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在2023WTC世界交通運(yùn)輸大會WTC2023隧道工程學(xué)部論壇——高地應(yīng)力軟巖隧道大變形機(jī)理與防治技術(shù)論壇上，中國工程院院士杜彥良通過線上的方式，以“超長跨海隧道災(zāi)害規(guī)律和施工控制關(guān)鍵技術(shù)研究”為題作報告，介紹了目前我國超長跨海隧道的災(zāi)害規(guī)律與施工控制關(guān)鍵技術(shù)研究的進(jìn)展情況。

(資料圖)

論壇現(xiàn)場

杜彥良以“超長跨海隧道災(zāi)害規(guī)律和施工控制關(guān)鍵技術(shù)研究”為題作線上報告

研究背景和意義

我國沿海經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，對于跨海區(qū)域交通提出了巨大要求，2022年中國沿海省市經(jīng)濟(jì)總量達(dá)到了接近60萬億元，占國內(nèi)總產(chǎn)值GDP的52%以上。我國大陸沿海沿線1.8萬公里，分布著渤海灣、臺灣海峽等多個海峽，將行政區(qū)域和城市圈天然分割，成為阻礙東部沿?；ヂ?lián)互通的瓶頸。為了突破瓶頸，通過輪渡、跨海隧道、跨海大橋等多種形式進(jìn)行島嶼之間的互通。其中跨海隧道因其處于地下隱秘環(huán)境不受天氣環(huán)境影響，可以保障全天候通行而且可保護(hù)地表的海洋生態(tài)環(huán)境，并對國防戰(zhàn)略有重要的意義。圍繞交通強(qiáng)國和海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略，跨海隧道是連接海峽、海灣的重要交通工程，同時是開發(fā)海洋經(jīng)濟(jì)的重要紐帶，對支撐海洋強(qiáng)國交通強(qiáng)國具有重要的支撐作用。

無論國際還是國內(nèi)，海峽、跨海、穿江隧道發(fā)展都越來越快，國外比我國發(fā)展早一些，以英國、挪威、日本為代表的超長跨海隧道，有日本的青函海底隧道、歐洲海底隧道。我國近年來海底隧道也開始快速發(fā)展，目前貫通的有15條、在建7條，還有些大通道已經(jīng)規(guī)劃，比如渤海灣、瓊州海峽等。

我國已經(jīng)進(jìn)入了穿江躍海快速的發(fā)展期，正處于當(dāng)前和未來大規(guī)模的水下跨海隧道的建設(shè)時期，但是跨海隧道的建造運(yùn)營面臨著空前復(fù)雜的地質(zhì)條件和環(huán)境，一是極其復(fù)雜的地質(zhì)條件，二是無限覆蓋的海水效應(yīng)，三是地震的多發(fā)環(huán)境，四是惡劣的微環(huán)境等。這些特殊環(huán)境、特殊地質(zhì)如果施工和運(yùn)營掌控不好會造成巨大的災(zāi)害，造成人身和經(jīng)濟(jì)損失。

跨海隧道建設(shè)運(yùn)營面臨的三個難題

杜彥良提出，目前跨海隧道建設(shè)運(yùn)營面臨著三個關(guān)鍵技術(shù)難題需要進(jìn)行突破，即災(zāi)害源的探測、建造運(yùn)營期間大變形演化規(guī)律的認(rèn)知、抗震運(yùn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。要想突破以上問題，一是從跨海隧道災(zāi)害源精細(xì)探測方面突破；二是建設(shè)運(yùn)營期災(zāi)難演化規(guī)律方面突破；三是在抗震運(yùn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面突破。

杜彥良表示，解決三個關(guān)鍵技術(shù)問題的項(xiàng)目已于2019年立項(xiàng)，由多個單位共同承擔(dān)，主要是從地質(zhì)探測和精細(xì)探測問題、結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為問題、抗震運(yùn)行設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)理論、長區(qū)域過程長期感知監(jiān)測問題以及對災(zāi)害的防控五個方面開始研究，預(yù)期取得以下成果。

圍繞精細(xì)探測，建立一套海底隧道施工不良地質(zhì)精細(xì)探測與主動防護(hù)的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)來解決海底隧道壓密級突涌水通道探測技術(shù)難題。

在領(lǐng)先技術(shù)材料上進(jìn)行突破，建立海水腐蝕環(huán)境不良地質(zhì)、圍巖加固體與隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)長期協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)方法，解決多長耦合、多尺度破壞的實(shí)驗(yàn)理論與仿真。

在抗震設(shè)計(jì)方面建立兩個理論一個技術(shù)體系，突破不良地質(zhì)的跨海隧道地質(zhì)破壞機(jī)理及抗震運(yùn)行設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，解決相關(guān)方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論難題。

圍繞跨海隧道多元信息感知結(jié)構(gòu)性能分析，突破核心技術(shù)智慧感知，建立一套超長跨海隧道運(yùn)營區(qū)多元信息技術(shù)感知與結(jié)構(gòu)安全性的結(jié)構(gòu)分析方法，解決多元信息條件下結(jié)構(gòu)性能的評價。

