復雜條件下越江地鐵工程穩(wěn)定性控制與關鍵施工技術

復雜條件下越江地鐵工程穩(wěn)定性控制與關鍵施工技術項目公示內容一、項目名稱復雜條件下越江地鐵工程穩(wěn)定性控制與關鍵施工技術二、主要完成人彭學軍、劉云龍、劉翔、楊維、湯宇、魯曉明、劉化平、李強、孫望成三、主要完成單位中鐵五局集團第一工程有限責任公司、湖南科技大學四、提名單位及提名意見提名單位：長沙市科技局提名意見：越江地鐵工程穿越的地層較為復雜，且存在高水壓的影響，施工過程中極易出現(xiàn)盾構隧道突水涌泥、坍塌、地表沉降以及車站基坑側壁坍塌、坑底隆起等失穩(wěn)破壞問題，對變形防控和施工技術要求高。本項目依托國家自然科學基金項目(51674115)，聚焦復雜條件下越江地鐵工程施工亟需解決的穩(wěn)定性控制與關鍵施工技術難題。創(chuàng)新了高水壓復雜環(huán)境下盾構越江掘進的關鍵控制技術，從盾構機選型、施工參數(shù)設定、盾構始發(fā)（接收）穩(wěn)定控制等三方面確保了高水壓下越江盾構隧道施工安全，降低了盾構施工引起的擾動；從理論模型、開挖方法與施工技術等方面創(chuàng)新了江中地鐵車站高水壓深大基坑關鍵支護技術，為高水壓下地鐵車站深大基坑支護提供了有效的技術途徑；研發(fā)了越江盾構隧道和江中地鐵車站高水壓深大基坑監(jiān)測預警與風險評估體系，從信息化應用方面為越江地鐵工程建設與運營提供了安全保障。研究成果推廣應用于長沙、南昌等城市的地鐵工程建設，取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益，并且避免了越江地鐵工程重大突發(fā)性災害的發(fā)生，為越江地鐵工程建設提供了安全保障。該方法和技術推廣應用前景良好，可進一步豐富我國城市地鐵工程建設技術。提名該項目為湖南省科學技術進步獎二等獎。五、項目簡介隨著越來越多的城市加入到地鐵建設的浪潮中，穿湖越江的城市地鐵工程大量增加，而且工程規(guī)模和水壓條件也在迅速增加，地鐵工程建設常常面臨著盾構隧道突水涌泥、坍塌、盾構機栽頭以及車站基坑側壁坍塌、坑底隆起等重大突發(fā)性工程災害問題。尤其對于高水壓復雜環(huán)境下越江盾構隧道，盾構掘進時不僅需要設置合理的掘進參數(shù)，還需要及時控制盾構的掘進姿態(tài)；而對于高水壓影響下的江中地鐵車站深大基坑，其支護結構變形、地表沉降位移等安全要求均控制在毫米級內。因此，對于越江地鐵工程建設，如何降低越江地鐵工程施工對周邊的擾動以及確保周圍環(huán)境安全，是當前地鐵工程建設亟待解決的技術難題，也對越江地鐵工程施工技術和變形防控提出了更高的要求。本項目依托多個城市地鐵工程，針對盾構越江掘進關鍵控制技術、江中地鐵車站深大基坑支護技術以及配套監(jiān)測預警技術等開展了系統(tǒng)的研究與實踐，經(jīng)過多年科研攻關，取得了以下創(chuàng)新成果：(1)創(chuàng)新了高水壓復雜環(huán)境下盾構越江掘進的關鍵控制技術。針對高水壓、復合地層下越江盾構隧道穩(wěn)定性控制難題，從盾構機選型、施工參數(shù)合理設定、盾構始發(fā)（接收）穩(wěn)定控制等三方面全面保障了越江盾構隧道掘進施工的安全，有效降低了盾構施工對周邊的擾動，預防了越江盾構隧道突水災害。(2)創(chuàng)新了江中地鐵車站高水壓深大基坑關鍵支護技術。首先，建立了高水壓深大基坑抗隆起破壞力學模型，其次，創(chuàng)新了高水壓下深大基坑地下連續(xù)墻施工成套技術，最后，創(chuàng)新了高水壓下深大基坑分層分段開挖方法與墻后地層注漿加固技術，從理論模型、開挖方法與施工技術等方面有效保證了江中地鐵車站高水壓深大基坑施工安全，顯著提高了施工效率。