圳 518060;3. 深圳大学土木与交通工程学院, 广东 深圳 518060)

0 引言

21世纪是隧道及地下空间大发展的世纪,也是隧道及地下空间开发利用的新世纪[1-3]。“十五”和“十一五”期间,我国隧道建设开始蓬勃发展,重点是改善交通基础设施,提高国家的基础设施水平,期间建成了一批标志性的特长隧道工程,如沪蓉高速华蓥山隧道、二广高速雁门关隧道以及秦岭终南山公路隧道等。

“十二五”和“十三五”期间,我国隧道建设进入快速发展阶段,港珠澳大桥沉管隧道、乌尉天山胜利隧道、汕头海湾隧道、川藏铁路隧道群、深中通道沉管隧道、青海鄂拉山隧道等工程的顺利贯通标志着我国隧道建设水平攀上了又一座高峰。

根据统计,截至2023年底,我国铁路营业里程达到159 000 km,其中,投入运营的铁路隧道达18 573座,总长23 508 km;在建铁路隧道2 668座,总长7 110 km;规划铁路隧道5 460座,总长13 313 km[4]。截至2023年底,我国10 km以上特长公路隧道共计74座,其中,已建成运营的特长公路隧道25座,正在建设的特长公路隧道31座,规划设计的特长公路隧道18座[5]。截至2023年底,我国共有61个城市开通城轨交通,运营总里程达11 034 km(若不含“智轨”系统,则有54个城市,运营总里程10 866 km),其中,2023年新增开通线路27条(段),新增运营里程约956 km[6]。目前,我国是世界上隧道建设规模最大、数量最多、发展最快的国家,已经成为名副其实的隧道大国,朝隧道强国迈进势在必行。

进入“十四五”,面向交通强国建设、“一带一路”倡议、国土空间扩容等重大需求,我国隧道工程朝着更长、更大的规模以及更深、更艰险、更极端的环境进发,众多穿越复杂山岭、深水海域和城市敏感区域的超级隧道在建设过程中面临着巨大挑战[7-8]。在高海拔的山岭地区,由于受到复杂地质条件、构造应力的影响,极易出现极高地应力、高地温、高海拔以及活动断裂带等极端条件,给隧道建造带来极大的挑战;在江河海湾,水底隧道建造面临着高水压、高烈度地震和强侵蚀环境等极端因素的考验;而在城市敏感区,穿越既有隧道、敏感建构筑物,甚至地下障碍物,是隧道建设面临的主要困难。

本文通过梳理近年来专家学者在极端环境隧道工程领域的研究成果,总结在艰险山区、深水海域、城市敏感区3类地区进行隧道建设所面临的关键难题和技术突破,为将来隧道工程向极端环境进发提供参考。

1 艰险山区极端环境隧道建设面临的主要问题及技术突破

随着我国基础设施建设不断向中西部地区深入,隧道建设面临的挑战也逐渐从特殊复杂的环境转变为极端环境。隧道(洞)工程建设的规模更大、占比更高,如川藏铁路(见图1[9])、滇藏铁路、渝昆高铁的隧道(洞)长度占比分别达到82%、74%和87%。西部山岭地区由于本身地质构造、岩石特性等的影响,造成了极端地质条件,如兰渝铁路木寨岭隧道[10]、317国道鹧鸪山隧道[11]、川藏铁路桑珠岭隧道[12]等均面临极高地应力、高地温、高海拔、活动断裂带等极端环境,在施工过程中均出现了不同成因、不同程度的围岩大变形、二次衬砌开裂以及掌子面失稳破坏等情况。图2示出了桑珠岭隧道在施工过程中因岩爆破坏导致的拱脚空腔、边墙片状剥落等破坏。

图1 川藏铁路沿线地形地势图[9]

(a) 拱脚岩爆后空腔 (b) 边墙片状剥落

1.1 极高地应力

根据GB/T 50218—2014《工程岩体分级标准》[13]规定,岩石饱和抗压强度Rc与地应力最大值σmax的比值称为强度应力比,强度应力比小于4表示该区域属于极高地应力状态。极高地应力状态易导致隧道施工过程中出现硬岩岩爆及软岩大变形等地质灾害。

1.1.1 岩爆

岩爆是在高地应力状态下,硬脆性围岩因开挖卸载导致岩体中聚积的弹性应变能释放而产生岩体爆裂、弹射的动力现象[14],具有强烈的突发性、随机性和危害性。研究表明,高地应力是岩爆发生的必备因素之一。我国长大岩爆隧道[15]大多位于川藏高原和秦巴山区,隧道埋深均达700 m以上,岩层主要为闪长岩等硬岩。岩爆可分为即时型岩爆、时滞型岩爆、间歇型岩爆,如图3所示。目前,国内外对于隧道施工遭遇岩爆的研究主要围绕岩爆机制及预测、岩爆控制措施等方面。

(a) 即时型岩爆 (b) 时滞型岩爆

与岩爆机制相关的分析理论包括能量理论、断裂损伤理论以及失稳理论。能量理论是指当岩体破坏消耗的能量小于岩体释放的能量则发生岩爆,该方法较好地解释了岩爆过程中的动力学问题,但无法对岩爆进行定量的分析。顾金才等[17]认为岩爆发生过程中,不仅有岩爆体原有积蓄的能量,还需要周围岩体的能量补充。刘滨等[18]基于最小耗能原理,揭示了岩爆机制,提出了岩爆预测准则与本构方程。在断裂损伤理论方面,冯夏庭等[19]发现了即时型岩爆中应变型和应变-结构面滑移型 2 类岩爆的孕育机制差异: 前者主要是拉张破裂引起,后者主要是拉张破坏、剪切破裂与拉剪-压剪破裂引起,剪切破裂主要沿着硬性结构面发生,形成爆坑边界。谢和平等[20]建立了以损伤能量释放率为基础的损伤演化方程。失稳理论认为岩爆是一种动力失稳过程,由于应力集中导致部分应变软化岩石介质与未应变软化岩石介质处于非平衡状态,导致发生岩爆[21]。

岩爆预测方法根据其理论的不同可分为3类: 1)基于岩爆机制的岩爆判据方法,如陶振宇判据[22]、Hoek判据[22]、挪威Barton判据[23]、Russense判据[24]、二郎山公路隧道判据[25]等。何川及其团队[12, 26-30]结合不同判据,综合、深入地研究了高地温下岩爆的特征、机制及影响因素。2)基于现场实测数据的预测方法,如微震法、声发射法等。3)基于机器学习的考虑岩爆影响因素判据法,其又可细分为2类: ①基于岩爆指标判据的预测方法,如理想点模型[31]、物元可拓模型等; ②基于岩爆工程实例数据的预测方法,如支持向量机模型[32]、神经网络模型[33]等。随着人工智能的发展,第3类方法由于具有考虑问题全面等优点,成为了目前研究的重点。根据工程实例来看,同一隧道的不同阶段采取不同判据会使得预测结果更加准确。为保证预测结果的准确性,可以同时采用多种预测方法进行判定。

