極端環(huán)境隧道建造面臨的主要問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)

陳湘生, 全昭熹, 陳一凡, 沈 翔, 蘇 棟, *

(1. 極端環(huán)境巖土和隧道工程智能建養(yǎng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(深圳大學(xué)), 廣東 深圳 518060;2. 濱海城市韌性基礎(chǔ)設(shè)施教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(深圳大學(xué)), 廣東 深圳 518060;3. 深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院, 廣東 深圳 518060)

0 引言

21世紀(jì)是隧道及地下空間大發(fā)展的世紀(jì),也是隧道及地下空間開(kāi)發(fā)利用的新世紀(jì)[1-3]?！笆濉焙汀笆晃濉逼陂g,我國(guó)隧道建設(shè)開(kāi)始蓬勃發(fā)展,重點(diǎn)是改善交通基礎(chǔ)設(shè)施,提高國(guó)家的基礎(chǔ)設(shè)施水平,期間建成了一批標(biāo)志性的特長(zhǎng)隧道工程,如滬蓉高速華鎣山隧道、二廣高速雁門(mén)關(guān)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(guó)隧道建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)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(biāo)志著我國(guó)隧道建設(shè)水平攀上了又一座高峰。

根據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2023年底,我國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到159 000 km,其中,投入運(yùn)營(yíng)的鐵路隧道達(dá)18 573座,總長(zhǎng)23 508 km;在建鐵路隧道2 668座,總長(zhǎng)7 110 km;規(guī)劃鐵路隧道5 460座,總長(zhǎng)13 313 km[4]。截至2023年底,我國(guó)10 km以上特長(zhǎng)公路隧道共計(jì)74座,其中,已建成運(yùn)營(yíng)的特長(zhǎng)公路隧道25座,正在建設(shè)的特長(zhǎng)公路隧道31座,規(guī)劃設(shè)計(jì)的特長(zhǎng)公路隧道18座[5]。截至2023年底,我國(guó)共有61個(gè)城市開(kāi)通城軌交通,運(yùn)營(yíng)總里程達(dá)11 034 km(若不含“智軌”系統(tǒng),則有54個(gè)城市,運(yùn)營(yíng)總里程10 866 km),其中,2023年新增開(kāi)通線路27條(段),新增運(yùn)營(yíng)里程約956 km[6]。目前,我國(guó)是世界上隧道建設(shè)規(guī)模最大、數(shù)量最多、發(fā)展最快的國(guó)家,已經(jīng)成為名副其實(shí)的隧道大國(guó),朝隧道強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)勢(shì)在必行。

進(jìn)入“十四五”,面向交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)、“一帶一路”倡議、國(guó)土空間擴(kuò)容等重大需求,我國(guó)隧道工程朝著更長(zhǎng)、更大的規(guī)模以及更深、更艱險(xiǎn)、更極端的環(huán)境進(jìn)發(fā),眾多穿越復(fù)雜山嶺、深水海域和城市敏感區(qū)域的超級(jí)隧道在建設(shè)過(guò)程中面臨著巨大挑戰(zhàn)[7-8]。在高海拔的山嶺地區(qū),由于受到復(fù)雜地質(zhì)條件、構(gòu)造應(yīng)力的影響,極易出現(xiàn)極高地應(yīng)力、高地溫、高海拔以及活動(dòng)斷裂帶等極端條件,給隧道建造帶來(lái)極大的挑戰(zhàn);在江河海灣,水底隧道建造面臨著高水壓、高烈度地震和強(qiáng)侵蝕環(huán)境等極端因素的考驗(yàn);而在城市敏感區(qū),穿越既有隧道、敏感建構(gòu)筑物,甚至地下障礙物,是隧道建設(shè)面臨的主要困難。

本文通過(guò)梳理近年來(lái)專(zhuān)家學(xué)者在極端環(huán)境隧道工程領(lǐng)域的研究成果,總結(jié)在艱險(xiǎn)山區(qū)、深水海域、城市敏感區(qū)3類(lèi)地區(qū)進(jìn)行隧道建設(shè)所面臨的關(guān)鍵難題和技術(shù)突破,為將來(lái)隧道工程向極端環(huán)境進(jìn)發(fā)提供參考。

1 艱險(xiǎn)山區(qū)極端環(huán)境隧道建設(shè)面臨的主要問(wèn)題及技術(shù)突破

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷向中西部地區(qū)深入,隧道建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)也逐漸從特殊復(fù)雜的環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)闃O端環(huán)境。隧道(洞)工程建設(shè)的規(guī)模更大、占比更高,如川藏鐵路(見(jiàn)圖1[9])、滇藏鐵路、渝昆高鐵的隧道(洞)長(zhǎng)度占比分別達(dá)到82%、74%和87%。西部山嶺地區(qū)由于本身地質(zhì)構(gòu)造、巖石特性等的影響,造成了極端地質(zhì)條件,如蘭渝鐵路木寨嶺隧道[10]、317國(guó)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(yīng)力、高地溫、高海拔、活動(dòng)斷裂帶等極端環(huán)境,在施工過(guò)程中均出現(xiàn)了不同成因、不同程度的圍巖大變形、二次襯砌開(kāi)裂以及掌子面失穩(wěn)破壞等情況。圖2示出了桑珠嶺隧道在施工過(guò)程中因巖爆破壞導(dǎo)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(shì)圖[9]

(a) 拱腳巖爆后空腔 (b) 邊墻片狀剝落

1.1 極高地應(yīng)力

根據(jù)GB/T 50218—2014《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[13]規(guī)定,巖石飽和抗壓強(qiáng)度Rc與地應(yīng)力最大值σmax的比值稱為強(qiáng)度應(yīng)力比,強(qiáng)度應(yīng)力比小于4表示該區(qū)域?qū)儆跇O高地應(yīng)力狀態(tài)。極高地應(yīng)力狀態(tài)易導(dǎo)致隧道施工過(guò)程中出現(xiàn)硬巖巖爆及軟巖大變形等地質(zhì)災(zāi)害。

1.1.1 巖爆

巖爆是在高地應(yīng)力狀態(tài)下,硬脆性圍巖因開(kāi)挖卸載導(dǎo)致巖體中聚積的彈性應(yīng)變能釋放而產(chǎn)生巖體爆裂、彈射的動(dòng)力現(xiàn)象[14],具有強(qiáng)烈的突發(fā)性、隨機(jī)性和危害性。研究表明,高地應(yīng)力是巖爆發(fā)生的必備因素之一。我國(guó)長(zhǎng)大巖爆隧道[15]大多位于川藏高原和秦巴山區(qū),隧道埋深均達(dá)700 m以上,巖層主要為閃長(zhǎng)巖等硬巖。巖爆可分為即時(shí)型巖爆、時(shí)滯型巖爆、間歇型巖爆,如圖3所示。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于隧道施工遭遇巖爆的研究主要圍繞巖爆機(jī)制及預(yù)測(cè)、巖爆控制措施等方面。

(a) 即時(shí)型巖爆 (b) 時(shí)滯型巖爆

與巖爆機(jī)制相關(guān)的分析理論包括能量理論、斷裂損傷理論以及失穩(wěn)理論。能量理論是指當(dāng)巖體破壞消耗的能量小于巖體釋放的能量則發(fā)生巖爆,該方法較好地解釋了巖爆過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,但無(wú)法對(duì)巖爆進(jìn)行定量的分析。顧金才等[17]認(rèn)為巖爆發(fā)生過(guò)程中,不僅有巖爆體原有積蓄的能量,還需要周?chē)鷰r體的能量補(bǔ)充。劉濱等[18]基于最小耗能原理,揭示了巖爆機(jī)制,提出了巖爆預(yù)測(cè)準(zhǔn)則與本構(gòu)方程。在斷裂損傷理論方面,馮夏庭等[19]發(fā)現(xiàn)了即時(shí)型巖爆中應(yīng)變型和應(yīng)變-結(jié)構(gòu)面滑移型 2 類(lèi)巖爆的孕育機(jī)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(jié)構(gòu)面發(fā)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(chǔ)的損傷演化方程。失穩(wěn)理論認(rèn)為巖爆是一種動(dòng)力失穩(wěn)過(guò)程,由于應(yīng)力集中導(dǎo)致部分應(yīng)變軟化巖石介質(zhì)與未應(yīng)變軟化巖石介質(zhì)處于非平衡狀態(tài),導(dǎo)致發(fā)生巖爆[21]。

巖爆預(yù)測(cè)方法根據(jù)其理論的不同可分為3類(lèi): 1)基于巖爆機(jī)制的巖爆判據(jù)方法,如陶振宇判據(jù)[22]、Hoek判據(jù)[22]、挪威Barton判據(jù)[23]、Russense判據(jù)[24]、二郎山公路隧道判據(jù)[25]等。何川及其團(tuán)隊(duì)[12, 26-30]結(jié)合不同判據(jù),綜合、深入地研究了高地溫下巖爆的特征、機(jī)制及影響因素。2)基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)方法,如微震法、聲發(fā)射法等。3)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的考慮巖爆影響因素判據(jù)法,其又可細(xì)分為2類(lèi): ①基于巖爆指標(biāo)判據(jù)的預(yù)測(cè)方法,如理想點(diǎn)模型[31]、物元可拓模型等; ②基于巖爆工程實(shí)例數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)方法,如支持向量機(jī)模型[32]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[33]等。隨著人工智能的發(fā)展,第3類(lèi)方法由于具有考慮問(wèn)題全面等優(yōu)點(diǎn),成為了目前研究的重點(diǎn)。根據(jù)工程實(shí)例來(lái)看,同一隧道的不同階段采取不同判據(jù)會(huì)使得預(yù)測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確。為保證預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性,可以同時(shí)采用多種預(yù)測(cè)方法進(jìn)行判定。