(3)研發(fā)了越江地鐵工程監(jiān)測預警與風險評估體系。建立了一種越江盾構隧道突水災害超前預測力學模型，預測了開挖面前方巖土體破壞范圍，根據(jù)高水壓深大基坑安全性計算方法形成了一套可量化的江中地鐵車站基坑安全性評估體系，創(chuàng)新了越江盾構隧道和高水壓深大基坑關鍵監(jiān)測預警技術，實現(xiàn)了越江盾構隧道與高水壓深大基坑施工監(jiān)測預警一體化，為越江地鐵工程建設與運營提供了安全保障。本項目通過科研攻關和技術創(chuàng)新，代表性成果中，授權發(fā)明專利3項，授權實用新型專利2項，發(fā)表學術論文5篇。項目從理論方法、施工技術和信息化應用等方面研發(fā)了復雜條件下越江地鐵工程穩(wěn)定性控制與關鍵施工技術，研究成果已陸續(xù)推廣應用于長沙、南昌等城市的地鐵工程建設，累計產(chǎn)生經(jīng)濟效益2.16億元。現(xiàn)場實踐表明，本項目研究成果不僅可以有效預防越江地鐵工程施工過程中的重大突發(fā)性工程災害，還可以顯著提高施工效率、節(jié)約建設成本，經(jīng)濟與社會效益顯著，在今后類似的越江地鐵工程建設中具有良好的推廣應用價值。六、客觀評價1.長沙理工大學國家杰出青年科學基金獲得者、科技部重點研發(fā)計劃項目首席專家張軍輝教授對本項目的評價：隨著我國城市交通建設的迅速發(fā)展，穿湖越江的地鐵建設工程大量增加。越江地鐵工程受到復雜地層和高水壓等各種因素的影響，施工極易對周邊巖土體產(chǎn)生擾動，嚴重時引發(fā)盾構隧道突水涌泥、車站基坑隆起破壞以及地層變形破壞，對越江地鐵工程建設與運營安全產(chǎn)生嚴重威脅。本項目針對這一問題，進行了理論和技術創(chuàng)新，確定了適用于全~中風化泥質（砂質）板巖復合地層的復合式土壓平衡盾構機和復合式刀盤，提出了準確獲得高水壓復雜環(huán)境下越江盾構隧道施工參數(shù)的計算方法，創(chuàng)新了高水壓下越江盾構隧道始發(fā)端、接收端盾構施工穩(wěn)定性控制技術，可以有效預防越江盾構隧道突水災害以及維持盾構掘進姿態(tài)穩(wěn)定；針對江中地鐵車站深大基坑變形防控困難的問題，建立了高水壓深大基坑抗隆起破壞力學模型，提出了針對地下連續(xù)墻與墻體施工的成套施工技術，創(chuàng)新了高水壓深大基坑分層分階段的土方開挖方法和高水壓深大基坑地層注漿加固技術，從理論支撐到技術應用，解決了江中地鐵車站高水壓深大基坑側壁坍塌、涌水涌砂和坑底隆起破壞問題；針對越江地鐵工程施工超前預測和監(jiān)測預警，研發(fā)了越江盾構隧道和江中地鐵車站高水壓深大基坑監(jiān)測預警與風險評估體系，實現(xiàn)了越江盾構隧道與江中地鐵車站高水壓深大基坑施工監(jiān)測預警一體化，解決了傳統(tǒng)監(jiān)測技術單一化、片面化的問題，為推動越江地鐵工程監(jiān)測預警技術和施工風險動態(tài)評估分析做出了巨大貢獻。項目研究成果為復雜條件下越江地鐵工程施工變形防控提供了理論和技術支持，可以有效預防越江地鐵工程建設過程中突水、坍塌、沉降和隆起破壞等重大突發(fā)性災害，具有重大的工程意義。研究成果已在長沙、南昌等多座城市地鐵工程建設中推廣應用，經(jīng)濟和社會效益顯著，有利于推動我國城市地鐵工程穩(wěn)定性控制理論與施工技術的發(fā)展。2.中國礦業(yè)大學全國百篇優(yōu)秀博士論文獲得者、教育部新世紀優(yōu)秀人才獲得者柏建彪教授對本項目的評價：越江地鐵工程穿越復合地層時，地質情況較為復雜，且受高水壓復雜環(huán)境的影響，建設過程中對變形防控和施工技術要求極高。本項目針對復雜條件下越江地鐵工程穩(wěn)定性控制與關鍵施工技術開展研究，對于越江地鐵工程安全高效施工與安全運營具有十分重要的意義。