我國(guó)城市地下空間盾構(gòu)法隧道工程技術(shù)新進(jìn)展

易國(guó)良, 陳 饋, 2, 3, 4, 盧高明, 2, *, 周建軍, 2, 范文超, 2

(1. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司, 廣東 廣州 511458; 2. 隧道掘進(jìn)機(jī)及智能運(yùn)維全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450001; 3. 山東大學(xué), 山東 濟(jì)南 250100; 4. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 渭南 714000)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,我國(guó)城市地下空間建設(shè)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)。地鐵、地下停車場(chǎng)以及綜合管廊等地下工程的建設(shè),是實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展、建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的重要途經(jīng)[1-2]。我國(guó)城市地下空間建設(shè)總量在“十二五”規(guī)劃以來(lái)顯著增加,年均增速20%以上,其中約60%是在“十二五”規(guī)劃期間完成的;“十三五”規(guī)劃期間我國(guó)基于軌道交通和綜合管廊的地下交通和市政設(shè)施,在建設(shè)規(guī)模、建設(shè)水平、運(yùn)維管理等多個(gè)方面已趕超世界;盾構(gòu)法施工在城市地鐵建設(shè)中發(fā)揮著重要作用,“十四五”規(guī)劃期間及更遠(yuǎn)時(shí)間內(nèi),盾構(gòu)法在城市地下空間建設(shè)中仍然占據(jù)主導(dǎo)地位。

盾構(gòu)法施工技術(shù)在地鐵、市政公路、城市鐵路、城市水工隧洞、城市綜合管廊等工程中得到廣泛應(yīng)用,已成為我國(guó)重大地下工程領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)產(chǎn)銷量已躍居世界第一,國(guó)內(nèi)占有率從2008年以前的0增加到現(xiàn)在的90%以上。我國(guó)相關(guān)學(xué)者已經(jīng)對(duì)盾構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)和論述。例如: 劉仁鵬[3]在1985年介紹了我國(guó)盾構(gòu)施工技術(shù)的應(yīng)用情況,隨后王振信[4]、張鳳祥等[5]、薛備芳[6]、洪開(kāi)榮[7]、傅德明等[8]、陳饋等[9-10]學(xué)者對(duì)我國(guó)不同階段盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用情況進(jìn)行了總結(jié)和分析,并提出了相應(yīng)建議。

我國(guó)大直徑盾構(gòu)隧道發(fā)展起步階段為2000—2010年,快速跨越式發(fā)展階段為2010年至今。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展,我國(guó)大直徑盾構(gòu)隧道在勘察規(guī)劃、工程設(shè)計(jì)、裝備制造、規(guī)范、材料和施工技術(shù)管理等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn),大直徑盾構(gòu)隧道綜合技術(shù)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平[11-14]。鑒于我國(guó)戰(zhàn)略性的發(fā)展需求,隧道斷面尺寸不斷增大,埋深越來(lái)越大,區(qū)間距離也越來(lái)越長(zhǎng)[15]。由于我國(guó)不同地區(qū)地質(zhì)條件差異很大,長(zhǎng)距離隧道在開(kāi)挖過(guò)程中遭遇的復(fù)雜地質(zhì)越來(lái)越多,如上土下巖地層、超軟土地層和砂卵石地層等,盾構(gòu)刀盤刀具磨損嚴(yán)重[16]。隨著科技不斷進(jìn)步,大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通信、5G、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)快速發(fā)展,自動(dòng)化與智能化已經(jīng)成為盾構(gòu)施工的主要發(fā)展方向之一。

本文總結(jié)了我國(guó)城市盾構(gòu)法隧道的概況,闡述了城市盾構(gòu)法隧道面臨的挑戰(zhàn),梳理了盾構(gòu)法隧道工程技術(shù)的新進(jìn)展,介紹了盾構(gòu)智能化掘進(jìn)技術(shù),指出了未來(lái)盾構(gòu)法隧道的發(fā)展方向,以期為我國(guó)城市盾構(gòu)法隧道的修建和盾構(gòu)裝備技術(shù)的發(fā)展提供借鑒。

1 城市盾構(gòu)法隧道概況

我國(guó)是世界上隧道建設(shè)規(guī)模最大、地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)形式最復(fù)雜、修建技術(shù)發(fā)展速度最快的國(guó)家。盾構(gòu)法隧道具有安全性高、建設(shè)速度快、質(zhì)量可控性好的優(yōu)勢(shì),在地鐵隧道、市政公路隧道、城市鐵路隧道、城市水工隧洞、城市綜合管廊等各個(gè)領(lǐng)域的隧道工程建設(shè)中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。

1.1 地鐵隧道

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快,城市交通堵塞問(wèn)題越來(lái)越凸顯,地鐵作為解決道路堵塞的有力交通工具,為城市公共交通事業(yè)做出了巨大貢獻(xiàn)。根據(jù)《2023—2029年中國(guó)地鐵行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀分析及市場(chǎng)前景評(píng)估報(bào)告》《2024—2030年中國(guó)地鐵建設(shè)行業(yè)市場(chǎng)發(fā)展監(jiān)測(cè)及投資潛力預(yù)測(cè)報(bào)告》統(tǒng)計(jì)分析,中國(guó)地鐵運(yùn)營(yíng)線路長(zhǎng)度由2011年的1 401 km增長(zhǎng)至2022年的8 008.17 km,呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。我國(guó)地鐵運(yùn)營(yíng)線路長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)如圖1所示。

圖1 我國(guó)地鐵運(yùn)營(yíng)線路長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)

地鐵隧道從結(jié)構(gòu)上分為單洞單線和單洞雙線2種基本形式。單洞單線式隧道,列車去行和回行區(qū)間各自采用單獨(dú)的隧道;單洞雙線式隧道,列車去行和回行區(qū)間共用同一條隧道,隧道寬度一般不超過(guò)9 m,每個(gè)隧道洞內(nèi)鋪設(shè)2條軌道。我國(guó)地鐵隧道一般為單洞單線形式,多采用直徑6～7 m的盾構(gòu),少數(shù)單洞雙線地鐵隧道一般采用直徑10～12 m的盾構(gòu)。

土壓盾構(gòu)、泥水盾構(gòu)、TBM及多模盾構(gòu)在地鐵隧道中均有應(yīng)用。上海、天津、鄭州、蘇州、杭州、無(wú)錫、常州、溫州等城市以軟土地層為主,地鐵隧道主要采用土壓平衡盾構(gòu);北京、成都、南昌、蘭州、沈陽(yáng)、南寧等城市以砂卵石地層為主,地鐵隧道部分采用泥水平衡盾構(gòu);青島、深圳、廣州、重慶等城市硬巖地層中應(yīng)用了TBM或雙護(hù)盾TBM;近年來(lái)廣州、深圳等地鐵工程采用多模盾構(gòu)以適應(yīng)不同地層。

1.2 市政公路隧道

我國(guó)城市市政公路隧道近10年修建數(shù)量明顯增加[17]。上海于2003年采用盾構(gòu)法修建直徑14.5 m的上中路隧道,2010年后陸續(xù)修建周家嘴路越江隧道、郊環(huán)隧道、虹梅南路隧道等。上海北橫通道西段隧道2021年6月通車,全長(zhǎng)7.8 km,在建的東段隧道全長(zhǎng)6.9 km,建成后東西段隧道總長(zhǎng)14.7 km,將成為我國(guó)最長(zhǎng)的市政公路隧道[18]。我國(guó)市政公路盾構(gòu)隧道典型案例如表1所示。

