極端環境隧道建造面臨的主要問題及發展趨勢

陳湘生, 全昭熹, 陳一凡, 沈 翔, 蘇 棟, *

(1. 極端環境巖土和隧道工程智能建養全國重點實驗室(深圳大學), 廣東 深圳 518060;2. 濱海城市韌性基礎設施教育部重點實驗室(深圳大學), 廣東 深圳 518060;3. 深圳大學土木與交通工程學院, 廣東 深圳 518060)

0 引言

21世紀是隧道及地下空間大發展的世紀,也是隧道及地下空間開發利用的新世紀[1-3]。“十五”和“十一五”期間,我國隧道建設開始蓬勃發展,重點是改善交通基礎設施,提高國家的基礎設施水平,期間建成了一批標志性的特長隧道工程,如滬蓉高速華鎣山隧道、二廣高速雁門關隧道以及秦嶺終南山公路隧道等。

“十二五”和“十三五”期間,我國隧道建設進入快速發展階段,港珠澳大橋沉管隧道、烏尉天山勝利隧道、汕頭海灣隧道、川藏鐵路隧道群、深中通道沉管隧道、青海鄂拉山隧道等工程的順利貫通標志著我國隧道建設水平攀上了又一座高峰。

根據統計,截至2023年底,我國鐵路營業里程達到159 000 km,其中,投入運營的鐵路隧道達18 573座,總長23 508 km;在建鐵路隧道2 668座,總長7 110 km;規劃鐵路隧道5 460座,總長13 313 km[4]。截至2023年底,我國10 km以上特長公路隧道共計74座,其中,已建成運營的特長公路隧道25座,正在建設的特長公路隧道31座,規劃設計的特長公路隧道18座[5]。截至2023年底,我國共有61個城市開通城軌交通,運營總里程達11 034 km(若不含“智軌”系統,則有54個城市,運營總里程10 866 km),其中,2023年新增開通線路27條(段),新增運營里程約956 km[6]。目前,我國是世界上隧道建設規模最大、數量最多、發展最快的國家,已經成為名副其實的隧道大國,朝隧道強國邁進勢在必行。

進入“十四五”,面向交通強國建設、“一帶一路”倡議、國土空間擴容等重大需求,我國隧道工程朝著更長、更大的規模以及更深、更艱險、更極端的環境進發,眾多穿越復雜山嶺、深水海域和城市敏感區域的超級隧道在建設過程中面臨著巨大挑戰[7-8]。在高海拔的山嶺地區,由于受到復雜地質條件、構造應力的影響,極易出現極高地應力、高地溫、高海拔以及活動斷裂帶等極端條件,給隧道建造帶來極大的挑戰;在江河海灣,水底隧道建造面臨著高水壓、高烈度地震和強侵蝕環境等極端因素的考驗;而在城市敏感區,穿越既有隧道、敏感建構筑物,甚至地下障礙物,是隧道建設面臨的主要困難。

本文通過梳理近年來專家學者在極端環境隧道工程領域的研究成果,總結在艱險山區、深水海域、城市敏感區3類地區進行隧道建設所面臨的關鍵難題和技術突破,為將來隧道工程向極端環境進發提供參考。

1 艱險山區極端環境隧道建設面臨的主要問題及技術突破

隨著我國基礎設施建設不斷向中西部地區深入,隧道建設面臨的挑戰也逐漸從特殊復雜的環境轉變為極端環境。隧道(洞)工程建設的規模更大、占比更高,如川藏鐵路(見圖1[9])、滇藏鐵路、渝昆高鐵的隧道(洞)長度占比分別達到82%、74%和87%。西部山嶺地區由于本身地質構造、巖石特性等的影響,造成了極端地質條件,如蘭渝鐵路木寨嶺隧道[10]、317國道鷓鴣山隧道[11]、川藏鐵路桑珠嶺隧道[12]等均面臨極高地應力、高地溫、高海拔、活動斷裂帶等極端環境,在施工過程中均出現了不同成因、不同程度的圍巖大變形、二次襯砌開裂以及掌子面失穩破壞等情況。圖2示出了桑珠嶺隧道在施工過程中因巖爆破壞導致的拱腳空腔、邊墻片狀剝落等破壞。

圖1 川藏鐵路沿線地形地勢圖[9]

(a) 拱腳巖爆后空腔 (b) 邊墻片狀剝落

1.1 極高地應力

根據GB/T 50218—2014《工程巖體分級標準》[13]規定,巖石飽和抗壓強度Rc與地應力最大值σmax的比值稱為強度應力比,強度應力比小于4表示該區域屬于極高地應力狀態。極高地應力狀態易導致隧道施工過程中出現硬巖巖爆及軟巖大變形等地質災害。

1.1.1 巖爆

巖爆是在高地應力狀態下,硬脆性圍巖因開挖卸載導致巖體中聚積的彈性應變能釋放而產生巖體爆裂、彈射的動力現象[14],具有強烈的突發性、隨機性和危害性。研究表明,高地應力是巖爆發生的必備因素之一。我國長大巖爆隧道[15]大多位于川藏高原和秦巴山區,隧道埋深均達700 m以上,巖層主要為閃長巖等硬巖。巖爆可分為即時型巖爆、時滯型巖爆、間歇型巖爆,如圖3所示。目前,國內外對于隧道施工遭遇巖爆的研究主要圍繞巖爆機制及預測、巖爆控制措施等方面。

(a) 即時型巖爆 (b) 時滯型巖爆

與巖爆機制相關的分析理論包括能量理論、斷裂損傷理論以及失穩理論。能量理論是指當巖體破壞消耗的能量小于巖體釋放的能量則發生巖爆,該方法較好地解釋了巖爆過程中的動力學問題,但無法對巖爆進行定量的分析。顧金才等[17]認為巖爆發生過程中,不僅有巖爆體原有積蓄的能量,還需要周圍巖體的能量補充。劉濱等[18]基于最小耗能原理,揭示了巖爆機制,提出了巖爆預測準則與本構方程。在斷裂損傷理論方面,馮夏庭等[19]發現了即時型巖爆中應變型和應變-結構面滑移型 2 類巖爆的孕育機制差異: 前者主要是拉張破裂引起,后者主要是拉張破壞、剪切破裂與拉剪-壓剪破裂引起,剪切破裂主要沿著硬性結構面發生,形成爆坑邊界。謝和平等[20]建立了以損傷能量釋放率為基礎的損傷演化方程。失穩理論認為巖爆是一種動力失穩過程,由于應力集中導致部分應變軟化巖石介質與未應變軟化巖石介質處于非平衡狀態,導致發生巖爆[21]。

巖爆預測方法根據其理論的不同可分為3類: 1)基于巖爆機制的巖爆判據方法,如陶振宇判據[22]、Hoek判據[22]、挪威Barton判據[23]、Russense判據[24]、二郎山公路隧道判據[25]等。何川及其團隊[12, 26-30]結合不同判據,綜合、深入地研究了高地溫下巖爆的特征、機制及影響因素。2)基于現場實測數據的預測方法,如微震法、聲發射法等。3)基于機器學習的考慮巖爆影響因素判據法,其又可細分為2類: ①基于巖爆指標判據的預測方法,如理想點模型[31]、物元可拓模型等; ②基于巖爆工程實例數據的預測方法,如支持向量機模型[32]、神經網絡模型[33]等。隨著人工智能的發展,第3類方法由于具有考慮問題全面等優點,成為了目前研究的重點。根據工程實例來看,同一隧道的不同階段采取不同判據會使得預測結果更加準確。為保證預測結果的準確性,可以同時采用多種預測方法進行判定。