項目創(chuàng)新了高水壓復雜環(huán)境下盾構越江掘進的關鍵控制技術，解決了盾構機型選取、施工參數(shù)合理設定、盾構始發(fā)（接收）穩(wěn)定控制的問題，為越江盾構快速、連續(xù)、穩(wěn)定掘進提供了理論依據(jù)和技術支撐；項目通過對基坑抗隆起破壞理論模型、地下連續(xù)墻施工技術、深大基坑開挖方法與地層注漿加固技術等進行研究，創(chuàng)新了江中地鐵車站高水壓深大基坑關鍵支護技術，有效預防了江中地鐵車站高水壓深大基坑發(fā)生失穩(wěn)破壞，將基坑變形控制在規(guī)范要求范圍內，降低了基坑開挖對周邊環(huán)境的影響；項目建立了越江盾構隧道突水災害預測模型以及提出了江中地鐵車站高水壓深大基坑安全性計算方法，以此為理論基礎，創(chuàng)新了越江盾構隧道和江中地鐵車站高水壓深大基坑關鍵監(jiān)測預警技術，實現(xiàn)了越江地鐵工程動態(tài)化施工，可及時調整越江盾構隧道掘進參數(shù)和江中地鐵車站高水壓深大基坑支護措施，解決了越江地鐵工程施工和監(jiān)測協(xié)調困難的問題，可有力保障越江地鐵工程施工與運營安全。項目研究成果推廣應用于長沙、南昌等城市的地鐵工程建設，解決了越江地鐵工程建設中變形防控困難的問題，可以有效推動我國城市地鐵工程建設質量的提升，取得了顯著的經(jīng)濟、社會效益和環(huán)保效益，具有良好的推廣應用前景。3.本項目主要科技創(chuàng)新與國內外同類技術比較創(chuàng)新點國內外研究現(xiàn)狀本項目研究成果創(chuàng)新點1：創(chuàng)新了高水壓復雜環(huán)境下盾構越江掘進的關鍵控制技術(1)目前針對復合地層的盾構機型普適性較差；(2)針對富水泥質（砂質）板巖復合地層中盾構施工參數(shù)控制方面的研究相對較少；(3)現(xiàn)有技術條件下，盾構始發(fā)時盾構機在托架上方可能產(chǎn)生扭轉，造成盾構始發(fā)施工出現(xiàn)問題，導致盾構機發(fā)生位移。從盾構機選型、施工參數(shù)合理設定、盾構始發(fā)（接收）穩(wěn)定控制等三方面全面保障了越江盾構隧道掘進施工的安全，有效降低了盾構施工對周邊的擾動，將掘進時的地層損失率控制到最小，預防了越江盾構隧道突水災害。創(chuàng)新點2：創(chuàng)新了江中地鐵車站高水壓深大基坑關鍵支護技術(1)針對高水壓復雜環(huán)境，坑底為軟弱土層時，現(xiàn)有的基坑抗隆起破壞力學模型不足以提供理論支撐；(2)現(xiàn)有的地下連續(xù)墻施工技術在復雜環(huán)境和施工空間有限的工況下適應性較差；(3)基坑外地下水位變化復雜，各種復雜施工環(huán)境造成基坑開挖與地層注漿加固難度極大。建立了高水壓深大基坑抗隆起破壞力學模型，創(chuàng)新了高水壓下深大基坑地下連續(xù)墻施工成套技術，創(chuàng)新了高水壓下深大基坑分層分段開挖方法與墻后地層注漿加固技術，從理論到技術層面解決了江中地鐵車站高水壓深大基坑變形防控困難與施工技術適應性差的問題，保證了江中地鐵車站高水壓深大基坑施工安全。創(chuàng)新點3：研發(fā)了越江盾構隧道和江中地鐵車站高水壓深大基坑監(jiān)測預警與風險評估體系(1)運用極限分析法構建盾構隧道開挖面破壞模式時，均假設破壞模型完全位于地下水位線以下，未考慮地下水位線的影響，雖然計算過程簡便，但預測的破壞范圍誤差較大。(2)基質吸力和中主應力對基坑抗隆起穩(wěn)定性的影響很少被考慮，導致高水壓復雜環(huán)境影響下深大基坑安全性計算存在誤差。