2022年度湖南省科學(xué)技術(shù)獎勵擬提名項目公示

2022年度湖南省科學(xué)技術(shù)獎勵擬提名項目公示一、項目名稱富水軟硬不均地層下盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)穩(wěn)定性控制與防滲關(guān)鍵技術(shù)二、提名單位、提名等級及提名意見提名單位：湖南科技大學(xué)提名等級：湖南省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎三等獎提名意見：近年來，城市地鐵盾構(gòu)隧道穿越富水軟硬不均地層時頻繁發(fā)生坍塌、隆起、涌水涌泥等重大工程災(zāi)害，這是制約城市地鐵盾構(gòu)隧道發(fā)展的重要瓶頸之一。本項目依托湖南省自然科學(xué)基金項目(2015JJ4024)，開展了富水軟硬不均地層下盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)穩(wěn)定性控制與防滲關(guān)鍵技術(shù)的研究。針對強-中風(fēng)化板巖軟硬不均富水地層，基于隨機介質(zhì)理論建立了盾構(gòu)隧道“坍塌-隆起”災(zāi)害的失效模型，采用響應(yīng)面拓展方法求解了盾構(gòu)隧道的失效概率，為評估富水軟硬不均地層盾構(gòu)隧道的安全性提供了重要的理論依據(jù)；引入富水軟硬不均地層表征出的富水性、非均質(zhì)性以及各向異性等力學(xué)模型，采用孔隙水效應(yīng)下的極限分析上限定理得到了合理的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，顯著減小了土體變形以及地表位移；研發(fā)了一種適用于大坡度的強制脫軌制動裝置的電瓶車、一種長距離運輸?shù)脑裂b載裝置以及盾構(gòu)穩(wěn)定接收裝置等一系列設(shè)備，為富水軟硬不均地層中控制盾構(gòu)穩(wěn)定的掘進(jìn)姿態(tài)提供了重要的技術(shù)支撐；創(chuàng)新了以盾構(gòu)始發(fā)三重洞門密封裝置和盾構(gòu)機鉸接密封裝置相結(jié)合的防滲水技術(shù)，有效解決了盾構(gòu)始發(fā)和掘進(jìn)過程中滲漏水以及涌水涌泥難題。研究成果成功應(yīng)用于長沙地鐵2、4、6號線，有效預(yù)防了盾構(gòu)隧道坍塌、地表隆起、涌水涌泥等重大突發(fā)性工程災(zāi)害，有力保障了盾構(gòu)快速、連續(xù)、穩(wěn)定的掘進(jìn)姿態(tài)，推廣應(yīng)用前景良好，經(jīng)濟效益、安全效益十分顯著，進(jìn)一步提升了城市地鐵盾構(gòu)隧道的建設(shè)水平。提名該項目為湖南省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎三等獎。三、項目簡介隨著城市地鐵建設(shè)的迅猛發(fā)展，盾構(gòu)法施工所遇到地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，尤其是面臨富水軟硬不均地層時，極易發(fā)生地表沉陷或隆起、隧道坍塌、盾構(gòu)滲漏水甚至涌水涌泥等重大突發(fā)性工程災(zāi)害，造成巨大的人員傷亡、重大的經(jīng)濟損失和嚴(yán)重的社會后果。因此，盾構(gòu)隧道穿越富水軟硬不均地層時，防控要求極嚴(yán)，施工難度極大，安全風(fēng)險極高。當(dāng)前，關(guān)于富水軟硬不均地層盾構(gòu)隧道安全風(fēng)險評估機制的基礎(chǔ)理論非常匱乏，而且關(guān)鍵防控技術(shù)也極為薄弱，這嚴(yán)重制約著盾構(gòu)隧道的發(fā)展，影響著城市地鐵的建設(shè)。因此，本項目開展了富水軟硬不均地層下盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)穩(wěn)定性控制與防滲關(guān)鍵技術(shù)的研究，取得了以下創(chuàng)新成果：(1)基于隨機介質(zhì)理論構(gòu)建了強-中風(fēng)化板巖軟硬不均富水地層盾構(gòu)隧道“坍塌-隆起”的失效模型，揭示了富水軟硬不均地層盾構(gòu)隧道沉陷、隆起、涌水涌泥等災(zāi)害的形成規(guī)律，并進(jìn)行了安全風(fēng)險評估分析，劃分了盾構(gòu)施工區(qū)間的安全等級，為富水軟硬不均地層盾構(gòu)隧道災(zāi)害控制提供了重要的理論依據(jù)。(2)引入富水軟硬不均地層力學(xué)模型，運用水土合算理念與極限分析理論，建立了富水軟硬不均地層盾構(gòu)隧道失穩(wěn)破壞的判別準(zhǔn)則，求解了盾構(gòu)正常掘進(jìn)所需要的推力和扭矩，結(jié)合現(xiàn)場實測值得到了合理的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)。