我國城市地下空間盾構(gòu)法隧道工程技術(shù)新進展

易國良, 陳 饋, 2, 3, 4, 盧高明, 2, *, 周建軍, 2, 范文超, 2

(1. 中鐵隧道局集團有限公司, 廣東 廣州 511458; 2. 隧道掘進機及智能運維全國重點實驗室,河南 鄭州 450001; 3. 山東大學(xué), 山東 濟南 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

隨著社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,我國城市地下空間建設(shè)規(guī)模持續(xù)增長。地鐵、地下停車場以及綜合管廊等地下工程的建設(shè),是實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展、建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的重要途經(jīng)[1-2]。我國城市地下空間建設(shè)總量在“十二五”規(guī)劃以來顯著增加,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、運維管理等多個方面已趕超世界;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)劃期間及更遠時間內(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,已成為我國重大地下工程領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前國產(chǎn)盾構(gòu)產(chǎn)銷量已躍居世界第一,國內(nèi)占有率從2008年以前的0增加到現(xiàn)在的90%以上。我國相關(guān)學(xué)者已經(jīng)對盾構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展進行了總結(jié)和論述。例如: 劉仁鵬[3]在1985年介紹了我國盾構(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]、洪開榮[7]、傅德明等[8]、陳饋等[9-10]學(xué)者對我國不同階段盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用情況進行了總結(jié)和分析,并提出了相應(yīng)建議。

我國大直徑盾構(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20多年的發(fā)展,我國大直徑盾構(gòu)隧道在勘察規(guī)劃、工程設(shè)計、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)驗和教訓(xùn),大直徑盾構(gòu)隧道綜合技術(shù)達到了國際領(lǐng)先水平[11-14]。鑒于我國戰(zhàn)略性的發(fā)展需求,隧道斷面尺寸不斷增大,埋深越來越大,區(qū)間距離也越來越長[15]。由于我國不同地區(qū)地質(zhì)條件差異很大,長距離隧道在開挖過程中遭遇的復(fù)雜地質(zhì)越來越多,如上土下巖地層、超軟土地層和砂卵石地層等,盾構(gòu)刀盤刀具磨損嚴重[16]。隨著科技不斷進步,大數(shù)據(jù)、云計算、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)的新進展,介紹了盾構(gòu)智能化掘進技術(shù),指出了未來盾構(gòu)法隧道的發(fā)展方向,以期為我國城市盾構(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,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領(lǐng)域的隧道工程建設(shè)中發(fā)揮了越來越重要的作用。

1.1 地鐵隧道

隨著我國城市化進程加快,城市交通堵塞問題越來越凸顯,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。根據(jù)《2023—2029年中國地鐵行業(yè)市場現(xiàn)狀分析及市場前景評估報告》《2024—2030年中國地鐵建設(shè)行業(yè)市場發(fā)展監(jiān)測及投資潛力預(yù)測報告》統(tǒng)計分析,中國地鐵運營線路長度由2011年的1 401 km增長至2022年的8 008.17 km,呈現(xiàn)高速增長態(tài)勢。我國地鐵運營線路長度統(tǒng)計如圖1所示。

圖1 我國地鐵運營線路長度統(tǒng)計

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9 m,每個隧道洞內(nèi)鋪設(shè)2條軌道。我國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、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或雙護盾TBM;近年來廣州、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7.8 km,在建的東段隧道全長6.9 km,建成后東西段隧道總長14.7 km,將成為我國最長的市政公路隧道[18]。我國市政公路盾構(gòu)隧道典型案例如表1所示。

表1 我國市政公路盾構(gòu)隧道典型案例

盾構(gòu)法市政公路隧道的主要特點為: 1)斷面尺寸不斷增大。近年來出現(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9.20 km,為“雙洞單層”雙向6車道設(shè)計[20]。2)水下隧道明顯增多。近年來黃浦江、甬江、珠江、黃河及長江等地修建了很多水下隧道[21-22],如武漢三陽路隧道穿越長江,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,采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)結(jié)合地層數(shù)據(jù)對盾構(gòu)掘進進行精確指導(dǎo)及輔助控制。