通過學(xué)科的交叉來推動基于大數(shù)據(jù)驅(qū)動的不良地質(zhì)的跨海隧道災(zāi)備預(yù)報與控制。

重要創(chuàng)新突破

杜彥良說，通過近3年的研究，目前取得了重要的階段性進(jìn)展。

跨海隧道災(zāi)害源精細(xì)探測方面

突破壓密級通道探測難，海底隧道突涌水防護(hù)難的關(guān)鍵問題，提出了海洋地質(zhì)背景超前探測方法，開發(fā)了相應(yīng)的探測裝備。針對結(jié)構(gòu)性探測問題發(fā)明了孔中雷達(dá)定向探測方法，針對海水性探測問題提出了孔隧積淀初始探測方法，研發(fā)了孔隧類合機(jī)電儀器樣機(jī)，施行嚴(yán)密級的探測。建立了突涌水的物理方法，研發(fā)了全程探測突涌水突涌到定位綜合預(yù)警技術(shù)平臺。

突破壓密級通道探測難，海底隧道突涌水防護(hù)難的關(guān)鍵問題。首先提出了海洋地質(zhì)背景超前探測方法，建立了海底、洞內(nèi)聯(lián)合觀測與探驗(yàn)方法，開發(fā)了相應(yīng)的探測裝備，突破海底隧道與斷裂坡隧道的地質(zhì)背景成像問題，目前探測距離只達(dá)到150米（超過）。

針對結(jié)構(gòu)性探測問題發(fā)明了孔中雷達(dá)定向探測方法，針對海水性探測問題提出了孔隧積淀初始探測方法，研發(fā)了孔隧類合機(jī)電儀器樣機(jī)，施行嚴(yán)密級的探測，探測距離可達(dá)200米以上，探測分辨率可以達(dá)到分貝級。

建立了突涌水的物理方法，研發(fā)了全程探測突涌水突涌到定位綜合預(yù)警技術(shù)平臺。通過平臺和技術(shù)的研究主要提升海底隧道突涌水災(zāi)害的防控科學(xué)技術(shù)水平。

運(yùn)營期災(zāi)難演化規(guī)律方面

在不良地質(zhì)海底隧道漸進(jìn)突破機(jī)理與長期性能設(shè)計(jì)方法方面，主要是突破注漿加固體宏細(xì)觀漸進(jìn)破壞理論的機(jī)理的氧化規(guī)律，研發(fā)了HMC耦合試驗(yàn)平臺，攻克HMC耦合宏細(xì)觀測試和仿真技術(shù)難題。

提出了襯砌結(jié)構(gòu)長期變形協(xié)調(diào)的韌性設(shè)計(jì)方法，研發(fā)了新型緩沖吸能器支護(hù)機(jī)構(gòu)，建立了剛?cè)峤Y(jié)合的跨海隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)韌性設(shè)計(jì)方法，編制了首部跨海隧道韌性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，填補(bǔ)了相關(guān)的一些空白。

跨海隧道地震破壞機(jī)理抗震韌性設(shè)計(jì)方面

針對強(qiáng)震海水耦合和控制非一致機(jī)制不明的問題，建立了海域多點(diǎn)非一致人工合成地震模型，提出了靜動力統(tǒng)一人工邊界下跨海隧道場地的地震反應(yīng)模型。

針對超長跨海隧道延全方位災(zāi)害機(jī)理不明的問題，建立了考慮“海水-土體-結(jié)構(gòu)”隧道，橫截面有效的輸入模型，提出了隧道多尺度精細(xì)化分析方法，揭示不良地質(zhì)條件下超長跨海隧道結(jié)構(gòu)的地震演化規(guī)律。

針對韌性設(shè)計(jì)理論研發(fā)了多臺聯(lián)動震動臺模擬設(shè)計(jì)平臺，對后續(xù)的研究提供了很好的手段和支撐。在大量的模擬實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上開發(fā)了不良地質(zhì)段跨海隧道新型減震材料，目前在強(qiáng)烈區(qū)超長大直徑海底盾構(gòu)隧道蘇埃海底隧道進(jìn)行了應(yīng)用。

不良地質(zhì)段海底隧道多源信息的智慧感知性能分析

關(guān)鍵是對海底隧道結(jié)構(gòu)劣化難以感知和辨識，以及多源信息的時空演化及關(guān)聯(lián)特征難題進(jìn)行分析，提出了區(qū)域巡檢，通過巡檢和關(guān)鍵部位的監(jiān)測進(jìn)行結(jié)合，推動海底隧道的安全檢測由人工到智能的轉(zhuǎn)變。

針對盾構(gòu)管片性能，考慮接頭及地層參數(shù)分布不確定性的問題，提出了海底隧道管片性能的整體化分析方法。在此基礎(chǔ)上提出了基于改進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)體系降維與組合賦權(quán)多準(zhǔn)則妥協(xié)解排序法的結(jié)構(gòu)性能評價方法，主要是針對結(jié)構(gòu)病害的檢測、整體性能的分析以及性態(tài)的評估、長期運(yùn)行的預(yù)測。

不良地質(zhì)段跨海隧道災(zāi)變預(yù)報與控制

針對海底隧道性態(tài)特征難解析，以及災(zāi)變致因難溯源的難題進(jìn)行研究，提出了海底隧道異常性態(tài)的辨識方法，建立了多類型的性態(tài)的模式特征庫，利用判識方法以所建立的模型特征庫提高了在噪聲影響下異常性態(tài)的準(zhǔn)確識別。

建立了“隧道智腦”智能AI引擎。通過多個課題任務(wù)的研究，集成多元數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)資源池，包括勘察設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營、運(yùn)維多方面的數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：