岩爆控制措施可分为3种: 1)改变围岩力学性质的钻孔卸压、超前地应力释放、围岩散水软化[34]等基于静力学的岩爆防控技术。刘冬桥等[35]通过自主研发的应变岩爆模拟系统模拟钻孔条件下的岩爆现象,探究了钻孔数量对应变岩爆的影响,试验发现随钻孔数量增加,岩爆试样的声发射活跃程度下降,弹射碎屑的速度与动能下降,并提出弹射碎屑的耗能系数。Han等[36]使用数值模拟研究了单孔卸压爆破诱发岩石碎裂,并模拟了隧道开挖时爆破诱发岩爆的过程,结果表明卸压爆破的效果取决于钻孔与炸药的布置等因素。2)克服岩爆对施工人员与设备安全威胁的支护措施。陶志刚等[37]提出了三维NPR高应力补偿支护体系,结果表明新支护体系试验段微震能力、频次均明显降低,爆坑深度、钢拱架受力和变形量明显减小。3)随着对岩爆机制的进一步研究而提出的动态防控措施。冯夏庭等[16]针对岩爆的分类、分级、特征、孕育过程及其机制进行了大量的研究,提出了岩爆防治“三步走”理论和动态调控方法。图4示出某隧道遭遇岩爆并采取动态调控方法后的防治效果。

(a) 岩爆孕育过程中微震事件数和微震释放能随时间演化规律

众多深埋超高地应力隧道的顺利修建证明了我国在硬岩岩爆控制措施上取得的突破。众多学者建立了大量的岩爆判别式,并取得了丰硕的成果,但迅猛的进展却也带来了如何选用判别式的困扰。未来可基于机器学习、大模型等手段将隧道施工过程中的岩爆判别数字化、智能化,建立统一数据库,对岩爆发生进行跟踪判别,提高判别效率和准确率。此外,在静态防控的基础上发展了基于岩爆机制的动态防控措施,为岩爆防控提供了更科学、高效的方法。

1.1.2 软岩大变形

由于软岩自身强度低、稳定性差,在高地应力的作用下将产生具有累进性和明显时间效应的塑性变形,开挖会导致其产生严重的收缩、变形,甚至出现一系列的围岩变形侵限、拱顶坍塌、衬砌开裂、支护体系扭曲失效和其他灾难[38-39](见图5)。

(a) 支护结构开裂 (b) 混凝土脱落

如图6所示,软岩大变形可根据构造控制理念分为3类[40-41]: 1)断层型大变形,主要发生在区域断层带。黄解放等[42]对隧道穿越断层破碎带初期支护变形及二次衬砌受力进行研究分析,提出了隧道初期支护变形分级预警方法。2)破裂型大变形,易发生在节理密集带、褶皱核部及转折端。邓鹏海等[43]通过有限元-离散元耦合数值模拟方法研究不同强度应力比下软岩破裂碎胀大变形机制,提出了隧洞变形预测公式及大变形分级新方法。3)小夹角型大变形,主要发生在顺层和缓倾岩层,特点是隧道轴线与岩层面小角度相交。潘文韬等[44]通过岩石力学试验及数值模拟,揭示了不同软岩大变形等级下层理角度对层状软岩大变形隧道围岩及支护体系受力变形的影响规律。

(a) 断层型大变形

目前国内外学者对高地应力软岩隧道大变形的发生机制和变形控制方面进行了大量的研究和实践工作。谢金池等[45]通过数值模拟,提出适当增大隧道高跨比可有效降低围岩变形与支护结构受力,当高跨比为1时效果最好。钟友江等[46]研究了双层初期支护中第2层钢拱架的布置方式以及施作时机,发现钢拱架采用交错的布置方式并且在第1层支护结构破坏前施作,将更有利于初期支护结构受力和围岩变形控制。

尽管我国在高地应力软岩大变形的机制和控制方面已有较多经验,但现有的围岩分级标准与支护参数无法满足极高地应力条件下的安全施工要求。因此,完善极高地应力下不同软弱围岩分级标准,并统一规范极高地应力下隧道大变形控制技术,是隧道建设在极高地应力区面临的主要难题。陈志敏等[47-49]对极高地应力区软弱围岩稳定性影响因素进行优先级分析,提出了一种极高地应力复杂软岩隧道多因素耦合围岩分级方法,并同时考虑时间和空间效应,对不同开挖方法下隧道围岩的变形规律进行分析,此外还探究了极高地应力区软岩发生不对称大变形的影响因素,并提出支护结构优化措施,在层状软岩非对称大变形中有较好的支护效果。

极高地应力区隧道变形控制的施工理念是“先放后抗,抗放结合,锚固加强”[50],主要的变形控制措施有以下3种: 1)超前导洞法[51-52],即在隧道开挖前先进行小范围的开挖,以释放围岩应力,减少围岩变形和破坏; 2)设置多层支护体系[53-54],在不同的位置和阶段采用不同类型的支护结构,以充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用; 3)加大支护刚度[55],包括增加锚杆长度[56]、预应力锚杆技术[57]、仰拱桁架加固等。此外,严格控制开挖台阶长度及高度、加快初期支护封闭成环、预留变形量等也是极高地应力区控制变形的有效手段[46, 58-59]。

虽然目前在极高地应力情况下的隧道软岩围岩分级方面取得了一定的突破,但未形成体系,仍有进一步细化的必要。除此之外,对于极高地应力下软岩易产生不对称大变形的问题,目前尚未形成系统的解决方案,仍需深入研究,并提出针对不对称大变形的支护结构优化措施。

1.2 高地温

根据相关的研究,围岩温度超过60 ℃的隧道被划分为高地温隧道[60]。高地温环境会影响施工人员的安全与健康[61]、延长施工进度、加速衬砌开裂、加剧围岩变形及岩爆等,严重制约隧道的建设。国内外已有众多高地温隧道工程建设的案例,例如: 我国拉林铁路桑珠岭隧道[62]最大埋深1 347 m,根据钻孔资料显示,隧道洞身岩体温度54 ℃,超前探孔内最高地温达86.7 ℃,属于极高岩温;大瑞铁路高黎贡山隧道[63]全长34.538 km,采用TBM法和钻爆法相结合施工,最大埋深为1 155 m,地勘资料显示最高岩温为39 ℃;尼格公路隧道最大埋深639 m,洞内最高岩温88.8 ℃,最高水温达63.4 ℃,隧道所采取的降温措施如图7所示。这些隧道在建设过程中都出现了高温高湿环境、围岩变形、支护结构失效等灾害。因此,高地温隧道方面的研究主要聚焦于隧道温度场、降温除湿技术及高地温环境下的隧道结构体系等。

(a) 通风降温

针对隧道温度场的研究手段主要包括模型试验、理论研究和数值模拟。1)在模型试验方面,Ren等[65]基于相似理论,建立了简单的隧道模型试验装置,模拟空气通过隧道的换热过程以探究影响隧道通风换热性能的主要因素。2)在理论研究方面,邵珠山等[66]针对高地温环境中的圆形隧道,利用无量纲分化和微分方程级数求解得到包含温度场、位移场及应力场的热弹性理论解。3)在数值模拟方面,Wang等[67]采用有限差分法建立了温度预测模型,研究了风量、风温对温度场的影响以及开挖面的制冷需求;朱宇等[68]以海南五指山特长公路隧道工程为背景,利用Fluent软件模拟通风和冰块降温下隧道温度场的变化规律,分析了冰块用量以及布置位置对温度场的影响。理论研究以及数值分析都进行了不同程度的简化,导致这2种方法相对模型试验而言可靠性较低,但目前高地温隧道温度场模型试验较少,缺乏系统性、综合性的研究。