1.3 城市鐵路隧道

由于地面環(huán)境的限制,城市鐵路地下化時會采用盾構(gòu)法隧道,我國城市鐵路盾構(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9.151 km,隧道長7.230 km,盾構(gòu)段長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)獨頭掘進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,被評定為“最難、風(fēng)險最大的在建地下工程”,鐵道部將其列為“極高風(fēng)險1號工程”。

表2 我國城市鐵路盾構(gòu)隧道典型案例

天津地下直徑線位于天津樞紐內(nèi),全長5.2 km,海河隧道全長3.61 km,盾構(gòu)段長2.146 km,為單洞雙線設(shè)計,最小平面曲線半徑為600 m,使用1臺直徑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、埋深變化大、下穿敏感點多、地質(zhì)條件復(fù)雜等難題。

1.4 城市水工隧洞

我國水問題復(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、標準不夠高、智能化水平有待提升等問題,國家水網(wǎng)總體格局尚未完全形成。我國城市水工隧洞典型案例如表3所示。

表3 我國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113.2 km,其中盾構(gòu)隧洞總里程135 km(部分線路雙洞),開挖直徑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標段全長11.359 km,包含4個盾構(gòu)區(qū)間,土壓盾構(gòu)區(qū)間長2.279 km和2.398 km,泥水盾構(gòu)區(qū)間長3.406 km和3.178 km。盾構(gòu)穿越蓮花山水道及獅子洋水道,開挖面易失穩(wěn),甚至造成盾構(gòu)上方出現(xiàn)冒頂、涌水等重大風(fēng)險;盾尾和主軸承密封系統(tǒng)發(fā)生密封磨損后失效風(fēng)險高;巖石飽和抗壓強度達97.2 MPa,巖層石英質(zhì)量分數(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、施工場地狹窄、洞線長、施工作業(yè)工序多、干擾大、難度較大、工期一般較長,尤其是兼有導(dǎo)流任務(wù)的隧洞,施工進度往往控制著整個工程的工期。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,加快施工進度和提高施工質(zhì)量。

1.5 城市綜合管廊

國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等部門自2015年1月開始聯(lián)合支持地下綜合管廊試點工作,到2022年6月我國已累計開工建設(shè)管廊項目1 647個,總長度達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)對能力,促進了土地資源的集約高效利用[27]。我國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),開挖直徑12.07 m,掘進總長5.468 km,具有管廊直徑大、掘進距離長、埋深大、地質(zhì)復(fù)雜等特點,是我國埋深最大、水壓最高(隧道結(jié)構(gòu)底面標高-74.83 m,水壓力最高達0.8 MPa)的綜合管廊。其地理位置如圖3所示。

表4 我國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次穿越既有地鐵運營線,30余處與廣州地鐵11號線交匯穿越,20余處下穿/側(cè)穿危舊房屋群、敏感建(構(gòu))筑物。全線有4個區(qū)間位于溶洞發(fā)育區(qū),14個區(qū)間穿越斷裂破碎帶,5個區(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)計基本達到盾構(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,未來將朝著規(guī)劃體系完備、設(shè)計規(guī)范標準、設(shè)施協(xié)同開發(fā)、運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題是未來技術(shù)攻關(guān)的方向。

2)越江跨海常態(tài)化。我國水系眾多,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、隧道施工安全性和經(jīng)濟性選擇等問題至關(guān)重要。

3)結(jié)構(gòu)斷面多元化。根據(jù)實際發(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。

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、橋基等,近距離交叉、斜穿,面臨著開挖面穩(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、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)象開始頻繁出現(xiàn),隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性問題是目前面臨的挑戰(zhàn)。

2 盾構(gòu)法隧道工程技術(shù)新進展

2.1 超大直徑盾構(gòu)裝備技術(shù)

隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展,城市交通、軌道交通、鐵路、綜合管廊等過江過海需求迅速增加。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;公路等級不斷提升,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)。我國自主研發(fā)了伸縮擺動技術(shù),滿足了刀具更換需要。通過設(shè)計多道唇形密封結(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;通過開展盾構(gòu)主軸承國產(chǎn)化研究,目前已實現(xiàn)8 m級盾構(gòu)主軸承、減速機等工業(yè)基礎(chǔ)零部件國產(chǎn)化。

2)油缸自由分區(qū)技術(shù)。油缸自由分區(qū)技術(shù)實現(xiàn)了推進油缸的自由分區(qū),通過控制推進油缸各分區(qū)的壓力差對盾構(gòu)姿態(tài)進行調(diào)整,推進油缸分區(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盾構(gòu)姿態(tài)進行控制。

圖4 推進油缸分區(qū)示意圖

3)高精度自動保壓系統(tǒng)。為了提高系統(tǒng)控制精度,國內(nèi)研發(fā)了四回路并聯(lián)式分段控制自動保壓系統(tǒng),將保壓系統(tǒng)進氣調(diào)節(jié)閥和排氣調(diào)節(jié)閥分為大、小閥門并聯(lián)進氣,控制器對大、小閥門進行分段控制,從而減少系統(tǒng)響應(yīng)時間,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)刀具磨損尤為嚴重,帶壓進艙刀具檢查和更換風(fēng)險高且耗時長,我國采用的第4代常壓換刀技術(shù)達到世界領(lǐng)先水平。常壓刀盤主梁由多個中空梁組成,主梁上刮刀和滾刀可在常壓環(huán)境下更換,作業(yè)人員進入中空刀盤輻條臂內(nèi),在常規(guī)大氣壓下進行刀盤及刀具檢查和維護,有效降低高水壓環(huán)境下?lián)Q刀的風(fēng)險。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)(一個與外界連通的獨立區(qū)域,與刀盤泥水艙高壓區(qū)域隔離)作業(yè)人員對高壓區(qū)域的刀具進行更換。正常掘進時刀具伸出刀盤面板切削土體,當(dāng)檢查刀具磨損或換刀時,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,通過配套工裝將整個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,再將刀筒整個抽出進行刀具檢查更換。第4代常壓換刀技術(shù)可更換的刀具種類多,通過配備液壓油缸系統(tǒng)插拔刀具,設(shè)置機械保護裝置,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: 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)境下進行艙內(nèi)作業(yè),減少人員傷亡的風(fēng)險; 2)方便快速,常壓下刀具的檢查和更換可利用設(shè)備檢修時間進行; 3)低成本,普通人員經(jīng)過簡單培訓(xùn)即可進行常壓下的刀具檢查和更換,刀具檢查和更換的費用更低。

2.3 多模盾構(gòu)技術(shù)

近年來,隧道建設(shè)逐漸呈現(xiàn)出長距離化、施工環(huán)境復(fù)雜化等趨勢,對隧道掘進設(shè)備的創(chuàng)新性設(shè)計要求越來越高[28]。為解決因地層顯著差異而出現(xiàn)的施工問題,多模盾構(gòu)應(yīng)運而生。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。國內(nèi)外多模盾構(gòu)隧道工程如表5所示。

表5 國內(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)換和掘進效能3個方面。多模盾構(gòu)的主要適應(yīng)性地層及工作特點是該施工技術(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,提高掘進效率;強透水地層采用泥水模式規(guī)避施工風(fēng)險,控制地層沉降。

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

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號線五里牌站—楓園區(qū)間,采用“陽明Ⅱ號”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X型輻條式圓形大刀盤加1個偏心多軸驅(qū)動仿形刀盤的組合切削形式,2個大刀盤在矩形盾構(gòu)最前端同一水平面上左右分布,偏心多軸驅(qū)動仿形刀盤位于矩形盾構(gòu)切削面的中央位置,交錯置后于2個大刀盤。