表1 我國(guó)市政公路盾構(gòu)隧道典型案例

盾構(gòu)法市政公路隧道的主要特點(diǎn)為: 1)斷面尺寸不斷增大。近年來(lái)出現(xiàn)許多單洞4車道和6車道超大斷面公路隧道,例如深圳春風(fēng)隧道為“單洞雙層”雙向4車道,全長(zhǎng)4.82 km,使用直徑15.80 m泥水平衡盾構(gòu)[19];北京東六環(huán)改造工程隧道全長(zhǎng)9.20 km,為“雙洞單層”雙向6車道設(shè)計(jì)[20]。2)水下隧道明顯增多。近年來(lái)黃浦江、甬江、珠江、黃河及長(zhǎng)江等地修建了很多水下隧道[21-22],如武漢三陽(yáng)路隧道穿越長(zhǎng)江,兩湖隧道穿越城市湖泊[23]。3)隧道施工環(huán)境日趨復(fù)雜。隨著斷面尺寸增大,開(kāi)挖地層愈加復(fù)雜,多為復(fù)合地層,巖土力學(xué)、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)等特征相差懸殊[24]。4)施工智能化水平不斷提升。目前多家單位研制了盾構(gòu)/TBM工程大數(shù)據(jù)平臺(tái),采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)結(jié)合地層數(shù)據(jù)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)行精確指導(dǎo)及輔助控制。

1.3 城市鐵路隧道

由于地面環(huán)境的限制,城市鐵路地下化時(shí)會(huì)采用盾構(gòu)法隧道,我國(guó)城市鐵路盾構(gòu)隧道典型案例如表2所示。

北京鐵路地下直徑線工程全長(zhǎng)9.151 km,隧道長(zhǎng)7.230 km,盾構(gòu)段長(zhǎng)5.175 km。穿越地層差異較大,西端主要為卵石層、圓礫層,包含最大強(qiáng)度約30 MPa的砂層與卵石層的膠結(jié)層[25];東端主要為粉質(zhì)黏土層、粉土層和砂層等。采用泥水加壓平衡盾構(gòu)獨(dú)頭掘進(jìn)5.175 km。2013年7月26日工程順利貫通[26],是北京首次采用直徑12.04 m泥水盾構(gòu)施工的隧道,被評(píng)定為“最難、風(fēng)險(xiǎn)最大的在建地下工程”,鐵道部將其列為“極高風(fēng)險(xiǎn)1號(hào)工程”。

表2 我國(guó)城市鐵路盾構(gòu)隧道典型案例

天津地下直徑線位于天津樞紐內(nèi),全長(zhǎng)5.2 km,海河隧道全長(zhǎng)3.61 km,盾構(gòu)段長(zhǎng)2.146 km,為單洞雙線設(shè)計(jì),最小平面曲線半徑為600 m,使用1臺(tái)直徑11.97 m的泥水平衡盾構(gòu)施工。該工程在R600 m圓曲線盾構(gòu)接收技術(shù)、復(fù)雜地下障礙物清理技術(shù)、泥水平衡盾構(gòu)施工技術(shù)、泥水處理分離技術(shù)以及復(fù)雜周邊環(huán)境極其苛刻變形控制技術(shù)等方面進(jìn)行攻關(guān)。

城市鐵路隧道建設(shè)面臨行車速度快、隧道斷面大、區(qū)間隧道長(zhǎng)、埋深變化大、下穿敏感點(diǎn)多、地質(zhì)條件復(fù)雜等難題。

1.4 城市水工隧洞

我國(guó)水問(wèn)題復(fù)雜且治水任務(wù)艱巨。與構(gòu)建現(xiàn)代化高質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施體系要求相比,水利工程體系還存在系統(tǒng)性不強(qiáng)、標(biāo)準(zhǔn)不夠高、智能化水平有待提升等問(wèn)題,國(guó)家水網(wǎng)總體格局尚未完全形成。我國(guó)城市水工隧洞典型案例如表3所示。

表3 我國(guó)城市水工隧洞典型案例

珠江三角洲水資源配置工程橫跨佛山市、廣州市、東莞市、深圳市,輸水線路總長(zhǎng)113.2 km,其中盾構(gòu)隧洞總里程135 km(部分線路雙洞),開(kāi)挖直徑4.1～8.3 m,線路如圖2所示。珠江三角洲水資源配置工程土建施工B3標(biāo)段全長(zhǎng)11.359 km,包含4個(gè)盾構(gòu)區(qū)間,土壓盾構(gòu)區(qū)間長(zhǎng)2.279 km和2.398 km,泥水盾構(gòu)區(qū)間長(zhǎng)3.406 km和3.178 km。盾構(gòu)穿越蓮花山水道及獅子洋水道,開(kāi)挖面易失穩(wěn),甚至造成盾構(gòu)上方出現(xiàn)冒頂、涌水等重大風(fēng)險(xiǎn);盾尾和主軸承密封系統(tǒng)發(fā)生密封磨損后失效風(fēng)險(xiǎn)高;巖石飽和抗壓強(qiáng)度達(dá)97.2 MPa,巖層石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%～70%,刀具磨損較大。

圖2 珠江三角洲水資源配置工程線路

城市水工隧洞是地下建筑物,與地面建筑物相比,洞身斷面小、施工場(chǎng)地狹窄、洞線長(zhǎng)、施工作業(yè)工序多、干擾大、難度較大、工期一般較長(zhǎng),尤其是兼有導(dǎo)流任務(wù)的隧洞,施工進(jìn)度往往控制著整個(gè)工程的工期。因此,在水工隧洞建設(shè)中亟需采用新的施工方法,改善施工條件,加快施工進(jìn)度和提高施工質(zhì)量。

1.5 城市綜合管廊

國(guó)家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等部門自2015年1月開(kāi)始聯(lián)合支持地下綜合管廊試點(diǎn)工作,到2022年6月我國(guó)已累計(jì)開(kāi)工建設(shè)管廊項(xiàng)目1 647個(gè),總長(zhǎng)度達(dá)5 902 km,形成廊體3 997 km。綜合管廊極大提升了城市安全保障和災(zāi)害應(yīng)對(duì)能力,促進(jìn)了土地資源的集約高效利用[27]。我國(guó)城市綜合管廊典型案例如表4所示。

蘇通GIL綜合管廊工程采用泥水盾構(gòu),開(kāi)挖直徑12.07 m,掘進(jìn)總長(zhǎng)5.468 km,具有管廊直徑大、掘進(jìn)距離長(zhǎng)、埋深大、地質(zhì)復(fù)雜等特點(diǎn),是我國(guó)埋深最大、水壓最高(隧道結(jié)構(gòu)底面標(biāo)高-74.83 m,水壓力最高達(dá)0.8 MPa)的綜合管廊。其地理位置如圖3所示。

表4 我國(guó)城市綜合管廊典型案例

圖3 蘇通GIL綜合管廊工程地理位置

廣州中心城區(qū)綜合管廊工程是國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的地下環(huán)線隧道,地質(zhì)條件復(fù)雜,3次穿越珠江,3次下穿既有鐵路,16次穿越既有地鐵運(yùn)營(yíng)線,30余處與廣州地鐵11號(hào)線交匯穿越,20余處下穿/側(cè)穿危舊房屋群、敏感建(構(gòu))筑物。全線有4個(gè)區(qū)間位于溶洞發(fā)育區(qū),14個(gè)區(qū)間穿越斷裂破碎帶,5個(gè)區(qū)間洞身及洞頂范圍存在淤泥、砂層、花崗巖殘積土層等不良地質(zhì),28處穿越上軟下硬地層。盾構(gòu)直徑6.25 m,管廊最小曲線半徑僅為235 m,線形設(shè)計(jì)基本達(dá)到盾構(gòu)施工極限。