高地温隧道的降温除湿技术包括非人工制冷降温技术与人工制冷降温技术[69-70]。通风降温、喷雾洒水降温、个体防护、围岩隔热、热水封堵等非人工制冷降温技术被广泛用于隧道建设中,但对于更高温的隧道,便需要采用人工制冷降温技术。人工制冷降温技术又可分为冰冷技术和水冷技术。王志杰等[64]通过能量平衡公式以及CFD软件,设计了高地温隧道分级降温措施。闫沁太等[71]针对长隧道送风难的问题,采用风冷式冷水机组、表冷器和冷却水循环系统等设备作为辅助降温措施,将施工区域局部空间的热量送至非施工区域。蒲松等[72]将隧道热害段根据温度不同分为4个等级,提出了适用于不同等级的隧道降温综合防治方案。学者们针对不同工法提出的系统性高地温隧道降温方案为实际工程提供了重要的技术支撑。

高地温下隧道结构体系的研究主要涉及支护材料、支护结构受力特性、支护结构体系设计。隧道支护结构的主要材料为喷射混凝土和模筑混凝土。为研究混凝土材料在达到设计强度时高温对混凝土的损伤作用,戎虎仁等[73]开展了20～800 ℃高温环境下混凝土强度试验,结果表明混凝土抗压强度随温度升高而线性降低。Wang等[74]研究了隧道衬砌在高地温隧道中的力学特性,结果表明高地热环境导致外表面拱顶和内表面侧壁产生显著的拉应力,说明地热环境增加了隧道衬砌拉伸开裂的风险。由于高地温隧道的温度场随施工过程是不断变化的,针对混凝土材料在凝结、硬化过程中温度对其性能的影响,Tong等[75]研究了温度对喷射混凝土抗碳化性能的影响,结果表明超过60 ℃混凝土抗碳化性能下降明显。范利丹等[76]开展了不同养护温度下的喷射混凝土性能研究,结果表明: 25～40 ℃养护条件下,随养护温度升高,喷射混凝土性能提高;但在60 ℃养护条件下,混凝土抗压强度下降。

在高地温环境下,支护结构会产生温度应力,从而影响支护结构的可靠性和安全性,我国学者对此进行了大量的研究。李力亨[77]、李铁根[78]使用Ansys软件分析了二次衬砌在高地温中的应力分布特征,当对二次衬砌同时施加重力和温度载荷后,仰拱承受的拉应力显著增大。王玉锁等[79]通过室内模型试验测试了不同温度条件下的隧道模型结构受力特征,结果表明50 ℃以内,轴力与温度呈线性增长趋势。王明年等[80]、孙其清等[81]提出了基于岩温的支护结构体系分级设计方法。

总体而言,目前在高地温隧道的温度场以及降温措施方面的研究成果较多,但高地温下的支护材料性能及支护结构设计方法研究有待进一步加强。由于常温下隧道衬砌的设计方法并不能满足高地温隧道的建设需求,亟需建立适用于高地温隧道衬砌结构设计的相关规范。

1.3 超高海拔

低温和缺氧是高海拔隧道建设面临的主要难题。由于国际通行海拔分级标准对于相对封闭的隧道施工环境并不适用,且尚无高海拔隧道设计规范,隧道保温与供氧分级设计缺乏理论依据。对此,郑金龙等[82]基于气管氧分压、最冷月平均气温与最大冻结深度定义隧道海拔高度分级标准(小于2 100 m为一般海拔隧道,2 100～4 200 m为高海拔隧道,大于4 200 m为超高海拔隧道),并根据不同海拔高度定义寒冷程度和缺氧等级。

1.3.1 低温环境

随着海拔高度的增加,环境温度逐渐降低,加剧了隧道冻害的产生(见图8[83]),因此对隧道进行实时温度监测将有利于高海拔隧道选择合适的保温抗冻措施。Xing等构建了高寒区隧道分布式温度监测系统,并将精度控制在±0.05 ℃,对寒区隧道控温防冻有重要帮助。Li等[85]提出了一种采用光纤光栅应变传感器监测衬砌结构冻胀应变的方法,适用于高海拔隧道冻融循环和冻胀效应的监测。

(a) 隧道衬砌渗水 (b) 隧道衬砌结冰

受到低温环境的影响,混凝土材料的养护、施工设备的正常运行以及人员与运输车辆的安全都会面临一系列的挑战。针对低温环境下混凝土强度增长缓慢、抗冻耐久性差等问题,可通过采取防寒或加热设备来维持适宜温度,通过加入适量引气剂、减水剂提高混凝土抗冻性能[86-87]。为保证施工设备的正常运行,可通过安装保温套、使用防寒被等措施减少热量的散失,此外在设备启动前进行充分预热,也有利于防止因油液黏度增加而导致的启动困难或损坏。为保障施工人员以及车辆的安全,应对施工人员配备相应的保暖装备和防护措施,加强对路面的除冰和防滑处理。

为防止隧道衬砌胀裂、排水困难等病害影响隧道的安全性和使用寿命,高海拔隧道需要采取保温抗冻措施。根据改善对象的不同可将防冻技术分为3类[88]: 1)改善隧道温度环境的防冻技术,以保温层防冻技术为主。吴剑等[89]、王仁远等[90]针对保温层的长度、厚度进行了计算公式修正,并提出预测模型。王志杰等[91]针对保温层敷设方式进行了方案比选及参数优化。2)改善隧道水环境的防冻技术,主要措施包括设置保温水沟、中心深埋水沟及防寒泄水洞[92]。3)改善隧道围岩性质的防冻技术,即通过对隧道周围地下水丰富段进行注浆处治,在加固围岩的同时封堵地下水向隧道渗透的路径,达到提高隧道衬砌结构抗冻性能的目的[93]。由于隧道纵向温度场的分布还受到隧址区地热梯度、隧道曲直度等影响,所以对于具体的隧道防冻设计,需要综合考虑多种因素进行分析。

1.3.2 缺氧环境

高海拔地区氧气浓度过低会威胁人体健康、影响机械高效作业[94],因此完善的施工供氧技术是保障施工人员安全、设备效率以及施工进度的重要因素。目前常用的供氧方案主要有3种[95-98]: 1)个体携氧供氧[95-96],其优点是设备简单,氧气利用率高,适用于短时间作业或紧急情况供氧; 2)弥散式供氧[97-98](见图9),其利用洞口制氧设备生产氧气后,采用专用输氧管道向洞内掌子面输送氧气,保障掌子面空气中氧气含量满足作业人员用氧需求; 3)综合供氧[88],即采用隧道掌子面弥散供氧和氧吧供氧相结合的方式解决高海拔地区隧道施工的缺氧问题。目前隧道供氧技术已基本形成体系,可针对不同缺氧情况选择相应的供氧措施,但目前的供氧仍面临成本较高、损耗较大的问题,未来隧道供氧技术应考虑向智能化、低成本方向发展。

图9 弥散式供氧工作原理(根据参考文献[95]绘制)

1.4 活动断裂带

在我国西部地区,西南部受印度板块北东向俯冲挤入,北部受贝加尔裂谷带张开影响,东部受到华北、华南块体的阻挡,形成了复杂的地质条件,断层活动频繁[99]。西部地区绝大部分隧道均穿越活动断裂带,如狮子山隧洞(穿越程海—宾川活动断裂)、天山胜利隧道(穿越博罗科努—阿其克库都克活动断裂)以及川藏铁路沿线隧道(穿越龙门山、鲜水河、金沙江等活动断裂)(见图10)。如何确保活动断裂错动作用下衬砌结构和工程设施的安全、减小因断层错动造成的灾害损失,是西部高烈度地震区域隧道建设面临的重要问题。