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%,實現(xiàn)雙向隧道同時掘進,在推進效率、成本與車輛通行方面具有更大優(yōu)勢。該盾構(gòu)具有切削全斷面化、控制智能化等特性,可實現(xiàn)長距離曲線施工及高精度沉降控制,地層適應(yīng)能力強,可滿足地下空間高度集約化及環(huán)境保護要求。

2.5 聯(lián)絡(luò)通道機械法施工技術(shù)

根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(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)合礦山法開挖的工法,該工法工期長、機械化程度低。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)計實現(xiàn)狹小空間內(nèi)始發(fā)、掘進、接收。始發(fā)套筒分段設(shè)計,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)支撐臺車系統(tǒng),實現(xiàn)施工全過程隧道結(jié)構(gòu)保護。

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

2.6 軟硬極端懸殊地層掘進技術(shù)

市政公路隧道斷面通常較大,超大直徑盾構(gòu)的開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時,容易出現(xiàn)開挖面失穩(wěn)、掘進參數(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,單軸抗壓強度最高達214 MPa,上部為淤泥、淤泥質(zhì)土等極軟弱地層。盾構(gòu)掘進時極易擊穿上覆土導(dǎo)致水底冒漿、開挖面失穩(wěn)坍塌,下部基巖導(dǎo)致刀具磨損快、易損壞,盾構(gòu)載荷波動大。通過技術(shù)攻關(guān),形成了盾構(gòu)裝備針對性選型設(shè)計技術(shù)、盾構(gòu)掘進姿態(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)測管理技術(shù)等。

1)盾構(gòu)裝備針對性選型設(shè)計技術(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)測裝置;配置顎式破碎機對巖石二次破碎,便于巖渣排出;主驅(qū)動配置伸縮擺動功能,實現(xiàn)刀盤小幅后退及擺動;配置高強度滾刀,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)掘進姿態(tài)及地層穩(wěn)定性控制技術(shù)。通過建立盾構(gòu)主機受力平衡方程,掌握總推力不變時各個分區(qū)壓力、推力的變化規(guī)律,分析推進系統(tǒng)各個分區(qū)輸出不同推力時管片結(jié)構(gòu)的受力變化,調(diào)整推進系統(tǒng)分區(qū)壓力,保證總推力、優(yōu)化分區(qū)推力,保證盾構(gòu)掘進姿態(tài)和管片合理受力。采用數(shù)值模擬和經(jīng)驗公式計算初始泥水支護壓力,根據(jù)地表沉降監(jiān)測值,調(diào)整支護壓力設(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、易疲勞斷裂。利用盾構(gòu)TBM大數(shù)據(jù)平臺的統(tǒng)計分析和常壓刀具監(jiān)測裝置,關(guān)注刀具旋轉(zhuǎn)、溫度狀態(tài),在中心艙主動檢查刀筒和密封座螺栓的松動及后退情況,適時抽檢刀具。通過加強刀具管理,對狀態(tài)異常的刀具及時檢查更換,保障盾構(gòu)順利通過軟硬極端懸殊地層。

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,開挖時易出現(xiàn)砂流失、水流失等情況,進而誘發(fā)坍塌;且易出現(xiàn)刀盤刀具嚴重磨損、刀盤螺旋輸送機卡死、螺機噴涌、刀盤結(jié)泥餅、地面沉降坍塌等問題。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號線一期盾構(gòu)區(qū)間長20.785 km,9個盾構(gòu)區(qū)間采用20臺直徑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)量分數(shù)超過75%,漂石粒徑多為20～70 cm,漂石及卵石天然抗壓強度一般為41～200 MPa,個別達到299 MPa。隧道穿越含水量豐富、補給充足的強透水砂卵石土,埋深均位于地下水位以下。掘進時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重,依靠渣土壓力保持開挖面平衡幾乎不可能;且渣土流動性很差,很難通過螺旋機排出。因此,必須改良渣土保持開挖面的穩(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)段掘進時,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)險區(qū)掘進時,主要采用膨潤土+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)量分數(shù)高、粒徑大、密度大,滿艙位推進會導(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,對周邊地層擾動而出現(xiàn)超挖、結(jié)泥餅等現(xiàn)象。采取的措施為: 1)快速推進,采用控制欠壓模式推進以保證推進速度,減少超挖; 2)適當(dāng)保壓,欠壓推進時在艙內(nèi)土體上方充填膨潤土液或泡沫; 3)進行渣土艙位控制。

