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砂卵石地层盾构隧道施工安全控制与高效掘进技术

发布:2021-04-17 阅读:

    砂卵石地层具散粒性、强透水性、高磨耗性等显著特征,国内外均缺乏在 该地层下建设盾构隧道的经验。鉴于该地层盾构施工出现盾构掘进失控、隧道 结构失稳、机具磨损失效的风险极高,诱发重大安全事故的概率极大,曾一度 被视为盾构施工的“禁区”,且盾构掘进月进度难达软土地层的三分之一,掘进效率极其低下。然而,砂卵石地层在我国广泛分布,采用盾构法建设隧道工程的需求巨大。为此,团队历经 10 余年技术研发,解决了砂卵石地层中盾构隧道施工的安全控制和高效掘进这一重大技术难题,取得了以下主要发明成果:


  1.发明了泥水平衡盾构和土压平衡盾构的掘进模拟系统


  研究揭示了泥水压/土压对砂卵石地层的平衡作用机理,发明成功盾构掘进模拟系统。通过掘进模拟判明泥膜动态形成状况、地层变形特性,确定泥浆配比、超挖容许值、泥水和土压平衡保压值等现场施工掘进关键参数,获发明专利 4 项。实现了超挖可控、保压可调、平衡模式可选,解决了开挖面失稳、地表坍陷、螺旋机喷涌、地层劈裂等盾构掘进失控难题,保障了盾构掘进安全。


  2.发明了施工期管片结构的内力分析方法与承压止水检验技术 探明了管片拼装、同步注浆、浆液凝固、后期稳定四阶段荷载特征,建立了施工期分阶段的内力分析模型和方法,开发了各阶段施工荷载与水压联合作用下原型结构承压与止水能力的检验技术,获发明专利 4 项。从而实现了现场管片拼装、顶推、注浆等关键工序和参数的精确选择与控制,解决了结构止水


  失效、管片错台开裂及隧道结构失稳垮塌难题,保障了施工期隧道结构安全。


  3.发明了刀盘刀具优化配置与耐磨保护及刀具快速更换技术


  研究揭示了的砂卵石的细观流动变形和地下水禀赋特性,建立了刀盘刀具 优化配置方法,研发了新型和耐磨刀具、地层减摩改良以及小空间常压换刀技 术,获发明专利 2 项。解决了螺旋机损坏、管路破裂、刀具偏磨、刀盘解体破坏等机具磨损失效难题,保障了盾构的高效和长距离掘进施工。


  获发明专利 10 项、实用新型专利 10 项,出版论著 2 部、发表论文 100 余 篇(SCI/EI 收录 50 余篇),培养博/硕士研究生 30 余名。相关成果获省部级科学技术一等奖 3 项。突破了在砂卵石地层大规模建设盾构隧道的技术瓶颈,成果在成都、南京、北京、武汉等近 20 座城市地铁,以及高速铁路、城际铁路、电力、输水等盾构隧道建设中得到广泛应用,取得逾 10 亿元的重大经济效益。


  中铁装备、铁建重工、德国海瑞克股份公司(全球最大盾构制造商)等多 家国内外著名盾构机制造企业在 100 余台盾构机的制造中应用了本项目技术。成都地铁 4 条线路(隧道单洞总长达 179km)应用了本项目整体技术,施工安全可靠,平均月进度突破 300 米,开创了富水砂卵石地层大规模建设盾构隧道的国际先例。南京地铁 10 号线越长江隧道(长 3.6Km,外径 11.2m)应用本项目整体技术,实现了在强透水砂卵石地层、0.65MPa 高水压、局部覆土厚仅11.4m 极端困难条件下的安全施工,创造了同类地质条件下月进度 636m 的世界纪录。


  该项目荣获2015年度国家技术发明二等奖,主要完成人有何川(西南交大)、周顺华(同济大学)、晏启祥(西南交大)、方勇(西南交大)、徐润泽(中国铁建大桥工程局集团有限公司)、王寿强(中铁十四局集团隧道工程有限公司)。



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