巖爆控制措施可分為3種: 1)改變圍巖力學性質的鉆孔卸壓、超前地應力釋放、圍巖散水軟化[34]等基于靜力學的巖爆防控技術。劉冬橋等[35]通過自主研發的應變巖爆模擬系統模擬鉆孔條件下的巖爆現象,探究了鉆孔數量對應變巖爆的影響,試驗發現隨鉆孔數量增加,巖爆試樣的聲發射活躍程度下降,彈射碎屑的速度與動能下降,并提出彈射碎屑的耗能系數。Han等[36]使用數值模擬研究了單孔卸壓爆破誘發巖石碎裂,并模擬了隧道開挖時爆破誘發巖爆的過程,結果表明卸壓爆破的效果取決于鉆孔與炸藥的布置等因素。2)克服巖爆對施工人員與設備安全威脅的支護措施。陶志剛等[37]提出了三維NPR高應力補償支護體系,結果表明新支護體系試驗段微震能力、頻次均明顯降低,爆坑深度、鋼拱架受力和變形量明顯減小。3)隨著對巖爆機制的進一步研究而提出的動態防控措施。馮夏庭等[16]針對巖爆的分類、分級、特征、孕育過程及其機制進行了大量的研究,提出了巖爆防治“三步走”理論和動態調控方法。圖4示出某隧道遭遇巖爆并采取動態調控方法后的防治效果。

(a) 巖爆孕育過程中微震事件數和微震釋放能隨時間演化規律

眾多深埋超高地應力隧道的順利修建證明了我國在硬巖巖爆控制措施上取得的突破。眾多學者建立了大量的巖爆判別式,并取得了豐碩的成果,但迅猛的進展卻也帶來了如何選用判別式的困擾。未來可基于機器學習、大模型等手段將隧道施工過程中的巖爆判別數字化、智能化,建立統一數據庫,對巖爆發生進行跟蹤判別,提高判別效率和準確率。此外,在靜態防控的基礎上發展了基于巖爆機制的動態防控措施,為巖爆防控提供了更科學、高效的方法。

1.1.2 軟巖大變形

由于軟巖自身強度低、穩定性差,在高地應力的作用下將產生具有累進性和明顯時間效應的塑性變形,開挖會導致其產生嚴重的收縮、變形,甚至出現一系列的圍巖變形侵限、拱頂坍塌、襯砌開裂、支護體系扭曲失效和其他災難[38-39](見圖5)。

(a) 支護結構開裂 (b) 混凝土脫落

如圖6所示,軟巖大變形可根據構造控制理念分為3類[40-41]: 1)斷層型大變形,主要發生在區域斷層帶。黃解放等[42]對隧道穿越斷層破碎帶初期支護變形及二次襯砌受力進行研究分析,提出了隧道初期支護變形分級預警方法。2)破裂型大變形,易發生在節理密集帶、褶皺核部及轉折端。鄧鵬海等[43]通過有限元-離散元耦合數值模擬方法研究不同強度應力比下軟巖破裂碎脹大變形機制,提出了隧洞變形預測公式及大變形分級新方法。3)小夾角型大變形,主要發生在順層和緩傾巖層,特點是隧道軸線與巖層面小角度相交。潘文韜等[44]通過巖石力學試驗及數值模擬,揭示了不同軟巖大變形等級下層理角度對層狀軟巖大變形隧道圍巖及支護體系受力變形的影響規律。

(a) 斷層型大變形

目前國內外學者對高地應力軟巖隧道大變形的發生機制和變形控制方面進行了大量的研究和實踐工作。謝金池等[45]通過數值模擬,提出適當增大隧道高跨比可有效降低圍巖變形與支護結構受力,當高跨比為1時效果最好。鐘友江等[46]研究了雙層初期支護中第2層鋼拱架的布置方式以及施作時機,發現鋼拱架采用交錯的布置方式并且在第1層支護結構破壞前施作,將更有利于初期支護結構受力和圍巖變形控制。

盡管我國在高地應力軟巖大變形的機制和控制方面已有較多經驗,但現有的圍巖分級標準與支護參數無法滿足極高地應力條件下的安全施工要求。因此,完善極高地應力下不同軟弱圍巖分級標準,并統一規范極高地應力下隧道大變形控制技術,是隧道建設在極高地應力區面臨的主要難題。陳志敏等[47-49]對極高地應力區軟弱圍巖穩定性影響因素進行優先級分析,提出了一種極高地應力復雜軟巖隧道多因素耦合圍巖分級方法,并同時考慮時間和空間效應,對不同開挖方法下隧道圍巖的變形規律進行分析,此外還探究了極高地應力區軟巖發生不對稱大變形的影響因素,并提出支護結構優化措施,在層狀軟巖非對稱大變形中有較好的支護效果。

極高地應力區隧道變形控制的施工理念是“先放后抗,抗放結合,錨固加強”[50],主要的變形控制措施有以下3種: 1)超前導洞法[51-52],即在隧道開挖前先進行小范圍的開挖,以釋放圍巖應力,減少圍巖變形和破壞; 2)設置多層支護體系[53-54],在不同的位置和階段采用不同類型的支護結構,以充分利用圍巖的自承能力和開挖面的空間約束作用; 3)加大支護剛度[55],包括增加錨桿長度[56]、預應力錨桿技術[57]、仰拱桁架加固等。此外,嚴格控制開挖臺階長度及高度、加快初期支護封閉成環、預留變形量等也是極高地應力區控制變形的有效手段[46, 58-59]。

雖然目前在極高地應力情況下的隧道軟巖圍巖分級方面取得了一定的突破,但未形成體系,仍有進一步細化的必要。除此之外,對于極高地應力下軟巖易產生不對稱大變形的問題,目前尚未形成系統的解決方案,仍需深入研究,并提出針對不對稱大變形的支護結構優化措施。

1.2 高地溫

根據相關的研究,圍巖溫度超過60 ℃的隧道被劃分為高地溫隧道[60]。高地溫環境會影響施工人員的安全與健康[61]、延長施工進度、加速襯砌開裂、加劇圍巖變形及巖爆等,嚴重制約隧道的建設。國內外已有眾多高地溫隧道工程建設的案例,例如: 我國拉林鐵路桑珠嶺隧道[62]最大埋深1 347 m,根據鉆孔資料顯示,隧道洞身巖體溫度54 ℃,超前探孔內最高地溫達86.7 ℃,屬于極高巖溫;大瑞鐵路高黎貢山隧道[63]全長34.538 km,采用TBM法和鉆爆法相結合施工,最大埋深為1 155 m,地勘資料顯示最高巖溫為39 ℃;尼格公路隧道最大埋深639 m,洞內最高巖溫88.8 ℃,最高水溫達63.4 ℃,隧道所采取的降溫措施如圖7所示。這些隧道在建設過程中都出現了高溫高濕環境、圍巖變形、支護結構失效等災害。因此,高地溫隧道方面的研究主要聚焦于隧道溫度場、降溫除濕技術及高地溫環境下的隧道結構體系等。

(a) 通風降溫

針對隧道溫度場的研究手段主要包括模型試驗、理論研究和數值模擬。1)在模型試驗方面,Ren等[65]基于相似理論,建立了簡單的隧道模型試驗裝置,模擬空氣通過隧道的換熱過程以探究影響隧道通風換熱性能的主要因素。2)在理論研究方面,邵珠山等[66]針對高地溫環境中的圓形隧道,利用無量綱分化和微分方程級數求解得到包含溫度場、位移場及應力場的熱彈性理論解。3)在數值模擬方面,Wang等[67]采用有限差分法建立了溫度預測模型,研究了風量、風溫對溫度場的影響以及開挖面的制冷需求;朱宇等[68]以海南五指山特長公路隧道工程為背景,利用Fluent軟件模擬通風和冰塊降溫下隧道溫度場的變化規律,分析了冰塊用量以及布置位置對溫度場的影響。理論研究以及數值分析都進行了不同程度的簡化,導致這2種方法相對模型試驗而言可靠性較低,但目前高地溫隧道溫度場模型試驗較少,缺乏系統性、綜合性的研究。