巖爆控制措施可分為3種: 1)改變圍巖力學(xué)性質(zhì)的鉆孔卸壓、超前地應(yīng)力釋放、圍巖散水軟化[34]等基于靜力學(xué)的巖爆防控技術(shù)。劉冬橋等[35]通過(guò)自主研發(fā)的應(yīng)變巖爆模擬系統(tǒng)模擬鉆孔條件下的巖爆現(xiàn)象,探究了鉆孔數(shù)量對(duì)應(yīng)變巖爆的影響,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨鉆孔數(shù)量增加,巖爆試樣的聲發(fā)射活躍程度下降,彈射碎屑的速度與動(dòng)能下降,并提出彈射碎屑的耗能系數(shù)。Han等[36]使用數(shù)值模擬研究了單孔卸壓爆破誘發(fā)巖石碎裂,并模擬了隧道開(kāi)挖時(shí)爆破誘發(fā)巖爆的過(guò)程,結(jié)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(duì)施工人員與設(shè)備安全威脅的支護(hù)措施。陶志剛等[37]提出了三維NPR高應(yīng)力補(bǔ)償支護(hù)體系,結(jié)果表明新支護(hù)體系試驗(yàn)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(duì)巖爆機(jī)制的進(jìn)一步研究而提出的動(dòng)態(tài)防控措施。馮夏庭等[16]針對(duì)巖爆的分類(lèi)、分級(jí)、特征、孕育過(guò)程及其機(jī)制進(jìn)行了大量的研究,提出了巖爆防治“三步走”理論和動(dòng)態(tài)調(diào)控方法。圖4示出某隧道遭遇巖爆并采取動(dòng)態(tài)調(diào)控方法后的防治效果。

(a) 巖爆孕育過(guò)程中微震事件數(shù)和微震釋放能隨時(shí)間演化規(guī)律

眾多深埋超高地應(yīng)力隧道的順利修建證明了我國(guó)在硬巖巖爆控制措施上取得的突破。眾多學(xué)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(jìn)展卻也帶來(lái)了如何選用判別式的困擾。未來(lái)可基于機(jī)器學(xué)習(xí)、大模型等手段將隧道施工過(guò)程中的巖爆判別數(shù)字化、智能化,建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)巖爆發(fā)生進(jìn)行跟蹤判別,提高判別效率和準(zhǔn)確率。此外,在靜態(tài)防控的基礎(chǔ)上發(fā)展了基于巖爆機(jī)制的動(dòng)態(tài)防控措施,為巖爆防控提供了更科學(xué)、高效的方法。

1.1.2 軟巖大變形

由于軟巖自身強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差,在高地應(yīng)力的作用下將產(chǎn)生具有累進(jìn)性和明顯時(shí)間效應(yīng)的塑性變形,開(kāi)挖會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生嚴(yán)重的收縮、變形,甚至出現(xiàn)一系列的圍巖變形侵限、拱頂坍塌、襯砌開(kāi)裂、支護(hù)體系扭曲失效和其他災(zāi)難[38-39](見(jiàn)圖5)。

(a) 支護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂 (b) 混凝土脫落

如圖6所示,軟巖大變形可根據(jù)構(gòu)造控制理念分為3類(lèi)[40-41]: 1)斷層型大變形,主要發(fā)生在區(qū)域斷層帶。黃解放等[42]對(duì)隧道穿越斷層破碎帶初期支護(hù)變形及二次襯砌受力進(jìn)行研究分析,提出了隧道初期支護(hù)變形分級(jí)預(yù)警方法。2)破裂型大變形,易發(fā)生在節(jié)理密集帶、褶皺核部及轉(zhuǎn)折端。鄧鵬海等[43]通過(guò)有限元-離散元耦合數(shù)值模擬方法研究不同強(qiáng)度應(yīng)力比下軟巖破裂碎脹大變形機(jī)制,提出了隧洞變形預(yù)測(cè)公式及大變形分級(jí)新方法。3)小夾角型大變形,主要發(fā)生在順層和緩傾巖層,特點(diǎn)是隧道軸線與巖層面小角度相交。潘文韜等[44]通過(guò)巖石力學(xué)試驗(yàn)及數(shù)值模擬,揭示了不同軟巖大變形等級(jí)下層理角度對(duì)層狀軟巖大變形隧道圍巖及支護(hù)體系受力變形的影響規(guī)律。

(a) 斷層型大變形

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道大變形的發(fā)生機(jī)制和變形控制方面進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐工作。謝金池等[45]通過(guò)數(shù)值模擬,提出適當(dāng)增大隧道高跨比可有效降低圍巖變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力,當(dāng)高跨比為1時(shí)效果最好。鐘友江等[46]研究了雙層初期支護(hù)中第2層鋼拱架的布置方式以及施作時(shí)機(jī),發(fā)現(xiàn)鋼拱架采用交錯(cuò)的布置方式并且在第1層支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞前施作,將更有利于初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和圍巖變形控制。

盡管我國(guó)在高地應(yīng)力軟巖大變形的機(jī)制和控制方面已有較多經(jīng)驗(yàn),但現(xiàn)有的圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與支護(hù)參數(shù)無(wú)法滿足極高地應(yīng)力條件下的安全施工要求。因此,完善極高地應(yīng)力下不同軟弱圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),并統(tǒng)一規(guī)范極高地應(yīng)力下隧道大變形控制技術(shù),是隧道建設(shè)在極高地應(yīng)力區(qū)面臨的主要難題。陳志敏等[47-49]對(duì)極高地應(yīng)力區(qū)軟弱圍巖穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行優(yōu)先級(jí)分析,提出了一種極高地應(yīng)力復(fù)雜軟巖隧道多因素耦合圍巖分級(jí)方法,并同時(shí)考慮時(shí)間和空間效應(yīng),對(duì)不同開(kāi)挖方法下隧道圍巖的變形規(guī)律進(jìn)行分析,此外還探究了極高地應(yīng)力區(qū)軟巖發(fā)生不對(duì)稱大變形的影響因素,并提出支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施,在層狀軟巖非對(duì)稱大變形中有較好的支護(hù)效果。

極高地應(yīng)力區(qū)隧道變形控制的施工理念是“先放后抗,抗放結(jié)合,錨固加強(qiáng)”[50],主要的變形控制措施有以下3種: 1)超前導(dǎo)洞法[51-52],即在隧道開(kāi)挖前先進(jìn)行小范圍的開(kāi)挖,以釋放圍巖應(yīng)力,減少圍巖變形和破壞; 2)設(shè)置多層支護(hù)體系[53-54],在不同的位置和階段采用不同類(lèi)型的支護(hù)結(jié)構(gòu),以充分利用圍巖的自承能力和開(kāi)挖面的空間約束作用; 3)加大支護(hù)剛度[55],包括增加錨桿長(zhǎng)度[56]、預(yù)應(yīng)力錨桿技術(shù)[57]、仰拱桁架加固等。此外,嚴(yán)格控制開(kāi)挖臺(tái)階長(zhǎng)度及高度、加快初期支護(hù)封閉成環(huán)、預(yù)留變形量等也是極高地應(yīng)力區(qū)控制變形的有效手段[46, 58-59]。

雖然目前在極高地應(yīng)力情況下的隧道軟巖圍巖分級(jí)方面取得了一定的突破,但未形成體系,仍有進(jìn)一步細(xì)化的必要。除此之外,對(duì)于極高地應(yīng)力下軟巖易產(chǎn)生不對(duì)稱大變形的問(wèn)題,目前尚未形成系統(tǒng)的解決方案,仍需深入研究,并提出針對(duì)不對(duì)稱大變形的支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施。

1.2 高地溫

根據(jù)相關(guān)的研究,圍巖溫度超過(guò)60 ℃的隧道被劃分為高地溫隧道[60]。高地溫環(huán)境會(huì)影響施工人員的安全與健康[61]、延長(zhǎng)施工進(jìn)度、加速襯砌開(kāi)裂、加劇圍巖變形及巖爆等,嚴(yán)重制約隧道的建設(shè)。國(guó)內(nèi)外已有眾多高地溫隧道工程建設(shè)的案例,例如: 我國(guó)拉林鐵路桑珠嶺隧道[62]最大埋深1 347 m,根據(jù)鉆孔資料顯示,隧道洞身巖體溫度54 ℃,超前探孔內(nèi)最高地溫達(dá)86.7 ℃,屬于極高巖溫;大瑞鐵路高黎貢山隧道[63]全長(zhǎng)34.538 km,采用TBM法和鉆爆法相結(jié)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(nèi)最高巖溫88.8 ℃,最高水溫達(dá)63.4 ℃,隧道所采取的降溫措施如圖7所示。這些隧道在建設(shè)過(guò)程中都出現(xiàn)了高溫高濕環(huán)境、圍巖變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)失效等災(zāi)害。因此,高地溫隧道方面的研究主要聚焦于隧道溫度場(chǎng)、降溫除濕技術(shù)及高地溫環(huán)境下的隧道結(jié)構(gòu)體系等。

