洪開(kāi)榮，馮歡歡

(1. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511458；2. 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001)

0 引言

對(duì)于我國(guó)隧道及地下工程來(lái)說(shuō)，“十三五”是一個(gè)黃金發(fā)展期。鐵路、公路、地鐵作為我國(guó)隧道及地下工程應(yīng)用的3大主要領(lǐng)域，截至2020年底，累計(jì)運(yùn)營(yíng)里程分別達(dá)到19 630[1]、21 999.3[2]、6 280.8 km[3]?！笆濉逼陂g，我國(guó)鐵路、公路、地鐵隧道新增運(yùn)營(yíng)里程分別達(dá)到6 592、9 315.4、3 622.8 km，相比“十二五”期間的新增量，分別同比增長(zhǎng)約9%、23%、184%。除此之外，我國(guó)水工隧道、綜合管廊、地下洞庫(kù)等方面也都完成了大批工程建設(shè)并投入運(yùn)營(yíng)。除了數(shù)量的顯著提升，質(zhì)量方面也取得了驕人的成就。如先后建設(shè)完成了世界最長(zhǎng)、埋入海底最深(50 m)、單個(gè)沉管體量最大的公路沉管隧道——港珠澳大橋沉管隧道[4]，世界最大直徑水下鐵路盾構(gòu)隧道——佛莞城際獅子洋隧道[5]，國(guó)內(nèi)首座位于8度地震烈度區(qū)的海底盾構(gòu)隧道——汕頭海灣隧道[6]，國(guó)內(nèi)規(guī)模最大、組成最復(fù)雜的地下空間工程——武漢光谷廣場(chǎng)地下綜合體[7]等一批里程碑式隧道及地下工程； 與此同時(shí)，新開(kāi)工建設(shè)的世界最長(zhǎng)高速公路隧道——烏尉高速天山勝利隧道[8]，國(guó)內(nèi)在建最長(zhǎng)雙線鐵路隧道——川藏鐵路色季拉山隧道[9]，世界上首例集超寬超長(zhǎng)海底沉管隧道、超大跨海中橋梁、深水人工島、水下互通“四位”一體的集群工程——深中通道工程[10]，亞洲第二大綜合交通樞紐——深圳前海綜合交通樞紐工程等在順利推進(jìn)?；诖笈仉y點(diǎn)隧道及地下工程建設(shè)，我國(guó)在隧道工程勘察技術(shù)、隧道建設(shè)BIM技術(shù)、隧道機(jī)械化及智能化建設(shè)技術(shù)、盾構(gòu)/TBM制造及再制造技術(shù)、海上沉管隧道修建技術(shù)、軟巖大變形控制技術(shù)、巖爆監(jiān)測(cè)及防控技術(shù)、新型破巖技術(shù)、隧道大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)技術(shù)等方面均取得了長(zhǎng)足發(fā)展[11-17]。

為更好地促進(jìn)我國(guó)隧道及地下工程技術(shù)在“十四五”期間能夠取得長(zhǎng)足發(fā)展，有必要對(duì)“十三五”期間的發(fā)展?fàn)顩r及存在不足進(jìn)行總結(jié)分析，并提出今后階段性的建設(shè)技術(shù)需求及攻關(guān)方向。2017—2018年度我國(guó)隧道及地下工程行業(yè)發(fā)展情況已有研究論述[18]，本文著重對(duì)近2年的行業(yè)發(fā)展情況進(jìn)行總結(jié)分析。

1 我國(guó)隧道及地下工程近2年的發(fā)展

近2年來(lái)，在持續(xù)推進(jìn)大瑞鐵路高黎貢山隧道[19-20]、滇中引水香爐山隧洞等既有重難點(diǎn)隧道工程建設(shè)的基礎(chǔ)上，又新開(kāi)工了川藏鐵路色季拉山隧道、天山勝利隧道等一批重難點(diǎn)隧道工程，促進(jìn)我國(guó)隧道建設(shè)技術(shù)在軟巖變形控制、巖爆監(jiān)測(cè)、裝備制造等方面取得長(zhǎng)足進(jìn)步。近2年我國(guó)修建完成的鐵路隧道、公路隧道、地鐵隧道長(zhǎng)度，相比前2年同比增長(zhǎng)分別達(dá)到了約49%、49%、62%。

1.1 主要領(lǐng)域的隧道建設(shè)情況

1.1.1 鐵路隧道

截至2020年底，我國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)14.5萬(wàn)km，其中投入運(yùn)營(yíng)的鐵路隧道16 798座、總長(zhǎng)19 630 km，近2年新增運(yùn)營(yíng)的鐵路隧道1 681座、總長(zhǎng)3 299 km，相比前2年分別同比增長(zhǎng)約66%、49%。全國(guó)在建鐵路隧道2 746座、總長(zhǎng)6 083 km；規(guī)劃建設(shè)鐵路隧道6 354座、總長(zhǎng)16 255 km。

1.1.2 高速鐵路隧道

截至2020年底，我國(guó)已投入運(yùn)營(yíng)高速鐵路總長(zhǎng)約3.7萬(wàn)km，已投入運(yùn)營(yíng)的高速鐵路隧道3 631座、總長(zhǎng)6 003 km，其中特長(zhǎng)隧道87座、總長(zhǎng)1 096 km。近2年新增運(yùn)營(yíng)的高速鐵路隧道603座、總長(zhǎng)1 127 km，如銀西客運(yùn)彬縣隧道(14.251 km)、京沈客專(zhuān)梨花頂隧道(12.245 km)、太焦客專(zhuān)太谷隧道(11.497 km)等； 我國(guó)正在建設(shè)的高速鐵路隧道1 811座、總長(zhǎng)約2 750 km，如西延客專(zhuān)新延安隧道(16 km)、鄭萬(wàn)客專(zhuān)小三峽隧道(18 954 km)、渝黔客專(zhuān)白馬山隧道(13.407 km)等。截至2020年底，我國(guó)規(guī)劃的高速鐵路隧道3 525座、總長(zhǎng)約7 966 km。

1.1.3 公路隧道

截至2020年底，我國(guó)等級(jí)以上運(yùn)營(yíng)公路上的隧道有21 316處，總長(zhǎng)約21 999.3 km。其中，特長(zhǎng)隧道1 394處、總長(zhǎng)6 235.5 km，長(zhǎng)隧道5 541處、總長(zhǎng)9 633.2 km。近2年新增運(yùn)營(yíng)的公路隧道3 578處、總長(zhǎng)4 763 km，相比前2年分別同比增長(zhǎng)約40%、49%。目前已投入運(yùn)營(yíng)的最長(zhǎng)公路隧道是位于陜西省的終南山隧道，長(zhǎng)18.02 km；在建的最長(zhǎng)公路隧道是天山勝利隧道，長(zhǎng)22.11 km。

1.1.4 地鐵隧道

截至2020年底，我國(guó)共計(jì)有38個(gè)城市開(kāi)通運(yùn)營(yíng)地鐵線路182條，總長(zhǎng)約6 280.8 km； 近2年新增運(yùn)營(yíng)地鐵隧道總長(zhǎng)約1 927 km，相比前2年同比增長(zhǎng)約62%。截至2020年底，有57個(gè)城市在建城市軌道交通，線路總長(zhǎng)6 797.5 km，其中地鐵隧道5 662.2 km，占比83.3%。

1.1.5 水工隧洞

自黨中央、國(guó)務(wù)院2014年作出加快推進(jìn)172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程的決策部署后，截至2020年7月，已經(jīng)累計(jì)開(kāi)工重大水利工程146項(xiàng)，在建投資規(guī)模超過(guò)1萬(wàn)億元。同期，國(guó)務(wù)院圍繞防洪減災(zāi)、水資源優(yōu)化配置、水生態(tài)保護(hù)修復(fù)等，研究部署了2020—2022年期間規(guī)劃建設(shè)的150項(xiàng)重大水利工程，總投資1.29萬(wàn)億元。

1.2 重難點(diǎn)工程

近2年，國(guó)內(nèi)成功建設(shè)了佛莞城際獅子洋隧道、鄭萬(wàn)鐵路小三峽隧道、南京長(zhǎng)江五橋夾江隧道等一批重難點(diǎn)隧道工程，成功攻克了高強(qiáng)度硬巖地層的鑲齒型滾刀技術(shù)、極硬極軟復(fù)合地層盾構(gòu)直接掘進(jìn)技術(shù)、水下超大直徑盾構(gòu)隧道施工技術(shù)等；同時(shí)，在鐵路、公路、水利等領(lǐng)域均涌現(xiàn)出了大量代表性工程，如國(guó)內(nèi)在建最長(zhǎng)雙線鐵路隧道——川藏鐵路色季拉山隧道、世界在建最長(zhǎng)高速公路隧道——天山勝利隧道、國(guó)內(nèi)水利工程領(lǐng)域在建最大直徑TBM隧洞——滇中引水香爐山隧洞等，在大斷面TBM極高地應(yīng)力硬巖巖爆和軟巖大變形防控、超長(zhǎng)距離獨(dú)頭通風(fēng)及運(yùn)輸、大埋深超長(zhǎng)距離公路隧道TBM施工等方面還面臨著眾多技術(shù)難題需要進(jìn)一步突破。