城市綜合管廊具有管線高度集中、建設(shè)地段繁華、附屬工程系統(tǒng)龐大等特點(diǎn),未來(lái)將朝著規(guī)劃體系完備、設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)施協(xié)同開(kāi)發(fā)、運(yùn)行模式智能等方向發(fā)展。

1.6 城市盾構(gòu)法隧道面臨的挑戰(zhàn)

1)地質(zhì)條件多樣化。我國(guó)幅員遼闊,各城市地質(zhì)條件種類多樣,軟黏土地層盾構(gòu)掘進(jìn)穩(wěn)定性控制,砂卵石地層盾構(gòu)刀具高磨耗、大粒徑漂石孤石處理,老黃土地層塌陷等問(wèn)題是未來(lái)技術(shù)攻關(guān)的方向。

2)越江跨海常態(tài)化。我國(guó)水系眾多,城市盾構(gòu)法隧道穿越江河在所難免,土壓盾構(gòu)和泥水盾構(gòu)選型、刀盤刀具優(yōu)化配置設(shè)計(jì)、隧道施工安全性和經(jīng)濟(jì)性選擇等問(wèn)題至關(guān)重要。

3)結(jié)構(gòu)斷面多元化。根據(jù)實(shí)際發(fā)展需要,城市盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)斷面尺寸不一,從城市水工隧洞到城市地鐵隧道,再到市政公路隧道和城市綜合管廊,尺寸呈現(xiàn)多元化趨勢(shì)。

4)地面條件復(fù)雜化。城市盾構(gòu)法隧道需要下穿城市建筑密集區(qū)、地鐵、水庫(kù)、橋基等,近距離交叉、斜穿,面臨著開(kāi)挖面穩(wěn)定和地面沉降控制等難題。

5)隧道結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題。城市盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)受到新建(構(gòu))筑物近接施工、車輛振動(dòng)、彌散電流等影響,越江線路隧道受到高水壓、侵蝕介質(zhì)等長(zhǎng)期作用,隧道管片裂縫、滲漏水、鋼筋銹蝕、混凝土腐蝕老化甚至剝落、掉塊等現(xiàn)象開(kāi)始頻繁出現(xiàn),隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題是目前面臨的挑戰(zhàn)。

2 盾構(gòu)法隧道工程技術(shù)新進(jìn)展

2.1 超大直徑盾構(gòu)裝備技術(shù)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,城市交通、軌道交通、鐵路、綜合管廊等過(guò)江過(guò)海需求迅速增加。鐵路行車速度不斷提高,大斷面單洞雙線隧道成為發(fā)展趨勢(shì);公路等級(jí)不斷提升,車流量激增,公路隧道斷面日益增大。

1)主軸承及密封系統(tǒng)。我國(guó)自主研發(fā)了伸縮擺動(dòng)技術(shù),滿足了刀具更換需要。通過(guò)設(shè)計(jì)多道唇形密封結(jié)構(gòu),控制多道密封腔內(nèi)外壓的差值,提高了結(jié)構(gòu)的密封耐壓能力及可靠性;通過(guò)開(kāi)展盾構(gòu)主軸承國(guó)產(chǎn)化研究,目前已實(shí)現(xiàn)8 m級(jí)盾構(gòu)主軸承、減速機(jī)等工業(yè)基礎(chǔ)零部件國(guó)產(chǎn)化。

2)油缸自由分區(qū)技術(shù)。油缸自由分區(qū)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)油缸的自由分區(qū),通過(guò)控制推進(jìn)油缸各分區(qū)的壓力差對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整,推進(jìn)油缸分區(qū)布置如圖4所示。該技術(shù)已在汕頭海灣隧道、深圳春風(fēng)隧道工程中成功應(yīng)用,在上軟下硬地層或軟弱地層中可有效對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行控制。

圖4 推進(jìn)油缸分區(qū)示意圖

3)高精度自動(dòng)保壓系統(tǒng)。為了提高系統(tǒng)控制精度,國(guó)內(nèi)研發(fā)了四回路并聯(lián)式分段控制自動(dòng)保壓系統(tǒng),將保壓系統(tǒng)進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥和排氣調(diào)節(jié)閥分為大、小閥門并聯(lián)進(jìn)氣,控制器對(duì)大、小閥門進(jìn)行分段控制,從而減少系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間,提高系統(tǒng)控制精度。

2.2 大直徑泥水盾構(gòu)常壓換刀技術(shù)

砂卵石、卵礫石、硬巖等復(fù)雜工況下的盾構(gòu)刀具磨損尤為嚴(yán)重,帶壓進(jìn)艙刀具檢查和更換風(fēng)險(xiǎn)高且耗時(shí)長(zhǎng),我國(guó)采用的第4代常壓換刀技術(shù)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。常壓刀盤主梁由多個(gè)中空梁組成,主梁上刮刀和滾刀可在常壓環(huán)境下更換,作業(yè)人員進(jìn)入中空刀盤輻條臂內(nèi),在常規(guī)大氣壓下進(jìn)行刀盤及刀具檢查和維護(hù),有效降低高水壓環(huán)境下?lián)Q刀的風(fēng)險(xiǎn)。常壓換刀裝置如圖5所示。

圖5 常壓換刀裝置

常壓換刀原理為在法蘭罐內(nèi)(一個(gè)與外界連通的獨(dú)立區(qū)域,與刀盤泥水艙高壓區(qū)域隔離)作業(yè)人員對(duì)高壓區(qū)域的刀具進(jìn)行更換。正常掘進(jìn)時(shí)刀具伸出刀盤面板切削土體,當(dāng)檢查刀具磨損或換刀時(shí),作業(yè)人員首先將待更換刀具所在刀臂轉(zhuǎn)至刀盤中心正下方,通過(guò)配套工裝將整個(gè)刀筒先抽離至閘板閥后面,然后關(guān)閉閘板閥隔絕泥水艙高壓區(qū)域,再將刀筒整個(gè)抽出進(jìn)行刀具檢查更換。第4代常壓換刀技術(shù)可更換的刀具種類多,通過(guò)配備液壓油缸系統(tǒng)插拔刀具,設(shè)置機(jī)械保護(hù)裝置,提升了閘門的密封性能,使換刀操作更加安全便捷。

常壓換刀裝置的優(yōu)點(diǎn): 1)高安全性,常壓換刀技術(shù)可避免作業(yè)人員在高壓環(huán)境下進(jìn)行艙內(nèi)作業(yè),減少人員傷亡的風(fēng)險(xiǎn); 2)方便快速,常壓下刀具的檢查和更換可利用設(shè)備檢修時(shí)間進(jìn)行; 3)低成本,普通人員經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可進(jìn)行常壓下的刀具檢查和更換,刀具檢查和更換的費(fèi)用更低。

2.3 多模盾構(gòu)技術(shù)

近年來(lái),隧道建設(shè)逐漸呈現(xiàn)出長(zhǎng)距離化、施工環(huán)境復(fù)雜化等趨勢(shì),對(duì)隧道掘進(jìn)設(shè)備的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高[28]。為解決因地層顯著差異而出現(xiàn)的施工問(wèn)題,多模盾構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。目前多模盾構(gòu)在城市地鐵隧道建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛。國(guó)內(nèi)外多模盾構(gòu)隧道工程如表5所示。