(a) 通風(fēng)降溫

針對(duì)隧道溫度場(chǎng)的研究手段主要包括模型試驗(yàn)、理論研究和數(shù)值模擬。1)在模型試驗(yàn)方面,Ren等[65]基于相似理論,建立了簡(jiǎn)單的隧道模型試驗(yàn)裝置,模擬空氣通過(guò)隧道的換熱過(guò)程以探究影響隧道通風(fēng)換熱性能的主要因素。2)在理論研究方面,邵珠山等[66]針對(duì)高地溫環(huán)境中的圓形隧道,利用無(wú)量綱分化和微分方程級(jí)數(shù)求解得到包含溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的熱彈性理論解。3)在數(shù)值模擬方面,Wang等[67]采用有限差分法建立了溫度預(yù)測(cè)模型,研究了風(fēng)量、風(fēng)溫對(duì)溫度場(chǎng)的影響以及開(kāi)挖面的制冷需求;朱宇等[68]以海南五指山特長(zhǎng)公路隧道工程為背景,利用Fluent軟件模擬通風(fēng)和冰塊降溫下隧道溫度場(chǎng)的變化規(guī)律,分析了冰塊用量以及布置位置對(duì)溫度場(chǎng)的影響。理論研究以及數(shù)值分析都進(jìn)行了不同程度的簡(jiǎn)化,導(dǎo)致這2種方法相對(duì)模型試驗(yàn)而言可靠性較低,但目前高地溫隧道溫度場(chǎng)模型試驗(yàn)較少,缺乏系統(tǒng)性、綜合性的研究。

高地溫隧道的降溫除濕技術(shù)包括非人工制冷降溫技術(shù)與人工制冷降溫技術(shù)[69-70]。通風(fēng)降溫、噴霧灑水降溫、個(gè)體防護(hù)、圍巖隔熱、熱水封堵等非人工制冷降溫技術(shù)被廣泛用于隧道建設(shè)中,但對(duì)于更高溫的隧道,便需要采用人工制冷降溫技術(shù)。人工制冷降溫技術(shù)又可分為冰冷技術(shù)和水冷技術(shù)。王志杰等[64]通過(guò)能量平衡公式以及CFD軟件,設(shè)計(jì)了高地溫隧道分級(jí)降溫措施。閆沁太等[71]針對(duì)長(zhǎng)隧道送風(fēng)難的問(wèn)題,采用風(fēng)冷式冷水機(jī)組、表冷器和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)等設(shè)備作為輔助降溫措施,將施工區(qū)域局部空間的熱量送至非施工區(qū)域。蒲松等[72]將隧道熱害段根據(jù)溫度不同分為4個(gè)等級(jí),提出了適用于不同等級(jí)的隧道降溫綜合防治方案。學(xué)者們針對(duì)不同工法提出的系統(tǒng)性高地溫隧道降溫方案為實(shí)際工程提供了重要的技術(shù)支撐。

高地溫下隧道結(jié)構(gòu)體系的研究主要涉及支護(hù)材料、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性、支護(hù)結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)。隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)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(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)高溫對(duì)混凝土的損傷作用,戎虎仁等[73]開(kāi)展了20～800 ℃高溫環(huán)境下混凝土強(qiáng)度試驗(yàn),結(jié)果表明混凝土抗壓強(qiáng)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(xué)特性,結(jié)果表明高地?zé)岘h(huán)境導(dǎo)致外表面拱頂和內(nèi)表面?zhèn)缺诋a(chǎn)生顯著的拉應(yīng)力,說(shuō)明地?zé)岘h(huán)境增加了隧道襯砌拉伸開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。由于高地溫隧道的溫度場(chǎng)隨施工過(guò)程是不斷變化的,針對(duì)混凝土材料在凝結(jié)、硬化過(guò)程中溫度對(duì)其性能的影響,Tong等[75]研究了溫度對(duì)噴射混凝土抗碳化性能的影響,結(jié)果表明超過(guò)60 ℃混凝土抗碳化性能下降明顯。范利丹等[76]開(kāi)展了不同養(yǎng)護(hù)溫度下的噴射混凝土性能研究,結(jié)果表明: 25～40 ℃養(yǎng)護(hù)條件下,隨養(yǎng)護(hù)溫度升高,噴射混凝土性能提高;但在60 ℃養(yǎng)護(hù)條件下,混凝土抗壓強(qiáng)度下降。

在高地溫環(huán)境下,支護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力,從而影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性,我國(guó)學(xué)者對(duì)此進(jìn)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(yīng)力分布特征,當(dāng)對(duì)二次襯砌同時(shí)施加重力和溫度載荷后,仰拱承受的拉應(yīng)力顯著增大。王玉鎖等[79]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)測(cè)試了不同溫度條件下的隧道模型結(jié)構(gòu)受力特征,結(jié)果表明50 ℃以內(nèi),軸力與溫度呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。王明年等[80]、孫其清等[81]提出了基于巖溫的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系分級(jí)設(shè)計(jì)方法。

總體而言,目前在高地溫隧道的溫度場(chǎng)以及降溫措施方面的研究成果較多,但高地溫下的支護(hù)材料性能及支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。由于常溫下隧道襯砌的設(shè)計(jì)方法并不能滿足高地溫隧道的建設(shè)需求,亟需建立適用于高地溫隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范。

1.3 超高海拔

低溫和缺氧是高海拔隧道建設(shè)面臨的主要難題。由于國(guó)際通行海拔分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于相對(duì)封閉的隧道施工環(huán)境并不適用,且尚無(wú)高海拔隧道設(shè)計(jì)規(guī)范,隧道保溫與供氧分級(jí)設(shè)計(jì)缺乏理論依據(jù)。對(duì)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(jié)深度定義隧道海拔高度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(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(jù)不同海拔高度定義寒冷程度和缺氧等級(jí)。

1.3.1 低溫環(huán)境

隨著海拔高度的增加,環(huán)境溫度逐漸降低,加劇了隧道凍害的產(chǎn)生(見(jiàn)圖8[83]),因此對(duì)隧道進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)將有利于高海拔隧道選擇合適的保溫抗凍措施。Xing等構(gòu)建了高寒區(qū)隧道分布式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并將精度控制在±0.05 ℃,對(duì)寒區(qū)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(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)襯砌結(jié)構(gòu)凍脹應(yīng)變的方法,適用于高海拔隧道凍融循環(huán)和凍脹效應(yīng)的監(jiān)測(cè)。

(a) 隧道襯砌滲水 (b) 隧道襯砌結(jié)冰

受到低溫環(huán)境的影響,混凝土材料的養(yǎng)護(hù)、施工設(shè)備的正常運(yùn)行以及人員與運(yùn)輸車(chē)輛的安全都會(huì)面臨一系列的挑戰(zhàn)。針對(duì)低溫環(huán)境下混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢、抗凍耐久性差等問(wèn)題,可通過(guò)采取防寒或加熱設(shè)備來(lái)維持適宜溫度,通過(guò)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(shè)備的正常運(yùn)行,可通過(guò)安裝保溫套、使用防寒被等措施減少熱量的散失,此外在設(shè)備啟動(dòng)前進(jìn)行充分預(yù)熱,也有利于防止因油液黏度增加而導(dǎo)致的啟動(dòng)困難或損壞。為保障施工人員以及車(chē)輛的安全,應(yīng)對(duì)施工人員配備相應(yīng)的保暖裝備和防護(hù)措施,加強(qiáng)對(duì)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(jù)改善對(duì)象的不同可將防凍技術(shù)分為3類(lèi)[88]: 1)改善隧道溫度環(huán)境的防凍技術(shù),以保溫層防凍技術(shù)為主。吳劍等[89]、王仁遠(yuǎn)等[90]針對(duì)保溫層的長(zhǎng)度、厚度進(jìn)行了計(jì)算公式修正,并提出預(yù)測(cè)模型。王志杰等[91]針對(duì)保溫層敷設(shè)方式進(jìn)行了方案比選及參數(shù)優(yōu)化。2)改善隧道水環(huán)境的防凍技術(shù),主要措施包括設(shè)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(zhì)的防凍技術(shù),即通過(guò)對(duì)隧道周?chē)叵滤S富段進(jìn)行注漿處治,在加固圍巖的同時(shí)封堵地下水向隧道滲透的路徑,達(dá)到提高隧道襯砌結(jié)構(gòu)抗凍性能的目的[93]。由于隧道縱向溫度場(chǎng)的分布還受到隧址區(qū)地?zé)崽荻?、隧道曲直度等影?所以對(duì)于具體的隧道防凍設(shè)計(jì),需要綜合考慮多種因素進(jìn)行分析。