1.2.1 佛莞城際獅子洋隧道

佛莞城際獅子洋隧道全長(zhǎng)6 150 m，其中明挖隧道長(zhǎng)1 250 m，盾構(gòu)隧道長(zhǎng)4 900 m。隧道穿越珠江獅子洋，最大埋深64 m，最大水深17 m，采用直徑13.61 m的泥水盾構(gòu)施工。地下水豐富，水位高，隧道洞身段基巖及破碎帶富存中等透水—強(qiáng)透水性承壓水，盾構(gòu)隧道洞身主要穿過(guò)第四系沉積層、軟弱土層、軟硬不均地層、全斷面砂巖、泥巖等地層(見(jiàn)圖1)。

圖1 佛莞城際獅子洋隧道縱斷面圖

全斷面硬巖長(zhǎng)度達(dá)2 380 m，占隧道總長(zhǎng)48.5%，巖石最大飽和抗壓強(qiáng)度為75.7 MPa，石英含量達(dá)70%～80%，對(duì)刀具質(zhì)量和掘進(jìn)參數(shù)控制要求較高。針對(duì)高強(qiáng)度、高石英含量地層對(duì)刀具的不良影響，創(chuàng)新開(kāi)發(fā)了“低硬材料作母體、硬度材料作牙齒、耐磨材料作外衣”的技術(shù)路線(見(jiàn)圖2)，成功解決了刀具一直存在的“耐磨不耐撞，耐撞不耐磨”難題。該隧道于2019年12月17日實(shí)現(xiàn)貫通，是世界上已建成的最大直徑水下鐵路盾構(gòu)隧道，它的貫通標(biāo)志著廣東珠三角佛莞城際鐵路建設(shè)取得重大進(jìn)展。

圖2 自主研發(fā)適合硬巖掘進(jìn)的鑲齒型滾刀

1.2.2 汕頭海灣隧道

汕頭海灣隧道全長(zhǎng)6 680 m(其中過(guò)海段長(zhǎng)3 047 m)，采用2臺(tái)直徑分別為15.01、15.03 m的超大直徑泥水平衡常壓刀盤(pán)盾構(gòu)掘進(jìn)施工，于2020年8月7日實(shí)現(xiàn)雙線貫通。隧道上覆土主要為淤泥地層，始發(fā)和到達(dá)段埋深淺(始發(fā)段8 m，到達(dá)段12.5 m)，東、西線盾構(gòu)分別經(jīng)歷了始發(fā)段64、184 m孤石群和海域區(qū)間3段巖石強(qiáng)度最高達(dá)216 MPa的基巖凸起段。隧道建設(shè)過(guò)程中成功攻克了海域環(huán)境條件下極硬極軟復(fù)合地層盾構(gòu)直接掘進(jìn)施工技術(shù)難題，并成功開(kāi)發(fā)了智慧盾構(gòu)工程大數(shù)據(jù)平臺(tái)、極軟極硬復(fù)合地層刀盤(pán)刀具配置技術(shù)、常壓刀具防后退及報(bào)警裝置(見(jiàn)圖3)等，達(dá)到了盾構(gòu)施工“可感、可知、可掘、可穩(wěn)”新的先進(jìn)水平。

圖3 常壓刀具防后退裝置

汕頭海灣隧道是國(guó)內(nèi)首座位于8度地震烈度區(qū)、按9度地震烈度設(shè)防的超大斷面海底盾構(gòu)隧道，工程地質(zhì)復(fù)雜、施工難度大、管控要求高，被孫鈞、錢(qián)七虎、周福霖等院士譽(yù)為“世界級(jí)挑戰(zhàn)性工程”。該隧道連接汕頭市中心城區(qū)南北兩岸，于2020年8月7日實(shí)現(xiàn)雙線貫通，對(duì)加快“一灣兩岸”城市發(fā)展、推動(dòng)城市擴(kuò)容提質(zhì)具有重大意義。

1.2.3 嘉興頂管隧道

嘉興市市區(qū)快速路環(huán)線下穿南湖大道頂管隧道，開(kāi)挖斷面達(dá)123 m2，埋深5.68～6.45 m，為世界上首座雙向6車(chē)道超大斷面矩形頂管隧道，南北線結(jié)構(gòu)凈距1.2 m。工程所處區(qū)內(nèi)第四系土層的形成及其結(jié)構(gòu)與長(zhǎng)江三角洲的發(fā)育、江海變遷、氣侯等自然變化有著密切的聯(lián)系，具有層序復(fù)雜、相變劇烈、厚度較大的特點(diǎn)。針對(duì)大斷面頂管始發(fā)/接收、下穿道路沉降控制、頂進(jìn)姿態(tài)控制和長(zhǎng)距離頂進(jìn)過(guò)程中縱向密封止水等方面的技術(shù)難題，項(xiàng)目研發(fā)了多刀盤(pán)組合式頂管機(jī)、減阻泥漿自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)、三螺機(jī)出渣系統(tǒng)(見(jiàn)圖4)、整體吊裝翻轉(zhuǎn)技術(shù)，順利建成國(guó)內(nèi)外第一座雙向6車(chē)道小凈距頂管隧道。工程于2020年10月20日實(shí)現(xiàn)全隧貫通，開(kāi)創(chuàng)了雙向6車(chē)道超大斷面矩形頂管施工先河，標(biāo)志著我國(guó)超大斷面矩形頂管制造和隧道建造水平達(dá)到新高度。

圖4 三螺機(jī)出渣系統(tǒng)

1.2.4 深圳春風(fēng)隧道

春風(fēng)隧道工程線路全長(zhǎng)5 078 m，隧道最小埋深6.9 m，最大埋深46.3 m，采用直徑15.8 m泥水盾構(gòu)施工，為當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)最大直徑泥水平衡盾構(gòu)法公路隧道。穿越地質(zhì)由東向西依次為花崗巖、糜棱巖、凝灰質(zhì)砂巖、碎裂巖、片巖和變質(zhì)砂巖，最硬巖層單軸抗壓強(qiáng)度值最大為173.7 MPa。主要為上軟下硬及硬巖地層，其中硬巖段占掘進(jìn)通過(guò)地層80%以上，并穿過(guò)9條斷層破碎帶和2條次生斷裂帶，地質(zhì)情況相對(duì)復(fù)雜、圍巖破碎(見(jiàn)圖5)。盾構(gòu)一次性連續(xù)掘進(jìn)3 603 m，穿越軟硬不均地層、全斷面硬巖、構(gòu)造碎裂巖層、糜棱巖斷層等極具挑戰(zhàn)性復(fù)雜地層；穿越城市老城區(qū)，沿線連續(xù)下穿高層建筑物、地鐵、鐵路、橋梁等建(構(gòu))筑物，對(duì)刀盤(pán)刀具管理及地面沉降控制要求極高。針對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中長(zhǎng)距離軟硬不均地層、糜棱巖破碎帶等刀盤(pán)易結(jié)泥餅地層，采取加強(qiáng)刀盤(pán)面板沖刷、化學(xué)藥劑浸泡泥水艙、高壓水刀沖刷、輔助氣壓掘進(jìn)等措施，順利安全通過(guò)糜棱巖斷層破碎帶等不良地層[21]。該工程是深圳市“東進(jìn)戰(zhàn)略”重大交通項(xiàng)目之一，建成后將與現(xiàn)有的春風(fēng)高架橋共同構(gòu)成羅湖區(qū)南部東西向復(fù)合通道，實(shí)現(xiàn)春風(fēng)路段通行能力提升1倍左右，有效緩解片區(qū)交通擁堵；也將開(kāi)創(chuàng)深圳市盾構(gòu)施工機(jī)動(dòng)車(chē)隧道之先河，并成為深圳首條“單洞雙層”構(gòu)造的機(jī)動(dòng)車(chē)隧道，對(duì)豐富和完善深圳地下工程建設(shè)技術(shù)具有重要意義。