图10 川藏铁路断裂带分布图[100]

断层按照错动是否伴有破坏性地震,可分为蠕滑型断层和黏滑型断层。蠕滑型断层的断裂蠕变速率缓慢,在地貌上表现为山脊、水系、阶地等产生位错,不会产生破坏性地震;黏滑型断层又称活动断裂的震害效应,当断层的两盘相互黏住使滑动受阻,错动应力积累到大于或等于黏滞阻力时,断层的两盘发生突然性的相对错动,伴随有强烈的地震,对工程项目及人员安全有着十分不利的影响。2008年汶川大地震以及2010年玉树地震都属于活断层黏滑错动引起的构造地震[101-102]。

目前,常见的跨断层隧道抗错断处理措施有结构加强设计、超挖设计、铰接设计和隔离消能设计[103-104],其中超挖设计、铰接设计和隔离消能设计属于柔性抗错断设计方法。在此方面,朱正国等[105]通过地震动力仿真模拟方法研究注浆加固圈、减震层和超挖法3种措施对隧道结构的抗震作用,并总结适合于高烈度地震区的综合抗震措施为采用全环间隔注浆加固方式,设置横向减震层,并选用超挖法施工。Su等[106]首次尝试将新型减震材料闭孔泡沫铝应用于高速铁路隧道减震层设计,并采用大型振动台试验测试减震层的阻尼效果。姬云平[107]研究了位于活动逆断层错动下的铰链式衬砌隧道在地震荷载作用下不同围岩加固方式和超挖设计结构的动力响应,得到不同工况下的位移、加速度时程对比。刘继国等[108]对比分析隧道在超挖、铰接和减震层组合设计工况下的纵向位移、衬砌断面损伤和应力分布特征,获得3种工况下断层隧道的力学响应及破坏特征,发现抗错断措施可较好地降低断层影响。

基于以上研究可知,目前我国对跨断层隧道的破坏特征有一定的了解,并根据不同破坏特征尝试通过柔性抗错断设计方法提高隧道抗错断能力,但仍缺乏针对影响程度的定量化研究,以及多种不利因素耦合作用下的隧道防护措施研究。未来需针对不同隧址、隧道条件,定量分析多因素耦合对跨断层隧道的影响,进一步改进抗错断措施,以提高隧道建设的安全可靠性。

2 深水海域极端环境隧道建设面临的主要问题及技术突破

海底隧道既不侵占航道,又不受暴雨、雷电、浓雾、台风等自然条件的影响,是跨海交通的首选[109]。对于沿海城市,海底隧道作为连接隔海地区的交通网络,不仅能够有效解决城市、地区交通问题,也能有效促进经济发展、社会文化交流及扩大城市规模[110]。水下隧道在过去的15年间发展十分迅速,特别是我国,目前水下隧道运营里程达391 km,共计124座,在建里程190 km,共计47座,具有代表性的有深中通道沉管隧道(见图11[111])、苏通GIL综合管廊[112](见图12[113])、胶州湾第二海底隧道[114]、甬舟铁路金塘海底隧道[115]。

图11 深中通道沉管隧道纵断面布置图[111](单位: m)

图12 苏通GIL综合管廊隧道纵断面[113](单位: m)

目前,我国海底隧道的施工工法有盾构法、沉管法、钻爆法等。由于地质条件的多样性,海底隧道施工往往需要根据不同情况选择不同的施工方法,因此采用多工法联合施工的方式可以更有效地适应海底隧道建设中遇到的各种复杂情况[116-117]。虽然海底隧道在高水压、高烈度地震和强侵蚀环境等因素的影响下面临着诸多挑战,但近年来不少专家学者在相应领域取得了一定的技术突破[118]。下文主要介绍极端环境下盾构法和沉管法施工面临的主要问题及技术发展。

2.1 高水压

随着跨海隧道工程量的增加,海底隧道面临的高水压问题备受重视。袁大军等[119]以0.5 MPa作为高水压分界线,以2.0 MPa作为超高水压分界线。在高水压环境下,海底隧道施工容易引发渗漏和坍塌,造成施工安全事故和破坏周围环境,甚至为运营带来安全隐患[120]。国内外典型大直径高水压隧道工程如表1所示。

表1 国内外典型大直径高水压隧道工程

为深入了解高水压条件下隧道的破坏机制,Li等[125]通过建立三维渗流分析模型,研究隧道施工过程中变形和水压变化的相互关系,对隧道突水破坏过程进行分析,为海底隧道突水防控和灾害预警提供参考。袁大军及其团队[126-127]针对超高水压下的渗流效应,提出了考虑渗流的开挖面主动失稳理论计算模型,同时结合数值模拟结果确定了泥水盾构支护压力的取值范围,为实际工程泥浆支护压力的设定提供指导。沈翔等[128]建立了高水压泥水盾构试验平台,研究了开挖过程中盾构姿态的动态变化规律,为高水压下盾构姿态调整提供参考。Cheng等[129]考虑围岩流固耦合效应对开挖面稳定性的影响,研究了不同水位、埋深、直径、土体渗流系数情况下,开挖面失稳时的破坏模式、变形特征及流固耦合效应。Ma等[130]通过建立高水压下隧道渗流模型,推导出衬砌水压的一般计算公式,为后续衬砌力学分析提供参考。何川及其团队[131-132]研究了高水压和变水压条件下的管片衬砌结构力学变化规律,并对比衬砌结构在3种泄压排水设计方案中的背后水压力大小,以及盲管在不同泄压值下的隧道涌水量,最终根据隧道最大设计排水量确定了高水压下合理的涌水量“限排”设计方案,为海底隧道衬砌结构设计及修复提供理论基础。

海底隧道管片在高水压的影响下容易发生变形破坏,进而引发坍塌等一系列灾害。对高水压下管片力学性能及破坏特征进行分析研究,是避免管片结构破坏的重要方式[133]。封坤等[112]分析了高水压条件下不同拼装方法隧道管片结构的破坏特征与规律,发现通缝拼装结构中接头失去承载力是管片结构破坏的主要原因,而错缝拼装结构可充分发挥管片和接头的承载力,破坏时2部分几乎同时屈服。周元辅等[134]研究了不同防渗等级的单层与双层初期支护、不同注浆范围及不同二次衬砌厚度对围岩变形的影响和对支护结构力学状态的影响。彭科峰等[135]探究高水压条件下不同封顶块位置与错缝角度对管片力学性能的影响,发现随着错缝角度的增加,管片最大轴力、最大弯矩与最大位移以标准块圆心角度数为周期呈现周期性变化。

以往的隧道外水压力普遍较低,所以盾构隧道设计都采用二级防水标准,且大多不设置外防水涂层、二次衬砌等其他附加防水措施,但是随着近年来海底隧道的发展,高水压下隧道管片混凝土的自防水问题将逐渐突出[136]。肖明清及其团队[137-138]对国内盾构隧道管片接缝防水体系进行了系统性分类,研究了影响双道密封垫防水性能的因素,发现减小双道密封垫错位量且将防水性能更强的密封垫布置在外侧可增强其防水性能。宋超业等[139]提出高水压盾构衬砌结构可采用双层复合式结构,接缝防水采用外侧海绵橡胶+2道弹性密封垫+内侧密封封堵的方式,可保障超高水压条件下盾构管片结构的安全服役。金跃郎等[140]对双道密封垫的接缝防水形式进行试验,发现弹性密封垫的防水能力与硬度有关,硬度越高防水性能越好,同时对盾构装配力的要求也越高。

