极端环境隧道建造面临的主要问题及发展趋势

聚焦艰险山区、深水海域与城市敏感区3类极端环境,全面梳理和总结了在此环境下隧道建造面临的主要问题、相关技术突破和未来发展趋势。针对艰险山区中极高地应力、高地温、高海拔以及活动断裂带等极端条件,总结分析围岩和隧道的变形机制、破坏机制及防护措施,并指出未来可通过大数据、机器学习等手段建立更精准的预测模型,以实现隧道建造过程的实时监控和风险评估;针对深水海域中高水压、高烈度地震、强侵蚀环境等极端条件,分析多因素耦合下沉管法及盾构法隧道管片及接头的劣损和破坏机制,总结提升其力学和耐久性能的主要技术措施,并提出未来仍需针对海底隧道管片接头的防水、抗震及抗侵蚀性能开展更深入的研究,以形成完整的理论和技术体系;针对城市敏感区隧道穿越既有隧道、敏感建构筑物、地下障碍物等挑战,总结分析盾构法和顶管法施工环境响应规律、地层变形评估方法和控制技术措施,提出未来可采用机器学习等技术辅助隧道建设,以提升预测和控制的准确性,减小建设过程对城市环境的扰动。目前,相关研究成果为极端环境下的隧道工程建设提供了重要支撑,但部分技术仍需进一步在实践中完善并形成规范,以指导后续的工程建设;而随着新一代信息技术的发展,未来隧道建造必将朝着数字化、智能化、自动化的方向发展,从而保障极端环境下隧道建设的安全、绿色、高效。

我国城市地下空间盾构法隧道工程技术新进展

基于盾构施工特点,对盾构法施工技术的发展过程和创新进展进行调查研究,总结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的最新应用,阐述城市盾构法隧道在地质条件多样化、越江跨海常态化、结构断面多元化、地面条件复杂化、隧道结构耐久性等方面面临的技术挑战。介绍超大直径盾构装备、大直径泥水盾构常压换刀、多模盾构、类矩形盾构隧道建造、联络通道机械法施工、软硬极端悬殊地层掘进、富水砂卵石地层土压平衡盾构、地下高地震烈度盾构隧道减隔震抗震和超长距离综合施工等技术创新成果;总结不良地质识别、设备状态实时感知、同步推拼连续掘进、盾构自动驾驶技术、盾构智能化管控平台等盾构智能掘进技术进展;指出城市地下空间建设盾构法隧道工程的发展趋势,地铁隧道、城市道路、综合管廊、城市给排水等设施需要不断更新,并网络化,盾构法隧道技术需要不断发展,盾构法隧道智能化施工需日趋精益。未来盾构装备将朝着“多模式、无刀化、外星化”等多元化,多源信息感知、管片智能拼装、地质探测预报、自主感知掘进决策等智能化以及特大直径、超长距离、超大埋深、超高水压等方向发展。

黄土地层地铁隧道水环境变化对地表沉降影响研究

黄土地层中城市地铁隧道水环境变化主要体现在地下水位升降和盾构衬砌管片渗水,地层中水位的变化及管片渗漏会进一步影响地表沉降。以某地铁区间隧道为背景,采用修正摩尔库仑模型(MM-C模型)和DP模型来描述复杂加卸载条件下的地层隆沉问题,并深入研究水环境变化下地表沉降规律。结果表明:盾构管片渗漏比从0.1增大到10期间,地表沉降增加了24%;管片渗漏块数从1增大到6块时,地表最大沉降增大了77%;地下水位下降5 m期间,地表最大沉降增大了1.2倍,水位降深每增加1 m,地表下沉量增加约7 mm;初始水位高度抬升5 m期间,地表最大沉降减小了37%。为了控制地表不发生过量隆沉,渗漏块数不宜超过3块,并应避免拱底管片发生破坏或渗漏,地下水位的回灌抬升高度及降水深度宜分别控制在3.0 m和2.0 m以内。

南昌市艾溪湖隧道消防及排水系统设计探讨

通过分析各消防系统组合方案特点以及国内外已通车运营的水下隧道消防配置现状,结合城市交通隧道设计案例,得出城市二类水下隧道车行道区域内消防系统采用灭火器+消火栓系统+泡沫-水喷雾灭火系统方案,并阐述了南昌市艾溪湖隧道消防及排水系统设计参数。针对隧道消防及排水实际设计中的几个关键性问题进行探讨,提出了城市二类水下隧道车行道区域内消防系统的推荐配置方案、消火栓箱设置间距确定以及隧道排水原则与要求,可为类似水下隧道工程设计提供经验和参考。