高地溫隧道的降溫除濕技術包括非人工制冷降溫技術與人工制冷降溫技術[69-70]。通風降溫、噴霧灑水降溫、個體防護、圍巖隔熱、熱水封堵等非人工制冷降溫技術被廣泛用于隧道建設中,但對于更高溫的隧道,便需要采用人工制冷降溫技術。人工制冷降溫技術又可分為冰冷技術和水冷技術。王志杰等[64]通過能量平衡公式以及CFD軟件,設計了高地溫隧道分級降溫措施。閆沁太等[71]針對長隧道送風難的問題,采用風冷式冷水機組、表冷器和冷卻水循環系統等設備作為輔助降溫措施,將施工區域局部空間的熱量送至非施工區域。蒲松等[72]將隧道熱害段根據溫度不同分為4個等級,提出了適用于不同等級的隧道降溫綜合防治方案。學者們針對不同工法提出的系統性高地溫隧道降溫方案為實際工程提供了重要的技術支撐。

高地溫下隧道結構體系的研究主要涉及支護材料、支護結構受力特性、支護結構體系設計。隧道支護結構的主要材料為噴射混凝土和模筑混凝土。為研究混凝土材料在達到設計強度時高溫對混凝土的損傷作用,戎虎仁等[73]開展了20～800 ℃高溫環境下混凝土強度試驗,結果表明混凝土抗壓強度隨溫度升高而線性降低。Wang等[74]研究了隧道襯砌在高地溫隧道中的力學特性,結果表明高地熱環境導致外表面拱頂和內表面側壁產生顯著的拉應力,說明地熱環境增加了隧道襯砌拉伸開裂的風險。由于高地溫隧道的溫度場隨施工過程是不斷變化的,針對混凝土材料在凝結、硬化過程中溫度對其性能的影響,Tong等[75]研究了溫度對噴射混凝土抗碳化性能的影響,結果表明超過60 ℃混凝土抗碳化性能下降明顯。范利丹等[76]開展了不同養護溫度下的噴射混凝土性能研究,結果表明: 25～40 ℃養護條件下,隨養護溫度升高,噴射混凝土性能提高;但在60 ℃養護條件下,混凝土抗壓強度下降。

在高地溫環境下,支護結構會產生溫度應力,從而影響支護結構的可靠性和安全性,我國學者對此進行了大量的研究。李力亨[77]、李鐵根[78]使用Ansys軟件分析了二次襯砌在高地溫中的應力分布特征,當對二次襯砌同時施加重力和溫度載荷后,仰拱承受的拉應力顯著增大。王玉鎖等[79]通過室內模型試驗測試了不同溫度條件下的隧道模型結構受力特征,結果表明50 ℃以內,軸力與溫度呈線性增長趨勢。王明年等[80]、孫其清等[81]提出了基于巖溫的支護結構體系分級設計方法。

總體而言,目前在高地溫隧道的溫度場以及降溫措施方面的研究成果較多,但高地溫下的支護材料性能及支護結構設計方法研究有待進一步加強。由于常溫下隧道襯砌的設計方法并不能滿足高地溫隧道的建設需求,亟需建立適用于高地溫隧道襯砌結構設計的相關規范。

1.3 超高海拔

低溫和缺氧是高海拔隧道建設面臨的主要難題。由于國際通行海拔分級標準對于相對封閉的隧道施工環境并不適用,且尚無高海拔隧道設計規范,隧道保溫與供氧分級設計缺乏理論依據。對此,鄭金龍等[82]基于氣管氧分壓、最冷月平均氣溫與最大凍結深度定義隧道海拔高度分級標準(小于2 100 m為一般海拔隧道,2 100～4 200 m為高海拔隧道,大于4 200 m為超高海拔隧道),并根據不同海拔高度定義寒冷程度和缺氧等級。

1.3.1 低溫環境

隨著海拔高度的增加,環境溫度逐漸降低,加劇了隧道凍害的產生(見圖8[83]),因此對隧道進行實時溫度監測將有利于高海拔隧道選擇合適的保溫抗凍措施。Xing等構建了高寒區隧道分布式溫度監測系統,并將精度控制在±0.05 ℃,對寒區隧道控溫防凍有重要幫助。Li等[85]提出了一種采用光纖光柵應變傳感器監測襯砌結構凍脹應變的方法,適用于高海拔隧道凍融循環和凍脹效應的監測。

(a) 隧道襯砌滲水 (b) 隧道襯砌結冰

受到低溫環境的影響,混凝土材料的養護、施工設備的正常運行以及人員與運輸車輛的安全都會面臨一系列的挑戰。針對低溫環境下混凝土強度增長緩慢、抗凍耐久性差等問題,可通過采取防寒或加熱設備來維持適宜溫度,通過加入適量引氣劑、減水劑提高混凝土抗凍性能[86-87]。為保證施工設備的正常運行,可通過安裝保溫套、使用防寒被等措施減少熱量的散失,此外在設備啟動前進行充分預熱,也有利于防止因油液黏度增加而導致的啟動困難或損壞。為保障施工人員以及車輛的安全,應對施工人員配備相應的保暖裝備和防護措施,加強對路面的除冰和防滑處理。

為防止隧道襯砌脹裂、排水困難等病害影響隧道的安全性和使用壽命,高海拔隧道需要采取保溫抗凍措施。根據改善對象的不同可將防凍技術分為3類[88]: 1)改善隧道溫度環境的防凍技術,以保溫層防凍技術為主。吳劍等[89]、王仁遠等[90]針對保溫層的長度、厚度進行了計算公式修正,并提出預測模型。王志杰等[91]針對保溫層敷設方式進行了方案比選及參數優化。2)改善隧道水環境的防凍技術,主要措施包括設置保溫水溝、中心深埋水溝及防寒泄水洞[92]。3)改善隧道圍巖性質的防凍技術,即通過對隧道周圍地下水豐富段進行注漿處治,在加固圍巖的同時封堵地下水向隧道滲透的路徑,達到提高隧道襯砌結構抗凍性能的目的[93]。由于隧道縱向溫度場的分布還受到隧址區地熱梯度、隧道曲直度等影響,所以對于具體的隧道防凍設計,需要綜合考慮多種因素進行分析。

1.3.2 缺氧環境

高海拔地區氧氣濃度過低會威脅人體健康、影響機械高效作業[94],因此完善的施工供氧技術是保障施工人員安全、設備效率以及施工進度的重要因素。目前常用的供氧方案主要有3種[95-98]: 1)個體攜氧供氧[95-96],其優點是設備簡單,氧氣利用率高,適用于短時間作業或緊急情況供氧; 2)彌散式供氧[97-98](見圖9),其利用洞口制氧設備生產氧氣后,采用專用輸氧管道向洞內掌子面輸送氧氣,保障掌子面空氣中氧氣含量滿足作業人員用氧需求; 3)綜合供氧[88],即采用隧道掌子面彌散供氧和氧吧供氧相結合的方式解決高海拔地區隧道施工的缺氧問題。目前隧道供氧技術已基本形成體系,可針對不同缺氧情況選擇相應的供氧措施,但目前的供氧仍面臨成本較高、損耗較大的問題,未來隧道供氧技術應考慮向智能化、低成本方向發展。

圖9 彌散式供氧工作原理(根據參考文獻[95]繪制)