表5 國(guó)內(nèi)外多模盾構(gòu)隧道工程

目前多模盾構(gòu)施工技術(shù)主要包含“選、轉(zhuǎn)、掘”,即設(shè)備選型、模式轉(zhuǎn)換和掘進(jìn)效能3個(gè)方面。多模盾構(gòu)的主要適應(yīng)性地層及工作特點(diǎn)是該施工技術(shù)的重要特征[30]。

1)土壓/TBM雙模盾構(gòu),適用于長(zhǎng)距離硬巖段及軟巖、軟土復(fù)合地層。TBM模式可以提高硬巖段掘進(jìn)效率;軟巖、軟土地層采用土壓模式平衡掌子面壓力。

2)土壓/泥水雙模盾構(gòu),適用于高地下水壓力及軟巖、軟土復(fù)合地層。軟巖、軟土地層采用土壓模式,降低成本,提高掘進(jìn)效率;強(qiáng)透水地層采用泥水模式規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn),控制地層沉降。

3)泥水/TBM雙模盾構(gòu),適用于長(zhǎng)距離硬巖與強(qiáng)透水性軟土復(fù)合地層。強(qiáng)滲透性地層采用密閉式泥水模式開(kāi)挖;硬巖及滲透性弱的地層采用TBM模式開(kāi)挖。

4)土壓/泥水/TBM三模盾構(gòu),適用于高透水、沉降敏感地層、長(zhǎng)段硬巖及軟土共存復(fù)合地質(zhì)。高水壓、地表沉降敏感地層、透水破碎帶采用泥水模式;風(fēng)化軟土層采用土壓模式;孤石及硬巖段采用TBM模式。

2.4 類矩形盾構(gòu)隧道建造技術(shù)

為解決施工時(shí)地下空間“放不下”、周邊建筑“碰不得”的難題,研發(fā)了類矩形盾構(gòu)隧道修建技術(shù)。例如: 寧波軌道交通2號(hào)線五里牌站—楓園區(qū)間,采用“陽(yáng)明Ⅱ號(hào)”類矩形土壓平衡盾構(gòu),如圖6所示。尺寸為11.83 m×7.27 m,采用2個(gè)X型輻條式圓形大刀盤加1個(gè)偏心多軸驅(qū)動(dòng)仿形刀盤的組合切削形式,2個(gè)大刀盤在矩形盾構(gòu)最前端同一水平面上左右分布,偏心多軸驅(qū)動(dòng)仿形刀盤位于矩形盾構(gòu)切削面的中央位置,交錯(cuò)置后于2個(gè)大刀盤。

圖6 類矩形土壓平衡盾構(gòu)

與圓形隧道相比,類矩形盾構(gòu)挖掘的隧道空間使用率可提升35%,實(shí)現(xiàn)雙向隧道同時(shí)掘進(jìn),在推進(jìn)效率、成本與車輛通行方面具有更大優(yōu)勢(shì)。該盾構(gòu)具有切削全斷面化、控制智能化等特性,可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離曲線施工及高精度沉降控制,地層適應(yīng)能力強(qiáng),可滿足地下空間高度集約化及環(huán)境保護(hù)要求。

2.5 聯(lián)絡(luò)通道機(jī)械法施工技術(shù)

根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定,地鐵隧道上下行線之間需設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道。軟土地區(qū)采用凍結(jié)法加固結(jié)合礦山法開(kāi)挖的工法,該工法工期長(zhǎng)、機(jī)械化程度低。采用盾構(gòu)法修建聯(lián)絡(luò)通道,能有效縮短工期,提高機(jī)械化程度,能更好地控制工后凍融沉降。

1)盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道掘進(jìn)裝備,包含盾構(gòu)及其后配套、始發(fā)和接收套筒、快速支撐體系。采用錐形刀盤和特殊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)狹小空間內(nèi)始發(fā)、掘進(jìn)、接收。始發(fā)套筒分段設(shè)計(jì),內(nèi)部設(shè)置密封刷,接收套筒內(nèi)部帶壓灌注泥漿,保證始發(fā)和接收的密封性;始發(fā)及接收影響范圍內(nèi),設(shè)置一體化內(nèi)支撐臺(tái)車系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)施工全過(guò)程隧道結(jié)構(gòu)保護(hù)。

2)輔助施工技術(shù)。采用微擾動(dòng)雙液注漿加固技術(shù)對(duì)聯(lián)絡(luò)通道與主隧道連接位置的T型接頭位置進(jìn)行第1道止水注漿;始發(fā)時(shí)在始發(fā)套筒內(nèi)切削復(fù)合管片混凝土洞門,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)支撐軸力、千斤頂推力、扭矩等變化。

2.6 軟硬極端懸殊地層掘進(jìn)技術(shù)

市政公路隧道斷面通常較大,超大直徑盾構(gòu)的開(kāi)挖面及延伸方向上一般由多種地層組成[31]。在軟硬極端懸殊地層中掘進(jìn)時(shí),容易出現(xiàn)開(kāi)挖面失穩(wěn)、掘進(jìn)參數(shù)突變、姿態(tài)不易控制、刀具異常損壞、泥水環(huán)流易滯排等現(xiàn)象。例如: 汕頭海灣隧道主航道下方有3段基巖突起段,單軸抗壓強(qiáng)度最高達(dá)214 MPa,上部為淤泥、淤泥質(zhì)土等極軟弱地層。盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)極易擊穿上覆土導(dǎo)致水底冒漿、開(kāi)挖面失穩(wěn)坍塌,下部基巖導(dǎo)致刀具磨損快、易損壞,盾構(gòu)載荷波動(dòng)大。通過(guò)技術(shù)攻關(guān),形成了盾構(gòu)裝備針對(duì)性選型設(shè)計(jì)技術(shù)、盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)及地層穩(wěn)定性控制技術(shù)、軟硬極端懸殊地層刀具監(jiān)測(cè)管理技術(shù)等。

1)盾構(gòu)裝備針對(duì)性選型設(shè)計(jì)技術(shù)。汕頭海灣隧道采用15.01 m/15.03 m超大直徑氣墊式泥水平衡盾構(gòu),常壓刀盤配置多把可常壓更換的滾刀、切刀,配置滾刀磨損、溫度等監(jiān)測(cè)裝置;配置顎式破碎機(jī)對(duì)巖石二次破碎,便于巖渣排出;主驅(qū)動(dòng)配置伸縮擺動(dòng)功能,實(shí)現(xiàn)刀盤小幅后退及擺動(dòng);配置高強(qiáng)度滾刀,刀圈硬度按HRC55—58從內(nèi)到外梯度分布,單把滾刀最大工作荷載為315 kN。

2)盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)及地層穩(wěn)定性控制技術(shù)。通過(guò)建立盾構(gòu)主機(jī)受力平衡方程,掌握總推力不變時(shí)各個(gè)分區(qū)壓力、推力的變化規(guī)律,分析推進(jìn)系統(tǒng)各個(gè)分區(qū)輸出不同推力時(shí)管片結(jié)構(gòu)的受力變化,調(diào)整推進(jìn)系統(tǒng)分區(qū)壓力,保證總推力、優(yōu)化分區(qū)推力,保證盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)和管片合理受力。采用數(shù)值模擬和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算初始泥水支護(hù)壓力,根據(jù)地表沉降監(jiān)測(cè)值,調(diào)整支護(hù)壓力設(shè)定值,保持地層穩(wěn)定。