叠摞地铁区间轨排井设计方案研究

为选择地铁轨排井合理设计方案,解决设计过程中较大轨排洞口严重削弱板的刚度、施工工况下传统二维框架断面计算无法满足设计需求与实际情况的问题,基于北京地铁22号线管庄站—永顺站区间高水压细颗粒地层中叠摞地铁区间轨排井设计的具体案例,从工程围护、主体结构方案的设计思路等方面,分析结构计算重难点等关键问题,并建立二维、三维模型进行结构受力分析。总结设计经验与控制工况,得出合理的设计方案:针对富水地层较深叠摞轨排井,支护结构采用地连墙与内支撑,主体结构采用加大边梁结构体系抵抗水平荷载。研究成果对以后地铁建设过程中的轨排井设计可提供参考。

富水软土地层中心城区浅覆土管幕法分析研究

为解决富水软土地层中心城区浅覆土无临时支撑、无土体加固的全断面暗挖施工难题,通过对日本MMST、URT和PCR工法从浅覆土可行性、断面多样性、密封止水性等方面进行调研和对比分析,提出了适合上海地区的束合管幕工法(U-BIT工法)。该工法基于超前支护与永久结构合一的设计思路,在管幕顶进完成后,通过张拉环向预应力,使原本纵向顶进的离散型、小断面钢管群束合形成可横向承载的整体受力体系,具有断面多样性、施工高效性、环境友好性和开挖断面利用率高等特点。在上海轨道交通14号线武定路站工程首次成功应用,实现了富水软土地层中心城区浅覆土地下结构低扰动、小变形快速静默施工。

城市隧道在不同防排水型式下的流固耦合分析

鉴于隧道防排水型式在城市矿山法隧道中的重要性,本文以深圳水库下游东部过境高速公路连接工程为背景,在分析现有成果的基础上,基于流-固耦合作用机理,采用FLAC3D有限差分软件对城市矿山法隧道在不同防排水型式下的渗流力学特征进行研究,研究结果表明:城市矿山法隧道在防水板全包-堵水型中,衬砌背后孔隙水压同静水压力基本保持一致;在防水板半包-排水型和防水板全包-排水型中,孔隙水压力以及二衬最大拉应力和最大压应力均产生不同程度的减少。对于不同防排水型式,最大孔隙水压均位于拱底处,最小主应力均位于拱脚处,最大主应力均位于拱底处,水平方向位移最大值位于拱腰处,而竖直方向位移最大值位于拱顶或拱底处。

广州市城市车行隧道建设技术现状及展望

为缓解日益增长的交通压力,广州城区建成越来越多的车行隧道,并积累了不少成功经验,建设技术不断进步。总结归纳城市车行隧道建设工程经验,分析存在的问题,提出今后努力的方向。

我国隧道及地下工程近两年的发展与展望

总结我国隧道及地下工程近两年的发展情况。1)铁路、公路、地铁、水工等主要领域的隧道总数和总长度快速增长。2)重难点隧道及地下工程建设进展顺利:青藏铁路关角隧道、兰新高铁祁连山隧道、兰渝铁路木寨岭隧道、烟台地下水封LPG洞库、渝黔高铁天坪隧道等相继完工;港珠澳大桥沉管隧道、引松供水隧洞、引汉济渭输水隧洞、武汉三阳路长江隧道、大瑞铁路高黎贡山隧道、京张高铁八达岭地下车站、惠州地下水封油库、湛江地下水封油库、珠海横琴地下综合管廊等在如期建设中。3)特长山岭隧道建设技术、软岩隧道大变形控制技术、高瓦斯隧道建设技术、岩爆隧道建设技术、大断面矩形顶管及矩形盾构设计与应用技术、隧道机械化施工水平等方面取得了进一步的突破。我国隧道及地下工程修建技术整体处于国际先进水平。国家新型城镇化建设、新一轮西部大开发、"一带一路"、海绵城市、城市地下综合管廊、城市轨道交通、京津冀协同发展、长江经济带、珠三角经济区等战略规划,为我国隧道及地下工程领域技术发展带来了前所未有的契机。最后,基于隧道及地下工程发展方向,指出超长隧道技术,高地应力软岩大变形控制技术,高水压、大断面水下隧道建设技术,高地温、高地热隧道建设技术,高地震烈度与构造活跃带的隧道建设技术,隧道运营维护管理技术,新材料研发与应用的开发等是今后需要深入研究的关键课题。

水雾段用于城市隧道阻烟分隔的全尺寸试验

以某城市公路隧道为背景,将类似水雾幕的水雾段系统应用于两条隧道联通匝道处,确定水雾段系统的设计参数,通过不同火灾工况模拟分析水雾段系统的控制方式及阻烟效果。设计地下交通环廊的8 MW火灾和主隧道的30 MW火灾,分有无水雾段、机械排烟是否有效研究火灾烟气的蔓延情况。结果表明,水雾段系统作为两条隧道分隔的加强措施,可延缓烟气的蔓延;在机械排烟的协同下,能够较好控制烟气,保障另一条隧道的人员安全疏散。