1.4 活動斷裂帶

在我國西部地區,西南部受印度板塊北東向俯沖擠入,北部受貝加爾裂谷帶張開影響,東部受到華北、華南塊體的阻擋,形成了復雜的地質條件,斷層活動頻繁[99]。西部地區絕大部分隧道均穿越活動斷裂帶,如獅子山隧洞(穿越程海—賓川活動斷裂)、天山勝利隧道(穿越博羅科努—阿其克庫都克活動斷裂)以及川藏鐵路沿線隧道(穿越龍門山、鮮水河、金沙江等活動斷裂)(見圖10)。如何確保活動斷裂錯動作用下襯砌結構和工程設施的安全、減小因斷層錯動造成的災害損失,是西部高烈度地震區域隧道建設面臨的重要問題。

圖10 川藏鐵路斷裂帶分布圖[100]

斷層按照錯動是否伴有破壞性地震,可分為蠕滑型斷層和黏滑型斷層。蠕滑型斷層的斷裂蠕變速率緩慢,在地貌上表現為山脊、水系、階地等產生位錯,不會產生破壞性地震;黏滑型斷層又稱活動斷裂的震害效應,當斷層的兩盤相互黏住使滑動受阻,錯動應力積累到大于或等于黏滯阻力時,斷層的兩盤發生突然性的相對錯動,伴隨有強烈的地震,對工程項目及人員安全有著十分不利的影響。2008年汶川大地震以及2010年玉樹地震都屬于活斷層黏滑錯動引起的構造地震[101-102]。

目前,常見的跨斷層隧道抗錯斷處理措施有結構加強設計、超挖設計、鉸接設計和隔離消能設計[103-104],其中超挖設計、鉸接設計和隔離消能設計屬于柔性抗錯斷設計方法。在此方面,朱正國等[105]通過地震動力仿真模擬方法研究注漿加固圈、減震層和超挖法3種措施對隧道結構的抗震作用,并總結適合于高烈度地震區的綜合抗震措施為采用全環間隔注漿加固方式,設置橫向減震層,并選用超挖法施工。Su等[106]首次嘗試將新型減震材料閉孔泡沫鋁應用于高速鐵路隧道減震層設計,并采用大型振動臺試驗測試減震層的阻尼效果。姬云平[107]研究了位于活動逆斷層錯動下的鉸鏈式襯砌隧道在地震荷載作用下不同圍巖加固方式和超挖設計結構的動力響應,得到不同工況下的位移、加速度時程對比。劉繼國等[108]對比分析隧道在超挖、鉸接和減震層組合設計工況下的縱向位移、襯砌斷面損傷和應力分布特征,獲得3種工況下斷層隧道的力學響應及破壞特征,發現抗錯斷措施可較好地降低斷層影響。

基于以上研究可知,目前我國對跨斷層隧道的破壞特征有一定的了解,并根據不同破壞特征嘗試通過柔性抗錯斷設計方法提高隧道抗錯斷能力,但仍缺乏針對影響程度的定量化研究,以及多種不利因素耦合作用下的隧道防護措施研究。未來需針對不同隧址、隧道條件,定量分析多因素耦合對跨斷層隧道的影響,進一步改進抗錯斷措施,以提高隧道建設的安全可靠性。

2 深水海域極端環境隧道建設面臨的主要問題及技術突破

海底隧道既不侵占航道,又不受暴雨、雷電、濃霧、臺風等自然條件的影響,是跨海交通的首選[109]。對于沿海城市,海底隧道作為連接隔海地區的交通網絡,不僅能夠有效解決城市、地區交通問題,也能有效促進經濟發展、社會文化交流及擴大城市規模[110]。水下隧道在過去的15年間發展十分迅速,特別是我國,目前水下隧道運營里程達391 km,共計124座,在建里程190 km,共計47座,具有代表性的有深中通道沉管隧道(見圖11[111])、蘇通GIL綜合管廊[112](見圖12[113])、膠州灣第二海底隧道[114]、甬舟鐵路金塘海底隧道[115]。

圖11 深中通道沉管隧道縱斷面布置圖[111](單位: m)

圖12 蘇通GIL綜合管廊隧道縱斷面[113](單位: m)

目前,我國海底隧道的施工工法有盾構法、沉管法、鉆爆法等。由于地質條件的多樣性,海底隧道施工往往需要根據不同情況選擇不同的施工方法,因此采用多工法聯合施工的方式可以更有效地適應海底隧道建設中遇到的各種復雜情況[116-117]。雖然海底隧道在高水壓、高烈度地震和強侵蝕環境等因素的影響下面臨著諸多挑戰,但近年來不少專家學者在相應領域取得了一定的技術突破[118]。下文主要介紹極端環境下盾構法和沉管法施工面臨的主要問題及技術發展。

2.1 高水壓

隨著跨海隧道工程量的增加,海底隧道面臨的高水壓問題備受重視。袁大軍等[119]以0.5 MPa作為高水壓分界線,以2.0 MPa作為超高水壓分界線。在高水壓環境下,海底隧道施工容易引發滲漏和坍塌,造成施工安全事故和破壞周圍環境,甚至為運營帶來安全隱患[120]。國內外典型大直徑高水壓隧道工程如表1所示。

表1 國內外典型大直徑高水壓隧道工程

為深入了解高水壓條件下隧道的破壞機制,Li等[125]通過建立三維滲流分析模型,研究隧道施工過程中變形和水壓變化的相互關系,對隧道突水破壞過程進行分析,為海底隧道突水防控和災害預警提供參考。袁大軍及其團隊[126-127]針對超高水壓下的滲流效應,提出了考慮滲流的開挖面主動失穩理論計算模型,同時結合數值模擬結果確定了泥水盾構支護壓力的取值范圍,為實際工程泥漿支護壓力的設定提供指導。沈翔等[128]建立了高水壓泥水盾構試驗平臺,研究了開挖過程中盾構姿態的動態變化規律,為高水壓下盾構姿態調整提供參考。Cheng等[129]考慮圍巖流固耦合效應對開挖面穩定性的影響,研究了不同水位、埋深、直徑、土體滲流系數情況下,開挖面失穩時的破壞模式、變形特征及流固耦合效應。Ma等[130]通過建立高水壓下隧道滲流模型,推導出襯砌水壓的一般計算公式,為后續襯砌力學分析提供參考。何川及其團隊[131-132]研究了高水壓和變水壓條件下的管片襯砌結構力學變化規律,并對比襯砌結構在3種泄壓排水設計方案中的背后水壓力大小,以及盲管在不同泄壓值下的隧道涌水量,最終根據隧道最大設計排水量確定了高水壓下合理的涌水量“限排”設計方案,為海底隧道襯砌結構設計及修復提供理論基礎。

海底隧道管片在高水壓的影響下容易發生變形破壞,進而引發坍塌等一系列災害。對高水壓下管片力學性能及破壞特征進行分析研究,是避免管片結構破壞的重要方式[133]。封坤等[112]分析了高水壓條件下不同拼裝方法隧道管片結構的破壞特征與規律,發現通縫拼裝結構中接頭失去承載力是管片結構破壞的主要原因,而錯縫拼裝結構可充分發揮管片和接頭的承載力,破壞時2部分幾乎同時屈服。周元輔等[134]研究了不同防滲等級的單層與雙層初期支護、不同注漿范圍及不同二次襯砌厚度對圍巖變形的影響和對支護結構力學狀態的影響。彭科峰等[135]探究高水壓條件下不同封頂塊位置與錯縫角度對管片力學性能的影響,發現隨著錯縫角度的增加,管片最大軸力、最大彎矩與最大位移以標準塊圓心角度數為周期呈現周期性變化。

