0 引言
随着社会经济和科学技术的不断发展,我国城市地下空间建设规模持续增长。 地铁、地下停车场以及综合管廊等地下工程的建设,是实现社会可持续发展、建设资源节约型和环境友好型社会的重要途经[1-2]。
我国城市地下空间建设总量在“十二五”规划以来显著增加,年均增速 20%以上,其中约 60%是在“十二五”规划期间完成的;“十三五”规划期间我国基于轨道交通和综合管廊的地下交通和市政设施,在建设规模、建设水平、运维管理等多个方面已赶超世界;盾构法施工在城市地铁建设中发挥着重要作用,“十四五”规划期间及更远时间内,盾构法在城市地下空间建设中仍然占据主导地位。
盾构法施工技术在地铁、市政公路、城市铁路、城市水工隧洞、城市综合管廊等工程中得到广泛应用,已成为我国重大地下工程领域不可或缺的关键技术。 当前国产盾构产销量已跃居世界第一,国内占有率从2008 年以前的 0 增加到现在的 90%以上。 我国相关学者已经对盾构施工技术的发展进行了总结和论述。
例如: 刘仁鹏[3]在 1985 年介绍了我国盾构施工技术的应用情况,随后王振信[4]、张凤祥等[5]、薛备芳[6]、洪开荣[7]、傅德明等[8]、陈馈等[9-10] 学者对我国不同阶段盾构技术的发展及应用情况进行了总结和分析,并提出了相应建议我国大直径盾构隧道发展起步阶段为 2000—2010 年,快速跨越式发展阶段为 2010 年至今。 经过20 多年的发展,我国大直径盾构隧道在勘察规划、工程设计、装备制造、规范、材料和施工技术管理等方面积累了丰富的经验和教训,大直径盾构隧道综合技术达到了国际领先水平[11-14]。
鉴于我国战略性的发展需求,隧道断面尺寸不断增大,埋深越来越大,区间距离也越来越长[15]。
由于我国不同地区地质条件差异很大,长距离隧道在开挖过程中遭遇的复杂地质越来越多,如上土下岩地层、超软土地层和砂卵石地层等,盾构刀盘刀具磨损严重[16]。 随着科技不断进步,大数据、云计算、人工智能、物联网、卫星通信、5G、区块链等新一代信息技术快速发展,自动化与智能化已经成为盾构施工的主要发展方向之一。
本文总结了我国城市盾构法隧道的概况,阐述了城市盾构法隧道面临的挑战,梳理了盾构法隧道工程技术的新进展,介绍了盾构智能化掘进技术,指出了未来盾构法隧道的发展方向,以期为我国城市盾构法隧道的修建和盾构装备技术的发展提供借鉴。
1 城市盾构法隧道概况
我国是世界上隧道建设规模最大、地质条件和结构形式最复杂、修建技术发展速度最快的国家。 盾构法隧道具有安全性高、建设速度快、质量可控性好的优势,在地铁隧道、市政公路隧道、城市铁路隧道、城市水工隧洞、城市综合管廊等各个领域的隧道工程建设中发挥了越来越重要的作用。
1. 1 地铁隧道
随着我国城市化进程加快,城市交通堵塞问题越来越凸显,地铁作为解决道路堵塞的有力交通工具,为城市公共交通事业做出了巨大贡献。 根据《 2023—2029 年中国地铁行业市场现状分析及市场前景评估报告》《2024—2030 年中国地铁建设行业市场发展监测及投资潜力预测报告》 统计分析,中国地铁运营线路长 度 由 2011 年 的 1 401 km 增 长 至 2022 年 的8 008. 17 km,呈现高速增长态势。 我国地铁运营线路长度统计如图 1 所示。
图 1 我国地铁运营线路长度统计
地铁隧道从结构上分为单洞单线和单洞双线 2 种基本形式。 单洞单线式隧道,列车去行和回行区间各自采用单独的隧道;单洞双线式隧道,列车去行和回行区间共用同一条隧道,隧道宽度一般不超过 9 m,每个隧道洞内铺设 2 条轨道。 我国地铁隧道一般为单洞单线形式,多采用直径 6 ~ 7 m 的盾构,少数单洞双线地铁隧道一般采用直径 10~12 m 的盾构。土压盾构、泥水盾构、TBM 及多模盾构在地铁隧道中均有应用。 上海、天津、郑州、苏州、杭州、无锡、常州、温州等城市以软土地层为主,地铁隧道主要采用土压平衡盾构;北京、成都、南昌、兰州、沈阳、南宁等城市以砂卵石地层为主,地铁隧道部分采用泥水平衡盾构;青岛、深圳、广州、重庆等城市硬岩地层中应用了 TBM或双护盾 TBM;近年来广州、深圳等地铁工程采用多模盾构以适应不同地层。