对于高水压下的沉管隧道而言,管节间的差异沉降和力矩的不均匀传递是造成漏水、破坏的关键因素。孙健等[141]以港珠澳大桥沉管隧道为分析对象,研究了高水压下大型沉管隧道的水力压接工艺,并总结了一套完整的控制方法,可为后续管节对接优化研究提供一定参考。魏纲等[142]可通过对沉管隧道沉放对接阶段进行结构纵向受力分析,发现改进的半柔半刚性接头可以实现弯矩的传递并约束两端竖向位移差,从而避免因其中一侧弯矩过大而导致管节破坏。

高水压环境是大部分海底隧道面临的重要挑战之一。专家学者们通过建立模型和搭建试验平台,对高水压条件下隧道破坏机制和变形特征进行研究,并取得了一定的技术突破,提出了相应的设计和施工方法。但在管片衬砌的防水渗漏、沉管隧道的水力压接过程控制等问题上,仍需进行更为深入细致的研究。

2.2 高烈度地震

我国沿海地区处于环太平洋地震带上,地震灾害频发,对海底隧道造成巨大的威胁,因此研究海底隧道抗震具有重要的现实意义[143]。目前,盾构法和沉管法是修建跨江穿海隧道应用最广泛的方法。

盾构隧道的抗震分析方法主要分为原型观测、模型试验和理论分析,目前大多采用理论分析方法,专家学者提出了多种适用于海底盾构隧道的计算分析方法及理论[144-145]。

海底盾构隧道长期处于高水压、强侵蚀等环境条件下,因此需考虑多因素耦合下的动力响应分析。Cheng等[146-147]研究了在地震和渗漏的共同作用下海底隧道的地震响应分析,以及渗流和温度耦合作用下海底隧道的抗震稳定性,为海底隧道的合理设计提供理论依据。陈炜昀等[148]考虑海水与海床间的耦合效应,研究在不同的地震动输入方向、上覆水深等条件下海底盾构隧道的地震响应规律。

根据盾构隧道的地震响应特征,其消能减震措施主要有以下3种[149-151]。1)通过改变隧道本身的动力特性,如刚度、质量、阻尼等,来减小隧道衬砌的内力,进而减小地震响应; 2)设置减震层,利用减震层的缓冲和耗能作用减小衬砌结构与围岩之间的相对位移;3)采用注浆的方式加固围岩,提高围岩强度,从而增强其抵抗变形的能力。程选生等[152]研究了不同海水深度、覆岩厚度和渗透系数下,在双层衬砌间设置泡沫混凝土减震层对海底盾构隧道的地震动稳定安全系数的影响。张颖等[153]开发了一种新型柔性减震节点,研究其对高烈度区海底盾构隧道纵向地震反应方面的减震机制及有效性。

海底沉管隧道的抗震研究方法有2种。1)相互作用法[154],以求解结构运动方程为基础,周围地基介质阻尼的作用则通过相互作用力进行反应; 2)波动法[155],以求解其波动场与应力场。海底沉管隧道受到的地震作用影响由多因素叠加而成。石淑慧等[156]基于饱和黏弹性人工边界理论,将地震动输入转化为等效节点力来实现三向地震波的输入,考虑地震动作用下海水产生的动水压力影响,进而对比沉管隧道在海底和陆地地震动作用下的动力响应。白笑笑等[157]研究了波浪与地震联合作用下砂质海床与隧道之间的动力相互作用特性,发现波浪荷载对沉管隧道周围海床地震残余超孔压的增长和渐进液化有加速作用。

沉管隧道的管片及接头均要保证在地震荷载作用下的稳定性及安全性,不少学者运用有限元分析方法分析了沉管隧道管片及接头处的地震响应并研究其减震措施。禹海涛等[158-159]提出了一种同时表征沉管隧道宏观整体响应和细观接头构造的多尺度分析方法,研究了沉管隧道管节受力、接头变形等地震响应特性规律,还设计了可用于沉管隧道管节接头的减震耗能装置,并通过接头有无减震耗能装置的大比尺对比试验,检验了该装置的可行性。

海底地质条件恶劣,隧道受力情况复杂,国内外专家学者建立了诸如流固耦合模型、海水-海床-隧道动力相互作用模型等,进行多因素耦合下的动力响应分析,揭示了施工过程中洞壁压力和围岩位移场的变化规律,并提出了新型柔性抗震措施。但目前针对海底盾构隧道穿越断层破碎带开挖面失稳破坏的研究较少,并且对于沉管隧道接头和管片抗震措施与响应的研究尚未形成一套完整的理论体系。

2.3 强侵蚀环境

海底盾构隧道地质条件复杂,由于断层破碎带、风化深槽的存在,海水极易沿着这些薄弱地带渗漏进入海底地层,多种腐蚀性离子在高水压的驱动下渗入管片,穿越混凝土保护层后锈蚀钢筋,破坏隧道衬砌结构[109, 160],其作用机制如图13所示。海底隧道对结构的耐久性要求高,设计使用年限一般为100年或以上,但在腐蚀性离子的侵蚀破坏下,部分结构在20年间就发生钢筋锈蚀的现象,甚至有的结构在建成后5年内就出现损坏,因此海底隧道的防腐蚀问题成为国内外专家研究的重点与难点。

图13 水域环境下侵蚀作用机制(根据参考文献[109]绘制)

为探究不同情况下氯离子侵蚀海底盾构隧道结构的影响,对不同环境因素及施工方式下的混凝土侵蚀劣化及钢筋锈蚀进行研究,并基于多重影响因素对海底隧道开展耐久性寿命预测。张治国等[161]研究浅水区海底隧道在海洋波浪力作用下衬砌结构的腐蚀变化特征,发现随着波浪周期增加,衬砌内部氯离子侵蚀入渗的最大深度明显增大。周宇等[162]探究了喷射混凝土中氯离子扩散性能的影响,发现喷射混凝土内部氯离子质量分数峰值约为普通混凝土的2.51倍,试验发现加入钢纤维可提高喷射混凝土的抗渗性。Feng等[163]、刘四进等[164]研究了海水压力与氯离子质量分数对管片及接头侵蚀劣化及钢筋锈蚀的影响,发现外水压增大会加快海水对管片的侵蚀。Gao等[165]考虑不同侵蚀影响因素建立氯离子扩散模型,提出了一种基于遗传编程的海底隧道结构使用寿命预测方法。Guo等[166]研究了氯离子和碳化作用对海底隧道混凝土管片强度损失和钢筋腐蚀的影响。王明年等[167]研究了海底隧道初期支护中工字钢在不同混凝土保护层厚度下锈胀力与锈蚀率的关系,发现随着锈蚀率与保护层厚度的增加,锈胀力也随之增大。

针对海底盾构隧道渗水及氯离子侵蚀等问题,不少专家学者进行了一系列的防护措施研究。王学斌[168]结合厦门翔安隧道研究了不同掺合料配比对二次衬砌混凝土抗腐蚀性的影响,通过分析强度腐蚀系数、氯离子渗透量、钢筋失重率等指标,最终采用共掺组(水胶比0.36,掺15%粉煤灰+60%矿渣粉)配合比进行施工。焦雷[160]通过水泥基材料加固围岩以延缓海水向支护结构的渗漏,通过调节减水剂、速凝剂和高分子聚合物的掺量,对比分析了不同配合比下注浆材料的耐腐蚀性。Yang等[169]尝试将分布式光纤传感器与信息融合技术相结合,研究出隧道损伤识别的新方法,该方法能较为精确地识别海底隧道管片外壁的损伤部位。