圖5 春風(fēng)隧道工程地質(zhì)縱斷面圖

1.2.5 深圳媽灣隧道

深圳媽灣跨海通道線路全長(zhǎng)8.05 km，盾構(gòu)隧道段長(zhǎng)2.06 km，隧道最大埋深35 m，最大水深約9 m，左右線凈間距最小13 m、最大23 m，采用直徑15.53 m盾構(gòu)施工，為深圳首條海底隧道，也是國(guó)內(nèi)最大直徑跨海盾構(gòu)隧道。該隧道穿越地層主要為全斷面土層、全斷面巖層、軟硬不均地層，分別占比16%、32%、52%，如圖6所示。

圖6 深圳媽灣隧道盾構(gòu)段地質(zhì)縱斷面圖

深圳媽灣隧道盾構(gòu)段地質(zhì)縱斷面如圖6所示。盾構(gòu)段巖面起伏大，巖層為混合花崗巖，石英含量平均為34%(最高54%)，長(zhǎng)石含量平均為55%(最高69%)；巖石單軸抗壓強(qiáng)度平均值為44.9 MPa(最大193 MPa)，對(duì)刀具質(zhì)量和掘進(jìn)參數(shù)控制要求高。針對(duì)上述地層特點(diǎn)，該項(xiàng)目采用48.26 cm(19英寸)光面滾刀、前裝式刀筒(見(jiàn)圖7)解決硬巖、軟硬不均地層掘進(jìn)中刀具破巖能力不足及刀具螺栓松動(dòng)問(wèn)題。該隧道于2019年2月開(kāi)工建設(shè)，建成后對(duì)于完善“特區(qū)中的特區(qū)”前海周邊路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)城市發(fā)展空間的拓展與整合具有重要作用。

圖7 前裝式刀筒

1.2.6 川藏鐵路色季拉山隧道

新建川藏鐵路雅安至林芝段色季拉山隧道全長(zhǎng)37.965 km，為國(guó)內(nèi)在建最長(zhǎng)雙線鐵路隧道，于2020年11月開(kāi)工。設(shè)計(jì)采用4臺(tái)10.2 m敞開(kāi)式TBM+鉆爆法聯(lián)合施工，最大埋深1 687.85 m，最大水平主應(yīng)力為45.52 MPa，強(qiáng)度應(yīng)力比為2.07～5.37，隧道進(jìn)口海拔3 158 m，出口海拔2 969 m。隧道洞身地層主要為喜山期花崗巖及閃長(zhǎng)巖、加里東期花崗巖(見(jiàn)圖8)，花崗巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均為82.9 MPa，閃長(zhǎng)巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均為88.9 MPa，片麻巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均為88.67 MPa。隧道主要不良地質(zhì)有巖爆、節(jié)理密集帶和蝕變巖，面臨大斷面TBM極高地應(yīng)力硬巖巖爆和軟巖大變形地段安全施工難題、高原缺氧地區(qū)長(zhǎng)距離獨(dú)頭通風(fēng)難題、軟弱富水圍巖段突泥涌水防治難題。為應(yīng)對(duì)色季拉山隧道建設(shè)難題，中鐵隧道局從高原特長(zhǎng)TBM隧道施工效率與安全防控、高應(yīng)力環(huán)境下斷層與破碎巖體隧道圍巖變形控制、高原高寒脆弱生態(tài)環(huán)境特長(zhǎng)隧道施工環(huán)境保護(hù)等方面開(kāi)展針對(duì)性科研攻關(guān)。色季拉山隧道計(jì)劃工期92個(gè)月，預(yù)計(jì)2028年7月10日完工，對(duì)于鞏固邊疆穩(wěn)定、強(qiáng)化國(guó)防保障、促進(jìn)民族團(tuán)結(jié)、維護(hù)國(guó)家統(tǒng)一具有重大的戰(zhàn)略意義。

圖8 色季拉山隧道地質(zhì)縱斷面圖

1.2.7 大瑞鐵路高黎貢山隧道

高黎貢山隧道全長(zhǎng)34 538 m，最大埋深1 155 m，最大地應(yīng)力30 MPa，具有“三高”、“四活躍”地質(zhì)特征，共穿越18種地層、19條斷層破碎帶，隧道最大涌水量19.2萬(wàn)m3/d，涵蓋高地震烈度、活動(dòng)斷裂、高地溫(熱害段落10 122 m)、巖爆(2 020 m)及軟巖大變形(3 185 m)、滑坡、巖溶(920 m)、放射性、順層、有害氣體、特殊巖土等不良地質(zhì)。隧道進(jìn)口端21.2 km采用鉆爆法施工，出口端13.3 km正洞、平導(dǎo)分別采用直徑9.03、6.39 m敞開(kāi)式TBM施工。針對(duì)花崗巖不均勻風(fēng)化易造成TBM頻繁卡機(jī)、超高壓富水花崗巖深豎井治水、高地溫施工等技術(shù)難題，項(xiàng)目首次采用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的TBM卡機(jī)預(yù)測(cè)方法、花崗巖地層鐵路深豎井地表受控定向鉆深孔預(yù)注漿技術(shù)(見(jiàn)圖9)、機(jī)械制冷等措施，大幅提高了卡機(jī)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，治理了花崗巖高角度裂隙超高壓地下水，將隧道內(nèi)環(huán)境溫度降低了4～6 ℃。

圖9 豎井地表受控定向鉆深孔預(yù)注漿技術(shù)

截至2020年底，在地質(zhì)條件復(fù)雜情況下，高黎貢山隧道TBM綜合進(jìn)度指標(biāo)達(dá)180 m/月，1#、2#豎井分別于2019年11月、2020年5月掘砌到底，1#斜井地處高地溫段落，是我國(guó)橫斷山脈第一條采用“TBM+豎井工法”聯(lián)合施工的隧道，它的修建標(biāo)志著中國(guó)鐵路隧道施工技術(shù)正邁向世界隧道施工技術(shù)的前端。

1.2.8 引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞

引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞全長(zhǎng)81.8 km，最大埋深2 012 m，設(shè)計(jì)流量為70億m3/s，工程采用“2臺(tái)TBM+鉆爆法”施工方案。秦嶺隧洞是人類(lèi)首次嘗試從底部橫穿世界十大山脈之一的秦嶺，成功克服了隧道施工過(guò)程中極硬巖、大涌水、強(qiáng)巖爆等工程挑戰(zhàn)。工程范圍內(nèi)地下水發(fā)育，主要涉及地層為下元古界長(zhǎng)角壩巖群黑龍?zhí)稁r組石英巖、印支期花崗巖、華力西期閃長(zhǎng)巖以及斷層碎裂巖、糜棱巖，具有高圍巖強(qiáng)度、高石英含量、高溫濕、強(qiáng)巖爆、強(qiáng)涌水、長(zhǎng)距離施工等技術(shù)難題，圍巖完整性系數(shù)超過(guò)0.8，巖石最大干燥抗壓強(qiáng)度317.6 MPa，平均石英含量為64%、最高達(dá)92%，掘進(jìn)速度緩慢，刀具磨損嚴(yán)重；同時(shí)，巖爆防治是施工組織常態(tài)，采取有效措施防治巖爆(見(jiàn)圖10)是施工管理的重點(diǎn)與難點(diǎn)[22]。

(a) 噴高壓水軟化圍巖 (b) 水錘鉆機(jī)安裝及鉆孔施作

(c) 應(yīng)急噴混系統(tǒng) (d) 型鋼拱架+McNally系統(tǒng)鋼筋排

通過(guò)采用“鉆孔分流+表面嵌縫+淺層封堵+深層加固”的斷面分流與加固方案，輔以特殊漿材，硬巖地段涌水封堵率達(dá)到90%；通過(guò)刀具試驗(yàn)、優(yōu)化刮板座結(jié)構(gòu)和新材料引進(jìn)，刀具消耗由0.86把/m降低至0.72把/m，節(jié)省了刀具成本。工程建成后，可解決陜西省關(guān)中地區(qū)水資源短缺問(wèn)題，有效遏制渭河水生態(tài)環(huán)境惡化，減輕關(guān)中地區(qū)環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害，是實(shí)現(xiàn)陜西省水資源優(yōu)化配置且影響長(zhǎng)遠(yuǎn)的永久性措施。