以往的隧道外水壓力普遍較低,所以盾構隧道設計都采用二級防水標準,且大多不設置外防水涂層、二次襯砌等其他附加防水措施,但是隨著近年來海底隧道的發展,高水壓下隧道管片混凝土的自防水問題將逐漸突出[136]。肖明清及其團隊[137-138]對國內盾構隧道管片接縫防水體系進行了系統性分類,研究了影響雙道密封墊防水性能的因素,發現減小雙道密封墊錯位量且將防水性能更強的密封墊布置在外側可增強其防水性能。宋超業等[139]提出高水壓盾構襯砌結構可采用雙層復合式結構,接縫防水采用外側海綿橡膠+2道彈性密封墊+內側密封封堵的方式,可保障超高水壓條件下盾構管片結構的安全服役。金躍郎等[140]對雙道密封墊的接縫防水形式進行試驗,發現彈性密封墊的防水能力與硬度有關,硬度越高防水性能越好,同時對盾構裝配力的要求也越高。

對于高水壓下的沉管隧道而言,管節間的差異沉降和力矩的不均勻傳遞是造成漏水、破壞的關鍵因素。孫健等[141]以港珠澳大橋沉管隧道為分析對象,研究了高水壓下大型沉管隧道的水力壓接工藝,并總結了一套完整的控制方法,可為后續管節對接優化研究提供一定參考。魏綱等[142]可通過對沉管隧道沉放對接階段進行結構縱向受力分析,發現改進的半柔半剛性接頭可以實現彎矩的傳遞并約束兩端豎向位移差,從而避免因其中一側彎矩過大而導致管節破壞。

高水壓環境是大部分海底隧道面臨的重要挑戰之一。專家學者們通過建立模型和搭建試驗平臺,對高水壓條件下隧道破壞機制和變形特征進行研究,并取得了一定的技術突破,提出了相應的設計和施工方法。但在管片襯砌的防水滲漏、沉管隧道的水力壓接過程控制等問題上,仍需進行更為深入細致的研究。

2.2 高烈度地震

我國沿海地區處于環太平洋地震帶上,地震災害頻發,對海底隧道造成巨大的威脅,因此研究海底隧道抗震具有重要的現實意義[143]。目前,盾構法和沉管法是修建跨江穿海隧道應用最廣泛的方法。

盾構隧道的抗震分析方法主要分為原型觀測、模型試驗和理論分析,目前大多采用理論分析方法,專家學者提出了多種適用于海底盾構隧道的計算分析方法及理論[144-145]。

海底盾構隧道長期處于高水壓、強侵蝕等環境條件下,因此需考慮多因素耦合下的動力響應分析。Cheng等[146-147]研究了在地震和滲漏的共同作用下海底隧道的地震響應分析,以及滲流和溫度耦合作用下海底隧道的抗震穩定性,為海底隧道的合理設計提供理論依據。陳煒昀等[148]考慮海水與海床間的耦合效應,研究在不同的地震動輸入方向、上覆水深等條件下海底盾構隧道的地震響應規律。

根據盾構隧道的地震響應特征,其消能減震措施主要有以下3種[149-151]。1)通過改變隧道本身的動力特性,如剛度、質量、阻尼等,來減小隧道襯砌的內力,進而減小地震響應; 2)設置減震層,利用減震層的緩沖和耗能作用減小襯砌結構與圍巖之間的相對位移;3)采用注漿的方式加固圍巖,提高圍巖強度,從而增強其抵抗變形的能力。程選生等[152]研究了不同海水深度、覆巖厚度和滲透系數下,在雙層襯砌間設置泡沫混凝土減震層對海底盾構隧道的地震動穩定安全系數的影響。張穎等[153]開發了一種新型柔性減震節點,研究其對高烈度區海底盾構隧道縱向地震反應方面的減震機制及有效性。

海底沉管隧道的抗震研究方法有2種。1)相互作用法[154],以求解結構運動方程為基礎,周圍地基介質阻尼的作用則通過相互作用力進行反應; 2)波動法[155],以求解其波動場與應力場。海底沉管隧道受到的地震作用影響由多因素疊加而成。石淑慧等[156]基于飽和黏彈性人工邊界理論,將地震動輸入轉化為等效節點力來實現三向地震波的輸入,考慮地震動作用下海水產生的動水壓力影響,進而對比沉管隧道在海底和陸地地震動作用下的動力響應。白笑笑等[157]研究了波浪與地震聯合作用下砂質海床與隧道之間的動力相互作用特性,發現波浪荷載對沉管隧道周圍海床地震殘余超孔壓的增長和漸進液化有加速作用。

沉管隧道的管片及接頭均要保證在地震荷載作用下的穩定性及安全性,不少學者運用有限元分析方法分析了沉管隧道管片及接頭處的地震響應并研究其減震措施。禹海濤等[158-159]提出了一種同時表征沉管隧道宏觀整體響應和細觀接頭構造的多尺度分析方法,研究了沉管隧道管節受力、接頭變形等地震響應特性規律,還設計了可用于沉管隧道管節接頭的減震耗能裝置,并通過接頭有無減震耗能裝置的大比尺對比試驗,檢驗了該裝置的可行性。

海底地質條件惡劣,隧道受力情況復雜,國內外專家學者建立了諸如流固耦合模型、海水-海床-隧道動力相互作用模型等,進行多因素耦合下的動力響應分析,揭示了施工過程中洞壁壓力和圍巖位移場的變化規律,并提出了新型柔性抗震措施。但目前針對海底盾構隧道穿越斷層破碎帶開挖面失穩破壞的研究較少,并且對于沉管隧道接頭和管片抗震措施與響應的研究尚未形成一套完整的理論體系。

2.3 強侵蝕環境

海底盾構隧道地質條件復雜,由于斷層破碎帶、風化深槽的存在,海水極易沿著這些薄弱地帶滲漏進入海底地層,多種腐蝕性離子在高水壓的驅動下滲入管片,穿越混凝土保護層后銹蝕鋼筋,破壞隧道襯砌結構[109, 160],其作用機制如圖13所示。海底隧道對結構的耐久性要求高,設計使用年限一般為100年或以上,但在腐蝕性離子的侵蝕破壞下,部分結構在20年間就發生鋼筋銹蝕的現象,甚至有的結構在建成后5年內就出現損壞,因此海底隧道的防腐蝕問題成為國內外專家研究的重點與難點。

圖13 水域環境下侵蝕作用機制(根據參考文獻[109]繪制)

為探究不同情況下氯離子侵蝕海底盾構隧道結構的影響,對不同環境因素及施工方式下的混凝土侵蝕劣化及鋼筋銹蝕進行研究,并基于多重影響因素對海底隧道開展耐久性壽命預測。張治國等[161]研究淺水區海底隧道在海洋波浪力作用下襯砌結構的腐蝕變化特征,發現隨著波浪周期增加,襯砌內部氯離子侵蝕入滲的最大深度明顯增大。周宇等[162]探究了噴射混凝土中氯離子擴散性能的影響,發現噴射混凝土內部氯離子質量分數峰值約為普通混凝土的2.51倍,試驗發現加入鋼纖維可提高噴射混凝土的抗滲性。Feng等[163]、劉四進等[164]研究了海水壓力與氯離子質量分數對管片及接頭侵蝕劣化及鋼筋銹蝕的影響,發現外水壓增大會加快海水對管片的侵蝕。Gao等[165]考慮不同侵蝕影響因素建立氯離子擴散模型,提出了一種基于遺傳編程的海底隧道結構使用壽命預測方法。Guo等[166]研究了氯離子和碳化作用對海底隧道混凝土管片強度損失和鋼筋腐蝕的影響。王明年等[167]研究了海底隧道初期支護中工字鋼在不同混凝土保護層厚度下銹脹力與銹蝕率的關系,發現隨著銹蝕率與保護層厚度的增加,銹脹力也隨之增大。