对于沉管隧道的抗侵蚀性能研究主要集中在结构表层、结构钢筋及管节接缝处。曹健等[170]研究了流动海水下沉管隧道钢壳外壁在进行涂层及阴极保护后的抗腐蚀性能,并得出相应的钢板腐蚀率计算公式,试验结果及公式计算结果均表明有涂层、有阴极保护的钢板防腐蚀效果更优。Yan等[171]研究了海底沉管隧道钢筋的腐蚀过程,发现海水侧钢筋的锈蚀程度大于空腔侧,对海水侧的钢筋采用阴极保护或表面涂环氧树脂均可增强其抗侵蚀性能。

综上所述,海底隧道抗侵蚀研究较为完善,国内外研究人员对氯离子侵蚀混凝土和钢筋锈蚀进行了大量的研究,考虑了海水压力、海洋波浪力以及碳化作用等多因素作用对氯离子扩散系数的影响,提出了相应的氯离子扩散模型。但目前氯离子在混凝土多尺度结构中的传输机制并不完全明确,且忽略了锈蚀压力对氯离子扩散过程的影响。除此之外,由于混凝土水化热的原因,沉管隧道管节制作过程中易产生温度裂缝,大大削弱了沉管隧道的抗侵蚀能力与耐久性,故需研究针对温度裂缝的防护措施。

3 城市敏感区极端环境隧道建设面临的主要问题及技术突破

随着我国城市化进程的不断加快,城市隧道迎来建设高峰,随着市政公路、地铁隧道、城市生命线工程建设规模的增大,穿越极端敏感区、超大断面等多元化的要求和条件极大地促进了我国隧道技术的进步。上海、南京等地的软土地层,北京的砂卵石地层,深圳、广州的上软下硬地层,西安的黄土地层等极大地推动了浅埋暗挖法、盾构法、钻爆法、沉管法等工法的技术优化。以京张高铁清华园隧道(见图14)、京张高铁八达岭长城站、港珠澳大桥珠海连线拱北隧道、长沙市观音岩隧道、大连湾海底隧道、郑州下穿中州大道下立交工程等为代表的隧道工程,是城市隧道建造技术飞速发展的体现。

图14 清华园隧道俯视图[172]

城市隧道建设发展过程中,出现了一批面临以极小净距穿越建构筑物、极端敏感区、复杂建构筑物群等极端条件的隧道工程。在邻近或穿越建构筑物群时,若沉降或振动等超过规定的限值将会引起路面坍塌,邻近建筑物破坏,危害群众身心健康,造成经济损失和人员伤亡的严重后果,如图15所示。因此,极端条件下工程如何实现安全、高效、绿色、环境扰动小,成为城市隧道建设面临的严峻挑战。国内外的学者专家针对地层变形、施工对周围建构筑物的影响、变形控制措施、建构筑物安全评价标准进行了大量研究并获得了丰硕的成果。本章将城市隧道面临的极端环境分为穿越地上、地下建构筑物群,直接穿越地中障碍物3类,综述城市隧道建设面临的挑战以及技术突破。

图15 盾构下穿既有建筑物引发灾害

3.1 穿越地上建(构)筑物群

3.1.1 建筑物沉降

不同施工工法引起沉降的原因各不相同,如浅埋暗挖隧道施工造成的沉降主要为开挖沉降、固结沉降与次固结沉降,盾构隧道施工对地层沉降的影响则来源于地层损失、应力状态的改变、管片结构变形以及土体固结[173]。目前,用于分析隧道施工引起地层沉降的方法可分为: 经验公式法、理论解析法、现场实测法、数值模拟法以及模型试验法。其中,最具代表性的是以Peck公式及其扩展形式为主的经验公式法以及刘宝琛院士建立的随机介质理论,此外其他学者也基于此进行了大量研究。

欧阳文彪等[174]基于浅埋圆洞位移及应力分布规律的近似解析解与等效刚度原理,给出了考虑建筑物刚度时单线及双线盾构隧道穿越建筑物引起的地表沉降计算公式。谢雄耀等[175]提出了“微沉降”施工控制技术,开发了壁后注浆雷达实时检测系统与自动化监测预警平台,可在地表沉降发生之前及时注浆填充地层损失的空隙,防止地表沉降,弥补传统方法沉降处置滞后的不足。江英超等[176]采用离散元模型,依托成都地铁1号线从细观角度研究了砂卵石地层滞后沉降的发展过程。Wang等[177]结合理论分析与数值模拟,对哥本哈根双盾构掘进诱发的地面沉降进行了预测。Liu等[178]提出了一种预测双隧道下穿既有隧道导致的沉降的分析方法。Zhou等[179]基于Peck公式,引入修正因子并使用武汉市双隧道开挖的现场数据对模型进行校准,通过长沙地铁2号线工程实际案例的现场实测结果验证了所提理论的正确性。文献[180]研究了双层隧道施工顺序对单桩沉降的影响。

顶管法方面,陈湘生及其团队[181-182]研究了超大断面双洞密贴矩形顶管下穿大型箱涵的建造方案。苏栋等[183]研究了超大断面矩形顶管顶进对上方既有箱涵的影响规律,结果表明顶管下穿时,箱涵的不均匀沉降量急剧增大,背土效应使得箱涵的最大水平位移大于最大竖向位移。许有俊等[184]提出了符合实际工况的S形空间曲线段顶管施工引起地层扰动的计算方法。应宏伟等[185]研究了双线顶管从上方穿越既有隧道的地层沉降规律,研究发现单线顶管横向地表沉降曲线呈“V”形,双线顶管横向地表沉降为不对称“W”形。

3.1.2 隧道施工引起的建筑物结构响应

极小净距下隧道施工会对周围地层造成扰动,若地层沉降、施工振动、爆破振动等超过限值会导致地表建筑物发生变形乃至结构破坏,因此必须对敏感建筑物的隧道施工响应进行研究。

学者通过理论分析、数值模拟、模型试验与现场实测对隧道施工影响下建筑物的力学响应与变形、爆破振动以及施工振动进行了大量的研究。丁智等[186]研究了盾构施工对不同基础建筑物的影响,结果表明: 在邻近建筑物的盾构隧道施工中,衬砌要承受更大的内力。对于隧道邻近浅基础建筑物的工况,隧道开挖对建筑物的影响比较大;但对于桩基础建筑物,邻近基础一侧隧道开挖引起的建筑物内力变化相对较小。冯国辉等[187]研究了隧道开挖对邻近群桩的变形影响,结果表明邻近群桩水平位移及内力受地层损失率、埋深、桩隧间距的影响。丁祖德等[188]通过数值模拟法研究了隧道穿越角度对建筑物变形的影响,研究表明随着穿越角度的减小,建筑物倾斜和扭曲变形增加明显,而对建筑物内力影响较小。孙杰等[189]研究了空间属性对建筑物应力应变状态的影响,得出结论隧道下穿不规则建筑物时对建筑物转角处以及在大尺寸建筑物附近的小型建筑物影响较大。