(3)現(xiàn)有地鐵工程監(jiān)測數(shù)據(jù)只針對某一監(jiān)測項目，且只能通過人工輸入施工數(shù)據(jù)進行施工模擬，無法實現(xiàn)監(jiān)測項目之間的協(xié)調統(tǒng)一。建立了一種越江盾構隧道突水災害超前預測力學模型，并根據(jù)高水壓深大基坑安全性計算方法形成了一套可量化的江中地鐵車站基坑安全性評估體系，創(chuàng)新了越江盾構隧道和高水壓深大基坑關鍵監(jiān)測預警技術，解決了越江盾構隧道破壞范圍預測不準確以及江中地鐵車站高水壓深大基坑安全性計算存在誤差的問題，實現(xiàn)了越江盾構隧道與高水壓深大基坑施工監(jiān)測預警一體化，為越江地鐵工程建設與運營提供了安全保障。七、推廣應用情況本項目研究成果推廣應用于長沙市軌道交通二號線、六號線以及南昌市軌道交通一號線北延、東延及二號線東延工程等項目（近三年應用單位及取得經(jīng)濟效益如下表所示）。通過與傳統(tǒng)地鐵工程穩(wěn)定性控制理論與施工技術相比較，本項目研發(fā)的復雜條件下越江地鐵工程穩(wěn)定性控制與關鍵施工技術，從理論方法、施工技術和信息化應用等方面解決了越江地鐵工程變形防控困難的問題，將盾構越江掘進時的地層損失率控制到最小，降低了江中地鐵車站高水壓深大基坑開挖對周邊環(huán)境的影響，實現(xiàn)了越江地鐵工程監(jiān)測預警一體化以及動態(tài)化施工?，F(xiàn)場實踐應用表明，本項目研究成果不僅可以有效預防越江盾構隧道突水涌泥、坍塌、地表沉降以及車站基坑側壁坍塌、坑底隆起等重大突發(fā)性工程災害，還可以顯著提高施工效率、節(jié)約建設成本，經(jīng)濟效益、社會效應和安全效益顯著，具有良好的推廣應用前景。八、主要知識產(chǎn)權和標準規(guī)范等目錄（不超過10件）知識產(chǎn)權（標準）類別知識產(chǎn)權（標準）具體名稱國家（地區(qū)）授權號（標準編號）授權（標準發(fā)布）日期證書編號

（標準批準發(fā)布部門）權利人（標準起草單位）發(fā)明人（標準起草人）發(fā)明專利（標準）有效狀態(tài)發(fā)明專利一種隧道襯砌檢測清掃裝置中國ZL201911323195.22021年03月02日4277764中鐵五局集團第一工程有限責任公司彭學軍;劉柏汐;陳敏;劉德安;湯宇;王圣;杜榮華;劉飛翔;何林云;鐘東;吳俊宏;吳理彪;林巍杰;童昌;李一萍;胥俊瑋;胡從文;彭正中有效專利發(fā)明專利一種富水泥巖地層隧道掌子面超前注漿方法中國ZL202110250136.82021年05月28日4445982中鐵五局集團第一工程有限責任公司劉翔;鄧小衛(wèi);劉飛翔;謝曉波;李建;劉化平;胥俊瑋;陳敏;劉德安;楊文國;趙建斌;彭學軍;陽軍生;湯宇;胡曉;方文應;彭靜;段磊;曾玉德;王圣;彭雨楊;方星樺;李強;何林云;陳棟;楊海龍;凌濤有效專利論文Limitanalysisofbasalheavestabilityinunsaturatedsoilsbasedontheunifiedstrengththeory中國2020,39(01):593-6022020年07月31日10.1007/s10706-020-01481-5張佳華;凌濤;饒永強;王成洋;楊維;熊勝;黃光其他有效的知識產(chǎn)權發(fā)明專利一種隧道襯砌雷達探測裝置中國ZL201911323614.22021年03月23日4312820中鐵五局集團第一工程有限責任公司曹振興;劉柏汐;彭學軍;羅運杰;楊文國;曹輝;杜榮華;劉云龍;尹繁盛;湯宇;袁仲輝;李強;田亞軍;鐘東;童昌;周文聰;林巍杰;彭正中;陽昌標有效專利實用新型專利防止盾構機在始發(fā)施工中發(fā)生扭轉的裝置中國ZL201921