針對海底盾構隧道滲水及氯離子侵蝕等問題,不少專家學者進行了一系列的防護措施研究。王學斌[168]結合廈門翔安隧道研究了不同摻合料配比對二次襯砌混凝土抗腐蝕性的影響,通過分析強度腐蝕系數、氯離子滲透量、鋼筋失重率等指標,最終采用共摻組(水膠比0.36,摻15%粉煤灰+60%礦渣粉)配合比進行施工。焦雷[160]通過水泥基材料加固圍巖以延緩海水向支護結構的滲漏,通過調節減水劑、速凝劑和高分子聚合物的摻量,對比分析了不同配合比下注漿材料的耐腐蝕性。Yang等[169]嘗試將分布式光纖傳感器與信息融合技術相結合,研究出隧道損傷識別的新方法,該方法能較為精確地識別海底隧道管片外壁的損傷部位。

對于沉管隧道的抗侵蝕性能研究主要集中在結構表層、結構鋼筋及管節接縫處。曹健等[170]研究了流動海水下沉管隧道鋼殼外壁在進行涂層及陰極保護后的抗腐蝕性能,并得出相應的鋼板腐蝕率計算公式,試驗結果及公式計算結果均表明有涂層、有陰極保護的鋼板防腐蝕效果更優。Yan等[171]研究了海底沉管隧道鋼筋的腐蝕過程,發現海水側鋼筋的銹蝕程度大于空腔側,對海水側的鋼筋采用陰極保護或表面涂環氧樹脂均可增強其抗侵蝕性能。

綜上所述,海底隧道抗侵蝕研究較為完善,國內外研究人員對氯離子侵蝕混凝土和鋼筋銹蝕進行了大量的研究,考慮了海水壓力、海洋波浪力以及碳化作用等多因素作用對氯離子擴散系數的影響,提出了相應的氯離子擴散模型。但目前氯離子在混凝土多尺度結構中的傳輸機制并不完全明確,且忽略了銹蝕壓力對氯離子擴散過程的影響。除此之外,由于混凝土水化熱的原因,沉管隧道管節制作過程中易產生溫度裂縫,大大削弱了沉管隧道的抗侵蝕能力與耐久性,故需研究針對溫度裂縫的防護措施。

3 城市敏感區極端環境隧道建設面臨的主要問題及技術突破

隨著我國城市化進程的不斷加快,城市隧道迎來建設高峰,隨著市政公路、地鐵隧道、城市生命線工程建設規模的增大,穿越極端敏感區、超大斷面等多元化的要求和條件極大地促進了我國隧道技術的進步。上海、南京等地的軟土地層,北京的砂卵石地層,深圳、廣州的上軟下硬地層,西安的黃土地層等極大地推動了淺埋暗挖法、盾構法、鉆爆法、沉管法等工法的技術優化。以京張高鐵清華園隧道(見圖14)、京張高鐵八達嶺長城站、港珠澳大橋珠海連線拱北隧道、長沙市觀音巖隧道、大連灣海底隧道、鄭州下穿中州大道下立交工程等為代表的隧道工程,是城市隧道建造技術飛速發展的體現。

圖14 清華園隧道俯視圖[172]

城市隧道建設發展過程中,出現了一批面臨以極小凈距穿越建構筑物、極端敏感區、復雜建構筑物群等極端條件的隧道工程。在鄰近或穿越建構筑物群時,若沉降或振動等超過規定的限值將會引起路面坍塌,鄰近建筑物破壞,危害群眾身心健康,造成經濟損失和人員傷亡的嚴重后果,如圖15所示。因此,極端條件下工程如何實現安全、高效、綠色、環境擾動小,成為城市隧道建設面臨的嚴峻挑戰。國內外的學者專家針對地層變形、施工對周圍建構筑物的影響、變形控制措施、建構筑物安全評價標準進行了大量研究并獲得了豐碩的成果。本章將城市隧道面臨的極端環境分為穿越地上、地下建構筑物群,直接穿越地中障礙物3類,綜述城市隧道建設面臨的挑戰以及技術突破。

圖15 盾構下穿既有建筑物引發災害

3.1 穿越地上建(構)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,如淺埋暗挖隧道施工造成的沉降主要為開挖沉降、固結沉降與次固結沉降,盾構隧道施工對地層沉降的影響則來源于地層損失、應力狀態的改變、管片結構變形以及土體固結[173]。目前,用于分析隧道施工引起地層沉降的方法可分為: 經驗公式法、理論解析法、現場實測法、數值模擬法以及模型試驗法。其中,最具代表性的是以Peck公式及其擴展形式為主的經驗公式法以及劉寶琛院士建立的隨機介質理論,此外其他學者也基于此進行了大量研究。

歐陽文彪等[174]基于淺埋圓洞位移及應力分布規律的近似解析解與等效剛度原理,給出了考慮建筑物剛度時單線及雙線盾構隧道穿越建筑物引起的地表沉降計算公式。謝雄耀等[175]提出了“微沉降”施工控制技術,開發了壁后注漿雷達實時檢測系統與自動化監測預警平臺,可在地表沉降發生之前及時注漿填充地層損失的空隙,防止地表沉降,彌補傳統方法沉降處置滯后的不足。江英超等[176]采用離散元模型,依托成都地鐵1號線從細觀角度研究了砂卵石地層滯后沉降的發展過程。Wang等[177]結合理論分析與數值模擬,對哥本哈根雙盾構掘進誘發的地面沉降進行了預測。Liu等[178]提出了一種預測雙隧道下穿既有隧道導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漢市雙隧道開挖的現場數據對模型進行校準,通過長沙地鐵2號線工程實際案例的現場實測結果驗證了所提理論的正確性。文獻[180]研究了雙層隧道施工順序對單樁沉降的影響。

頂管法方面,陳湘生及其團隊[181-182]研究了超大斷面雙洞密貼矩形頂管下穿大型箱涵的建造方案。蘇棟等[183]研究了超大斷面矩形頂管頂進對上方既有箱涵的影響規律,結果表明頂管下穿時,箱涵的不均勻沉降量急劇增大,背土效應使得箱涵的最大水平位移大于最大豎向位移。許有俊等[184]提出了符合實際工況的S形空間曲線段頂管施工引起地層擾動的計算方法。應宏偉等[185]研究了雙線頂管從上方穿越既有隧道的地層沉降規律,研究發現單線頂管橫向地表沉降曲線呈“V”形,雙線頂管橫向地表沉降為不對稱“W”形。

3.1.2 隧道施工引起的建筑物結構響應

極小凈距下隧道施工會對周圍地層造成擾動,若地層沉降、施工振動、爆破振動等超過限值會導致地表建筑物發生變形乃至結構破壞,因此必須對敏感建筑物的隧道施工響應進行研究。

學者通過理論分析、數值模擬、模型試驗與現場實測對隧道施工影響下建筑物的力學響應與變形、爆破振動以及施工振動進行了大量的研究。丁智等[186]研究了盾構施工對不同基礎建筑物的影響,結果表明: 在鄰近建筑物的盾構隧道施工中,襯砌要承受更大的內力。對于隧道鄰近淺基礎建筑物的工況,隧道開挖對建筑物的影響比較大;但對于樁基礎建筑物,鄰近基礎一側隧道開挖引起的建筑物內力變化相對較小。馮國輝等[187]研究了隧道開挖對鄰近群樁的變形影響,結果表明鄰近群樁水平位移及內力受地層損失率、埋深、樁隧間距的影響。丁祖德等[188]通過數值模擬法研究了隧道穿越角度對建筑物變形的影響,研究表明隨著穿越角度的減小,建筑物傾斜和扭曲變形增加明顯,而對建筑物內力影響較小。孫杰等[189]研究了空間屬性對建筑物應力應變狀態的影響,得出結論隧道下穿不規則建筑物時對建筑物轉角處以及在大尺寸建筑物附近的小型建筑物影響較大。