对于爆破振动方面,李立功等[190]研究了水压爆破振动对建筑物的影响,结果表明振动振速垂向最大、径向次之、切向最小。杨庆等[191]研究设计了合理的爆破开挖方案、确定爆破参数,在确保地面建筑物安全的前提下快速、高效地施工。杨钊[192]研究了施工爆破对地表建筑的影响规律以及对人群的影响,结果表明城市隧道施工的爆破振速宜小于1.11 cm/s。张庆松等[193]研究了小间距隧道中隔墙及爆破掌子面的震动特性及变化规律。李术才等[194]通过数值模拟法揭示在建隧道爆破施工对既有隧道变形及内力变化影响规律。这些研究成果对特殊条件下的爆破下穿设计与施工具有参考价值。

针对施工振动方面,主要以盾构法为主。对于盾构隧道施工振动响应及振动控制的研究较少,如今仅处于起步阶段[195]。关于盾构施工振动的振源识别方面,本文对部分学者的工作进行了总结[196-197]。盾构施工振动主要来源于刀盘掘进振动、隧道内的运输车辆以及盾构内部设备。针对盾构施工振动对上方建筑物的影响方面,郭飞等[198]依托兰州某砂卵石地层盾构工程,研究了盾构施工诱发地表50 m×50 m范围内的时域、频域传播规律,研究发现振动并非单调衰减,存在反弹现象,同时需要对盾构诱发环境振动的评价中考虑三向振动的影响;王鑫等[199]依托北京地铁8号线盾构下穿中心城区古旧平房群工程,研究了时域与频域响应规律,并提出了考虑振动距离与阻尼衰减的盾构施工引起环境振动实用计算方法。在振动控制方面,戴亚军[200]通过长沙地铁6号线盾构侧穿博物馆工程进行了工程实践,结果表明要控制振动,需要: 1)适当减小盾构总推力与刀盘转矩; 2)控制盾构掘进速度,保证匀速、连续掘进; 3)改良渣土。同时要保证在博物馆重点区域进行实时振动监测。

综合而言,目前在城区隧道施工对建筑物影响方面的研究已较为系统,对建筑物沉降及结构变形规律等有较清晰的认识,为隧道建设提供了指导。但极小净距施工下的建筑物振动响应研究仍在起步阶段,未来需通过模型试验深入研究施工振动机制与环境振动响应规律。

3.2 穿越地下建(构)筑物群

3.2.1 穿越既有隧道

新建隧道施工时会导致地层以及既有隧道的变形和产生附加受力。目前,针对穿越既有隧道方面的研究按研究方法不同可分为理论研究、数值模拟、模型试验和现场监测4种。新建隧道穿越既有隧道按不同相对位置可分为正交穿越、斜交穿越、重叠施工以及水平施工[201]。双线盾构隧道下穿既有隧道如图16所示。

图16 双线盾构隧道下穿既有隧道

在新建隧道下穿既有隧道方面,何川及其团队[202-205]通过室内模型试验、三维有限元模拟法研究了围岩条件、隧道净距、推力、推进速度对既有隧道的沉降、应力、应变的影响,为类似工程的施工提供参考。孙钧等[206]采用数值模拟法,研究了隧道重叠施工下,既有隧道土层位移以及地表沉降曲面在盾构推进中的发展变化。张顶立及其团队[207-209]针对浅埋暗挖施工法,从理论计算、数据统计、施工方案方面研究了隧道施工对既有隧道、地层沉降的影响。Fang等[210]依托京张高铁清华园隧道下穿北京地铁10号线工程,建立了地层、既有结构变形与盾构掘进参数的关系,结果表明地层沉降槽宽度受隧道埋深、地层加固措施以及盾构尾部注浆的综合影响。范文昊等[211]依托成都地铁30号线下穿既有成自高铁锦绣隧道工程,研究了既有隧道的影响分区,并对不同分区提出了针对性控制措施。崔光耀等[212]采用数值模拟法,以软弱地层中超大矩形顶管盾构隧道近接下穿既有高速铁路为背景,研究了超前注浆、人工挖孔桩和D型钢便梁加固地层对轨道沉降的影响。胡秋斌[213]依托北京地铁19号线盾构区间近距离下穿既有地铁1号线暗挖大断面隧道工程,使用数值模拟法研究了新建隧道自身变形以及既有暗挖隧道的受力变形状态,同时分析了注浆加固、管棚加固、综合加固对变形控制的效果。江杰等[214]研究了新建曲线盾构下穿施工引起的既有隧道沉降规律,研究表明新建曲线地铁盾构隧道下穿施工引起的既有隧道沉降槽曲线具有非对称性。张林[215]通过现场监测和数值模拟,研究了盾构隧道近距离下穿工况下的矩形顶管隧道纵向变形规律。

针对其他方式穿越既有隧道,刘亮等[216]通过数值模拟,研究了正交、平行上穿盾构隧道施工的工况,结果表明上方新建隧道掘进会引起下方既有隧道上浮,净距越小影响越大。王有成等[217]采用数值模拟法,研究了先下后上夹穿、下穿和上穿3种形式穿越既有隧道的施工过程,结果表明隧道圆形断面出现变形与扭转,同时研究了不同穿越方式的控制重点。张孟喜等[218]依托佛莞城际铁路盾构隧道在全风化花岗岩地层中上穿广州地铁7号线工程,研究了双线盾构隧道上穿双线既有隧道的注浆压力合理取值与既有隧道变形问题。

3.2.2 穿越其他地下建(构)筑物

除穿越隧道外,仍有部分城市隧道需穿越基坑、地下连续墙等,部分学者亦对此进行了研究。戴轩等[219]使用数值模拟法研究了盾构法修建隧道对上方在建基坑的影响,研究表明盾构隧道下穿基坑将引发围护结构顶部产生差异沉降;基坑内已施工完成的结构和水平支撑将发生“两边沉降大,中间沉降小”的上凸型变形。曾英俊等[220]研究了上海地铁10号线双线盾构穿越深基坑底部工程,隧道与基坑地下连续墙净距为2 m,研究结果表明,随着地下连续墙底与隧道底部的夹角不断变大,地下连续墙沉降量逐渐增大,底板对沉降控制效果显著。芮瑞等[221]通过活动门模型试验探讨了盾构隧道穿越邻近地下挡土结构时对挡土结构土压力和地表沉降的影响,结果表明盾构穿越邻近地下挡土结构时,挡土墙底部土压力急剧减小,一定高度处土压力出现反转。

现有针对隧道穿越地下建构筑物的研究成果十分丰硕,学者们针对浅埋暗挖法、盾构法、顶管法等穿越地下结构进行了大量的研究,其中盾构法已然成为其中的主要工法。但现有关于异型盾构、双圆盾构穿越建构筑物的研究仍较少,关于隧道穿越在建基坑等特殊工程的研究仍在起步阶段,随着城市地下空间的开发,过去少见的极特殊工程必然会大量出现,因此,需深入研究该类较特殊的工程。

3.3 直接穿越地中障碍物

在城市隧道大力发展的情况下,不可避免地需要穿越地中障碍物,其中以穿越建(构)筑物桩基为主,例如: 2008年上海轨道交通10号线下穿沙泾港桥,直径6.34 m的土压平衡盾构磨削约33根桩基;2013年苏州轨道交通2号线下穿广济桥,直径6.34 m土压平衡盾构磨削约14根大直径桥桩;2019年南京地铁5号线下穿夫子庙过街通道,直径6.2 m盾构磨削钢筋混凝土方桩;2022年穗莞深城际轨道交通下穿地下车道,直径9.14 m土压平衡盾构磨削约88根桩基;2023年广州海珠湾隧道下穿中核商务大厦,直径15.07 m泥水平衡盾构磨削67根桩基。盾构磨桩工程正朝着盾构直径越来越大、磨桩数量越来越多的方向发展。此外,还有穿越基坑锚索[222]等工况。拔除侵入隧道桩基的传统措施[223]有桩基托换、人工挖孔除桩、拔桩、冲桩等。虽然传统的桩基拔除法设计相对简易、施工相对成熟安全,但存在成本较高、工期较长等缺点,且施工期间需封闭现场,阻碍附近公共交通。基于上述工法的不足,近年来盾构直接切削桩基[224]以相对高效、成本更低而越来越受重视,如图17所示。

