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在2023WTC世界交通運(yùn)輸大會(huì)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(guó)工程院院士杜彥良通過線上的方式，以“超長(zhǎng)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(bào)告，介紹了目前我國(guó)超長(zhǎng)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(chǎng)

杜彥良以“超長(zhǎng)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(bào)告

研究背景和意義

我國(guó)沿海經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，對(duì)于跨海區(qū)域交通提出了巨大要求，2022年中國(guó)沿海省市經(jīng)濟(jì)總量達(dá)到了接近60萬(wàn)億元，占國(guó)內(nèi)總產(chǎn)值GDP的52%以上。我國(guó)大陸沿海沿線1.8萬(wàn)公里，分布著渤海灣、臺(tái)灣海峽等多個(gè)海峽，將行政區(qū)域和城市圈天然分割，成為阻礙東部沿海互聯(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(duì)國(guó)防戰(zhàn)略有重要的意義。圍繞交通強(qiáng)國(guó)和海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，跨海隧道是連接海峽、海灣的重要交通工程，同時(shí)是開發(fā)海洋經(jīng)濟(jì)的重要紐帶，對(duì)支撐海洋強(qiáng)國(guó)交通強(qiáng)國(guó)具有重要的支撐作用。

無(wú)論國(guó)際還是國(guó)內(nèi)，海峽、跨海、穿江隧道發(fā)展都越來(lái)越快，國(guó)外比我國(guó)發(fā)展早一些，以英國(guó)、挪威、日本為代表的超長(zhǎng)跨海隧道，有日本的青函海底隧道、歐洲海底隧道。我國(guó)近年來(lái)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(guó)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(lái)大規(guī)模的水下跨海隧道的建設(shè)時(shí)期，但是跨海隧道的建造運(yùn)營(yíng)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(wú)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(yíng)掌控不好會(huì)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(yíng)面臨的三個(gè)難題

杜彥良提出，目前跨海隧道建設(shè)運(yùn)營(yíng)面臨著三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題需要進(jìn)行突破，即災(zāi)害源的探測(cè)、建造運(yùn)營(yíng)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(cè)方面突破；二是建設(shè)運(yùn)營(yíng)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(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題的項(xiàng)目已于2019年立項(xiàng)，由多個(gè)單位共同承擔(dān)，主要是從地質(zhì)探測(cè)和精細(xì)探測(cè)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(zhǎng)區(qū)域過程長(zhǎng)期感知監(jiān)測(cè)問題以及對(duì)災(zāi)害的防控五個(gè)方面開始研究，預(yù)期取得以下成果。

圍繞精細(xì)探測(cè)，建立一套海底隧道施工不良地質(zhì)精細(xì)探測(cè)與主動(dòng)防護(hù)的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)來(lái)解決海底隧道壓密級(jí)突涌水通道探測(cè)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(zhǎng)期協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)方法，解決多長(zhǎng)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(gè)理論一個(gè)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(zhǎng)跨海隧道運(yùn)營(yíng)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(píng)價(jià)。

通過學(xué)科的交叉來(lái)推動(dòng)基于大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的不良地質(zhì)的跨海隧道災(zāi)備預(yù)報(bào)與控制。

重要?jiǎng)?chuàng)新突破

杜彥良說(shuō)，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(cè)方面

突破壓密級(jí)通道探測(cè)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(cè)方法，開發(fā)了相應(yīng)的探測(cè)裝備。針對(duì)結(jié)構(gòu)性探測(cè)問題發(fā)明了孔中雷達(dá)定向探測(cè)方法，針對(duì)海水性探測(cè)問題提出了孔隧積淀初始探測(cè)方法，研發(fā)了孔隧類合機(jī)電儀器樣機(jī)，施行嚴(yán)密級(jí)的探測(cè)。建立了突涌水的物理方法，研發(fā)了全程探測(cè)突涌水突涌到定位綜合預(yù)警技術(shù)平臺(tái)。

突破壓密級(jí)通道探測(cè)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(cè)方法，建立了海底、洞內(nèi)聯(lián)合觀測(cè)與探驗(yàn)方法，開發(fā)了相應(yīng)的探測(cè)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(cè)距離只達(dá)到150米（超過）。

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

建立了突涌水的物理方法，研發(fā)了全程探測(cè)突涌水突涌到定位綜合預(yù)警技術(shù)平臺(tái)。通過平臺(tái)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(yíng)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(zhǎng)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(tái)，攻克HMC耦合宏細(xì)觀測(cè)試和仿真技術(shù)難題。

提出了襯砌結(jié)構(gòu)長(zhǎng)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(duì)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(dòng)力統(tǒng)一人工邊界下跨海隧道場(chǎng)地的地震反應(yīng)模型。

針對(duì)超長(zhǎng)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(zhǎng)跨海隧道結(jié)構(gòu)的地震演化規(guī)律。

針對(duì)韌性設(shè)計(jì)理論研發(fā)了多臺(tái)聯(lián)動(dòng)震動(dòng)臺(tái)模擬設(shè)計(jì)平臺(tái)，對(duì)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(zhǎng)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(duì)海底隧道結(jié)構(gòu)劣化難以感知和辨識(shí)，以及多源信息的時(shí)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(cè)進(jìn)行結(jié)合，推動(dòng)海底隧道的安全檢測(cè)由人工到智能的轉(zhuǎn)變。

針對(duì)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(píng)價(jià)方法，主要是針對(duì)結(jié)構(gòu)病害的檢測(cè)、整體性能的分析以及性態(tài)的評(píng)估、長(zhǎng)期運(yùn)行的預(yù)測(cè)。

不良地質(zhì)段跨海隧道災(zāi)變預(yù)報(bào)與控制

針對(duì)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(shí)方法，建立了多類型的性態(tài)的模式特征庫(kù)，利用判識(shí)方法以所建立的模型特征庫(kù)提高了在噪聲影響下異常性態(tài)的準(zhǔn)確識(shí)別。

建立了“隧道智腦”智能AI引擎。通過多個(gè)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(yíng)、運(yùn)維多方面的數(shù)據(jù)。

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