2.7.3 泥餅防治技術(shù)

掘進過程中通過渣土改良、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)土壓頻繁波動變化、扭矩規(guī)律性波動、推力持續(xù)增加、推進速度降低、渣溫持續(xù)上升等現(xiàn)象時,及時采取措施或開艙檢查。泥餅形成前期使用分散劑泡艙,或根據(jù)參數(shù)波動預(yù)判板結(jié)位置,通過在土艙壁處預(yù)留的注入孔對其沖洗,泥餅嚴重時開艙清理。

2.7.4 坍塌防控及處理技術(shù)

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

2)嚴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易松散并具有強透水性,同步注漿采用凝結(jié)時間較短(初凝3～6 h,終凝10 h)、強度高的漿液,每環(huán)注漿結(jié)束或中途停機時采用膨潤土清洗注漿管路,以防堵管。

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

4)空洞回填。當(dāng)出現(xiàn)大方量超方時,停止掘進,探測尋找空洞,進行土艙保壓;若空洞與開挖面連通,徑向及盾尾注入膨潤土防止盾體被抱死。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。

2.8 地下高地震烈度盾構(gòu)隧道減隔震抗震技術(shù)

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

針對國內(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,為增強其變形能力,采用直螺栓連接的形式和柔性減震節(jié)點的方式達到減震的目的。螺栓連接方式有2種,如圖7所示。直螺栓在地震時更容易變形,且變形時對隧道管片結(jié)構(gòu)的損害相對較小,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)縫存在一定張開量的同時保證隧道防水。為減小土層變化處接頭的張開量,在巖石兩側(cè)土層變化處布置2道柔性減震節(jié)點,并對其相鄰局部接頭螺栓加強,使隧道全線接頭張開量(除減震節(jié)點外)不超過15 mm,確保隧道在地震時的安全性。減震節(jié)點有一定的變形復(fù)位能力,在地震后會恢復(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,如圖8所示。

(a) SMA減震節(jié)點

(b) SMA棒材

2.9 超長距離綜合施工技術(shù)

隨著我國經(jīng)濟發(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、超長距離的方向發(fā)展。

2.9.1 盾尾刷更換和管路磨損監(jiān)測及耐磨改進技術(shù)

超長距離綜合施工技術(shù)包括盾尾刷更換、管路磨損監(jiān)測及耐磨改進技術(shù)等[33]。盾尾刷磨損會導(dǎo)致盾尾密封失效,因此盾尾刷更換前要對盾尾及相應(yīng)管片周圍的地層進行密封止水加固。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。注漿加固法是通過管片上的二次注漿孔向地層注雙液漿等材料進行止水加固;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度及穩(wěn)定性,隔絕地下水。泥水盾構(gòu)在長距離施工中會出現(xiàn)管路磨損,需使用耐磨材料對管路進行耐磨處理,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、粗顆粒石塊處理等。

2.9.2 地下對接技術(shù)