3)軟硬極端懸殊地層刀具監(jiān)測(cè)管理技術(shù)。軟硬極端懸殊地層下,刀具受高頻交變荷載作用,刀筒內(nèi)各連接螺栓易松動(dòng)、易疲勞斷裂。利用盾構(gòu)TBM大數(shù)據(jù)平臺(tái)的統(tǒng)計(jì)分析和常壓刀具監(jiān)測(cè)裝置,關(guān)注刀具旋轉(zhuǎn)、溫度狀態(tài),在中心艙主動(dòng)檢查刀筒和密封座螺栓的松動(dòng)及后退情況,適時(shí)抽檢刀具。通過(guò)加強(qiáng)刀具管理,對(duì)狀態(tài)異常的刀具及時(shí)檢查更換,保障盾構(gòu)順利通過(guò)軟硬極端懸殊地層。

2.7 富水砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)技術(shù)

富水砂卵石地層屬于一種非常典型的不穩(wěn)定地層,卵石之間空隙較大,且填充著各種砂層,結(jié)構(gòu)非常松散;地層含水量較大,透水性較差,開(kāi)挖時(shí)易出現(xiàn)砂流失、水流失等情況,進(jìn)而誘發(fā)坍塌;且易出現(xiàn)刀盤刀具嚴(yán)重磨損、刀盤螺旋輸送機(jī)卡死、螺機(jī)噴涌、刀盤結(jié)泥餅、地面沉降坍塌等問(wèn)題。富水砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)技術(shù)包含了渣土改良技術(shù)、渣土艙位控制技術(shù)、泥餅防治技術(shù)、噴涌防控技術(shù)、坍塌防控及處理技術(shù)、穿越重要建筑物變形控制技術(shù)等。

成都軌道交通17號(hào)線一期盾構(gòu)區(qū)間長(zhǎng)20.785 km,9個(gè)盾構(gòu)區(qū)間采用20臺(tái)直徑8 634 mm的土壓平衡盾構(gòu)。洞身處于全斷面砂卵石地層,溫江段卵石質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)75%,漂石粒徑多為20～70 cm,漂石及卵石天然抗壓強(qiáng)度一般為41～200 MPa,個(gè)別達(dá)到299 MPa。隧道穿越含水量豐富、補(bǔ)給充足的強(qiáng)透水砂卵石土,埋深均位于地下水位以下。掘進(jìn)時(shí)刀盤前方及上方砂卵石土易松散坍塌,地面易沉降[32]。

2.7.1 渣土改良技術(shù)

砂卵石地層的原狀渣土中卵石和砂土分離嚴(yán)重,依靠渣土壓力保持開(kāi)挖面平衡幾乎不可能;且渣土流動(dòng)性很差,很難通過(guò)螺旋機(jī)排出。因此,必須改良渣土保持開(kāi)挖面的穩(wěn)定和順利出渣。本工程采用2種方式改良渣土: 1)常規(guī)區(qū)段掘進(jìn)時(shí),主要采用泡沫+水的方式改良渣土; 2)加固區(qū)、降水區(qū)及高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)掘進(jìn)時(shí),主要采用膨潤(rùn)土+泡沫+水的方式改良渣土。

2.7.2 渣土艙位控制技術(shù)

砂卵石地層中艙內(nèi)渣土卵石質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、粒徑大、密度大,滿艙位推進(jìn)會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)扭矩大、推力高、渣土滯排、渣溫高、速度慢、憋艙加大,對(duì)周邊地層擾動(dòng)而出現(xiàn)超挖、結(jié)泥餅等現(xiàn)象。采取的措施為: 1)快速推進(jìn),采用控制欠壓模式推進(jìn)以保證推進(jìn)速度,減少超挖; 2)適當(dāng)保壓,欠壓推進(jìn)時(shí)在艙內(nèi)土體上方充填膨潤(rùn)土液或泡沫; 3)進(jìn)行渣土艙位控制。

2.7.3 泥餅防治技術(shù)

掘進(jìn)過(guò)程中通過(guò)渣土改良、控制土艙渣土艙位、控制土艙溫度等方式減少泥餅生成。當(dāng)出現(xiàn)土壓頻繁波動(dòng)變化、扭矩規(guī)律性波動(dòng)、推力持續(xù)增加、推進(jìn)速度降低、渣溫持續(xù)上升等現(xiàn)象時(shí),及時(shí)采取措施或開(kāi)艙檢查。泥餅形成前期使用分散劑泡艙,或根據(jù)參數(shù)波動(dòng)預(yù)判板結(jié)位置,通過(guò)在土艙壁處預(yù)留的注入孔對(duì)其沖洗,泥餅嚴(yán)重時(shí)開(kāi)艙清理。

2.7.4 坍塌防控及處理技術(shù)

1)嚴(yán)格控制每環(huán)出土量,采用出土體積和出土質(zhì)量雙重指標(biāo)控制。

2)嚴(yán)格把控同步注漿的漿液質(zhì)量和注漿量。本工程砂卵石地層受擾動(dòng)易松散并具有強(qiáng)透水性,同步注漿采用凝結(jié)時(shí)間較短(初凝3～6 h,終凝10 h)、強(qiáng)度高的漿液,每環(huán)注漿結(jié)束或中途停機(jī)時(shí)采用膨潤(rùn)土清洗注漿管路,以防堵管。

3)正常注漿量為計(jì)算空隙體積的1.5～1.8倍,在出土超方地段加大同步注漿方量,或采取背后二次補(bǔ)注漿。

4)空洞回填。當(dāng)出現(xiàn)大方量超方時(shí),停止掘進(jìn),探測(cè)尋找空洞,進(jìn)行土艙保壓;若空洞與開(kāi)挖面連通,徑向及盾尾注入膨潤(rùn)土防止盾體被抱死。為避免回填材料造成刀盤抱死和土艙渣土固結(jié),在刀盤周圍回填砂子形成隔離層后,再回填水泥砂漿或混凝土使地層形成板塊效應(yīng),待回填材料凝固后再恢復(fù)掘進(jìn)。

2.8 地下高地震烈度盾構(gòu)隧道減隔震抗震技術(shù)

我國(guó)地震頻發(fā),許多隧道位于高烈度地震區(qū),隧道結(jié)構(gòu)在地震作用下會(huì)發(fā)生破壞。目前主要通過(guò)3種途徑進(jìn)行隧道抗減震設(shè)計(jì): 1)通過(guò)注漿等地層加固手段,提高周圍地層抗變形能力; 2)通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù),降低結(jié)構(gòu)剛度,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)變形能力,如管片間采用柔性接頭連接; 3)通過(guò)施加隔震層,將襯砌和地層隔開(kāi),使地層變形無(wú)法直接作用于襯砌上,從而減輕地震荷載作用下隧道的動(dòng)力響應(yīng)。

針對(duì)國(guó)內(nèi)首條地處8度地震設(shè)防烈度區(qū)的汕頭海灣隧道,隧道線路受高地震烈度與復(fù)雜海底地層耦合作用,減隔震抗震設(shè)計(jì)難度大。盾構(gòu)隧道的縱向拉伸量主要產(chǎn)生在隧道縱向接頭處,為增強(qiáng)其變形能力,采用直螺栓連接的形式和柔性減震節(jié)點(diǎn)的方式達(dá)到減震的目的。螺栓連接方式有2種,如圖7所示。直螺栓在地震時(shí)更容易變形,且變形時(shí)對(duì)隧道管片結(jié)構(gòu)的損害相對(duì)較小,從抗震角度推薦采用直螺栓連接形式。