對于爆破振動方面,李立功等[190]研究了水壓爆破振動對建筑物的影響,結果表明振動振速垂向最大、徑向次之、切向最小。楊慶等[191]研究設計了合理的爆破開挖方案、確定爆破參數,在確保地面建筑物安全的前提下快速、高效地施工。楊釗[192]研究了施工爆破對地表建筑的影響規律以及對人群的影響,結果表明城市隧道施工的爆破振速宜小于1.11 cm/s。張慶松等[193]研究了小間距隧道中隔墻及爆破掌子面的震動特性及變化規律。李術才等[194]通過數值模擬法揭示在建隧道爆破施工對既有隧道變形及內力變化影響規律。這些研究成果對特殊條件下的爆破下穿設計與施工具有參考價值。

針對施工振動方面,主要以盾構法為主。對于盾構隧道施工振動響應及振動控制的研究較少,如今僅處于起步階段[195]。關于盾構施工振動的振源識別方面,本文對部分學者的工作進行了總結[196-197]。盾構施工振動主要來源于刀盤掘進振動、隧道內的運輸車輛以及盾構內部設備。針對盾構施工振動對上方建筑物的影響方面,郭飛等[198]依托蘭州某砂卵石地層盾構工程,研究了盾構施工誘發地表50 m×50 m范圍內的時域、頻域傳播規律,研究發現振動并非單調衰減,存在反彈現象,同時需要對盾構誘發環境振動的評價中考慮三向振動的影響;王鑫等[199]依托北京地鐵8號線盾構下穿中心城區古舊平房群工程,研究了時域與頻域響應規律,并提出了考慮振動距離與阻尼衰減的盾構施工引起環境振動實用計算方法。在振動控制方面,戴亞軍[200]通過長沙地鐵6號線盾構側穿博物館工程進行了工程實踐,結果表明要控制振動,需要: 1)適當減小盾構總推力與刀盤轉矩; 2)控制盾構掘進速度,保證勻速、連續掘進; 3)改良渣土。同時要保證在博物館重點區域進行實時振動監測。

綜合而言,目前在城區隧道施工對建筑物影響方面的研究已較為系統,對建筑物沉降及結構變形規律等有較清晰的認識,為隧道建設提供了指導。但極小凈距施工下的建筑物振動響應研究仍在起步階段,未來需通過模型試驗深入研究施工振動機制與環境振動響應規律。

3.2 穿越地下建(構)筑物群

3.2.1 穿越既有隧道

新建隧道施工時會導致地層以及既有隧道的變形和產生附加受力。目前,針對穿越既有隧道方面的研究按研究方法不同可分為理論研究、數值模擬、模型試驗和現場監測4種。新建隧道穿越既有隧道按不同相對位置可分為正交穿越、斜交穿越、重疊施工以及水平施工[201]。雙線盾構隧道下穿既有隧道如圖16所示。

圖16 雙線盾構隧道下穿既有隧道

在新建隧道下穿既有隧道方面,何川及其團隊[202-205]通過室內模型試驗、三維有限元模擬法研究了圍巖條件、隧道凈距、推力、推進速度對既有隧道的沉降、應力、應變的影響,為類似工程的施工提供參考。孫鈞等[206]采用數值模擬法,研究了隧道重疊施工下,既有隧道土層位移以及地表沉降曲面在盾構推進中的發展變化。張頂立及其團隊[207-209]針對淺埋暗挖施工法,從理論計算、數據統計、施工方案方面研究了隧道施工對既有隧道、地層沉降的影響。Fang等[210]依托京張高鐵清華園隧道下穿北京地鐵10號線工程,建立了地層、既有結構變形與盾構掘進參數的關系,結果表明地層沉降槽寬度受隧道埋深、地層加固措施以及盾構尾部注漿的綜合影響。范文昊等[211]依托成都地鐵30號線下穿既有成自高鐵錦繡隧道工程,研究了既有隧道的影響分區,并對不同分區提出了針對性控制措施。崔光耀等[212]采用數值模擬法,以軟弱地層中超大矩形頂管盾構隧道近接下穿既有高速鐵路為背景,研究了超前注漿、人工挖孔樁和D型鋼便梁加固地層對軌道沉降的影響。胡秋斌[213]依托北京地鐵19號線盾構區間近距離下穿既有地鐵1號線暗挖大斷面隧道工程,使用數值模擬法研究了新建隧道自身變形以及既有暗挖隧道的受力變形狀態,同時分析了注漿加固、管棚加固、綜合加固對變形控制的效果。江杰等[214]研究了新建曲線盾構下穿施工引起的既有隧道沉降規律,研究表明新建曲線地鐵盾構隧道下穿施工引起的既有隧道沉降槽曲線具有非對稱性。張林[215]通過現場監測和數值模擬,研究了盾構隧道近距離下穿工況下的矩形頂管隧道縱向變形規律。

針對其他方式穿越既有隧道,劉亮等[216]通過數值模擬,研究了正交、平行上穿盾構隧道施工的工況,結果表明上方新建隧道掘進會引起下方既有隧道上浮,凈距越小影響越大。王有成等[217]采用數值模擬法,研究了先下后上夾穿、下穿和上穿3種形式穿越既有隧道的施工過程,結果表明隧道圓形斷面出現變形與扭轉,同時研究了不同穿越方式的控制重點。張孟喜等[218]依托佛莞城際鐵路盾構隧道在全風化花崗巖地層中上穿廣州地鐵7號線工程,研究了雙線盾構隧道上穿雙線既有隧道的注漿壓力合理取值與既有隧道變形問題。

3.2.2 穿越其他地下建(構)筑物

除穿越隧道外,仍有部分城市隧道需穿越基坑、地下連續墻等,部分學者亦對此進行了研究。戴軒等[219]使用數值模擬法研究了盾構法修建隧道對上方在建基坑的影響,研究表明盾構隧道下穿基坑將引發圍護結構頂部產生差異沉降;基坑內已施工完成的結構和水平支撐將發生“兩邊沉降大,中間沉降小”的上凸型變形。曾英俊等[220]研究了上海地鐵10號線雙線盾構穿越深基坑底部工程,隧道與基坑地下連續墻凈距為2 m,研究結果表明,隨著地下連續墻底與隧道底部的夾角不斷變大,地下連續墻沉降量逐漸增大,底板對沉降控制效果顯著。芮瑞等[221]通過活動門模型試驗探討了盾構隧道穿越鄰近地下擋土結構時對擋土結構土壓力和地表沉降的影響,結果表明盾構穿越鄰近地下擋土結構時,擋土墻底部土壓力急劇減小,一定高度處土壓力出現反轉。

現有針對隧道穿越地下建構筑物的研究成果十分豐碩,學者們針對淺埋暗挖法、盾構法、頂管法等穿越地下結構進行了大量的研究,其中盾構法已然成為其中的主要工法。但現有關于異型盾構、雙圓盾構穿越建構筑物的研究仍較少,關于隧道穿越在建基坑等特殊工程的研究仍在起步階段,隨著城市地下空間的開發,過去少見的極特殊工程必然會大量出現,因此,需深入研究該類較特殊的工程。

3.3 直接穿越地中障礙物

在城市隧道大力發展的情況下,不可避免地需要穿越地中障礙物,其中以穿越建(構)筑物樁基為主,例如: 2008年上海軌道交通10號線下穿沙涇港橋,直徑6.34 m的土壓平衡盾構磨削約33根樁基;2013年蘇州軌道交通2號線下穿廣濟橋,直徑6.34 m土壓平衡盾構磨削約14根大直徑橋樁;2019年南京地鐵5號線下穿夫子廟過街通道,直徑6.2 m盾構磨削鋼筋混凝土方樁;2022年穗莞深城際軌道交通下穿地下車道,直徑9.14 m土壓平衡盾構磨削約88根樁基;2023年廣州海珠灣隧道下穿中核商務大廈,直徑15.07 m泥水平衡盾構磨削67根樁基。盾構磨樁工程正朝著盾構直徑越來越大、磨樁數量越來越多的方向發展。此外,還有穿越基坑錨索[222]等工況。拔除侵入隧道樁基的傳統措施[223]有樁基托換、人工挖孔除樁、拔樁、沖樁等。雖然傳統的樁基拔除法設計相對簡易、施工相對成熟安全,但存在成本較高、工期較長等缺點,且施工期間需封閉現場,阻礙附近公共交通。基于上述工法的不足,近年來盾構直接切削樁基[224]以相對高效、成本更低而越來越受重視,如圖17所示。