1.2.9 YE供水KS隧洞

YE供水二期輸水工程KS隧洞全長(zhǎng)約283 km，為目前世界上最長(zhǎng)輸水隧洞。KS隧洞Ⅴ標(biāo)隧洞全長(zhǎng)43.847 km，工程具有“一洞雙機(jī)”“獨(dú)頭掘進(jìn)距離長(zhǎng)”“長(zhǎng)距離皮帶出渣”“小斷面”等特點(diǎn)，采用TBM掘進(jìn)及鉆爆施工相結(jié)合的方案進(jìn)行施工(見(jiàn)圖11)，其中TBM掘進(jìn)施工段長(zhǎng)41.115 km，采用2臺(tái)敞開(kāi)式TBM施工。隧道巖性主要以Ⅱ類(lèi)花崗巖、凝灰?guī)r為主，穿越2條次級(jí)斷層破碎帶，局部夾石墨礦化凝灰?guī)r，埋深較大段伴有中度滯后性巖爆，其中，花崗巖圍巖強(qiáng)度高，最高抗壓強(qiáng)度達(dá)182.9 MPa，平均抗壓強(qiáng)度在120 MPa以上。針對(duì)“一洞雙機(jī)”超特長(zhǎng)TBM獨(dú)頭掘進(jìn)施工，國(guó)內(nèi)無(wú)成熟經(jīng)驗(yàn)可參照，項(xiàng)目從掘進(jìn)與支護(hù)、皮帶機(jī)系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、風(fēng)水管線系統(tǒng)、其他保障系統(tǒng)等方面出發(fā)，對(duì)其施工技術(shù)和方法進(jìn)行了深入探索和實(shí)踐，創(chuàng)新形成了“特長(zhǎng)TBM隧道一洞雙機(jī)施工”的施工方法，實(shí)現(xiàn)了2臺(tái)TBM同時(shí)組裝、同時(shí)始發(fā)，具有較為明顯的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。2020年10月實(shí)現(xiàn)了采用單臺(tái)TBM獨(dú)頭掘進(jìn)15.474 km隧洞并貫通，標(biāo)志著我國(guó)超特長(zhǎng)隧洞TBM獨(dú)頭施工技術(shù)又取得新突破。

圖11 KS隧洞工程布置示意圖(單位： m)

1.2.10 滇中引水香爐山隧洞

滇中引水工程香爐山隧洞線路全長(zhǎng)62.596 km，最大埋深1 450 m。隧洞設(shè)計(jì)斷面為圓形、設(shè)計(jì)流量135 m3/s、設(shè)計(jì)縱坡1/1 800，采用“鉆爆法+TBM”組合施工(見(jiàn)圖12)，所采用“云嶺號(hào)”TBM于2020年5月8日成功下線(國(guó)內(nèi)在建水利工程最大直徑TBM，為9.83 m)。隧洞穿越多個(gè)地質(zhì)構(gòu)造和區(qū)域性大斷裂，巖溶水系發(fā)育，圍巖變換頻繁，工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜。隧洞施工過(guò)程中軟巖大變形、涌突水、高外水壓力、高地應(yīng)力巖爆、高地溫、巖溶溶洞等地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題突出[23-24]； 同時(shí)，還面臨23 km級(jí)超長(zhǎng)距離獨(dú)頭通風(fēng)、超長(zhǎng)距離獨(dú)頭運(yùn)輸?shù)仁┕ぜ夹g(shù)難題。

圖12 香爐山隧洞施工方案布置圖(單位： km)

通過(guò)升級(jí)、強(qiáng)化施工通風(fēng)、運(yùn)輸設(shè)備性能，優(yōu)化運(yùn)輸線路形式，加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，強(qiáng)化TBM針對(duì)性設(shè)計(jì)和輔助配套施工設(shè)施，并開(kāi)展施工過(guò)程中的科研攻關(guān)、技術(shù)優(yōu)化等工作，以保證隧洞安全、高效施工。滇中引水工程是解決云南省滇中地區(qū)水資源短缺問(wèn)題的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)工程，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益。香爐山隧洞是滇中引水工程全線最具代表性的深埋長(zhǎng)隧洞，為全線重點(diǎn)控制性工程。

1.2.11 其他重難點(diǎn)工程

1.2.11.1 深圳高速公路蓮塘隧道

2018年12月，世界最大斷面高速公路隧道——深圳高速公路蓮塘隧道成功貫通，該隧道開(kāi)挖斷面達(dá)428.5 m2，全長(zhǎng)2 650 m，包括2車(chē)道和3車(chē)道、超大斷面、漸變段和標(biāo)準(zhǔn)4車(chē)道等多種隧道形式。

1.2.11.2 廈門(mén)軌道交通2號(hào)線

廈門(mén)軌道交通2號(hào)線海滄大道站—東渡路站區(qū)間，是國(guó)內(nèi)首條采用盾構(gòu)法施工的過(guò)海地鐵隧道[25]，區(qū)間線路分為盾構(gòu)段和鉆爆法段，其中盾構(gòu)區(qū)間長(zhǎng)度約2.3 km，區(qū)間隧道覆土厚度為8.7～65.7 m，最大水土壓力約600 kPa，采用2臺(tái)直徑6.99 m復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)施工，成功克服了跨海段孤石密集段的不良影響，于2019年3月實(shí)現(xiàn)隧道貫通。

1.2.11.3 青島地鐵8號(hào)線

青島地鐵8號(hào)線大洋站—青島北站東側(cè)過(guò)海段為國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)過(guò)海地鐵隧道，采用“盾構(gòu)法+礦山法”相向施工(見(jiàn)圖13)，最小曲線半徑800 m，線路最大坡度28‰，區(qū)間最大埋深約51 m，最小埋深約26.49 m，于2020年1月20日貫通，創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)首例泥水盾構(gòu)3節(jié)分體始發(fā)和過(guò)海隧道泥水盾構(gòu)月均掘進(jìn)220 m共2項(xiàng)全國(guó)紀(jì)錄[26]。

圖13 青島地鐵8號(hào)線過(guò)海段地質(zhì)縱斷面圖

1.2.11.4 南京長(zhǎng)江五橋夾江隧道

南京長(zhǎng)江第五大橋夾江隧道全長(zhǎng)1.159 km，管片外徑15 m，采用直徑15.46 m盾構(gòu)施工，為國(guó)內(nèi)當(dāng)時(shí)在建最大直徑水下公路盾構(gòu)隧道。隧道施工過(guò)程中先后克服了淺覆土盾構(gòu)始發(fā)、下穿夾江大堤、超深基坑盾構(gòu)接收等施工風(fēng)險(xiǎn)，于2020年5月13日實(shí)現(xiàn)雙線貫通，為連接南京主城和江北新區(qū)起到了重要紐帶作用。

1.2.11.5 鄭萬(wàn)鐵路小三峽隧道

新建鄭州至萬(wàn)州鐵路重慶段小三峽隧道全長(zhǎng)18.954 km，為全線最長(zhǎng)隧道和控制性工程，處于水平循環(huán)帶，巖溶發(fā)育，穿越可溶巖地段長(zhǎng)達(dá)7.3 km，是目前亞洲時(shí)速350 km單洞雙線最長(zhǎng)高鐵隧道，于2020年7月26日實(shí)現(xiàn)貫通，為我國(guó)高速鐵路特長(zhǎng)隧道建設(shè)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1.2.11.6 濟(jì)南黃河隧道

濟(jì)南黃河隧道全長(zhǎng)4 760 m，其中盾構(gòu)段長(zhǎng)2 519 m，設(shè)計(jì)為雙管雙層、市政道路與軌道交通合建，上層為雙向6車(chē)道公路，下層為軌道交通，采用直徑15.76 m盾構(gòu)施工，是目前我國(guó)最大直徑公軌合建盾構(gòu)隧道[27]。其具有盾構(gòu)開(kāi)挖斷面大、掘進(jìn)距離長(zhǎng)、淺覆土、深基坑、高水壓、地質(zhì)情況復(fù)雜多變、穿越既有物等特點(diǎn)，先后克服了大斷面、長(zhǎng)距離、淺覆土、深基坑、高水壓、鈣質(zhì)結(jié)核和粉質(zhì)黏土不規(guī)則分布等技術(shù)難題，于2020年10月30日實(shí)現(xiàn)了東線貫通。

1.2.11.7 天山勝利隧道

烏魯木齊—尉犁高速公路天山勝利隧道全長(zhǎng)22.11 km，最大埋深1 112.6 m，是目前世界在建最長(zhǎng)的高速公路隧道，采用2臺(tái)直徑8.43 m多模式TBM施工。TBM于2020年4月28日下線，實(shí)現(xiàn)了TBM在國(guó)內(nèi)高速公路隧道中的首次應(yīng)用。該隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，存在巖爆、突涌水、高地應(yīng)力等不良地質(zhì)條件[28]，預(yù)計(jì)于2025年建成通車(chē)。

1.2.11.8 深中通道沉管隧道

深中通道沉管隧道全長(zhǎng)約6.8 km，為世界首例雙向8車(chē)道海底沉管隧道，也是目前世界上最寬的海底沉管隧道[29]，其斷面寬度達(dá)46～55.46 m，是世界上最長(zhǎng)、最寬的鋼殼混凝土沉管隧道，2020年6月18日實(shí)現(xiàn)首節(jié)沉管、西人工島實(shí)現(xiàn)對(duì)接。

