随着国家的大规模基础设施发展,水下隧道建设需求日益增大,但水下隧道的建设与运维难度较大,需要综合考虑设施的耐久性、进行全生命周期设计。通过分析东京湾横断公路隧道的防水及耐久性措施,为水下大直径隧道建设提出“多重防水、多方防腐、全生命周期设计”的综合耐久性对策;建立以性能和成本为评估指标的全生命周期设计方法,并通过计算评价某海底隧道的不同方案,揭示建设初期充分考虑耐久性、实施全生命周期设计的方案最有利,验证了全生命周期设计方法的有效性。通过构建兼顾经济、安全及环境的全生命周期设计理论体系,可为水下隧道的合理规划设计、科学建造养护提供有力的基础支撑。

济南市济泺路穿黄隧道是目前在建的国内直径最大的公铁合建隧道之一,也是世界上超大直径盾构隧道第一次穿越地上悬河的水下隧道。该工程具有盾构开挖断面大、掘进距离长、浅覆土、水压高、工作井基坑深、周边建构筑物保护以及环保要求高等特点。结合工程建设环境、隧道修建安全与风险等因素,对隧道平纵断面及横断面设计、隧道结构选型、环境风险控制与施工组织等总体设计方案进行分析研究,最终确定适合于黄河中下游、技术经济合理可行的超大直径盾构隧道工程设计方案。通过介绍济泺路穿黄隧道的设计思路以及工程特点,供类似工程设计参考与借鉴。

国内外多起盾构隧道倒塌事故中,衬砌结构的倒塌发展过程均表现出连续性破坏的特征,造成严重的经济损失与人员伤亡。但我国的相关研究尚处于起步阶段,对事故的触发条件、发展过程、有效防控措施的认识不足,制约了我国城市轨道交通的高质量发展。在2003年至2020年国内外近百起盾构隧道事故案例以及23起典型案例统计分析与调研的基础上,对盾构隧道连续性破坏事故的主要特征进行分析。以统计的方法,分析隧道破坏事故的初始破坏位置、穿越地层、破坏程度等因素及其相互关系,明确破坏的主要特征。基于多案例综合分析,概化提炼出事故中衬砌结构的破坏发展过程,并与隧道结构最终的破坏程度形成对应。最后综合考虑隧道结构-周边地层的共同作用体系,对破坏过程中周边水土的响应发展进行分析,指出盾构隧道连续性破坏属于流固耦合动力学问题。本研究成果有助于提高对盾构隧道连续性破坏的相关认识,为相关事故的防控提供指导。

随着城市地下空间的进一步开发利用,盾构隧道埋深不断增加,合理确定深埋盾构隧道上方的垂直土压力是合理进行管片设计的关键。随着隧道埋深增加,土拱效应明显,深埋隧道上方会形成稳定的松动区。利用离散元软件PFC2D对深埋盾构隧道在砂土中的开挖进行数值模拟,通过观察隧道上方松动区形状,对TERZAGHI松动土压力计算公式进行改进,提出砂土中深埋隧道上方松动土压力的计算方法。结果表明:与TERZAGHI理论假定的直立滑动面不同,深埋盾构隧道松动区为三角形;松动区滑动面上的侧压力系数大于TERZAGHI的建议值。通过与现场实测数据进行对比分析,验证了该公式的合理性,该成果可用于深埋盾构隧道的垂直土压力计算。

基于隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM)施工过程和施工工艺,融合三维地质建模技术和工程仿真技术,建立长隧道三维地质模型和施工循环网络仿真模型,实现长隧道TBM施工过程的可视化与施工进度的仿真预测。以西藏DXL隧道工程为研究对象,耦合DXL隧道三维地质模型,通过仿真计算对DXL隧道TBM施工段进度计划进行优化分析,统计拟合完工概率随施工工期变化的函数曲线,计算出预期完工概率,实现了施工过程的可视化,并提出保障施工进度的措施和建议。

当遭遇强震、地质条件或结构刚度突变时,盾构隧道结构可能发生严重震害,且震害主要集中在接头处。采用振动台试验、接头局部足尺试验,针对盾构隧道穿越软硬交界地层、联络横通道、纵向接头等抗震薄弱部位开展系列研究。研究发现:地震作用下软硬交界地层中盾构隧道仍具有对地层位移的追随性,但表现出与均质地层不同的“双峰值”现象,较大结构内力响应分布于地层交界面两侧2.5倍隧道直径范围;盾构隧道与联络横通道的连接刚度对隧道力学响应有显著影响,刚性连接对主隧道的影响范围约为3倍横通道宽度,柔性连接时减小至1.5~2倍横通道宽度;地震作用下盾构隧道纵向接头主要承受轴向拉力或压力,螺孔侧管片以主压应变为主,套筒侧以主拉应变为主,破坏试验表明套筒与管片组成破坏链,分别表现为滑移破坏、拉裂破坏。研究结论可为盾构隧道抗减震设计提供参考。