盾構(gòu)地下對接技術(shù)包含輔助式對接和直接式對接。輔助式對接是指2臺盾構(gòu)相向掘進到接合位置后,采用注漿加固或凍結(jié)工法對附近地層進行加固,然后完成對接貫通;直接式對接是利用盾構(gòu)中設(shè)計的特殊機械裝置,在對接位置完成對接施工。廣深港獅子洋隧道是國內(nèi)首次完成水下盾構(gòu)輔助式對接的隧道,隧道長9.3 km,采用4臺盾構(gòu)從兩側(cè)同時掘進約4.5 km,最后在水下進行對接[34]。對接前先對周圍地層進行注漿加固,2臺盾構(gòu)相距20～30 m時,一臺盾構(gòu)停止掘進并拆除部分部件,另外一臺盾構(gòu)向前緩慢掘進至對接地點,直到與第1臺盾構(gòu)接觸。盾構(gòu)到達對接位置后立即進行管片加固,對最后拼裝的(至少60 m)管片進行壁后補充注漿并復(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行注漿填充,對后10環(huán)管片沿隧道方向設(shè)6道槽鋼或角鋼縱向拉緊。對接施工中加強盾殼變形和管片變形監(jiān)測,氣壓艙封板打開時應(yīng)加強水量監(jiān)測,最終在常壓下進行最后的拆機工作。

3 盾構(gòu)智能化掘進技術(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。近年來我國盾構(gòu)智能化掘進技術(shù)得到了長足的進步和發(fā)展,其包含不良地質(zhì)識別技術(shù)、設(shè)備狀態(tài)實時感知技術(shù)、同步推拼連續(xù)掘進技術(shù)、盾構(gòu)自動駕駛技術(shù)、盾構(gòu)智能化管控平臺技術(shù)等。

3.1 不良地質(zhì)識別技術(shù)

盾構(gòu)隧道施工對不良地質(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。實時準確地對掌子面前方地質(zhì)情況、不良地質(zhì)性質(zhì)和位置進行探測分析,實現(xiàn)對不良地質(zhì)體空間位置、賦存形態(tài)和充填特性的定性辨識和定量預(yù)報[35-36]。

超前探測有直流電法、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);電磁波法可以對巖體介質(zhì)全方位探測,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)報方法較多,例如:德國應(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);日本利用掘進參數(shù)進行超前探測;我國部分學(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)進行超前探測等。地震波法在隧道地質(zhì)超前預(yù)報中的應(yīng)用較為廣泛,如TSP(瑞士安伯格公司開發(fā))、HSP(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司開發(fā))、SAP(山東大學(xué)開發(fā))等設(shè)備的原理均是基于地震波反射法。超前預(yù)報研究多集中于敞開式TBM隧道,盾構(gòu)隧道的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)較少。

基于BEAM技術(shù)的隧道地質(zhì)超前預(yù)報是一種應(yīng)用聚焦電流激發(fā)極化方法原理的地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng),能夠在隧道惡劣環(huán)境下滿足探測需求。盾構(gòu)通過BEAM系統(tǒng),能夠保持持續(xù)掘進狀態(tài),不斷探測隧道掌子面前方3倍隧道直徑距離的地質(zhì)情況。該系統(tǒng)自動進行數(shù)據(jù)采集和地質(zhì)評估,實時顯示預(yù)報結(jié)果,利于現(xiàn)場人員快速做出判斷。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)、單護盾或雙護盾式盾構(gòu)上安裝使用。

溶洞、孤石體積小,需精細化探測。跨孔電阻率CT法是一種孔中精細化探測方法,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,通過對電阻率層析成像,對隱藏在巖體內(nèi)的不良地質(zhì)構(gòu)造和巖層交界面進行識別和定位。目前已應(yīng)用于廈門軌道交通1號線孤石探測、大連地鐵2號線東春區(qū)間溶洞超前探測、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)報技術(shù)的研究路線是:一種是與盾構(gòu)集成,做智能掘進機系統(tǒng),適用于新建掘進機;另一種是便攜式儀器設(shè)備,用于現(xiàn)有盾構(gòu)施工隧道開展具有針對性的超前預(yù)報,降低施工風(fēng)險。未來發(fā)展中,超前地質(zhì)預(yù)報設(shè)備與掘進機設(shè)備一體化、探測自動化是主流趨勢,實現(xiàn)實時動態(tài)預(yù)報、三維精細探測、高效量化預(yù)報是主要發(fā)展方向。