1.3.2 缺氧環(huán)境

高海拔地區(qū)氧氣濃度過(guò)低會(huì)威脅人體健康、影響機(jī)械高效作業(yè)[94],因此完善的施工供氧技術(shù)是保障施工人員安全、設(shè)備效率以及施工進(jìn)度的重要因素。目前常用的供氧方案主要有3種[95-98]: 1)個(gè)體攜氧供氧[95-96],其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單,氧氣利用率高,適用于短時(shí)間作業(yè)或緊急情況供氧; 2)彌散式供氧[97-98](見(jiàn)圖9),其利用洞口制氧設(shè)備生產(chǎn)氧氣后,采用專(zhuān)用輸氧管道向洞內(nèi)掌子面輸送氧氣,保障掌子面空氣中氧氣含量滿足作業(yè)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(jié)合的方式解決高海拔地區(qū)隧道施工的缺氧問(wèn)題。目前隧道供氧技術(shù)已基本形成體系,可針對(duì)不同缺氧情況選擇相應(yīng)的供氧措施,但目前的供氧仍面臨成本較高、損耗較大的問(wèn)題,未來(lái)隧道供氧技術(shù)應(yīng)考慮向智能化、低成本方向發(fā)展。

圖9 彌散式供氧工作原理(根據(jù)參考文獻(xiàn)[95]繪制)

1.4 活動(dòng)斷裂帶

在我國(guó)西部地區(qū),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(kāi)影響,東部受到華北、華南塊體的阻擋,形成了復(fù)雜的地質(zhì)條件,斷層活動(dòng)頻繁[99]。西部地區(qū)絕大部分隧道均穿越活動(dòng)斷裂帶,如獅子山隧洞(穿越程海—賓川活動(dòng)斷裂)、天山勝利隧道(穿越博羅科努—阿其克庫(kù)都克活動(dòng)斷裂)以及川藏鐵路沿線隧道(穿越龍門(mén)山、鮮水河、金沙江等活動(dòng)斷裂)(見(jiàn)圖10)。如何確?；顒?dòng)斷裂錯(cuò)動(dòng)作用下襯砌結(jié)構(gòu)和工程設(shè)施的安全、減小因斷層錯(cuò)動(dòng)造成的災(zāi)害損失,是西部高烈度地震區(qū)域隧道建設(shè)面臨的重要問(wèn)題。

圖10 川藏鐵路斷裂帶分布圖[100]

斷層按照錯(cuò)動(dòng)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(xiàn)為山脊、水系、階地等產(chǎn)生位錯(cuò),不會(huì)產(chǎn)生破壞性地震;黏滑型斷層又稱活動(dòng)斷裂的震害效應(yīng),當(dāng)斷層的兩盤(pán)相互黏住使滑動(dòng)受阻,錯(cuò)動(dòng)應(yīng)力積累到大于或等于黏滯阻力時(shí),斷層的兩盤(pán)發(fā)生突然性的相對(duì)錯(cuò)動(dòng),伴隨有強(qiáng)烈的地震,對(duì)工程項(xiàng)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(shù)地震都屬于活斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)引起的構(gòu)造地震[101-102]。

目前,常見(jiàn)的跨斷層隧道抗錯(cuò)斷處理措施有結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)、超挖設(shè)計(jì)、鉸接設(shè)計(jì)和隔離消能設(shè)計(jì)[103-104],其中超挖設(shè)計(jì)、鉸接設(shè)計(jì)和隔離消能設(shè)計(jì)屬于柔性抗錯(cuò)斷設(shè)計(jì)方法。在此方面,朱正國(guó)等[105]通過(guò)地震動(dòng)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(duì)隧道結(jié)構(gòu)的抗震作用,并總結(jié)適合于高烈度地震區(qū)的綜合抗震措施為采用全環(huán)間隔注漿加固方式,設(shè)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(yīng)用于高速鐵路隧道減震層設(shè)計(jì),并采用大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)測(cè)試減震層的阻尼效果。姬云平[107]研究了位于活動(dòng)逆斷層錯(cuò)動(dòng)下的鉸鏈?zhǔn)揭r砌隧道在地震荷載作用下不同圍巖加固方式和超挖設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng),得到不同工況下的位移、加速度時(shí)程對(duì)比。劉繼國(guó)等[108]對(duì)比分析隧道在超挖、鉸接和減震層組合設(shè)計(jì)工況下的縱向位移、襯砌斷面損傷和應(yīng)力分布特征,獲得3種工況下斷層隧道的力學(xué)響應(yīng)及破壞特征,發(fā)現(xiàn)抗錯(cuò)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(guó)對(duì)跨斷層隧道的破壞特征有一定的了解,并根據(jù)不同破壞特征嘗試通過(guò)柔性抗錯(cuò)斷設(shè)計(jì)方法提高隧道抗錯(cuò)斷能力,但仍缺乏針對(duì)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(hù)措施研究。未來(lái)需針對(duì)不同隧址、隧道條件,定量分析多因素耦合對(duì)跨斷層隧道的影響,進(jìn)一步改進(jìn)抗錯(cuò)斷措施,以提高隧道建設(shè)的安全可靠性。

2 深水海域極端環(huán)境隧道建設(shè)面臨的主要問(wèn)題及技術(shù)突破

海底隧道既不侵占航道,又不受暴雨、雷電、濃霧、臺(tái)風(fēng)等自然條件的影響,是跨海交通的首選[109]。對(duì)于沿海城市,海底隧道作為連接隔海地區(qū)的交通網(wǎng)絡(luò),不僅能夠有效解決城市、地區(qū)交通問(wèn)題,也能有效促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)文化交流及擴(kuò)大城市規(guī)模[110]。水下隧道在過(guò)去的15年間發(fā)展十分迅速,特別是我國(guó),目前水下隧道運(yùn)營(yíng)里程達(dá)391 km,共計(jì)124座,在建里程190 km,共計(jì)47座,具有代表性的有深中通道沉管隧道(見(jiàn)圖11[111])、蘇通GIL綜合管廊[112](見(jiàn)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(guó)海底隧道的施工工法有盾構(gòu)法、沉管法、鉆爆法等。由于地質(zhì)條件的多樣性,海底隧道施工往往需要根據(jù)不同情況選擇不同的施工方法,因此采用多工法聯(lián)合施工的方式可以更有效地適應(yīng)海底隧道建設(shè)中遇到的各種復(fù)雜情況[116-117]。雖然海底隧道在高水壓、高烈度地震和強(qiáng)侵蝕環(huán)境等因素的影響下面臨著諸多挑戰(zhàn),但近年來(lái)不少專(zhuān)家學(xué)者在相應(yīng)領(lǐng)域取得了一定的技術(shù)突破[118]。下文主要介紹極端環(huán)境下盾構(gòu)法和沉管法施工面臨的主要問(wèn)題及技術(shù)發(fā)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?jiǎn)栴}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(huán)境下,海底隧道施工容易引發(fā)滲漏和坍塌,造成施工安全事故和破壞周?chē)h(huán)境,甚至為運(yùn)營(yíng)帶來(lái)安全隱患[120]。國(guó)內(nèi)外典型大直徑高水壓隧道工程如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)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(jī)制,Li等[125]通過(guò)建立三維滲流分析模型,研究隧道施工過(guò)程中變形和水壓變化的相互關(guān)系,對(duì)隧道突水破壞過(guò)程進(jìn)行分析,為海底隧道突水防控和災(zāi)害預(yù)警提供參考。袁大軍及其團(tuán)隊(duì)[126-127]針對(duì)超高水壓下的滲流效應(yīng),提出了考慮滲流的開(kāi)挖面主動(dòng)失穩(wěn)理論計(jì)算模型,同時(shí)結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果確定了泥水盾構(gòu)支護(hù)壓力的取值范圍,為實(shí)際工程泥漿支護(hù)壓力的設(shè)定提供指導(dǎo)。沈翔等[128]建立了高水壓泥水盾構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái),研究了開(kāi)挖過(guò)程中盾構(gòu)姿態(tài)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,為高水壓下盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整提供參考。Cheng等[129]考慮圍巖流固耦合效應(yīng)對(duì)開(kāi)挖面穩(wěn)定性的影響,研究了不同水位、埋深、直徑、土體滲流系數(shù)情況下,開(kāi)挖面失穩(wěn)時(shí)的破壞模式、變形特征及流固耦合效應(yīng)。Ma等[130]通過(guò)建立高水壓下隧道滲流模型,推導(dǎo)出襯砌水壓的一般計(jì)算公式,為后續(xù)襯砌力學(xué)分析提供參考。何川及其團(tuán)隊(duì)[131-132]研究了高水壓和變水壓條件下的管片襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)變化規(guī)律,并對(duì)比襯砌結(jié)構(gòu)在3種泄壓排水設(shè)計(jì)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(jù)隧道最大設(shè)計(jì)排水量確定了高水壓下合理的涌水量“限排”設(shè)計(jì)方案,為海底隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及修復(fù)提供理論基礎(chǔ)。

海底隧道管片在高水壓的影響下容易發(fā)生變形破壞,進(jìn)而引發(fā)坍塌等一系列災(zāi)害。對(duì)高水壓下管片力學(xué)性能及破壞特征進(jìn)行分析研究,是避免管片結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的破壞特征與規(guī)律,發(fā)現(xiàn)通縫拼裝結(jié)構(gòu)中接頭失去承載力是管片結(jié)構(gòu)破壞的主要原因,而錯(cuò)縫拼裝結(jié)構(gòu)可充分發(fā)揮管片和接頭的承載力,破壞時(shí)2部分幾乎同時(shí)屈服。周元輔等[134]研究了不同防滲等級(jí)的單層與雙層初期支護(hù)、不同注漿范圍及不同二次襯砌厚度對(duì)圍巖變形的影響和對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)狀態(tài)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(cuò)縫角度對(duì)管片力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)隨著錯(cuò)縫角度的增加,管片最大軸力、最大彎矩與最大位移以標(biāo)準(zhǔn)塊圓心角度數(shù)為周期呈現(xiàn)周期性變化。