(a) 直螺栓連接

(b) 曲螺栓連接

汕頭海灣隧道是國(guó)內(nèi)首條按9度抗震烈度設(shè)防的隧道工程,要求成型隧道在地震荷載作用下環(huán)縫存在一定張開(kāi)量的同時(shí)保證隧道防水。為減小土層變化處接頭的張開(kāi)量,在巖石兩側(cè)土層變化處布置2道柔性減震節(jié)點(diǎn),并對(duì)其相鄰局部接頭螺栓加強(qiáng),使隧道全線接頭張開(kāi)量(除減震節(jié)點(diǎn)外)不超過(guò)15 mm,確保隧道在地震時(shí)的安全性。減震節(jié)點(diǎn)有一定的變形復(fù)位能力,在地震后會(huì)恢復(fù)原位。汕頭海灣隧道采用了形狀記憶合金(shape memory alloys, SMA)制成的柔性減震節(jié)點(diǎn),如圖8所示。

(a) SMA減震節(jié)點(diǎn)

(b) SMA棒材

2.9 超長(zhǎng)距離綜合施工技術(shù)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,盾構(gòu)隧道正朝著超大直徑、超大埋深、超高水壓、超長(zhǎng)距離的方向發(fā)展。

2.9.1 盾尾刷更換和管路磨損監(jiān)測(cè)及耐磨改進(jìn)技術(shù)

超長(zhǎng)距離綜合施工技術(shù)包括盾尾刷更換、管路磨損監(jiān)測(cè)及耐磨改進(jìn)技術(shù)等[33]。盾尾刷磨損會(huì)導(dǎo)致盾尾密封失效,因此盾尾刷更換前要對(duì)盾尾及相應(yīng)管片周圍的地層進(jìn)行密封止水加固。盾尾止水加固技術(shù)包含注漿加固法、旋噴攪拌法、凍結(jié)法等。注漿加固法是通過(guò)管片上的二次注漿孔向地層注雙液漿等材料進(jìn)行止水加固;旋噴攪拌法是將高壓噴射出的硬化漿液與圍巖進(jìn)行攪拌混合,在一定范圍內(nèi)形成圓柱形加固體;凍結(jié)法是利用人工制冷的方法如鹽水凍結(jié)、低溫液化氣(液氮)凍結(jié),將地層中的土凍成硬質(zhì)冰土,提高該部分土體的強(qiáng)度及穩(wěn)定性,隔絕地下水。泥水盾構(gòu)在長(zhǎng)距離施工中會(huì)出現(xiàn)管路磨損,需使用耐磨材料對(duì)管路進(jìn)行耐磨處理,有效措施包含排漿管內(nèi)泥漿參數(shù)優(yōu)化、管路材料選擇、管路線型設(shè)計(jì)、粗顆粒石塊處理等。

2.9.2 地下對(duì)接技術(shù)

盾構(gòu)地下對(duì)接技術(shù)包含輔助式對(duì)接和直接式對(duì)接。輔助式對(duì)接是指2臺(tái)盾構(gòu)相向掘進(jìn)到接合位置后,采用注漿加固或凍結(jié)工法對(duì)附近地層進(jìn)行加固,然后完成對(duì)接貫通;直接式對(duì)接是利用盾構(gòu)中設(shè)計(jì)的特殊機(jī)械裝置,在對(duì)接位置完成對(duì)接施工。廣深港獅子洋隧道是國(guó)內(nèi)首次完成水下盾構(gòu)輔助式對(duì)接的隧道,隧道長(zhǎng)9.3 km,采用4臺(tái)盾構(gòu)從兩側(cè)同時(shí)掘進(jìn)約4.5 km,最后在水下進(jìn)行對(duì)接[34]。對(duì)接前先對(duì)周圍地層進(jìn)行注漿加固,2臺(tái)盾構(gòu)相距20～30 m時(shí),一臺(tái)盾構(gòu)停止掘進(jìn)并拆除部分部件,另外一臺(tái)盾構(gòu)向前緩慢掘進(jìn)至對(duì)接地點(diǎn),直到與第1臺(tái)盾構(gòu)接觸。盾構(gòu)到達(dá)對(duì)接位置后立即進(jìn)行管片加固,對(duì)最后拼裝的(至少60 m)管片進(jìn)行壁后補(bǔ)充注漿并復(fù)緊管片螺栓,在管片端面與盾殼之間焊接鋼肋板防止盾構(gòu)后退,在盾尾管片與盾殼間隙進(jìn)行注漿填充,對(duì)后10環(huán)管片沿隧道方向設(shè)6道槽鋼或角鋼縱向拉緊。對(duì)接施工中加強(qiáng)盾殼變形和管片變形監(jiān)測(cè),氣壓艙封板打開(kāi)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)水量監(jiān)測(cè),最終在常壓下進(jìn)行最后的拆機(jī)工作。

3 盾構(gòu)智能化掘進(jìn)技術(shù)

隨著工業(yè)4.0和人工智能2.0的崛起,智能建造理念已廣泛應(yīng)用于地下工程領(lǐng)域。近年來(lái)我國(guó)盾構(gòu)智能化掘進(jìn)技術(shù)得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展,其包含不良地質(zhì)識(shí)別技術(shù)、設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)感知技術(shù)、同步推拼連續(xù)掘進(jìn)技術(shù)、盾構(gòu)自動(dòng)駕駛技術(shù)、盾構(gòu)智能化管控平臺(tái)技術(shù)等。

3.1 不良地質(zhì)識(shí)別技術(shù)

盾構(gòu)隧道施工對(duì)不良地質(zhì)非常敏感,如斷層、溶洞、破碎巖體等極有可能造成突水突泥、塌方,易導(dǎo)致刀盤被卡、刀盤損壞、掌子面失穩(wěn)等。實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)掌子面前方地質(zhì)情況、不良地質(zhì)性質(zhì)和位置進(jìn)行探測(cè)分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)不良地質(zhì)體空間位置、賦存形態(tài)和充填特性的定性辨識(shí)和定量預(yù)報(bào)[35-36]。

超前探測(cè)有直流電法、地震波法、電磁波法等。直流電法適用于溶洞、富水不良地質(zhì);地震波法中震源的不同發(fā)射方式與盾構(gòu)施工效率相關(guān);電磁波法可以對(duì)巖體介質(zhì)全方位探測(cè),但盾構(gòu)電磁環(huán)境復(fù)雜,收發(fā)天線布置受極大限制[37-38]。

目前TBM施工中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法較多,例如:德國(guó)應(yīng)用聚焦頻域激發(fā)極化原理BEAM(bore-tunnelling electrical ahead monitoring)技術(shù)和基于面波-橫波轉(zhuǎn)換波模型的ISP(integrated seismic prediction)技術(shù);日本利用掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行超前探測(cè);我國(guó)部分學(xué)者用三維激發(fā)極化法、HSP(horizontal sonic profiling)聲波反射法和CFC(complex freqency conductivity)進(jìn)行超前探測(cè)等。地震波法在隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用較為廣泛,如TSP(瑞士安伯格公司開(kāi)發(fā))、HSP(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司開(kāi)發(fā))、SAP(山東大學(xué)開(kāi)發(fā))等設(shè)備的原理均是基于地震波反射法。超前預(yù)報(bào)研究多集中于敞開(kāi)式TBM隧道,盾構(gòu)隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)較少。