1.3 主要技術(shù)進(jìn)步

1.3.1 行業(yè)規(guī)范

隨著大量的公路隧道工程的實(shí)施，公路隧道施工經(jīng)常面臨斷面大、地質(zhì)條件復(fù)雜、施工風(fēng)險(xiǎn)高等困難，“四新”技術(shù)得到不斷應(yīng)用，新型建筑材料和施工機(jī)械不斷出現(xiàn)，環(huán)保安全要求進(jìn)一步提升。為進(jìn)一步保障隧道工程施工的安全和質(zhì)量，交通運(yùn)輸部組織完成對(duì)JTG F60—2009《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》的修訂工作，發(fā)布了JTG/T 3660—2020《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》作為公路工程行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)，自2020年8月1日起施行。新規(guī)范對(duì)3車(chē)道、4車(chē)道開(kāi)挖方法選擇，支護(hù)參數(shù)選定，預(yù)留變形量設(shè)置，對(duì)向開(kāi)挖兩工作面安全施工距離控制，質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)控量測(cè)測(cè)點(diǎn)布置等均給出了規(guī)定；在規(guī)定公路隧道施工過(guò)程控制標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)施工各工序、各環(huán)節(jié)的技術(shù)、工藝、質(zhì)量、材料進(jìn)一步給出了具體的要求，增加了公路隧道施工安全環(huán)保技術(shù)的強(qiáng)制性要求。

JTG/T 5440—2018《公路隧道加固技術(shù)規(guī)范》、JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程》，自2019年5月1日起施行，原JTG D70—2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》及其英文版廢止。

1.3.2 隧道勘察設(shè)計(jì)

1)GIS技術(shù)。通過(guò)計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)對(duì)信息實(shí)現(xiàn)資源共享、勘察設(shè)計(jì)的優(yōu)化、更科學(xué)更系統(tǒng)的策劃，更多的地質(zhì)信息在建筑工程中得到了很好的應(yīng)用。

2)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)。集成遙感傳感器技術(shù)、POS定位定向技術(shù)和GPS差分技術(shù)具備自動(dòng)化、智能化特點(diǎn)，能夠獲取國(guó)土、資源、環(huán)境等空間信息，采用數(shù)據(jù)快速處理系統(tǒng)作為技術(shù)支撐，進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、建模。

3)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是以計(jì)算機(jī)視覺(jué)代替人眼的立體觀測(cè)，所使用的儀器最終只是通用計(jì)算機(jī)及其相應(yīng)外部設(shè)備；其產(chǎn)品是數(shù)字形式的，傳統(tǒng)的產(chǎn)品只是該數(shù)字產(chǎn)品的模擬輸出。其全數(shù)字化、全自動(dòng)化的優(yōu)良性能為數(shù)字化勘察設(shè)計(jì)提供了可靠的數(shù)據(jù)源。

4)高分辨率衛(wèi)星遙感技術(shù)。應(yīng)用航天遙感技術(shù)所獲得的衛(wèi)星相片，具有廣闊的視域、逼真的影像、豐富的信息。隨著衛(wèi)星遙感圖像的定位精度越來(lái)越高，空間分辨率越來(lái)越細(xì)，為宏觀地分析地質(zhì)情況提供了方便的條件，能解譯出區(qū)域路網(wǎng)和經(jīng)濟(jì)布局，道路沿線的各種最新的自然、經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象。

5)高精度GPS-RTK技術(shù)。該技術(shù)能真正實(shí)現(xiàn)高精度的一次測(cè)量、三維定位，大大減少甚至取代繁瑣、困難、精度難保證的常規(guī)地面測(cè)量作業(yè)，工作效率大幅提升，加快了隧道勘察設(shè)計(jì)進(jìn)度。

1.3.3 高地應(yīng)力軟巖變形控制技術(shù)

在大埋深及高地應(yīng)力作用下，部分軟質(zhì)巖層和破碎巖體強(qiáng)度不足以承受隧道開(kāi)挖后重新分布的圍巖應(yīng)力，易發(fā)生擠壓性大變形，變形量大、變形速率高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、具有明顯的流變現(xiàn)象，對(duì)工程安全影響極大。以前多采用“強(qiáng)支硬頂”的方式，導(dǎo)致要多次拆換拱；后來(lái)在蘭渝鐵路木寨嶺隧道按照“先放后抗、抗放結(jié)合、錨固加強(qiáng)”理念，采用“超前導(dǎo)洞釋放+圓形4層支護(hù)結(jié)構(gòu)”方案使變形得到了控制[30]，但仍存在優(yōu)化空間。

近年來(lái)，高地應(yīng)力軟巖變形控制技術(shù)得以逐步完善，目前主要采用“預(yù)留余量、先柔后剛、先放后抗”理念，并在渭武高速公路木寨嶺隧道施工中進(jìn)行了應(yīng)用。該隧道全長(zhǎng)15.2 km，最大埋深629.1 m，全隧均為Ⅴ級(jí)圍巖，巖性為礫巖、斷層壓碎巖、炭質(zhì)板巖、千枚化炭質(zhì)板巖、砂巖等，以軟質(zhì)炭質(zhì)板巖為主；隧址范圍內(nèi)褶皺帶活動(dòng)強(qiáng)烈、近東西走向斷層發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜，共有3個(gè)背斜、3個(gè)向斜構(gòu)造、6處褶皺、12條斷層，最大水平主應(yīng)力為24.95 MPa，以“極高地應(yīng)力軟巖”著稱(chēng)。通過(guò)采用NPR錨網(wǎng)索新技術(shù)施工(見(jiàn)圖14)[31]，解決了頻繁拆換拱和多層支護(hù)問(wèn)題，起到很好的效果。

(a) NPR錨索技術(shù)原理示意圖 (b) 實(shí)施效果圖

NPR錨索在錨桿(索)軸力大于恒阻力后，仍有一定的抵抗變形能力，因而不會(huì)出現(xiàn)突然斷裂失效的破壞現(xiàn)象。當(dāng)圍巖產(chǎn)生一定形變時(shí)，NPR錨索隨之拉伸變形，圍巖變形能得以緩解釋放；當(dāng)圍巖重新穩(wěn)定后，NPR錨索在拉伸變形之后仍保持穩(wěn)定的支護(hù)阻力，并可在地層基本穩(wěn)定后，進(jìn)行二次張拉，長(zhǎng)期受力。

1.3.4 高地應(yīng)力巖爆監(jiān)測(cè)及處治技術(shù)

巖爆是指在具有高地應(yīng)力的巖體中進(jìn)行洞室開(kāi)挖，洞周巖體受內(nèi)部集中應(yīng)力釋放，經(jīng)歷張性劈裂、破裂成塊和巖塊彈裂等階段，從巖面以一定初速度釋放出來(lái)。脆性硬質(zhì)巖石及高地應(yīng)力是巖爆發(fā)生的主要條件，按巖爆的不同特征和影響程度一般分為4級(jí)： 輕微、中等、強(qiáng)烈和極強(qiáng)。利用系統(tǒng)工法和綜合措施，通過(guò)誘導(dǎo)、釋放、鎖錨和防護(hù)等方式及圍巖自身控制以盡量降低巖爆的危害。近年來(lái)，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在隧道施工中得到了更深入的應(yīng)用，針對(duì)即時(shí)型巖爆、滯后型巖爆的發(fā)生位置、巖爆等級(jí)等信息預(yù)測(cè)有了新的突破[32-33]。針對(duì)各類(lèi)型巖爆的防治技術(shù)，基于引漢濟(jì)渭引水隧洞建設(shè)，中鐵隧道局摸索建立了一套巖爆防治措施。1)輕微巖爆：φ12鋼筋排+普通鋼筋網(wǎng)片+預(yù)應(yīng)力錨桿+局部格柵拱架+C20噴混凝土。2)中等巖爆： H125型鋼拱架(間距0.6～0.9 m)+φ18鋼筋排+φ25漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿+C20納米纖維混凝土。3)強(qiáng)烈?guī)r爆： 超前應(yīng)力釋放孔+H150型鋼拱架(間距0.6 m)+φ22鋼筋排+縱向型鋼連接+φ32漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿+C20納米纖維混凝土。4)極強(qiáng)巖爆： 遵循“加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、超前釋放、錨桿加密、拱架消能”的施工原則。引漢濟(jì)渭工程巖爆分級(jí)處理措施見(jiàn)圖15。