在稳定性地层中盾构掘进,盾尾管片壁后注浆将不可避免沿着盾壳与地层之间的缝隙窜浆到刀盘和开挖面。基于宾汉姆流体建立盾尾注浆窜浆量理论计算公式,并分析流失量与浆液性质、缝隙厚度、注浆压力差的关系。建立盾尾注浆窜浆试验模型,并开展不同性质的浆液、缝隙厚度和注浆压力差的窜浆模型试验,验证了本研究建立的窜浆量理论计算公式的合理性。基于建立的盾尾注浆窜浆量计算公式,得到地铁常用盾构盾尾壁后注浆窜浆的发生条件,即浆液黏滞阻力与盾壳与围岩地层缝隙厚度的关系,可用于指导稳定围岩地层盾构掘进时盾尾浆液的配制。

随着我国水下盾构隧道建设的快速发展,管片接缝防水问题愈发凸显,盾构隧道承受的水压也日趋增高,对隧道的防水安全提出了严峻挑战,高水压盾构隧道防水已逐渐成为国内外研究的热点。针对高水压盾构隧道管片接缝防水在设计阶段、施工阶段及长期运营阶段可能存在的问题,综述了国内外相关的重要研究,主要包括:密封垫材料选择、截面设计、角部加工、多道密封垫的布置方式、螺栓孔防水、密封垫的数模及试验分析、地震作用下的密封垫防水性能及密封垫材料老化的长期耐久性评价。讨论了尚存的问题以及相关防水问题的研究趋势。

粉质黏土地层土压平衡盾构施工过程中易出现刀盘“结泥饼”,渣土塑流性状态较差等问题,须进行渣土改良来保证盾构安全高效掘进。依托杭州地铁10号线某盾构区间施工实例,通过液塑限试验进行改良剂选型,进而对粉质黏土进行改良,并通过坍落度试验和压缩试验研究改良渣土塑流性与压缩性,基于室内试验结果开展现场渣土改良试验,对改良参数合理性进行验证。研究发现,泡沫剂能够显著降低粉质黏土液塑限;粉质黏土地层对含水量(w)及泡沫注入比(foam injection ratio, FIR)的增加均较敏感,渣土坍落度随含水量和泡沫注入比的增加而增大,其压缩性也随泡沫注入而得到改善;渣土改良参数优化后,盾构刀盘扭矩明显降低,盾构掘进参数维持稳定,说明该地层优化改良参数设置合理,同时说明粉质黏土地层采用泡沫剂改良效果较佳。

结合杭州望江路隧道工程泥水盾构环流系统,分3部分建立排浆管管道模型,针对泥浆流速与泥浆密度对泥水盾构环流系统管路压力损失及携渣特性的影响展开研究,并根据仿真模型得到的实际施工参数下的压力损失和分布情况,计算渣浆泵的安装位置。结果表明:增大管径可以降低管道的压力损失,该影响随管径的增大逐渐减弱;压力损失与泥浆密度的增大近乎成正比;压力损失随入口速度增大而增大,且增长趋势随速度增大而增大。泥浆入口速度是影响管道输送能力的重要因素,石渣的输送量随着泥浆入口速度的增大呈幂指数关系增大;随着泥浆流速的增大,泥浆密度对石渣堆积质量的影响会被削弱。

随着国内轨道交通建设的不断推进,盾构施工技术的应用越来越广泛。滚刀作为盾构施工的关键零部件,其工作效率和失效形式与施工地质条件有直接关系,并对施工进度和安全性具有重要的影响。以某地铁工程盾构掘进施工为例,分析该区间段复杂的地质条件,根据实际情况分析盾构机在掘进过程中滚刀的失效形式和失效原因,并对刀圈的硬度和材质选择进行简要讨论。结果表明,在该地段施工过程中滚刀的失效形式主要为刀圈偏磨、刀圈卷刃、刀圈断裂、刀圈崩刃、刀圈脱落、刀轴断裂等。