以往的隧道外水壓力普遍較低,所以盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)都采用二級(jí)防水標(biāo)準(zhǔn),且大多不設(shè)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(lái)海底隧道的發(fā)展,高水壓下隧道管片混凝土的自防水問(wèn)題將逐漸突出[136]。肖明清及其團(tuán)隊(duì)[137-138]對(duì)國(guó)內(nèi)盾構(gòu)隧道管片接縫防水體系進(jìn)行了系統(tǒng)性分類(lèi),研究了影響雙道密封墊防水性能的因素,發(fā)現(xiàn)減小雙道密封墊錯(cuò)位量且將防水性能更強(qiáng)的密封墊布置在外側(cè)可增強(qiáng)其防水性能。宋超業(yè)等[139]提出高水壓盾構(gòu)襯砌結(jié)構(gòu)可采用雙層復(fù)合式結(jié)構(gòu),接縫防水采用外側(cè)海綿橡膠+2道彈性密封墊+內(nèi)側(cè)密封封堵的方式,可保障超高水壓條件下盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)的安全服役。金躍郎等[140]對(duì)雙道密封墊的接縫防水形式進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)彈性密封墊的防水能力與硬度有關(guān),硬度越高防水性能越好,同時(shí)對(duì)盾構(gòu)裝配力的要求也越高。

對(duì)于高水壓下的沉管隧道而言,管節(jié)間的差異沉降和力矩的不均勻傳遞是造成漏水、破壞的關(guān)鍵因素。孫健等[141]以港珠澳大橋沉管隧道為分析對(duì)象,研究了高水壓下大型沉管隧道的水力壓接工藝,并總結(jié)了一套完整的控制方法,可為后續(xù)管節(jié)對(duì)接優(yōu)化研究提供一定參考。魏綱等[142]可通過(guò)對(duì)沉管隧道沉放對(duì)接階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)縱向受力分析,發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的半柔半剛性接頭可以實(shí)現(xiàn)彎矩的傳遞并約束兩端豎向位移差,從而避免因其中一側(cè)彎矩過(guò)大而導(dǎo)致管節(jié)破壞。

高水壓環(huán)境是大部分海底隧道面臨的重要挑戰(zhàn)之一。專(zhuān)家學(xué)者們通過(guò)建立模型和搭建試驗(yàn)平臺(tái),對(duì)高水壓條件下隧道破壞機(jī)制和變形特征進(jìn)行研究,并取得了一定的技術(shù)突破,提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)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(guò)程控制等問(wèn)題上,仍需進(jìn)行更為深入細(xì)致的研究。

2.2 高烈度地震

我國(guó)沿海地區(qū)處于環(huán)太平洋地震帶上,地震災(zāi)害頻發(fā),對(duì)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(xiàn)實(shí)意義[143]。目前,盾構(gòu)法和沉管法是修建跨江穿海隧道應(yīng)用最廣泛的方法。

盾構(gòu)隧道的抗震分析方法主要分為原型觀測(cè)、模型試驗(yàn)和理論分析,目前大多采用理論分析方法,專(zhuān)家學(xué)者提出了多種適用于海底盾構(gòu)隧道的計(jì)算分析方法及理論[144-145]。

海底盾構(gòu)隧道長(zhǎng)期處于高水壓、強(qiáng)侵蝕等環(huán)境條件下,因此需考慮多因素耦合下的動(dòng)力響應(yīng)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(yīng)分析,以及滲流和溫度耦合作用下海底隧道的抗震穩(wěn)定性,為海底隧道的合理設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。陳煒昀等[148]考慮海水與海床間的耦合效應(yīng),研究在不同的地震動(dòng)輸入方向、上覆水深等條件下海底盾構(gòu)隧道的地震響應(yīng)規(guī)律。

根據(jù)盾構(gòu)隧道的地震響應(yīng)特征,其消能減震措施主要有以下3種[149-151]。1)通過(guò)改變隧道本身的動(dòng)力特性,如剛度、質(zhì)量、阻尼等,來(lái)減小隧道襯砌的內(nèi)力,進(jìn)而減小地震響應(yīng); 2)設(shè)置減震層,利用減震層的緩沖和耗能作用減小襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖之間的相對(duì)位移;3)采用注漿的方式加固圍巖,提高圍巖強(qiáng)度,從而增強(qiáng)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(shù)下,在雙層襯砌間設(shè)置泡沫混凝土減震層對(duì)海底盾構(gòu)隧道的地震動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)的影響。張穎等[153]開(kāi)發(fā)了一種新型柔性減震節(jié)點(diǎn),研究其對(duì)高烈度區(qū)海底盾構(gòu)隧道縱向地震反應(yīng)方面的減震機(jī)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(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程為基礎(chǔ),周?chē)鼗橘|(zhì)阻尼的作用則通過(guò)相互作用力進(jìn)行反應(yīng); 2)波動(dòng)法[155],以求解其波動(dòng)場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)。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(dòng)輸入轉(zhuǎn)化為等效節(jié)點(diǎn)力來(lái)實(shí)現(xiàn)三向地震波的輸入,考慮地震動(dòng)作用下海水產(chǎn)生的動(dòng)水壓力影響,進(jìn)而對(duì)比沉管隧道在海底和陸地地震動(dòng)作用下的動(dòng)力響應(yīng)。白笑笑等[157]研究了波浪與地震聯(lián)合作用下砂質(zhì)海床與隧道之間的動(dòng)力相互作用特性,發(fā)現(xiàn)波浪荷載對(duì)沉管隧道周?chē)４驳卣饸堄喑讐旱脑鲩L(zhǎng)和漸進(jìn)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(wěn)定性及安全性,不少學(xué)者運(yùn)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(yīng)并研究其減震措施。禹海濤等[158-159]提出了一種同時(shí)表征沉管隧道宏觀整體響應(yīng)和細(xì)觀接頭構(gòu)造的多尺度分析方法,研究了沉管隧道管節(jié)受力、接頭變形等地震響應(yīng)特性規(guī)律,還設(shè)計(jì)了可用于沉管隧道管節(jié)接頭的減震耗能裝置,并通過(guò)接頭有無(wú)減震耗能裝置的大比尺對(duì)比試驗(yàn),檢驗(yàn)了該裝置的可行性。

海底地質(zhì)條件惡劣,隧道受力情況復(fù)雜,國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者建立了諸如流固耦合模型、海水-海床-隧道動(dòng)力相互作用模型等,進(jìn)行多因素耦合下的動(dòng)力響應(yīng)分析,揭示了施工過(guò)程中洞壁壓力和圍巖位移場(chǎng)的變化規(guī)律,并提出了新型柔性抗震措施。但目前針對(duì)海底盾構(gòu)隧道穿越斷層破碎帶開(kāi)挖面失穩(wěn)破壞的研究較少,并且對(duì)于沉管隧道接頭和管片抗震措施與響應(yīng)的研究尚未形成一套完整的理論體系。

2.3 強(qiáng)侵蝕環(huán)境

海底盾構(gòu)隧道地質(zhì)條件復(fù)雜,由于斷層破碎帶、風(fēng)化深槽的存在,海水極易沿著這些薄弱地帶滲漏進(jìn)入海底地層,多種腐蝕性離子在高水壓的驅(qū)動(dòng)下滲入管片,穿越混凝土保護(hù)層后銹蝕鋼筋,破壞隧道襯砌結(jié)構(gòu)[109, 160],其作用機(jī)制如圖13所示。海底隧道對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性要求高,設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)在20年間就發(fā)生鋼筋銹蝕的現(xiàn)象,甚至有的結(jié)構(gòu)在建成后5年內(nèi)就出現(xiàn)損壞,因此海底隧道的防腐蝕問(wèn)題成為國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

圖13 水域環(huán)境下侵蝕作用機(jī)制(根據(jù)參考文獻(xiàn)[109]繪制)

為探究不同情況下氯離子侵蝕海底盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的影響,對(duì)不同環(huán)境因素及施工方式下的混凝土侵蝕劣化及鋼筋銹蝕進(jìn)行研究,并基于多重影響因素對(duì)海底隧道開(kāi)展耐久性壽命預(yù)測(cè)。張治國(guó)等[161]研究淺水區(qū)海底隧道在海洋波浪力作用下襯砌結(jié)構(gòu)的腐蝕變化特征,發(fā)現(xiàn)隨著波浪周期增加,襯砌內(nèi)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(kuò)散性能的影響,發(fā)現(xiàn)噴射混凝土內(nèi)部氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)峰值約為普通混凝土的2.51倍,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)加入鋼纖維可提高噴射混凝土的抗?jié)B性。Feng等[163]、劉四進(jìn)等[164]研究了海水壓力與氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)管片及接頭侵蝕劣化及鋼筋銹蝕的影響,發(fā)現(xiàn)外水壓增大會(huì)加快海水對(duì)管片的侵蝕。Gao等[165]考慮不同侵蝕影響因素建立氯離子擴(kuò)散模型,提出了一種基于遺傳編程的海底隧道結(jié)構(gòu)使用壽命預(yù)測(cè)方法。Guo等[166]研究了氯離子和碳化作用對(duì)海底隧道混凝土管片強(qiáng)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(hù)中工字鋼在不同混凝土保護(hù)層厚度下銹脹力與銹蝕率的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)隨著銹蝕率與保護(hù)層厚度的增加,銹脹力也隨之增大。