城市交通隧道自动灭火系统比较分析

选取当前在城市交通隧道中较为常见的三种灭火系统(泡沫-水喷雾联用系统、水喷雾灭火系统、细水雾灭火系统),以相关地方标准和工程案例为参考确定设计参数,开展全尺寸灭火试验分析研究不同灭火系统在隧道中的实际灭火效能。试验结果表明,泡沫-水喷雾联用系统的灭火时间最短;水喷雾灭火系统可以有效控制火势,降低环境温度;细水雾灭火系统能够灭火,但灭火时间较长。

侧向排烟城市道路隧道的水幕阻烟隔热性能研究

为探究侧向排烟城市道路隧道的水幕阻烟隔热作用,并为隧道的水幕设计和消防疏散提供参考,使用FDS软件对水幕模型进行数值模拟计算。在8 MW的火灾规模下,研究隧道顶部2个喷头和4个喷头2种布置方式,0. 08、0. 1、0. 25、0. 4 MPa 4种水喷头工作压力、侧向排烟量大小、排烟口间距和数量等主要因素对隧道水幕阻烟隔热性能的影响,分析比较烟气扩散范围、温度及能见度的变化规律,评估隧道疏散救援环境。结果表明:水幕系统能抑制隧道内烟气的扩散,阻止隧道温度过快上涨,并能改善隧道内的能见度;水幕系统在排烟量增加、排烟口间距减小、排烟口数量增加的情况下,阻烟隔热性能更明显;水幕系统对隧道内能见度的改善作用只维持于火灾发生的前中期,后期效果将减弱,因此消防救援工作应在火灾发生的前中期开展。

基于InfoWorks ICM的长江隧道防洪系统评估研究

利用InfoWorks ICM软件以武汉长江隧道为例,建立隧道武昌段及其周边区域的排水系统模型,对2013年7月7日武汉长江隧道渍水事件成功进行了模拟重现。对各匝道入口龟背垫高后的现状管网和高区排水系统改造后的管网进行不同降雨重现期下的模拟,发现将隧道各匝道入口路面龟背垫高0.2m可大大减少隧道积水,现状管网和高区排水系统改造后的管网能承受的最大暴雨重现期分别为4.6年和50年,说明在隧道各匝道入口加高龟背和对隧道高区排水系统的改造确实能极大提高隧道抵御渍水风险的能力,模拟分析的结果可为武汉长江隧道及其周边排水系统的规划改造提供技术支撑。

中国盾构和掘进机隧道技术现状、存在的问题及发展思路

简要分析我国盾构、掘进机隧道修建技术的现状,包括水下盾构隧道、地铁盾构、TBM隧道和山岭TBM隧道的技术现状。通过列举典型工程案例,分析总结我国盾构、掘进机隧道技术存在的问题:1)水底公路隧道盾构直径过大,2)单层管片衬砌的耐久性不足,3)护盾式TBM有很多局限性,4)土压平衡盾构不是万能的,5)隧道线路标高选择不合理,6)工程建设中存在4大不合理。针对这些问题提出解决建议:1)一般情况下,水底公路隧道盾构直径不宜超过12 m;2)增设二次模筑混凝土衬砌,形成复合衬砌结构;3)取消护盾式TBM,提倡采用开敞式TBM;4)盾构选型时,应同时考虑比选泥水盾构、土压盾构和开敞式无刀盘盾构;5)避开在岩层交界面上选线;6)工程建设一定要坚持科学发展观。为盾构、掘进机隧道的设计和施工提出新思路,包括:1)无刀盘的开敞式网格盾构,2)压缩混凝土衬砌,3)TBM导洞超前再钻爆法扩挖,4)风井始发盾构。最后,指出大直径盾构不是发展方向,长距离掘进(>2 km)时,深埋盾构施工才是发展方向;并提出琼州海峡隧道采用盾构法施工(深埋优于浅埋),渤海湾海峡海底隧道采用直径为10 m的TBM+钻爆法施工,台湾海峡隧道采用深埋方案开敞式TBM+钻爆法施工的想法。

地表积水对隧道安全影响及其发展趋势预测研究

以北京隧道工程为案例,针对极端降雨天气条件下的隧道安全问题进行研究,探索隧道在不同含水率和地表不同积水深度工况下围岩应力场演化特点及降雨积水对隧道安全性的影响规律,运用FlAC3D有限元模拟软件,建立了极端天气条件下隧道数值计算模型。研究结果表明随着上覆地层含水率的增大,地铁隧道围岩的压力和拉应力依次增大,但增幅不大,不会导致隧道破坏;地面积水深度增大时围岩应力递增较大,当积水深度达到2 m时,最大压应力增加7%,对隧道薄弱环节的安全或渗水会产生一定的影响。针对传统的层次分析法和熵权理论对确定指标权值影响较大的问题,建立了基于博弈论的隧道安全预测方法,预测结果基本可靠。