(a) 輕微巖爆 (b) 中等巖爆

(c) 強(qiáng)烈?guī)r爆 (d) 極強(qiáng)巖爆

盡管巖爆監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)技術(shù)有了較大進(jìn)展，但極強(qiáng)巖爆在時(shí)間、空間上難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和控制。TBM針對(duì)極強(qiáng)巖爆的應(yīng)對(duì)手段有限，應(yīng)先采用超前水錘鉆機(jī)實(shí)施應(yīng)力釋放或超前應(yīng)力解除爆破(水錘鉆機(jī)頂部鉆孔爆破應(yīng)力釋放、掌子面中部手風(fēng)鉆鉆孔爆破應(yīng)力釋放、超前小導(dǎo)洞應(yīng)力釋放等模式)，然后再評(píng)估能否繼續(xù)采用TBM施工，能施工則參照強(qiáng)烈?guī)r爆治理措施進(jìn)行施工。目前，對(duì)于巖爆發(fā)生時(shí)間還不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，且滯后性強(qiáng)巖爆發(fā)生頻率逐步增大，對(duì)巖爆的治理形成較大制約。巖爆作為世界性技術(shù)難題，其治理措施還需要繼續(xù)摸索與實(shí)踐驗(yàn)證。

1.3.5 高地震烈度區(qū)復(fù)雜地層大直徑盾構(gòu)隧道修建技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)汕頭海灣隧道在8度地震區(qū)的安全修建及安全運(yùn)營(yíng)，柔性消能節(jié)點(diǎn)特殊結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新及應(yīng)用(見(jiàn)圖16)是我國(guó)水下隧道的一項(xiàng)重大突破[34]。該技術(shù)基于“連接加強(qiáng)、誘導(dǎo)變形、集中消能、低模隔震記憶恢復(fù)”的總體思路，采用C60鋼筋混凝土管片，局部連接螺栓由6.8級(jí)提高到8.8級(jí)，對(duì)于地層剛度變化大的部位，設(shè)置誘導(dǎo)、消能節(jié)點(diǎn)，并采用形狀記憶合金構(gòu)件。該合金具有超彈性，可恢復(fù)應(yīng)變達(dá)8%、極限應(yīng)變達(dá)17%甚至更多，震后能夠自恢復(fù)變形。

(a) 柔性消能節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)原理圖

(b) 柔性減震管片環(huán)

同時(shí)，針對(duì)強(qiáng)度達(dá)216 MPa巖石與海相淤泥組合地層所帶來(lái)的掘不進(jìn)、易失穩(wěn)、掘進(jìn)參數(shù)控制難等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了刀具與掘進(jìn)狀態(tài)智能感知與判釋系統(tǒng)，開(kāi)創(chuàng)了水下極硬巖與極軟土體組合地層盾構(gòu)直接掘進(jìn)的先河，創(chuàng)建了“可感、可知、可掘、可穩(wěn)”的復(fù)雜地層盾構(gòu)施工技術(shù)體系[35]。2020年8月7日，我國(guó)自主研制的國(guó)產(chǎn)首臺(tái)15 m級(jí)超大直徑泥水盾構(gòu)成功穿越汕頭海灣。

1.3.6 國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)/TBM裝備制造技術(shù)

2019年6月22日，首臺(tái)采用4.8 m級(jí)國(guó)產(chǎn)主軸承再制造盾構(gòu)(直徑11.7 m)在天津下線，用于浙江舟山魯家峙海底公路隧道項(xiàng)目； 2020年10月27日，我國(guó)首臺(tái)采用國(guó)家強(qiáng)基工程國(guó)產(chǎn)3 m級(jí)主軸承(見(jiàn)圖17)盾構(gòu)成功通過(guò)試掘進(jìn)驗(yàn)收。

圖17 國(guó)家強(qiáng)基工程國(guó)產(chǎn)3 m級(jí)主軸承

2020年10月，世界最大直徑(15.08 m)國(guó)產(chǎn)單護(hù)盾TBM主機(jī)在國(guó)內(nèi)組裝完成，用于格魯吉亞南北走廊Kvesheti—Kobi公路項(xiàng)目建設(shè)。針對(duì)長(zhǎng)距離、大埋深、巖石硬度高帶來(lái)的施工難題，該TBM采用超大直徑主動(dòng)鉸接系統(tǒng)、雙速減速機(jī)系統(tǒng)、箱涵同步拼裝等針對(duì)性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)姿態(tài)精確調(diào)整和大埋深設(shè)備強(qiáng)脫困功能，使設(shè)備在不同地質(zhì)條件下具有良好掘進(jìn)能力。國(guó)內(nèi)最大直徑(9.83 m)國(guó)產(chǎn)敞開(kāi)式TBM于2020年5月8日在德陽(yáng)下線，用于滇中引水工程建設(shè)，該TBM具備拼裝型鋼骨架的新型拱架安裝器、自動(dòng)接桿能力的錨桿鉆機(jī)、L1區(qū)具備應(yīng)急濕噴能力的自動(dòng)化噴頭等，可解決“巖爆、大變形、斷層破碎帶”等行業(yè)性難題。應(yīng)用于浙江嘉興下穿南湖大道工程的世界最大斷面國(guó)產(chǎn)土壓平衡矩形盾構(gòu)，采用6前8后多刀盤(pán)組合開(kāi)挖設(shè)計(jì)、盾體分塊優(yōu)化設(shè)計(jì)、多螺機(jī)出渣設(shè)計(jì)、自動(dòng)減摩等技術(shù)，解決了超大斷面矩形盾構(gòu)施工一次開(kāi)挖成型、主機(jī)姿態(tài)控制以及土體沉降控制等技術(shù)難題，并于2020年10月21日成功下穿南湖大道。

針對(duì)斷層破碎帶地層，中鐵裝備成功開(kāi)發(fā)了雙結(jié)構(gòu)TBM(見(jiàn)圖18)，在不改變傳統(tǒng)敞開(kāi)式TBM主要結(jié)構(gòu)和主要功能的基礎(chǔ)上，增加了管片支護(hù)和輔助推進(jìn)的功能。目前已成功應(yīng)用于川藏鐵路色季拉山隧道。

圖18 雙結(jié)構(gòu)TBM

1.3.7 新型破巖技術(shù)

當(dāng)遇到超硬巖石時(shí)，TBM便會(huì)出現(xiàn)破巖困難、掘進(jìn)效率低、主軸承壽命短、刀具磨損嚴(yán)重等系列問(wèn)題，提高TBM在極硬巖地層破巖效率，用“水刀”和“滾刀”共同破巖成為一種可行途徑。高壓水耦合破巖技術(shù)利用超高壓水力射流沖切巖石成槽，為滾刀切割巖石提供自由面，同時(shí)水力劈裂巖石形成不規(guī)則裂縫，形成的環(huán)痕與滾刀的環(huán)痕有效疊加，可顯著提高滾刀貫入速度，減少滾刀法向推力，延長(zhǎng)主軸承使用壽命，不僅能解決TBM施工中超硬巖破巖問(wèn)題，還能進(jìn)一步加快中硬巖掘進(jìn)速度[36]。2019年6月18日，國(guó)內(nèi)首臺(tái)高壓水力耦合破巖掘進(jìn)機(jī)(敞開(kāi)式TBM)下線，應(yīng)用于福建萬(wàn)安溪引水隧洞工程建設(shè)。

1.3.8 大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)

隧道機(jī)械化配套成為趨勢(shì)，智能終端開(kāi)始規(guī)模化的改進(jìn)和應(yīng)用，群組裝備全方位監(jiān)測(cè)和統(tǒng)一信息化管理，為大數(shù)據(jù)在隧道及地下工程中的智能應(yīng)用奠定了一定基礎(chǔ)。BIM技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于隧道及地下工程，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)/施工協(xié)同，有助于提升隧道及地下工程設(shè)計(jì)-施工-運(yùn)維全生命周期管理。工程管理信息系統(tǒng)已經(jīng)成熟應(yīng)用于隧道工程，實(shí)現(xiàn)了工程建造數(shù)字信息化管控；行業(yè)大數(shù)據(jù)中心已經(jīng)初具規(guī)模，基于大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的盾構(gòu)/TBM巡航掘進(jìn)開(kāi)始行業(yè)應(yīng)用，為隧道及地下工程智能建造提供了輔助決策。

1.3.9 科技創(chuàng)新系統(tǒng)又添新成員

2020年3月，依托重慶交通大學(xué)建設(shè)的省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室正式獲批，其主要圍繞“山區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)行為與控制、山區(qū)橋梁智能感知與維護(hù)、山區(qū)隧道力學(xué)行為與運(yùn)營(yíng)安全”3個(gè)方面開(kāi)展研究；廣東省隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護(hù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于2020年2月獲批建設(shè)，其著力構(gòu)建隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與評(píng)價(jià)、隧道結(jié)構(gòu)全壽命周期維護(hù)2大體系，建立以隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控系統(tǒng)等大型試驗(yàn)平臺(tái)資源共享為核心的開(kāi)放型科研創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，形成廣東省乃至全國(guó)隧道工程全壽命周期健康狀況數(shù)據(jù)庫(kù)，為隧道建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理提供病害預(yù)報(bào)、成因評(píng)價(jià)及智能維護(hù)等方面的科學(xué)方法。