針對(duì)海底盾構(gòu)隧道滲水及氯離子侵蝕等問(wèn)題,不少專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行了一系列的防護(hù)措施研究。王學(xué)斌[168]結(jié)合廈門(mén)翔安隧道研究了不同摻合料配比對(duì)二次襯砌混凝土抗腐蝕性的影響,通過(guò)分析強(qiáng)度腐蝕系數(shù)、氯離子滲透量、鋼筋失重率等指標(biāo),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(jìn)行施工。焦雷[160]通過(guò)水泥基材料加固圍巖以延緩海水向支護(hù)結(jié)構(gòu)的滲漏,通過(guò)調(diào)節(jié)減水劑、速凝劑和高分子聚合物的摻量,對(duì)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(shù)相結(jié)合,研究出隧道損傷識(shí)別的新方法,該方法能較為精確地識(shí)別海底隧道管片外壁的損傷部位。

對(duì)于沉管隧道的抗侵蝕性能研究主要集中在結(jié)構(gòu)表層、結(jié)構(gòu)鋼筋及管節(jié)接縫處。曹健等[170]研究了流動(dòng)海水下沉管隧道鋼殼外壁在進(jìn)行涂層及陰極保護(hù)后的抗腐蝕性能,并得出相應(yīng)的鋼板腐蝕率計(jì)算公式,試驗(yàn)結(jié)果及公式計(jì)算結(jié)果均表明有涂層、有陰極保護(hù)的鋼板防腐蝕效果更優(yōu)。Yan等[171]研究了海底沉管隧道鋼筋的腐蝕過(guò)程,發(fā)現(xiàn)海水側(cè)鋼筋的銹蝕程度大于空腔側(cè),對(duì)海水側(cè)的鋼筋采用陰極保護(hù)或表面涂環(huán)氧樹(shù)脂均可增強(qiáng)其抗侵蝕性能。

綜上所述,海底隧道抗侵蝕研究較為完善,國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)氯離子侵蝕混凝土和鋼筋銹蝕進(jìn)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(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響,提出了相應(yīng)的氯離子擴(kuò)散模型。但目前氯離子在混凝土多尺度結(jié)構(gòu)中的傳輸機(jī)制并不完全明確,且忽略了銹蝕壓力對(duì)氯離子擴(kuò)散過(guò)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(jié)制作過(guò)程中易產(chǎn)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(duì)溫度裂縫的防護(hù)措施。

3 城市敏感區(qū)極端環(huán)境隧道建設(shè)面臨的主要問(wèn)題及技術(shù)突破

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快,城市隧道迎來(lái)建設(shè)高峰,隨著市政公路、地鐵隧道、城市生命線工程建設(shè)規(guī)模的增大,穿越極端敏感區(qū)、超大斷面等多元化的要求和條件極大地促進(jìn)了我國(guó)隧道技術(shù)的進(jìn)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(dòng)了淺埋暗挖法、盾構(gòu)法、鉆爆法、沉管法等工法的技術(shù)優(yōu)化。以京張高鐵清華園隧道(見(jiàn)圖14)、京張高鐵八達(dá)嶺長(zhǎng)城站、港珠澳大橋珠海連線拱北隧道、長(zhǎng)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(shù)飛速發(fā)展的體現(xiàn)。

圖14 清華園隧道俯視圖[172]

城市隧道建設(shè)發(fā)展過(guò)程中,出現(xiàn)了一批面臨以極小凈距穿越建構(gòu)筑物、極端敏感區(qū)、復(fù)雜建構(gòu)筑物群等極端條件的隧道工程。在鄰近或穿越建構(gòu)筑物群時(shí),若沉降或振動(dòng)等超過(guò)規(guī)定的限值將會(huì)引起路面坍塌,鄰近建筑物破壞,危害群眾身心健康,造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡的嚴(yán)重后果,如圖15所示。因此,極端條件下工程如何實(shí)現(xiàn)安全、高效、綠色、環(huán)境擾動(dòng)小,成為城市隧道建設(shè)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者專(zhuān)家針對(duì)地層變形、施工對(duì)周?chē)?gòu)筑物的影響、變形控制措施、建構(gòu)筑物安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(huán)境分為穿越地上、地下建構(gòu)筑物群,直接穿越地中障礙物3類(lèi),綜述城市隧道建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)以及技術(shù)突破。

圖15 盾構(gòu)下穿既有建筑物引發(fā)災(zāi)害

3.1 穿越地上建(構(gòu))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(kāi)挖沉降、固結(jié)沉降與次固結(jié)沉降,盾構(gòu)隧道施工對(duì)地層沉降的影響則來(lái)源于地層損失、應(yīng)力狀態(tài)的改變、管片結(jié)構(gòu)變形以及土體固結(jié)[173]。目前,用于分析隧道施工引起地層沉降的方法可分為: 經(jīng)驗(yàn)公式法、理論解析法、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法、數(shù)值模擬法以及模型試驗(yàn)法。其中,最具代表性的是以Peck公式及其擴(kuò)展形式為主的經(jīng)驗(yàn)公式法以及劉寶琛院士建立的隨機(jī)介質(zhì)理論,此外其他學(xué)者也基于此進(jìn)行了大量研究。

歐陽(yáng)文彪等[174]基于淺埋圓洞位移及應(yīng)力分布規(guī)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(shí)單線及雙線盾構(gòu)隧道穿越建筑物引起的地表沉降計(jì)算公式。謝雄耀等[175]提出了“微沉降”施工控制技術(shù),開(kāi)發(fā)了壁后注漿雷達(dá)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái),可在地表沉降發(fā)生之前及時(shí)注漿填充地層損失的空隙,防止地表沉降,彌補(bǔ)傳統(tǒng)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(hào)線從細(xì)觀角度研究了砂卵石地層滯后沉降的發(fā)展過(guò)程。Wang等[177]結(jié)合理論分析與數(shù)值模擬,對(duì)哥本哈根雙盾構(gòu)掘進(jìn)誘發(fā)的地面沉降進(jìn)行了預(yù)測(cè)。Liu等[178]提出了一種預(yù)測(cè)雙隧道下穿既有隧道導(dǎo)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(kāi)挖的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn),通過(guò)長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線工程實(shí)際案例的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了所提理論的正確性。文獻(xiàn)[180]研究了雙層隧道施工順序?qū)螛冻两档挠绊憽?/p>

頂管法方面,陳湘生及其團(tuán)隊(duì)[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(jìn)對(duì)上方既有箱涵的影響規(guī)律,結(jié)果表明頂管下穿時(shí),箱涵的不均勻沉降量急劇增大,背土效應(yīng)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(shí)際工況的S形空間曲線段頂管施工引起地層擾動(dòng)的計(jì)算方法。應(yīng)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(guī)律,研究發(fā)現(xiàn)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(duì)稱“W”形。

3.1.2 隧道施工引起的建筑物結(jié)構(gòu)響應(yīng)

極小凈距下隧道施工會(huì)對(duì)周?chē)貙釉斐蓴_動(dòng),若地層沉降、施工振動(dòng)、爆破振動(dòng)等超過(guò)限值會(huì)導(dǎo)致地表建筑物發(fā)生變形乃至結(jié)構(gòu)破壞,因此必須對(duì)敏感建筑物的隧道施工響應(yīng)進(jìn)行研究。

學(xué)者通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)隧道施工影響下建筑物的力學(xué)響應(yīng)與變形、爆破振動(dòng)以及施工振動(dòng)進(jìn)行了大量的研究。丁智等[186]研究了盾構(gòu)施工對(duì)不同基礎(chǔ)建筑物的影響,結(jié)果表明: 在鄰近建筑物的盾構(gòu)隧道施工中,襯砌要承受更大的內(nèi)力。對(duì)于隧道鄰近淺基礎(chǔ)建筑物的工況,隧道開(kāi)挖對(duì)建筑物的影響比較大;但對(duì)于樁基礎(chǔ)建筑物,鄰近基礎(chǔ)一側(cè)隧道開(kāi)挖引起的建筑物內(nèi)力變化相對(duì)較小。馮國(guó)輝等[187]研究了隧道開(kāi)挖對(duì)鄰近群樁的變形影響,結(jié)果表明鄰近群樁水平位移及內(nèi)力受地層損失率、埋深、樁隧間距的影響。丁祖德等[188]通過(guò)數(shù)值模擬法研究了隧道穿越角度對(duì)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(duì)建筑物內(nèi)力影響較小。孫杰等[189]研究了空間屬性對(duì)建筑物應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的影響,得出結(jié)論隧道下穿不規(guī)則建筑物時(shí)對(duì)建筑物轉(zhuǎn)角處以及在大尺寸建筑物附近的小型建筑物影響較大。