1. 2 市政公路隧道
我国城市市政公路隧道近 10 年修建数量明显增加[17]。 上海于 2003 年采用盾构法修建直径 14. 5 m的上中路隧道,2010 年后陆续修建周家嘴路越江隧道、郊环隧道、虹梅南路隧道等。 上海北横通道西段隧道 2021 年 6 月通车,全长 7. 8 km,在建的东段隧道全长 6. 9 km,建成后东西段隧道总长 14. 7 km,将成为我国最长的市政公路隧道[18]。 我国市政公路盾构隧道典型案例如表 1 所示。
盾构法市政公路隧道的主要特点为: 1)断面尺寸不断增大。 近年来出现许多单洞 4 车道和 6 车道超大断面公路隧道,例如深圳春风隧道为“单洞双层”双向4 车道,全长 4. 82 km,使用直径 15. 80 m 泥水平衡盾构[19];北京东六环改造工程隧道全长 9. 20 km,为“双洞单层”双向 6 车道设计[20]。 2)水下隧道明显增多。
近年来黄浦江、甬江、珠江、黄河及长江等地修建了很多水下隧道[21-22],如武汉三阳路隧道穿越长江,两湖隧道穿越城市湖泊[23]。 3) 隧道施工环境日趋复杂。
随着断面尺寸增大,开挖地层愈加复杂,多为复合地层,岩土力学、工程地质和水文地质等特征相差悬殊[24]。
4)施工智能化水平不断提升。 目前多家单位研制了盾构/ TBM 工程大数据平台,采用数据挖掘技术结合地层数据对盾构掘进进行精确指导及辅助控制。
1. 3 城市铁路隧道
由于地面环境的限制,城市铁路地下化时会采用盾构法隧道,我国城市铁路盾构隧道典型案例如表 2所示。
北京铁路地下直径线工程全长 9. 151 km,隧道长7. 230 km,盾构段长 5. 175 km。 穿越地层差异较大,西端主要为卵石层、圆砾层,包含最大强度约 30 MPa的砂层与卵石层的胶结层[25];东端主要为粉质黏土层、粉土层和砂层等。 采用泥水加压平衡盾构独头掘
进 5. 175 km。 2013 年 7 月 26 日工程顺利贯通[26],是北京首次采用直径 12. 04 m 泥水盾构施工的隧道,被评定为“最难、风险最大的在建地下工程”,铁道部将其列为“极高风险 1 号工程”。
天津地下直径线位于天津枢纽内,全长 5. 2 km,海河隧道全长 3. 61 km,盾构段长 2. 146 km,为单洞双线设计,最小平面曲线半径为 600 m,使用 1 台直径11. 97 m 的泥水平衡盾构施工。 该工程在 R600 m 圆曲线盾构接收技术、复杂地下障碍物清理技术、泥水平衡盾构施工技术、泥水处理分离技术以及复杂周边环境极其苛刻变形控制技术等方面进行攻关。城市铁路隧道建设面临行车速度快、隧道断面大、区间隧道长、埋深变化大、下穿敏感点多、地质条件复杂等难题。
1. 4 城市水工隧洞
我国水问题复杂且治水任务艰巨。 与构建现代化高质量基础设施体系要求相比,水利工程体系还存在系统性不强、标准不够高、智能化水平有待提升等问题,国家水网总体格局尚未完全形成。 我国城市水工隧洞典型案例如表 3 所示。
珠江三角洲水资源配置工程横跨佛山市、广州市、东莞市、深圳市,输水线路总长 113. 2 km,其中盾构隧洞总里程 135 km(部分线路双洞),开挖直径 4. 1 ~8. 3 m,线路如图 2 所示。 珠江三角洲水资源配置工程土建施工 B3 标段全长 11. 359 km,包含 4 个盾构区间,土压盾构区间长 2. 279 km 和 2. 398 km,泥水盾构区间长 3. 406 km 和 3. 178 km。 盾构穿越莲花山水道及狮子洋水道,开挖面易失稳,甚至造成盾构上方出现冒顶、涌水等重大风险;盾尾和主轴承密封系统发生密封磨 损 后 失 效 风 险 高; 岩 石 饱 和 抗 压 强 度 达97. 2 MPa,岩层石英质量分数为 50% ~ 70%,刀具磨损较大。