418848.02020年06月02日10652725湖南科技大學張佳華;凌濤;張標;張道兵;孫望成;蔚彪有效專利實用新型專利一種用于軟弱巖土體隧道洞口的超前小導管注漿支護結構中國ZL202020362305.82020年04月24日10379085中鐵五局集團第一工程有限責任公司曹振興;彭學軍;李享松;沈紅良;吳彪;楊文國;凌濤;饒永強;湯宇;佘文軍;魯曉明;林映;楊維;張佳華有效專利論文泥質粉砂巖層中盾構掘進參數(shù)控制中國2020,32(01):85-882020年02月03日10.3969/j.issn.1672-6146.2020.01.018凌濤;饒永強;楊維;熊勝;黃光;張佳華其他有效的知識產(chǎn)權論文盾構施工對周邊建筑物影響及其保護技術中國2020,32(02):75-79.2020年05月22日10.3969/j.issn.1672-6146.2020.02.014彭學軍;孫望成;饒永強;佘文軍;凌濤;劉燾其他有效的知識產(chǎn)權論文城市地下工程軌排井支架體系施工關鍵技術研究中國2019,38(09):41-44+542019年09月01日10.14165/ki.hunansci.2019.09.010彭學軍;曹振興;彭雨楊;胡從文;李一萍其他有效的知識產(chǎn)權論文聚能水壓爆破技術在水平巖層隧道施工中的應用中國2020,(02):182-183+186.2020年02月15日1673-1069(2020)02-0182-03劉云龍其他有效的知識產(chǎn)權九、主要完成人情況表排名姓名職稱/職務工作單位完成單位對本項目主要學術貢獻1彭學軍正高級工程師/副總工程師中鐵五局集團第一工程有限責任公司中鐵五局集團第一工程有限責任公司制定了項目的研究目的、研究內容、研究思路以及研究計劃等2劉云龍高級工程師/總工程師中鐵五局集團第一工程有限責任公司中鐵五局集團第一工程有限責任公司提出了一種準確獲得高水壓復雜環(huán)境下越江盾構隧道施工參數(shù)計算方法，參與創(chuàng)新了越江盾構隧道和江中地鐵車站高水壓深大基坑關鍵監(jiān)測預警技術3劉翔高級工程師/分公司總工程師中鐵五局集團第一工程有限責任公司中鐵五局集團第一工程有限責任公司提出了一種富水泥質（砂質）板巖復合地層盾構隧道開挖面超前注漿方法，4楊維高級工程師/項目總工程師中鐵五局集團第一工程有限責任公司中鐵五局集團第一工程有限責任公司參與創(chuàng)新了江中地鐵車站高水壓深大基坑關鍵支護技術，提出了一種江中地鐵車站高水壓深大基坑安全性計算方法5湯宇工程師/工程技術管理部部長中鐵五局集團第一工程有限責任公司中鐵五局集團第一工程有限責任公司參與研發(fā)了越江盾構隧道和江中地鐵車站高水壓深大基坑監(jiān)測預警與風險評估體系6魯曉明高級工程師/項目總工程師中鐵五局集團第一工程有限責任公司中鐵五局集團第一工程有限責任公司參與創(chuàng)新了高水壓下越江盾構隧道始發(fā)端、接收端盾構施工穩(wěn)定性控制技術7劉化平高級工程師/分公司經(jīng)理中鐵五局集團第一工程有限責任公司中鐵五局集團第一工程有限責任公司參與創(chuàng)新了高水壓復雜環(huán)境下盾構越江掘進的關鍵控制技術8李強工程師/副總工程師中鐵五局集團第一工程有限責任公司中鐵五局集團第一工程有限責任公司參與提出了一種準確獲得高水壓復雜環(huán)境下越江盾構隧道施工參數(shù)的計算方法9孫望成助理工程師/主管工程師中鐵五局集團第一工程有限責任公司湖南科技大學參與確定了適用于泥質（砂質）板巖復雜地層的盾構機型十、主要完成單位情況完成單位對本項目科技創(chuàng)新和推廣應用情況的貢獻中鐵五局集團第一工程有限責任公司作為項目負責單位，制定了項目的研究目