對(duì)于爆破振動(dòng)方面,李立功等[190]研究了水壓爆破振動(dòng)對(duì)建筑物的影響,結(jié)果表明振動(dòng)振速垂向最大、徑向次之、切向最小。楊慶等[191]研究設(shè)計(jì)了合理的爆破開(kāi)挖方案、確定爆破參數(shù),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(duì)地表建筑的影響規(guī)律以及對(duì)人群的影響,結(jié)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(dòng)特性及變化規(guī)律。李術(shù)才等[194]通過(guò)數(shù)值模擬法揭示在建隧道爆破施工對(duì)既有隧道變形及內(nèi)力變化影響規(guī)律。這些研究成果對(duì)特殊條件下的爆破下穿設(shè)計(jì)與施工具有參考價(jià)值。

針對(duì)施工振動(dòng)方面,主要以盾構(gòu)法為主。對(duì)于盾構(gòu)隧道施工振動(dòng)響應(yīng)及振動(dòng)控制的研究較少,如今僅處于起步階段[195]。關(guān)于盾構(gòu)施工振動(dòng)的振源識(shí)別方面,本文對(duì)部分學(xué)者的工作進(jìn)行了總結(jié)[196-197]。盾構(gòu)施工振動(dòng)主要來(lái)源于刀盤(pán)掘進(jìn)振動(dòng)、隧道內(nèi)的運(yùn)輸車(chē)輛以及盾構(gòu)內(nèi)部設(shè)備。針對(duì)盾構(gòu)施工振動(dòng)對(duì)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(gòu)工程,研究了盾構(gòu)施工誘發(fā)地表50 m×50 m范圍內(nèi)的時(shí)域、頻域傳播規(guī)律,研究發(fā)現(xiàn)振動(dòng)并非單調(diào)衰減,存在反彈現(xiàn)象,同時(shí)需要對(duì)盾構(gòu)誘發(fā)環(huán)境振動(dòng)的評(píng)價(jià)中考慮三向振動(dòng)的影響;王鑫等[199]依托北京地鐵8號(hào)線盾構(gòu)下穿中心城區(qū)古舊平房群工程,研究了時(shí)域與頻域響應(yīng)規(guī)律,并提出了考慮振動(dòng)距離與阻尼衰減的盾構(gòu)施工引起環(huán)境振動(dòng)實(shí)用計(jì)算方法。在振動(dòng)控制方面,戴亞軍[200]通過(guò)長(zhǎng)沙地鐵6號(hào)線盾構(gòu)側(cè)穿博物館工程進(jìn)行了工程實(shí)踐,結(jié)果表明要控制振動(dòng),需要: 1)適當(dāng)減小盾構(gòu)總推力與刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩; 2)控制盾構(gòu)掘進(jìn)速度,保證勻速、連續(xù)掘進(jìn); 3)改良渣土。同時(shí)要保證在博物館重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)測(cè)。

綜合而言,目前在城區(qū)隧道施工對(duì)建筑物影響方面的研究已較為系統(tǒng),對(duì)建筑物沉降及結(jié)構(gòu)變形規(guī)律等有較清晰的認(rèn)識(shí),為隧道建設(shè)提供了指導(dǎo)。但極小凈距施工下的建筑物振動(dòng)響應(yīng)研究仍在起步階段,未來(lái)需通過(guò)模型試驗(yàn)深入研究施工振動(dòng)機(jī)制與環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律。

3.2 穿越地下建(構(gòu))筑物群

3.2.1 穿越既有隧道

新建隧道施工時(shí)會(huì)導(dǎo)致地層以及既有隧道的變形和產(chǎn)生附加受力。目前,針對(duì)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(shù)值模擬、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)4種。新建隧道穿越既有隧道按不同相對(duì)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(gòu)隧道下穿既有隧道如圖16所示。

圖16 雙線盾構(gòu)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(tuán)隊(duì)[202-205]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)、三維有限元模擬法研究了圍巖條件、隧道凈距、推力、推進(jìn)速度對(duì)既有隧道的沉降、應(yīng)力、應(yīng)變的影響,為類(lèi)似工程的施工提供參考。孫鈞等[206]采用數(shù)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(gòu)推進(jìn)中的發(fā)展變化。張頂立及其團(tuán)隊(duì)[207-209]針對(duì)淺埋暗挖施工法,從理論計(jì)算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、施工方案方面研究了隧道施工對(duì)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(hào)線工程,建立了地層、既有結(jié)構(gòu)變形與盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的關(guān)系,結(jié)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(gòu)尾部注漿的綜合影響。范文昊等[211]依托成都地鐵30號(hào)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(qū),并對(duì)不同分區(qū)提出了針對(duì)性控制措施。崔光耀等[212]采用數(shù)值模擬法,以軟弱地層中超大矩形頂管盾構(gòu)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(duì)軌道沉降的影響。胡秋斌[213]依托北京地鐵19號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間近距離下穿既有地鐵1號(hào)線暗挖大斷面隧道工程,使用數(shù)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(tài),同時(shí)分析了注漿加固、管棚加固、綜合加固對(duì)變形控制的效果。江杰等[214]研究了新建曲線盾構(gòu)下穿施工引起的既有隧道沉降規(guī)律,研究表明新建曲線地鐵盾構(gòu)隧道下穿施工引起的既有隧道沉降槽曲線具有非對(duì)稱性。張林[215]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬,研究了盾構(gòu)隧道近距離下穿工況下的矩形頂管隧道縱向變形規(guī)律。

針對(duì)其他方式穿越既有隧道,劉亮等[216]通過(guò)數(shù)值模擬,研究了正交、平行上穿盾構(gòu)隧道施工的工況,結(jié)果表明上方新建隧道掘進(jìn)會(huì)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(shù)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(guò)程,結(jié)果表明隧道圓形斷面出現(xiàn)變形與扭轉(zhuǎn),同時(shí)研究了不同穿越方式的控制重點(diǎn)。張孟喜等[218]依托佛莞城際鐵路盾構(gòu)隧道在全風(fēng)化花崗巖地層中上穿廣州地鐵7號(hào)線工程,研究了雙線盾構(gòu)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(wèn)題。

3.2.2 穿越其他地下建(構(gòu))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(xù)墻等,部分學(xué)者亦對(duì)此進(jìn)行了研究。戴軒等[219]使用數(shù)值模擬法研究了盾構(gòu)法修建隧道對(duì)上方在建基坑的影響,研究表明盾構(gòu)隧道下穿基坑將引發(fā)圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部產(chǎn)生差異沉降;基坑內(nèi)已施工完成的結(jié)構(gòu)和水平支撐將發(fā)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(hào)線雙線盾構(gòu)穿越深基坑底部工程,隧道與基坑地下連續(xù)墻凈距為2 m,研究結(jié)果表明,隨著地下連續(xù)墻底與隧道底部的夾角不斷變大,地下連續(xù)墻沉降量逐漸增大,底板對(duì)沉降控制效果顯著。芮瑞等[221]通過(guò)活動(dòng)門(mén)模型試驗(yàn)探討了盾構(gòu)隧道穿越鄰近地下?lián)跬两Y(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)擋土結(jié)構(gòu)土壓力和地表沉降的影響,結(jié)果表明盾構(gòu)穿越鄰近地下?lián)跬两Y(jié)構(gòu)時(shí),擋土墻底部土壓力急劇減小,一定高度處土壓力出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。

現(xiàn)有針對(duì)隧道穿越地下建構(gòu)筑物的研究成果十分豐碩,學(xué)者們針對(duì)淺埋暗挖法、盾構(gòu)法、頂管法等穿越地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究,其中盾構(gòu)法已然成為其中的主要工法。但現(xiàn)有關(guān)于異型盾構(gòu)、雙圓盾構(gòu)穿越建構(gòu)筑物的研究仍較少,關(guān)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(kāi)發(fā),過(guò)去少見(jiàn)的極特殊工程必然會(huì)大量出現(xiàn),因此,需深入研究該類(lèi)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(fā)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(gòu))筑物樁基為主,例如: 2008年上海軌道交通10號(hào)線下穿沙涇港橋,直徑6.34 m的土壓平衡盾構(gòu)磨削約33根樁基;2013年蘇州軌道交通2號(hào)線下穿廣濟(jì)橋,直徑6.34 m土壓平衡盾構(gòu)磨削約14根大直徑橋樁;2019年南京地鐵5號(hào)線下穿夫子廟過(guò)街通道,直徑6.2 m盾構(gòu)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(chē)道,直徑9.14 m土壓平衡盾構(gòu)磨削約88根樁基;2023年廣州海珠灣隧道下穿中核商務(wù)大廈,直徑15.07 m泥水平衡盾構(gòu)磨削67根樁基。盾構(gòu)磨樁工程正朝著盾構(gòu)直徑越來(lái)越大、磨樁數(shù)量越來(lái)越多的方向發(fā)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(tǒng)措施[223]有樁基托換、人工挖孔除樁、拔樁、沖樁等。雖然傳統(tǒng)的樁基拔除法設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)易、施工相對(duì)成熟安全,但存在成本較高、工期較長(zhǎng)等缺點(diǎn),且施工期間需封閉現(xiàn)場(chǎng),阻礙附近公共交通?；谏鲜龉しǖ牟蛔?近年來(lái)盾構(gòu)直接切削樁基[224]以相對(duì)高效、成本更低而越來(lái)越受重視,如圖17所示。