2 隧道及地下工程的建設(shè)技術(shù)需求

近年來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)隧道工程呈現(xiàn)出建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高、速度快、長(zhǎng)度長(zhǎng)、斷面大、地質(zhì)復(fù)雜、工期短等顯著特點(diǎn)，并且高海拔、大埋深、高巖溫、強(qiáng)富水、擠壓性圍巖和有害氣體等復(fù)雜地質(zhì)隧道逐漸增多，城市區(qū)復(fù)雜環(huán)境隧道和跨越江海的水下隧道也呈快速增長(zhǎng)之勢(shì)。同時(shí)，國(guó)家“十四五”規(guī)劃提出“加快建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)，實(shí)施川藏鐵路、西部陸海新通道、國(guó)家水網(wǎng)等重大工程，推進(jìn)一批強(qiáng)基礎(chǔ)、增功能、利長(zhǎng)遠(yuǎn)的重大項(xiàng)目建設(shè)”。未來(lái)，我國(guó)隧道及地下工程將獲得更大的發(fā)展空間，同時(shí)也將面臨前所未有的難題和挑戰(zhàn)。

2.1 穿江越海隧道建設(shè)技術(shù)

在《國(guó)務(wù)院關(guān)于依托黃金水道推動(dòng)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》、《長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶綜合立體交通走廊規(guī)劃(2014—2020年)》等政策相繼發(fā)布之后，國(guó)家發(fā)展改革委于2020年又發(fā)布《長(zhǎng)江干線過(guò)江通道布局規(guī)劃(2020—2035年)》。規(guī)劃中指出，目前過(guò)江通道仍存在通道總量偏少、部分通道負(fù)荷較重、資源利用水平不高等亟待解決的矛盾和問(wèn)題，到2025年，建成過(guò)江通道180座左右，到2035年，建成過(guò)江通道240座左右，另長(zhǎng)江下游等重點(diǎn)河段應(yīng)堅(jiān)持“少橋多隧”“宜隧則隧”的原則。

隨著長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶規(guī)劃、粵港澳大灣區(qū)等政策的推進(jìn)落地，跨江越海隧道將會(huì)越來(lái)越多，同時(shí)也將遇到更多、更難的技術(shù)問(wèn)題，如在建和即將開(kāi)工建設(shè)的深圳望海路隧道、汕頭灣隧道、江陰海太過(guò)江隧道等，均或多或少面臨10 km以上超長(zhǎng)距離、15 m以上超大直徑、超深覆土、超高水壓等建設(shè)難題。超長(zhǎng)跨江越海隧道工程在建設(shè)理念、建設(shè)目標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)體系、設(shè)計(jì)方法、施工工藝、設(shè)備材料、運(yùn)維管理等方面，亟需進(jìn)行系統(tǒng)的創(chuàng)新與改進(jìn)，同時(shí)為渤海海峽、瓊州海峽等跨海通道建設(shè)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

2.2 極端復(fù)雜地質(zhì)TBM施工技術(shù)

川藏鐵路沿線自然環(huán)境惡劣、交通不便、基礎(chǔ)資料匱乏，傳統(tǒng)人工野外勘察技術(shù)可靠性低、效率低、周期長(zhǎng)、時(shí)效性差，區(qū)域地質(zhì)復(fù)雜，地勘資料難以準(zhǔn)確，為工程設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)了極大困難。其中，新建雅安—林芝段正線長(zhǎng)度為1 011 km，隧道總長(zhǎng)占比83%，沿線地質(zhì)復(fù)雜，主要體現(xiàn)為： 地質(zhì)構(gòu)造多(4個(gè)一級(jí)構(gòu)造、12個(gè)二級(jí)構(gòu)造)、活動(dòng)斷裂發(fā)育(3條一級(jí)構(gòu)造邊界斷裂、3條二級(jí)構(gòu)造邊界斷裂、7條一般構(gòu)造斷裂)、高地震烈度(全線50%路段設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度達(dá)到0.2g及以上)、高地應(yīng)力(最大水平主應(yīng)力為64 MPa)、高地?zé)?約15條隧道可能存在高溫?zé)岷?等。川藏鐵路長(zhǎng)大隧道密集，區(qū)域板塊活動(dòng)強(qiáng)烈，高地應(yīng)力軟巖大變形和硬巖強(qiáng)烈?guī)r爆問(wèn)題突出，預(yù)計(jì)軟巖大變形段長(zhǎng)147 km、巖爆段長(zhǎng)170 km，高地應(yīng)力隧道軟巖變形控制和硬巖巖爆防治是川藏鐵路隧道建設(shè)的2大工程難題。

針對(duì)川藏鐵路隧道極軟地層大變形、極硬地層巖爆等問(wèn)題，應(yīng)逐步建立完善TBM法隧道場(chǎng)解重構(gòu)理論、革新極端地質(zhì)隧道設(shè)計(jì)理念，開(kāi)發(fā)集超前感知、超前加固、及時(shí)支護(hù)于一體的廣域適應(yīng)性TBM裝備，建立理論-裝備-工法協(xié)同及大數(shù)據(jù)智能導(dǎo)航的極端復(fù)雜地質(zhì)TBM施工技術(shù)體系。

2.3 新型破巖方法

TBM和盾構(gòu)刀盤(pán)的設(shè)計(jì)與巖石性質(zhì)和地質(zhì)條件具有密切關(guān)系。巖石強(qiáng)度是影響TBM盤(pán)形滾刀壽命和貫入度的重要參數(shù)，而微波照射可顯著降低巖石強(qiáng)度，巖石強(qiáng)度的降低可在一定程度上提高盤(pán)形滾刀的壽命和貫入度，降低CAI耐磨性指數(shù)以及滾刀切入巖石所需要的推力。因此，將硬巖微波致裂技術(shù)引入到TBM和盾構(gòu)中，通過(guò)微波預(yù)裂堅(jiān)硬巖石或孤石，使巖石強(qiáng)度降低，從而降低刀具的磨損程度，增加刀具使用壽命，顯著提高掘進(jìn)效率，進(jìn)而解決TBM開(kāi)挖硬巖隧道刀具磨損嚴(yán)重和盾構(gòu)破碎孤石的問(wèn)題。另外，電弧破巖、激光破巖等新型破巖方式也值得進(jìn)一步探索與嘗試。

2.4 新型多功能混合型TBM

針對(duì)軟巖大變形地層，開(kāi)發(fā)雙支護(hù)TBM，既具備護(hù)盾式TBM的基本功能，又有能適應(yīng)大變形洞段、避免主機(jī)被卡的措施。針對(duì)大埋深高水壓地層，突破了多種出渣方式同時(shí)共存的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了具有閉式TBM-土壓平衡-泥水平衡3種掘進(jìn)模式的多模式TBM(見(jiàn)圖19)。

(a) 雙支護(hù)TBM

(b) 多模式TBM

2.5 低真空管道磁浮隧道建設(shè)技術(shù)

真空管道運(yùn)輸系統(tǒng)作為一種新型交通系統(tǒng)，具有快速、便捷、安全、環(huán)保、高效等優(yōu)勢(shì)，目前各國(guó)研究機(jī)構(gòu)正在對(duì)真空管道系統(tǒng)進(jìn)行不斷設(shè)計(jì)和改良。關(guān)于真空管道運(yùn)輸系統(tǒng)的研究主要集中在列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)方面，而管道是整個(gè)系統(tǒng)的載體，對(duì)系統(tǒng)的安全可靠和成本控制有著至關(guān)重要的作用，因此，非常有必要針對(duì)低真空管道磁懸浮隧道建設(shè)開(kāi)展研究。由于現(xiàn)有的拼裝管片接縫較多，如何保證接頭處的密封性能成為關(guān)鍵問(wèn)題。開(kāi)展低真空環(huán)境下現(xiàn)有管片結(jié)構(gòu)的密封材料研究，以及管片結(jié)構(gòu)型式的針對(duì)性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)研究，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證材料及結(jié)構(gòu)型式的可靠性，探索適用于低真空環(huán)境的隧道管片結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖20)。

圖20 低真空原型管片試驗(yàn)方案效果圖

2.6 隧道運(yùn)維及病害智能診斷與快速修復(fù)技術(shù)