图17 盾构直接切削桩基

盾构直接切削桩基技术按是否知道桩基存在可分为主动切桩和被动切桩。切桩按工法可分为直接切削桩基以及进行桩基托换后再切削桩基。2011年,北京交通大学袁大军及其团队[225-227]开展了首次盾构直接切削桩基技术大型现场试验,研究了掘进参数、刀盘配置、刀盘磨损等因素的影响,提出了超前贝壳刀的配置方案。此后,国内外有关盾构切削桩基技术的研究迅速发展。例如: 杜闯东等[228]依托以色列特拉维夫轻轨红线项目,进行了刀盘切削桩基的模型试验,研究表明存在最佳掘进参数;许华国等[229]基于模型试验,研究了全刀盘滚刀与全刀盘撕裂刀的切削效果,结果表明全刀盘滚刀切削效果较好,同时提出了滚刀与撕裂刀高低组合配置方案;吴志峰等[230]提出“低推进速度,高转速”的磨桩方式及刀盘转速与推进速度的建议取值,并研究了滚刀与切刀的切桩效果与机制;刘浩等[231]采用离散元数值模拟,研究了刀具参数、试件强度、切削深度和切削速度对刀具受力的影响,并探讨了刀具的磨损情况;庄欠伟等[232]研究了不同刀头锥度与刀尖弧长的截齿刀具的切削效果。

盾构切削桩基的影响方面,Wang等[233]根据沈阳地铁4号线研究了盾构切割17根钢筋混凝土桩的施工细节,与正常开挖相比,切桩过程的前进速度较低,装在最外侧的刀具磨损量最大,同时发现旋喷桩加固地层对减少地层沉降的效果显著;Liu等[234]通过离散元法,研究北京地铁12号线切桥桩的过程,分析了土舱压力与前进速度对盾构推力和转矩的影响,结果表明土舱压力稳定时,前进速度对刀盘转矩影响较小,推进速度对桩底位移有显著影响;张建华等[235]以杭州地铁4号线盾构下穿电力隧道切削桩基工程项目为背景,研究了盾构切桩后的地表沉降,结果表明切桩期间地表的沉降量大且沉降速率快。

现如今盾构直接切桩技术已相对成熟,但针对盾构刀盘的刀具参数、布置方式、刀具破岩规律仍需进一步研究。随着大模型、大数据的发展,利用机器学习等手段综合大量的工程实例预测盾构切桩时的掘进参数设置也是今后的研究方向。同时,盾构切桩对地表沉降、建筑物、地层等的影响仍待综合、全面地研究,甚至对于双线盾构切桩工程而言,切桩对邻近隧道的影响仍待深入分析。

3.4 地层变形控制措施与评估体系

众多学者对地层沉降控制措施进行了研究。例如: 姚晓明等[236]、刘新军等[237]发现加固夹层土可有效减小地层沉降;张顶立及其团队在2008年起[238-241]研究了建筑物沉降的控制措施,结合实际工程分析了注浆抬升、水平长管棚支护技术等控制措施的控制效果,并初步建立了相应的建筑物变形控制标准;卓越等[242]研究了抬升注浆方案、材料、工艺、参数及机械设备配套方式;金大龙[243]基于深圳地铁9号线下穿既有地铁4号线工程,预先对既有隧道进行土层加固,在盾构穿越时对既有隧道洞内实施追踪注浆以补偿地层损失;陈仁朋等[244]发现MJS水平桩加固夹层土可有效减少盾构掘进对地表与上覆隧道的影响;温森等[245]通过数值模拟,以沉降为指标,研究了加固体角度、加固体厚度、加固体长度对加固效果的影响,结果表明当加固新建隧道且加固范围为270°、加固长度为10 m、加固厚度为2 m时,加固效果最好;Zheng等[246]基于实际工程与数值模拟的结果,研究了隧道与桩基在不同相对位置影响下的沉降模式;刘志涛等[247-248]依托合肥轨道交通1号线穿越砖混民房与合肥火车站工程,验证了减少背后回填浆液初凝时间等措施对建筑物变形控制的有效性,提出了通过盾构姿态控制和同步注浆优化方法控制盾构露空长度以控制建筑物变形的措施;仇文革等[249]以成都地铁5号线下穿宝成铁路咽喉区为背景,比较了地层超前加固措施的效果,结果表明在穿越敏感区域时,使用高精度超长大管棚结合地层跟踪注浆的工法对地层进行加固是合理且必要的;陈仁朋等[250-251]验证了现有损伤评估方法的可靠性,建立了盾构隧道施工对邻近建筑物影响的风险评估方法。

综合而言,学者们基于实际工程,通过现场实测、数值模拟、理论计算对穿越既有地上、地下建(构)筑物的沉降进行了研究,研究集中于加固既有建(构)筑物、加固夹层土、加固新建隧道以及加固措施影响因素4个方面。除了施工方法的优化外,学者们初步建立了综合土体性质、建筑物、隧道、掘进参数等因素的隧道下穿建筑物风险评估体系。

4 结语

我国在艰险山区、深水海域以及城市敏感区等复杂极端条件下已经修建了大量的隧道(洞)工程,发现并解决了一个又一个难题,实现了技术的突破与创新,积累了丰富的工程经验。本文总结了艰险山区、深水海域和城市敏感区等极端环境下隧道建设所面临的主要问题以及技术发展与突破。

1)总结了在极高地应力、高地温、高海拔和活动断裂带4种极端环境下艰险山区隧道建设面临的挑战与突破,对不同极端环境隧道建设的破坏机制进行了全面剖析,并总结了相应的防护措施,为极端环境隧道建设提供更多的方案选择,可为未来隧道建设提供一定的理论指导和实践借鉴作用。

2)从高水压、高烈度地震和强侵蚀环境3个角度进行探讨,分别对深水海域的盾构隧道和沉管隧道进行深入的破坏机制分析,总结了各种影响因素下海底隧道管片及接头的力学性能和防护措施等方面的研究成果,对海底隧道建设过程进行综合考量,有利于提高隧道的可靠性和耐久性。

3)目前城市隧道建设以盾构法、顶管法为主,针对隧道在穿越地上、地下建(构)筑物时的沉降、变形控制措施已有大量的研究,但极小净距下隧道施工的环境影响研究仍然欠缺,尤其是对极小净距下盾构磨桩施工时的环境响应问题研究较少,缺乏清晰的认识,通过模型试验、理论分析进一步揭示相关规律仍十分必要。

为响应“十四五”规划及交通强国与生态强国等国家战略,我国隧道建设必然会朝着更极端、更复杂的环境挺进,如何在极端环境下实现隧道工程安全、高效、绿色建设,仍然是我国隧道人需要克服的一大难题。而现有规范未针对极端环境进行细分,现有的理论及技术亦未针对极端环境进行深入、完整、系统地研究。未来,我国的隧道建设仍需结合重大工程开展系统性的研究工作,完善相关理论、技术与规范,以实现我国极端环境条件下隧道建设的可持续发展。