圖17 盾構直接切削樁基

盾構直接切削樁基技術按是否知道樁基存在可分為主動切樁和被動切樁。切樁按工法可分為直接切削樁基以及進行樁基托換后再切削樁基。2011年,北京交通大學袁大軍及其團隊[225-227]開展了首次盾構直接切削樁基技術大型現場試驗,研究了掘進參數、刀盤配置、刀盤磨損等因素的影響,提出了超前貝殼刀的配置方案。此后,國內外有關盾構切削樁基技術的研究迅速發展。例如: 杜闖東等[228]依托以色列特拉維夫輕軌紅線項目,進行了刀盤切削樁基的模型試驗,研究表明存在最佳掘進參數;許華國等[229]基于模型試驗,研究了全刀盤滾刀與全刀盤撕裂刀的切削效果,結果表明全刀盤滾刀切削效果較好,同時提出了滾刀與撕裂刀高低組合配置方案;吳志峰等[230]提出“低推進速度,高轉速”的磨樁方式及刀盤轉速與推進速度的建議取值,并研究了滾刀與切刀的切樁效果與機制;劉浩等[231]采用離散元數值模擬,研究了刀具參數、試件強度、切削深度和切削速度對刀具受力的影響,并探討了刀具的磨損情況;莊欠偉等[232]研究了不同刀頭錐度與刀尖弧長的截齒刀具的切削效果。

盾構切削樁基的影響方面,Wang等[233]根據沈陽地鐵4號線研究了盾構切割17根鋼筋混凝土樁的施工細節,與正常開挖相比,切樁過程的前進速度較低,裝在最外側的刀具磨損量最大,同時發現旋噴樁加固地層對減少地層沉降的效果顯著;Liu等[234]通過離散元法,研究北京地鐵12號線切橋樁的過程,分析了土艙壓力與前進速度對盾構推力和轉矩的影響,結果表明土艙壓力穩定時,前進速度對刀盤轉矩影響較小,推進速度對樁底位移有顯著影響;張建華等[235]以杭州地鐵4號線盾構下穿電力隧道切削樁基工程項目為背景,研究了盾構切樁后的地表沉降,結果表明切樁期間地表的沉降量大且沉降速率快。

現如今盾構直接切樁技術已相對成熟,但針對盾構刀盤的刀具參數、布置方式、刀具破巖規律仍需進一步研究。隨著大模型、大數據的發展,利用機器學習等手段綜合大量的工程實例預測盾構切樁時的掘進參數設置也是今后的研究方向。同時,盾構切樁對地表沉降、建筑物、地層等的影響仍待綜合、全面地研究,甚至對于雙線盾構切樁工程而言,切樁對鄰近隧道的影響仍待深入分析。

3.4 地層變形控制措施與評估體系

眾多學者對地層沉降控制措施進行了研究。例如: 姚曉明等[236]、劉新軍等[237]發現加固夾層土可有效減小地層沉降;張頂立及其團隊在2008年起[238-241]研究了建筑物沉降的控制措施,結合實際工程分析了注漿抬升、水平長管棚支護技術等控制措施的控制效果,并初步建立了相應的建筑物變形控制標準;卓越等[242]研究了抬升注漿方案、材料、工藝、參數及機械設備配套方式;金大龍[243]基于深圳地鐵9號線下穿既有地鐵4號線工程,預先對既有隧道進行土層加固,在盾構穿越時對既有隧道洞內實施追蹤注漿以補償地層損失;陳仁朋等[244]發現MJS水平樁加固夾層土可有效減少盾構掘進對地表與上覆隧道的影響;溫森等[245]通過數值模擬,以沉降為指標,研究了加固體角度、加固體厚度、加固體長度對加固效果的影響,結果表明當加固新建隧道且加固范圍為270°、加固長度為10 m、加固厚度為2 m時,加固效果最好;Zheng等[246]基于實際工程與數值模擬的結果,研究了隧道與樁基在不同相對位置影響下的沉降模式;劉志濤等[247-248]依托合肥軌道交通1號線穿越磚混民房與合肥火車站工程,驗證了減少背后回填漿液初凝時間等措施對建筑物變形控制的有效性,提出了通過盾構姿態控制和同步注漿優化方法控制盾構露空長度以控制建筑物變形的措施;仇文革等[249]以成都地鐵5號線下穿寶成鐵路咽喉區為背景,比較了地層超前加固措施的效果,結果表明在穿越敏感區域時,使用高精度超長大管棚結合地層跟蹤注漿的工法對地層進行加固是合理且必要的;陳仁朋等[250-251]驗證了現有損傷評估方法的可靠性,建立了盾構隧道施工對鄰近建筑物影響的風險評估方法。

綜合而言,學者們基于實際工程,通過現場實測、數值模擬、理論計算對穿越既有地上、地下建(構)筑物的沉降進行了研究,研究集中于加固既有建(構)筑物、加固夾層土、加固新建隧道以及加固措施影響因素4個方面。除了施工方法的優化外,學者們初步建立了綜合土體性質、建筑物、隧道、掘進參數等因素的隧道下穿建筑物風險評估體系。

4 結語

我國在艱險山區、深水海域以及城市敏感區等復雜極端條件下已經修建了大量的隧道(洞)工程,發現并解決了一個又一個難題,實現了技術的突破與創新,積累了豐富的工程經驗。本文總結了艱險山區、深水海域和城市敏感區等極端環境下隧道建設所面臨的主要問題以及技術發展與突破。

1)總結了在極高地應力、高地溫、高海拔和活動斷裂帶4種極端環境下艱險山區隧道建設面臨的挑戰與突破,對不同極端環境隧道建設的破壞機制進行了全面剖析,并總結了相應的防護措施,為極端環境隧道建設提供更多的方案選擇,可為未來隧道建設提供一定的理論指導和實踐借鑒作用。

2)從高水壓、高烈度地震和強侵蝕環境3個角度進行探討,分別對深水海域的盾構隧道和沉管隧道進行深入的破壞機制分析,總結了各種影響因素下海底隧道管片及接頭的力學性能和防護措施等方面的研究成果,對海底隧道建設過程進行綜合考量,有利于提高隧道的可靠性和耐久性。

3)目前城市隧道建設以盾構法、頂管法為主,針對隧道在穿越地上、地下建(構)筑物時的沉降、變形控制措施已有大量的研究,但極小凈距下隧道施工的環境影響研究仍然欠缺,尤其是對極小凈距下盾構磨樁施工時的環境響應問題研究較少,缺乏清晰的認識,通過模型試驗、理論分析進一步揭示相關規律仍十分必要。

為響應“十四五”規劃及交通強國與生態強國等國家戰略,我國隧道建設必然會朝著更極端、更復雜的環境挺進,如何在極端環境下實現隧道工程安全、高效、綠色建設,仍然是我國隧道人需要克服的一大難題。而現有規范未針對極端環境進行細分,現有的理論及技術亦未針對極端環境進行深入、完整、系統地研究。未來,我國的隧道建設仍需結合重大工程開展系統性的研究工作,完善相關理論、技術與規范,以實現我國極端環境條件下隧道建設的可持續發展。