我國(guó)公路隧道即將進(jìn)入到建設(shè)與運(yùn)維并重的階段，但重建輕養(yǎng)的現(xiàn)象依然很?chē)?yán)重。目前公路隧道運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)與設(shè)計(jì)、施工存在明顯的脫節(jié)現(xiàn)象。一方面，前期隧道建設(shè)過(guò)程中對(duì)后期運(yùn)營(yíng)環(huán)節(jié)考慮不足； 另一方面，后期養(yǎng)護(hù)管理對(duì)隧道規(guī)劃設(shè)計(jì)思路、建設(shè)過(guò)程不了解，造成養(yǎng)護(hù)工作存有盲目性、養(yǎng)護(hù)效率低、養(yǎng)護(hù)資源浪費(fèi)等。距離科學(xué)養(yǎng)護(hù)管理仍然差距較大，仍存在“建、管、養(yǎng)”分離、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)混亂、評(píng)定系統(tǒng)不完善等挑戰(zhàn)。

我國(guó)公路隧道建設(shè)技術(shù)和理論水平發(fā)展迅速，已逐漸步入“綠色建設(shè)期”，采用隧道建養(yǎng)并行模式。利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、5G、AI等數(shù)字化技術(shù)手段，將隧道運(yùn)營(yíng)期的結(jié)構(gòu)病害整治與建設(shè)期的結(jié)構(gòu)施工數(shù)據(jù)有效融合，實(shí)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)病害原因的可追溯性。基于全壽命周期管理理念，建立隧道建養(yǎng)一體化平臺(tái)，以信息化、智能化實(shí)現(xiàn)建養(yǎng)一體化來(lái)引領(lǐng)公路隧道工程現(xiàn)代化發(fā)展；進(jìn)一步加強(qiáng)3D打印混凝土技術(shù)、隧道襯砌智能檢測(cè)技術(shù)、隧道健康管理大數(shù)據(jù)平臺(tái)等技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，力爭(zhēng)到2030年實(shí)現(xiàn)“人工+物聯(lián)網(wǎng)+機(jī)器”的半自動(dòng)化診斷與維護(hù)，到2035年實(shí)現(xiàn)全智能作業(yè)。

3 問(wèn)題與思考

3.1 隧道場(chǎng)解重構(gòu)理論

隧道是在地質(zhì)域中通過(guò)開(kāi)挖形成的、與地層融合為一體的、具有一定凈空面積的條形構(gòu)筑物。建造隧道實(shí)質(zhì)上是對(duì)一定范圍地質(zhì)體的解構(gòu)與重構(gòu)的活動(dòng)，并形成隧道場(chǎng)(見(jiàn)圖21)。

圖21 隧道場(chǎng)示意圖

對(duì)巖土體不確定性的認(rèn)知，加上建設(shè)過(guò)程中的變異性，期望用純力學(xué)方法解決隧道工程問(wèn)題是不現(xiàn)實(shí)的。隧道的形成過(guò)程，首先是隧道場(chǎng)的解構(gòu)，然后是隧道場(chǎng)的重構(gòu)。解重構(gòu)理論從隧道場(chǎng)的剛度分布、誘導(dǎo)應(yīng)力調(diào)整、形變能轉(zhuǎn)移，構(gòu)建解構(gòu)度和重構(gòu)度(見(jiàn)圖22)。隧道場(chǎng)的解構(gòu)使得隧道臨空面由三維應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎S應(yīng)力狀態(tài)，其能量大幅度釋放。隧道場(chǎng)解重構(gòu)引起能量變化： 隧道場(chǎng)解構(gòu)釋能如巖石斷裂、裂隙擴(kuò)展、早期變形等釋放，這是不可逆的。隧道場(chǎng)重構(gòu)吸能： 在支護(hù)的協(xié)同作用下，一部分由支護(hù)體吸收消化，一部分由隧道場(chǎng)中的巖土體儲(chǔ)存。傳統(tǒng)隧道工程理念方法難以解決川藏鐵路隧道等極端復(fù)雜地質(zhì)隧道工程的關(guān)鍵性難題，隧道場(chǎng)解重構(gòu)理論方法可能是一個(gè)新的途徑[35]。

圖22 隧道場(chǎng)解重構(gòu)原理圖

3.2 大數(shù)據(jù)與智能化技術(shù)應(yīng)用

由于隧道建設(shè)環(huán)境的復(fù)雜多變性，隧道建設(shè)技術(shù)的智能化程度相對(duì)其他行業(yè)要滯后許多。但隨著“智能化”“智慧化”“智能建造”等概念的普及，相關(guān)政策的落地，以及大數(shù)據(jù)等輔助技術(shù)的日趨完善，“十四五”期間，隧道建設(shè)部分工序的智能化水平將得到進(jìn)一步深化，整體智能化建造水平也將會(huì)得到明顯提高。應(yīng)堅(jiān)持以定性思維促進(jìn)定量化隧道技術(shù)的實(shí)施，開(kāi)展以建立地質(zhì)信息、解構(gòu)行為、重構(gòu)效應(yīng)、場(chǎng)態(tài)感知、裝備信息互饋為主體的隧道工程大數(shù)據(jù)研究，充分應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)深度挖掘分析隧道全生命周期數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，推進(jìn)隧道建造與運(yùn)維技術(shù)的提升。

3.2.1 隧道工程實(shí)現(xiàn)智能建造的難點(diǎn)

1)微觀層面的實(shí)時(shí)地質(zhì)智能感知； 2)隧道場(chǎng)巖土體隨隧道開(kāi)挖后，圍巖的物理力學(xué)性能感知； 3)隧道開(kāi)挖過(guò)程中，隧道場(chǎng)巖土體不同時(shí)段的位移感知； 4)隧道工程的微震監(jiān)測(cè)與判識(shí)。

3.2.2 隧道工程智能建造步序設(shè)想

1)地質(zhì)勘察： 區(qū)域地質(zhì)調(diào)繪與大地勘測(cè)(宏觀)—地質(zhì)鉆探及試驗(yàn)(局部細(xì)觀)—施工中實(shí)時(shí)地質(zhì)智能感知(微觀)。

2)隧道設(shè)計(jì)： 量化趨勢(shì)的定性設(shè)計(jì)—定性的動(dòng)態(tài)量化設(shè)計(jì)。由于對(duì)隧道場(chǎng)巖土體不確定性的認(rèn)知及其建造過(guò)程中的變異性，采用傳統(tǒng)的力學(xué)模型進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)會(huì)妨礙隧道工程的智能建造。鑒于隧道工程地質(zhì)不確定性認(rèn)知和不同行為導(dǎo)致變異的差異性，在高速度、低延時(shí)通訊下，數(shù)字信息AI技術(shù)為隧道工程智能建造與運(yùn)維提供了契機(jī)。

3)隧道施工： 智能決策開(kāi)挖方法—智能決策支護(hù)參數(shù)—智能實(shí)施各工序。隧道施工各工序的智能化、自動(dòng)化、機(jī)械化，主要體現(xiàn)為盾構(gòu)/TBM法的掘進(jìn)智能化、支護(hù)自動(dòng)化，鉆爆法的鉆孔及裝藥自動(dòng)化、噴射混凝土智能化、錨桿施作智能化、拱架安裝機(jī)械化、防水板鋪設(shè)自動(dòng)化、襯砌施工半智能化等。

4)隧道運(yùn)維： 智能巡檢隧道狀態(tài)—智能評(píng)估與決策—智能維護(hù)和病變修復(fù)。

實(shí)現(xiàn)隧道工程建造與運(yùn)維全鏈路智能是“網(wǎng)絡(luò)+數(shù)字”時(shí)代的必然選擇，但應(yīng)清醒地認(rèn)識(shí)到仍任重道遠(yuǎn)。隧道工程多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合治理機(jī)制、隧道場(chǎng)解重構(gòu)的場(chǎng)變機(jī)制與控制方法、隧道表層變異對(duì)隧道場(chǎng)安全的評(píng)價(jià)等科學(xué)問(wèn)題，高效實(shí)時(shí)的地質(zhì)感知、隧道施工與維護(hù)的智能裝備等技術(shù)問(wèn)題，都有待進(jìn)一步研究并取得突破。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)隧道及地下工程在“十三五”期間取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步與發(fā)展，對(duì)于“智能化”“智慧化”“5G”等先進(jìn)理念與技術(shù)在“十四五”期間的進(jìn)一步落地，既要抓住歷史機(jī)遇、緊跟時(shí)代步伐，同時(shí)也要充分結(jié)合隧道及地下工程的復(fù)雜性、多變性、不可預(yù)測(cè)性等特點(diǎn)，有目的、有計(jì)劃地促進(jìn)先進(jìn)技術(shù)與隧道及地下工程的有機(jī)融合，以期為我國(guó)隧道及地下工程領(lǐng)域帶來(lái)更好的發(fā)展。