3.2 設(shè)備狀態(tài)實時感知技術(shù)

3.2.1 刀盤刀具智能檢測技術(shù)

盾構(gòu)施工中帶壓進艙檢修刀具極易發(fā)生安全事故。為解決該問題,創(chuàng)新采用刀盤刀具智能檢測技術(shù),包括: 1)刀具關(guān)鍵參數(shù)在線檢測技術(shù),采用電渦流傳感器測量滾刀刀刃磨損量,通過在刀圈中預(yù)埋傳感器,測量計算滾刀轉(zhuǎn)速; 2)刀具參數(shù)實時傳輸技術(shù),采用雙頻通訊技術(shù),實現(xiàn)不同施工環(huán)境刀具參數(shù)的無線實時通信; 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)模型判斷識別刀具狀態(tài),實現(xiàn)刀具狀態(tài)智能診斷。

3.2.2 開挖狀態(tài)智能監(jiān)測預(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)、開挖地層圖像信息和渣土流動特性。土艙可視化原理如圖9所示。

圖9 土艙可視化原理

出渣實時測量系統(tǒng),通過對出渣量實時監(jiān)測,計算渣土超排量,進而調(diào)控螺旋輸送機排渣速度,實現(xiàn)土艙壓力測定值與設(shè)定值相等,控制超排現(xiàn)象,平衡土艙壓力與開挖面的水土壓力。

3.2.3 盾尾密封狀態(tài)監(jiān)測系統(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)、外部水壓都會對盾尾密封系統(tǒng)的密封能力產(chǎn)生影響。盾尾密封狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)如圖10所示。

圖10 盾尾密封狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

3.3 同步推拼連續(xù)掘進技術(shù)

同步推拼連續(xù)掘進技術(shù)是指盾構(gòu)掘進的同時拼裝管片,實現(xiàn)連續(xù)掘進,施工流程為:

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

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

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

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)通過改進管片連接方式、提高拼裝效率等方式盡量縮短管片拼裝用時;同時,改進盾構(gòu)推進系統(tǒng),通過適當(dāng)增加推進油缸行程、動態(tài)調(diào)整掘進速度,保證管片拼裝與盾構(gòu)掘進有序協(xié)同。

盾構(gòu)掘進軸線自主規(guī)劃技術(shù),采用盾構(gòu)掘進姿態(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,開發(fā)盾構(gòu)掘進軸線自適應(yīng)控制系統(tǒng),保證盾構(gòu)按設(shè)計軸線穩(wěn)定連續(xù)掘進,實現(xiàn)同步推拼盾構(gòu)自主連續(xù)掘進與安全高效施工。

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

同步推拼模式下拼裝機平移機構(gòu)運動控制技術(shù),實現(xiàn)了對拼裝機平移機構(gòu)進行高精度閉環(huán)位移控制,采用管片拼裝機同步拼裝功能,實現(xiàn)了盾構(gòu)位移量精確、實時補償,確保掘進過程中待拼裝管片與已成環(huán)管片間的相對靜止。

3.4 盾構(gòu)自動駕駛技術(shù)

2019年10月,在杭州至紹興城際鐵路開展了“智馭號”盾構(gòu)自主掘進控制系統(tǒng)第1次無人干預(yù)的自動駕駛試驗。工程監(jiān)測結(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)于人工推進的效果。“智馭號”盾構(gòu)自動掘進控制系統(tǒng)基于多層次控制和知識數(shù)據(jù)融合方法開發(fā)了智能控制模塊,具備自動啟停、自動掘進(含壓力平衡)、自動方向控制、自動注漿和自動盾尾油脂注入等5大功能,長距離掘進過程中能自主確定掘進目標、設(shè)計控制方案、動態(tài)規(guī)劃控制策略、準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,并實現(xiàn)了南京地鐵5號線科寧路站—竹山路站區(qū)間左線自動切削洞門的進洞施工。