圖17 盾構(gòu)直接切削樁基

盾構(gòu)直接切削樁基技術(shù)按是否知道樁基存在可分為主動(dòng)切樁和被動(dòng)切樁。切樁按工法可分為直接切削樁基以及進(jìn)行樁基托換后再切削樁基。2011年,北京交通大學(xué)袁大軍及其團(tuán)隊(duì)[225-227]開(kāi)展了首次盾構(gòu)直接切削樁基技術(shù)大型現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),研究了掘進(jìn)參數(shù)、刀盤(pán)配置、刀盤(pán)磨損等因素的影響,提出了超前貝殼刀的配置方案。此后,國(guó)內(nèi)外有關(guān)盾構(gòu)切削樁基技術(shù)的研究迅速發(fā)展。例如: 杜闖東等[228]依托以色列特拉維夫輕軌紅線項(xiàng)目,進(jìn)行了刀盤(pán)切削樁基的模型試驗(yàn),研究表明存在最佳掘進(jìn)參數(shù);許華國(guó)等[229]基于模型試驗(yàn),研究了全刀盤(pán)滾刀與全刀盤(pán)撕裂刀的切削效果,結(jié)果表明全刀盤(pán)滾刀切削效果較好,同時(shí)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(jìn)速度,高轉(zhuǎn)速”的磨樁方式及刀盤(pán)轉(zhuǎn)速與推進(jìn)速度的建議取值,并研究了滾刀與切刀的切樁效果與機(jī)制;劉浩等[231]采用離散元數(shù)值模擬,研究了刀具參數(shù)、試件強(qiáng)度、切削深度和切削速度對(duì)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(zhǎng)的截齒刀具的切削效果。

盾構(gòu)切削樁基的影響方面,Wang等[233]根據(jù)沈陽(yáng)地鐵4號(hào)線研究了盾構(gòu)切割17根鋼筋混凝土樁的施工細(xì)節(jié),與正常開(kāi)挖相比,切樁過(guò)程的前進(jìn)速度較低,裝在最外側(cè)的刀具磨損量最大,同時(shí)發(fā)現(xiàn)旋噴樁加固地層對(duì)減少地層沉降的效果顯著;Liu等[234]通過(guò)離散元法,研究北京地鐵12號(hào)線切橋樁的過(guò)程,分析了土艙壓力與前進(jìn)速度對(duì)盾構(gòu)推力和轉(zhuǎn)矩的影響,結(jié)果表明土艙壓力穩(wěn)定時(shí),前進(jìn)速度對(duì)刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩影響較小,推進(jìn)速度對(duì)樁底位移有顯著影響;張建華等[235]以杭州地鐵4號(hào)線盾構(gòu)下穿電力隧道切削樁基工程項(xiàng)目為背景,研究了盾構(gòu)切樁后的地表沉降,結(jié)果表明切樁期間地表的沉降量大且沉降速率快。

現(xiàn)如今盾構(gòu)直接切樁技術(shù)已相對(duì)成熟,但針對(duì)盾構(gòu)刀盤(pán)的刀具參數(shù)、布置方式、刀具破巖規(guī)律仍需進(jìn)一步研究。隨著大模型、大數(shù)據(jù)的發(fā)展,利用機(jī)器學(xué)習(xí)等手段綜合大量的工程實(shí)例預(yù)測(cè)盾構(gòu)切樁時(shí)的掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置也是今后的研究方向。同時(shí),盾構(gòu)切樁對(duì)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(duì)于雙線盾構(gòu)切樁工程而言,切樁對(duì)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(píng)估體系

眾多學(xué)者對(duì)地層沉降控制措施進(jìn)行了研究。例如: 姚曉明等[236]、劉新軍等[237]發(fā)現(xiàn)加固夾層土可有效減小地層沉降;張頂立及其團(tuán)隊(duì)在2008年起[238-241]研究了建筑物沉降的控制措施,結(jié)合實(shí)際工程分析了注漿抬升、水平長(zhǎng)管棚支護(hù)技術(shù)等控制措施的控制效果,并初步建立了相應(yīng)的建筑物變形控制標(biāo)準(zhǔn);卓越等[242]研究了抬升注漿方案、材料、工藝、參數(shù)及機(jī)械設(shè)備配套方式;金大龍[243]基于深圳地鐵9號(hào)線下穿既有地鐵4號(hào)線工程,預(yù)先對(duì)既有隧道進(jìn)行土層加固,在盾構(gòu)穿越時(shí)對(duì)既有隧道洞內(nèi)實(shí)施追蹤注漿以補(bǔ)償?shù)貙訐p失;陳仁朋等[244]發(fā)現(xiàn)MJS水平樁加固夾層土可有效減少盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地表與上覆隧道的影響;溫森等[245]通過(guò)數(shù)值模擬,以沉降為指標(biāo),研究了加固體角度、加固體厚度、加固體長(zhǎng)度對(duì)加固效果的影響,結(jié)果表明當(dāng)加固新建隧道且加固范圍為270°、加固長(zhǎng)度為10 m、加固厚度為2 m時(shí),加固效果最好;Zheng等[246]基于實(shí)際工程與數(shù)值模擬的結(jié)果,研究了隧道與樁基在不同相對(duì)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(hào)線穿越磚混民房與合肥火車(chē)站工程,驗(yàn)證了減少背后回填漿液初凝時(shí)間等措施對(duì)建筑物變形控制的有效性,提出了通過(guò)盾構(gòu)姿態(tài)控制和同步注漿優(yōu)化方法控制盾構(gòu)露空長(zhǎng)度以控制建筑物變形的措施;仇文革等[249]以成都地鐵5號(hào)線下穿寶成鐵路咽喉區(qū)為背景,比較了地層超前加固措施的效果,結(jié)果表明在穿越敏感區(qū)域時(shí),使用高精度超長(zhǎng)大管棚結(jié)合地層跟蹤注漿的工法對(duì)地層進(jìn)行加固是合理且必要的;陳仁朋等[250-251]驗(yàn)證了現(xiàn)有損傷評(píng)估方法的可靠性,建立了盾構(gòu)隧道施工對(duì)鄰近建筑物影響的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。

綜合而言,學(xué)者們基于實(shí)際工程,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬、理論計(jì)算對(duì)穿越既有地上、地下建(構(gòu))筑物的沉降進(jìn)行了研究,研究集中于加固既有建(構(gòu))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(gè)方面。除了施工方法的優(yōu)化外,學(xué)者們初步建立了綜合土體性質(zhì)、建筑物、隧道、掘進(jìn)參數(shù)等因素的隧道下穿建筑物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)在艱險(xiǎn)山區(qū)、深水海域以及城市敏感區(qū)等復(fù)雜極端條件下已經(jīng)修建了大量的隧道(洞)工程,發(fā)現(xiàn)并解決了一個(gè)又一個(gè)難題,實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的突破與創(chuàng)新,積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。本文總結(jié)了艱險(xiǎn)山區(qū)、深水海域和城市敏感區(qū)等極端環(huán)境下隧道建設(shè)所面臨的主要問(wèn)題以及技術(shù)發(fā)展與突破。

1)總結(jié)了在極高地應(yīng)力、高地溫、高海拔和活動(dòng)斷裂帶4種極端環(huán)境下艱險(xiǎn)山區(qū)隧道建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)與突破,對(duì)不同極端環(huán)境隧道建設(shè)的破壞機(jī)制進(jìn)行了全面剖析,并總結(jié)了相應(yīng)的防護(hù)措施,為極端環(huán)境隧道建設(shè)提供更多的方案選擇,可為未來(lái)隧道建設(shè)提供一定的理論指導(dǎo)和實(shí)踐借鑒作用。

2)從高水壓、高烈度地震和強(qiáng)侵蝕環(huán)境3個(gè)角度進(jìn)行探討,分別對(duì)深水海域的盾構(gòu)隧道和沉管隧道進(jìn)行深入的破壞機(jī)制分析,總結(jié)了各種影響因素下海底隧道管片及接頭的力學(xué)性能和防護(hù)措施等方面的研究成果,對(duì)海底隧道建設(shè)過(guò)程進(jìn)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(shè)以盾構(gòu)法、頂管法為主,針對(duì)隧道在穿越地上、地下建(構(gòu))筑物時(shí)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(huán)境影響研究仍然欠缺,尤其是對(duì)極小凈距下盾構(gòu)磨樁施工時(shí)的環(huán)境響應(yīng)問(wèn)題研究較少,缺乏清晰的認(rèn)識(shí),通過(guò)模型試驗(yàn)、理論分析進(jìn)一步揭示相關(guān)規(guī)律仍十分必要。

為響應(yīng)“十四五”規(guī)劃及交通強(qiáng)國(guó)與生態(tài)強(qiáng)國(guó)等國(guó)家戰(zhàn)略,我國(guó)隧道建設(shè)必然會(huì)朝著更極端、更復(fù)雜的環(huán)境挺進(jìn),如何在極端環(huán)境下實(shí)現(xiàn)隧道工程安全、高效、綠色建設(shè),仍然是我國(guó)隧道人需要克服的一大難題。而現(xiàn)有規(guī)范未針對(duì)極端環(huán)境進(jìn)行細(xì)分,現(xiàn)有的理論及技術(shù)亦未針對(duì)極端環(huán)境進(jìn)行深入、完整、系統(tǒng)地研究。未來(lái),我國(guó)的隧道建設(shè)仍需結(jié)合重大工程開(kāi)展系統(tǒng)性的研究工作,完善相關(guān)理論、技術(shù)與規(guī)范,以實(shí)現(xiàn)我國(guó)極端環(huán)境條件下隧道建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。