基于BEAM技術(shù)的隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)是一種應(yīng)用聚焦電流激發(fā)極化方法原理的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng),能夠在隧道惡劣環(huán)境下滿足探測(cè)需求。盾構(gòu)通過(guò)BEAM系統(tǒng),能夠保持持續(xù)掘進(jìn)狀態(tài),不斷探測(cè)隧道掌子面前方3倍隧道直徑距離的地質(zhì)情況。該系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和地質(zhì)評(píng)估,實(shí)時(shí)顯示預(yù)報(bào)結(jié)果,利于現(xiàn)場(chǎng)人員快速做出判斷。在任何硬巖和軟土地質(zhì)情況下,BEAM系統(tǒng)可在土壓平衡盾構(gòu)、泥水平衡盾構(gòu)、單護(hù)盾或雙護(hù)盾式盾構(gòu)上安裝使用。

溶洞、孤石體積小,需精細(xì)化探測(cè)。跨孔電阻率CT法是一種孔中精細(xì)化探測(cè)方法,利用不良地質(zhì)構(gòu)造與周圍介質(zhì)或巖層之間電阻率的差異,通過(guò)對(duì)電阻率層析成像,對(duì)隱藏在巖體內(nèi)的不良地質(zhì)構(gòu)造和巖層交界面進(jìn)行識(shí)別和定位。目前已應(yīng)用于廈門軌道交通1號(hào)線孤石探測(cè)、大連地鐵2號(hào)線東春區(qū)間溶洞超前探測(cè)、南京地鐵上元門站基坑涌水探查等。

目前盾構(gòu)隧道超前預(yù)報(bào)技術(shù)的研究路線是:一種是與盾構(gòu)集成,做智能掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng),適用于新建掘進(jìn)機(jī);另一種是便攜式儀器設(shè)備,用于現(xiàn)有盾構(gòu)施工隧道開(kāi)展具有針對(duì)性的超前預(yù)報(bào),降低施工風(fēng)險(xiǎn)。未來(lái)發(fā)展中,超前地質(zhì)預(yù)報(bào)設(shè)備與掘進(jìn)機(jī)設(shè)備一體化、探測(cè)自動(dòng)化是主流趨勢(shì),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)、三維精細(xì)探測(cè)、高效量化預(yù)報(bào)是主要發(fā)展方向。

3.2 設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)感知技術(shù)

3.2.1 刀盤刀具智能檢測(cè)技術(shù)

盾構(gòu)施工中帶壓進(jìn)艙檢修刀具極易發(fā)生安全事故。為解決該問(wèn)題,創(chuàng)新采用刀盤刀具智能檢測(cè)技術(shù),包括: 1)刀具關(guān)鍵參數(shù)在線檢測(cè)技術(shù),采用電渦流傳感器測(cè)量滾刀刀刃磨損量,通過(guò)在刀圈中預(yù)埋傳感器,測(cè)量計(jì)算滾刀轉(zhuǎn)速; 2)刀具參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸技術(shù),采用雙頻通訊技術(shù),實(shí)現(xiàn)不同施工環(huán)境刀具參數(shù)的無(wú)線實(shí)時(shí)通信; 3)刀具智能診斷系統(tǒng),根據(jù)刀具關(guān)鍵數(shù)據(jù),采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型判斷識(shí)別刀具狀態(tài),實(shí)現(xiàn)刀具狀態(tài)智能診斷。

3.2.2 開(kāi)挖狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)

艙內(nèi)可視化裝置可視頻監(jiān)控土艙內(nèi)的工作狀況,包括刀盤刀具狀態(tài)、開(kāi)挖地層圖像信息和渣土流動(dòng)特性。土艙可視化原理如圖9所示。

圖9 土艙可視化原理

出渣實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng),通過(guò)對(duì)出渣量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),計(jì)算渣土超排量,進(jìn)而調(diào)控螺旋輸送機(jī)排渣速度,實(shí)現(xiàn)土艙壓力測(cè)定值與設(shè)定值相等,控制超排現(xiàn)象,平衡土艙壓力與開(kāi)挖面的水土壓力。

3.2.3 盾尾密封狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

鋼絲刷涂抹盾尾密封油脂是常用的盾尾密封方法,可以填補(bǔ)盾尾和管片之間的空隙,形成可靠的密封層,防止泥漿和水進(jìn)入盾尾區(qū)域。盾構(gòu)姿態(tài)、盾尾密封關(guān)鍵參數(shù)(尾刷間距、刷絲數(shù)目、盾尾間隙)、外部水壓都會(huì)對(duì)盾尾密封系統(tǒng)的密封能力產(chǎn)生影響。盾尾密封狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖10所示。

圖10 盾尾密封狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.3 同步推拼連續(xù)掘進(jìn)技術(shù)

同步推拼連續(xù)掘進(jìn)技術(shù)是指盾構(gòu)掘進(jìn)的同時(shí)拼裝管片,實(shí)現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn),施工流程為:

1)初始狀態(tài)下,所有推進(jìn)油缸靴板均壓在上一環(huán)管片并伸出一定距離,當(dāng)所有推進(jìn)油缸伸出長(zhǎng)度大于管片環(huán)寬一定距離后,保持盾構(gòu)掘進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行當(dāng)前環(huán)管片拼裝。

2)收回預(yù)拼裝管片對(duì)應(yīng)區(qū)域的推進(jìn)油缸,保持其余推進(jìn)油缸處于正常頂推管片狀態(tài),開(kāi)始第1塊管片的拼裝,并保持盾構(gòu)同步掘進(jìn)。

3)按順序拼裝其他管片,同時(shí)保持盾構(gòu)正常掘進(jìn),直到推進(jìn)油缸行程達(dá)到最大值。

4)整環(huán)管片拼裝完成后重復(fù)工序1)—3)。

同步推拼技術(shù)通過(guò)改進(jìn)管片連接方式、提高拼裝效率等方式盡量縮短管片拼裝用時(shí);同時(shí),改進(jìn)盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng),通過(guò)適當(dāng)增加推進(jìn)油缸行程、動(dòng)態(tài)調(diào)整掘進(jìn)速度,保證管片拼裝與盾構(gòu)掘進(jìn)有序協(xié)同。

盾構(gòu)掘進(jìn)軸線自主規(guī)劃技術(shù),采用盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)空間向量軌跡跟蹤方法,建立盾構(gòu)姿態(tài)自適應(yīng)控制策略,開(kāi)發(fā)盾構(gòu)掘進(jìn)軸線自適應(yīng)控制系統(tǒng),保證盾構(gòu)按設(shè)計(jì)軸線穩(wěn)定連續(xù)掘進(jìn),實(shí)現(xiàn)同步推拼盾構(gòu)自主連續(xù)掘進(jìn)與安全高效施工。

同步推拼模式下盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)力矩矢量控制算法及組態(tài)控制技術(shù),采用盾構(gòu)掘進(jìn)與管片同步拼裝穩(wěn)態(tài)控制方法和矢量控制模型,通過(guò)組態(tài)控制策略比選隨機(jī)場(chǎng)土壓力條件下的推力矢量關(guān)鍵性控制最優(yōu)算法;通過(guò)嵌入同步推拼模式下推進(jìn)油缸推力矢量控制算法,控制推進(jìn)系統(tǒng)各組油缸壓力,實(shí)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)分組推力的精確控制。

同步推拼模式下拼裝機(jī)平移機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)拼裝機(jī)平移機(jī)構(gòu)進(jìn)行高精度閉環(huán)位移控制,采用管片拼裝機(jī)同步拼裝功能,實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)位移量精確、實(shí)時(shí)補(bǔ)償,確保掘進(jìn)過(guò)程中待拼裝管片與已成環(huán)管片間的相對(duì)靜止。

3.4 盾構(gòu)自動(dòng)駕駛技術(shù)