3.5 盾構(gòu)智能化管控平臺技術(shù)

通過聚焦設(shè)計、生產(chǎn)、施工、運維等過程的智能化管理,從下到上解決盾構(gòu)施工過程中的全面感知、平臺整合、智能決策等問題。在邊緣感知層,通過為盾構(gòu)加裝智能終端從而增強對人、設(shè)備和環(huán)境的監(jiān)測,實時將各類數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⒒脚_進行處理和展示。在平臺整合層,通過信息化平臺實現(xiàn)對人、機、料、法、環(huán)的全流程業(yè)務(wù)覆蓋,各業(yè)務(wù)要素均對應(yīng)信息化應(yīng)用,并提供豐富的API和統(tǒng)一數(shù)據(jù)池,實現(xiàn)多業(yè)務(wù)平臺間的數(shù)據(jù)貫通與共享。在智能決策層,通過大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生等技術(shù),對各階段采集的數(shù)據(jù)進行多維度分析挖掘,實現(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,在隧道修建過程中發(fā)揮著越來越重要的作用,未來盾構(gòu)法將為我國地下工程建設(shè)帶來更多發(fā)展機遇。

2)盾構(gòu)法隧道技術(shù)日趨更新。我國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)通道機械法施工、軟硬極端懸殊地層掘進、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、超長距離綜合施工等技術(shù),促進了盾構(gòu)法隧道的發(fā)展。

3)盾構(gòu)智能化掘進日趨精益。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,我國盾構(gòu)智能化掘進取得了巨大進步。不良地質(zhì)識別、設(shè)備狀態(tài)實時感知、同步推拼連續(xù)掘進等技術(shù)為盾構(gòu)智能化掘進奠定了堅實基礎(chǔ)。

盡管近年來我國城市地下空間盾構(gòu)法隧道的施工技術(shù)有了長足發(fā)展,但依然面臨著如下難題: 1)在設(shè)計方面,我國地域遼闊,地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜,盾構(gòu)裝備選型設(shè)計面臨挑戰(zhàn)。2)在生產(chǎn)方面,盾構(gòu)部分關(guān)鍵部件及設(shè)計軟件仍依賴于國外,產(chǎn)品國產(chǎn)化仍需進一步加強。3)在施工方面,施工狀態(tài)需精準感知,如超前地質(zhì)探測、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)、自動掘進控制技術(shù)等。4)在運維方面,盾構(gòu)智能化管控平臺數(shù)據(jù)處理分析、展示預(yù)警、精準管控等方面仍需進一步提升。

4.2 展望

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

1)多元化。未來需開發(fā)“多模式、無刀化、外星化”等智能盾構(gòu)裝備以適應(yīng)不同工程,例如: 研發(fā)隧道工程搶險救援機械裝備,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代無刀化盾構(gòu),采用激光、高壓水射流等技術(shù)。

2)智能化。未來盾構(gòu)裝備將實現(xiàn)智能感知多源信息、動態(tài)性能自適應(yīng)調(diào)節(jié),實現(xiàn)無人化運輸、管片無人拼裝、輔助決策等功能;開發(fā)施工可控技術(shù),實現(xiàn)盾構(gòu)智能糾偏、韌性支護;智能化盾構(gòu)將實現(xiàn)自主感知、學(xué)習(xí)、掘進、決策與問題解決。

3)大直徑長距離。未來盾構(gòu)隧道將向特大直徑、超長距離、超大埋深和超高水壓等方向發(fā)展。換刀技術(shù)、刀盤磨損檢測技術(shù)、主軸承檢測技術(shù)等需進一步精進;盾構(gòu)大直徑、隧道長距離將推動盾構(gòu)向多功能、多模式、類矩形和異形方向發(fā)展。