穿越城区隧洞分离式衬砌承载机理及性能优化研究

近年来我国兴建的穿越城区引水隧洞工程采用了一种新型分离式衬砌,但其承载机理尚不够明晰。以某水资源配置工程中穿越城区的TBM施工输水隧洞为对象,建立输水隧洞分离式衬砌整体三维有限元数值模型,分析了衬砌的变形、受力和承载比等特征。结果表明:设计内压作用下,钢衬和自密实混凝土径向紧密贴合,排水板铺设范围内两者径向变形明显大于管片,排水板铺设范围外三者径向同步变形,钢衬应力水平低且分布极不均匀,管片应力超过抗裂限值,内水压主要由围岩承担,钢衬承载比例明显低于预期;降低钢衬-自密实混凝土界面、自密实混凝土-管片界面的摩擦系数,均能使钢衬应力分布的均匀性增加,有利于钢衬承载性能的发挥,且对管片抗裂有利;提高排水板厚度与综合模量比值d E,可以提升钢衬承载比,控制d E在12.4~45.1 mm 3 N范围内,可以满足钢衬容许应力和管片抗裂设计的要求,同时使分离式衬砌钢衬主要承担内水压的设计理念得以实现。

我国新型城镇化过程中市政基础设施发展特征

新型城镇化的要求是不断提升城镇化建设质量,推动城镇化由偏重数量规模增加向注重质量内涵提升转变。在该背景下研究了传统市政基础设施发展情况,探索了新兴市政基础设施领域的3个重要实践——海绵城市、再生水利用、综合管廊,并指明了我国新型城镇化过程中市政基础设施的发展方向。

城市水下特长隧道弯道驾驶人扫视行为研究

为探求在城市水下特长隧道弯道路段行驶过程中驾驶人扫视行为的变化特点,以扫视角为主要参数,在武汉东湖隧道内不同弯道和直线段开展实车试验,通过注视点分布范围、水平视角、通视距离的变化分析扫视行为;在特性分析中,以离均系数为指标研究不同弯道内扫视角的变化特征。结果表明:驾驶人在水下特长隧道不同线形路段行车过程中以小角度扫视为主,半径400、680、1 000 m的弯道及直线段的离均系数分别为2. 876、4. 545、5. 010、6. 324,即随着弯道曲率的减小,驾驶人扫视角的中值、均值、变化范围逐渐变大,驾驶人的扫视范围更大、心理压力更小、行车安全性更佳。

城市隧道动、静水头作用下的渗流模型试验

依托毗邻深圳水库的深圳东部过境高速公路连接线工程,研制了以控制渗透系数为核心的围岩-支护体系新型相似材料,利用自制渗流模型试验系统,研究不同高度的动、静作用水头对水压力、排水量及渗流场的影响。试验表明:地下水位较高时,注浆圈内壁经历块状润湿、浸润线状态、完全湿润、拱腰以上挂满水珠、间断性水流线等过程,而随着作用水头的降低,渗流速度减慢,渗流时间大幅增加;随着静水头高度降低,各特征点水压力呈近似线性下降,且作用水头越小,相同位置二衬和注浆圈背后的水压力值更加接近,而隧道排水量测试的离散性也越小;动水头作用下,水压力随时间变化有明显的滞后性,其时间效应不利于结构稳定,而动水头下降过程中浅埋处更易受到影响,需加强隧道顶部的承载及抗渗设计,隧道排水量值随动水头下降呈减小的趋势,且降低相同水位差所需的时间越长。

穿越城区组合衬砌隧洞外水内渗问题研究

近年来我国兴建的穿越城区引水隧洞工程中采用了一种新型组合衬砌结构,由外层管片、内层不透水钢管和两者之间的回填混凝土、排水板组成。运行期内水压力经回填混凝土向外传递,外层管片朝外变形,管片间接缝会张开,进而引发外水内渗问题。结合深圳市罗田水库-铁岗水库输水隧洞工程,建立某典型洞段渗流分析的三维有限元计算模型,分析了多种外部条件下衬砌的外水内渗流量和外水压力。分析表明:完建期管片渗透系数每减小一个量级,隧洞渗流量降低约90%,回填混凝土使隧洞渗流量降低30%~40%,注浆圈对隧洞渗流量影响较小。运行期接缝为主要渗漏通道,占总渗流量的90%以上,此时注浆圈可以明显降低隧洞渗流量。隧洞渗流量的峰值出现在运行期,应作为隧洞外水内渗流量的控制条件。隧洞外水压力取值应以自密实混凝土回填后的完建期最大。