2019年10月,在杭州至紹興城際鐵路開(kāi)展了“智馭號(hào)”盾構(gòu)自主掘進(jìn)控制系統(tǒng)第1次無(wú)人干預(yù)的自動(dòng)駕駛試驗(yàn)。工程監(jiān)測(cè)結(jié)果表明: 盾構(gòu)姿態(tài)偏差、成型隧道軸線和地面沉降控制均滿足工程規(guī)范,且優(yōu)于人工推進(jìn)的效果?！爸邱S號(hào)”盾構(gòu)自動(dòng)掘進(jìn)控制系統(tǒng)基于多層次控制和知識(shí)數(shù)據(jù)融合方法開(kāi)發(fā)了智能控制模塊,具備自動(dòng)啟停、自動(dòng)掘進(jìn)(含壓力平衡)、自動(dòng)方向控制、自動(dòng)注漿和自動(dòng)盾尾油脂注入等5大功能,長(zhǎng)距離掘進(jìn)過(guò)程中能自主確定掘進(jìn)目標(biāo)、設(shè)計(jì)控制方案、動(dòng)態(tài)規(guī)劃控制策略、準(zhǔn)確控制隧道軸線并確保周邊環(huán)境安全。該控制系統(tǒng)應(yīng)用于鄭州、南京、上海等多條區(qū)間隧道,穿越了黏土、粉土、砂土、巖層和復(fù)合土層等各類土層,并實(shí)現(xiàn)了南京地鐵5號(hào)線科寧路站—竹山路站區(qū)間左線自動(dòng)切削洞門的進(jìn)洞施工。

3.5 盾構(gòu)智能化管控平臺(tái)技術(shù)

通過(guò)聚焦設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、運(yùn)維等過(guò)程的智能化管理,從下到上解決盾構(gòu)施工過(guò)程中的全面感知、平臺(tái)整合、智能決策等問(wèn)題。在邊緣感知層,通過(guò)為盾構(gòu)加裝智能終端從而增強(qiáng)對(duì)人、設(shè)備和環(huán)境的監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)將各類數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⒒脚_(tái)進(jìn)行處理和展示。在平臺(tái)整合層,通過(guò)信息化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)人、機(jī)、料、法、環(huán)的全流程業(yè)務(wù)覆蓋,各業(yè)務(wù)要素均對(duì)應(yīng)信息化應(yīng)用,并提供豐富的API和統(tǒng)一數(shù)據(jù)池,實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)平臺(tái)間的數(shù)據(jù)貫通與共享。在智能決策層,通過(guò)大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生等技術(shù),對(duì)各階段采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度分析挖掘,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視、可管,構(gòu)建豐富的智能應(yīng)用,為隧道建造過(guò)程提供信息化工具。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

隨著科技水平的不斷進(jìn)步,盾構(gòu)施工技術(shù)發(fā)展日新月異,為地下空間的建設(shè)提供了更多可能和重要保障。

1)盾構(gòu)法隧道應(yīng)用日趨廣泛。盾構(gòu)法施工已廣泛應(yīng)用于城市地鐵、市政公路、城市鐵路、城市水工隧洞、城市綜合管廊等領(lǐng)域,在隧道修建過(guò)程中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用,未來(lái)盾構(gòu)法將為我國(guó)地下工程建設(shè)帶來(lái)更多發(fā)展機(jī)遇。

2)盾構(gòu)法隧道技術(shù)日趨更新。我國(guó)已形成了超大直徑盾構(gòu)裝備、大直徑泥水盾構(gòu)常壓換刀、多模盾構(gòu)、類矩形盾構(gòu)隧道建造、聯(lián)絡(luò)通道機(jī)械法施工、軟硬極端懸殊地層掘進(jìn)、富水砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)、地下高地震烈度盾構(gòu)隧道減隔震抗震、超長(zhǎng)距離綜合施工等技術(shù),促進(jìn)了盾構(gòu)法隧道的發(fā)展。

3)盾構(gòu)智能化掘進(jìn)日趨精益。基于人工智能、大數(shù)據(jù)和“互聯(lián)網(wǎng)+”等新技術(shù)的發(fā)展,我國(guó)盾構(gòu)智能化掘進(jìn)取得了巨大進(jìn)步。不良地質(zhì)識(shí)別、設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)感知、同步推拼連續(xù)掘進(jìn)等技術(shù)為盾構(gòu)智能化掘進(jìn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

盡管近年來(lái)我國(guó)城市地下空間盾構(gòu)法隧道的施工技術(shù)有了長(zhǎng)足發(fā)展,但依然面臨著如下難題: 1)在設(shè)計(jì)方面,我國(guó)地域遼闊,地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜,盾構(gòu)裝備選型設(shè)計(jì)面臨挑戰(zhàn)。2)在生產(chǎn)方面,盾構(gòu)部分關(guān)鍵部件及設(shè)計(jì)軟件仍依賴于國(guó)外,產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化仍需進(jìn)一步加強(qiáng)。3)在施工方面,施工狀態(tài)需精準(zhǔn)感知,如超前地質(zhì)探測(cè)、盾構(gòu)密封安全預(yù)警、地面沉降安全預(yù)警、關(guān)鍵設(shè)備故障診斷等;施工技術(shù)需完備可控,如機(jī)器人換刀、智能化拼裝管片、刀盤伸縮裝備與冷凍刀盤技術(shù)、自動(dòng)掘進(jìn)控制技術(shù)等。4)在運(yùn)維方面,盾構(gòu)智能化管控平臺(tái)數(shù)據(jù)處理分析、展示預(yù)警、精準(zhǔn)管控等方面仍需進(jìn)一步提升。

4.2 展望

隨著盾構(gòu)法建造隧道技術(shù)的發(fā)展,工程實(shí)踐中面臨著越來(lái)越復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境和社會(huì)環(huán)境,需持續(xù)開(kāi)展盾構(gòu)裝備多元化、智能化以及大直徑長(zhǎng)距離等方面的創(chuàng)新研究。

1)多元化。未來(lái)需開(kāi)發(fā)“多模式、無(wú)刀化、外星化”等智能盾構(gòu)裝備以適應(yīng)不同工程,例如: 研發(fā)隧道工程搶險(xiǎn)救援機(jī)械裝備,探索新型盾構(gòu)如“半馬”盾構(gòu)、軟巖盾構(gòu)、閉式TBM多模盾構(gòu)等,研發(fā)第5代無(wú)刀化盾構(gòu),采用激光、高壓水射流等技術(shù)。

2)智能化。未來(lái)盾構(gòu)裝備將實(shí)現(xiàn)智能感知多源信息、動(dòng)態(tài)性能自適應(yīng)調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)無(wú)人化運(yùn)輸、管片無(wú)人拼裝、輔助決策等功能;開(kāi)發(fā)施工可控技術(shù),實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)智能糾偏、韌性支護(hù);智能化盾構(gòu)將實(shí)現(xiàn)自主感知、學(xué)習(xí)、掘進(jìn)、決策與問(wèn)題解決。

3)大直徑長(zhǎng)距離。未來(lái)盾構(gòu)隧道將向特大直徑、超長(zhǎng)距離、超大埋深和超高水壓等方向發(fā)展。換刀技術(shù)、刀盤磨損檢測(cè)技術(shù)、主軸承檢測(cè)技術(shù)等需進(jìn)一步精進(jìn);盾構(gòu)大直徑、隧道長(zhǎng)距離將推動(dòng)盾構(gòu)向多功能、多模式、類矩形和異形方向發(fā)展。