該方法所得到的結(jié)果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)經(jīng)驗值，顯著減小了土體變形以及地表位移，有效預(yù)防了盾構(gòu)隧道坍塌、隆起、涌水涌泥等重大工程災(zāi)害。(3)研發(fā)了一種適用于大坡度的強制脫軌制動裝置電瓶車、一種用于長距離運輸?shù)脑裂b載裝置以及盾構(gòu)穩(wěn)定接收裝置等一系列設(shè)備，徹底解決了大坡度、長距離時盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)難以控制的難題，有力保障了富水軟硬不均地層中盾構(gòu)快速、連續(xù)、穩(wěn)定的掘進(jìn)姿態(tài)。(4)創(chuàng)新了以盾構(gòu)始發(fā)三重洞門密封裝置和盾構(gòu)機鉸接密封裝置相結(jié)合的防滲水技術(shù)，顯著提高了盾構(gòu)始發(fā)洞門和盾構(gòu)機鉸接結(jié)構(gòu)的密封性，成功解決了傳統(tǒng)盾構(gòu)不能有效抵擋泥水的問題，有力保障了富水軟硬不均地層下盾構(gòu)始發(fā)與掘進(jìn)過程中穩(wěn)定、安全的掘進(jìn)姿態(tài)，有效控制了盾構(gòu)涌水涌泥等重大突發(fā)性災(zāi)害的發(fā)生。本項目通過科研攻關(guān)和技術(shù)創(chuàng)新，有10項代表性成果，其中發(fā)明專利1項、實用新型專利4項，論文5篇。其研究成果成功應(yīng)用于長沙地鐵2、4、6號線等，有效解決了富水軟硬不均復(fù)雜地質(zhì)條件下盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)難以控制以及坍塌、涌水涌泥災(zāi)害防控困難等難題，明顯縮短了施工工期，大幅度降低了工程成本，間接經(jīng)濟效益累計達(dá)1.28億元。這表明本項目研究成果推廣應(yīng)用前景良好，且經(jīng)濟效益、社會效益、安全效益非常顯著，可為類似復(fù)雜地層下城市地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)提供了重要的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。四、客觀評價盾構(gòu)隧道穿越富水軟硬不均地層時，防控要求極嚴(yán)，施工難度極大，安全風(fēng)險極高。本項目開展了針對富水軟硬不均地層下盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)穩(wěn)定性控制與防滲關(guān)鍵技術(shù)的研究，揭示了富水軟硬不均地層盾構(gòu)隧道沉坍塌、隆起、涌水涌泥等災(zāi)害的形成規(guī)律，評估分析了盾構(gòu)施工區(qū)間的安全風(fēng)險，為富水軟硬不均地層盾構(gòu)隧道災(zāi)害控制提供了重要的理論依據(jù)；運用水土合算理念與極限分析理論，得到了合理的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，其結(jié)果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)經(jīng)驗方法的結(jié)果，可顯著降低對土體的擾動；研發(fā)的一系列設(shè)備和系統(tǒng)，徹底解決了大坡度、長距離時盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)難以控制的難題，有效預(yù)防大坡度下運輸車脫軌、渣土噴濺、盾構(gòu)機軸線偏移以及姿態(tài)偏差等重大工程風(fēng)險；創(chuàng)新了以盾構(gòu)始發(fā)三重洞門密封裝置和盾構(gòu)機鉸接密封裝置相結(jié)合的防滲水技術(shù)，顯著提高了盾構(gòu)始發(fā)洞門和盾構(gòu)機鉸接結(jié)構(gòu)的密封性，成功解決了盾構(gòu)滲漏水問題。項目研究成果已為長沙地鐵2、4、6號線建設(shè)提供了重要的理論依據(jù)和技術(shù)支撐，有效預(yù)防了坍塌、涌水涌泥等重大安全工程事故，確保了施工質(zhì)量，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。該項目創(chuàng)新性突出、社會經(jīng)濟效益顯著，推廣應(yīng)用前景廣闊，可有效推動了我國城市地鐵隧道建設(shè)技術(shù)的發(fā)展。1國內(nèi)外同行學(xué)術(shù)性評價意見：1.1發(fā)表在國際期刊InternationalJournalforNumericalandAnalyticalMethodsinGeomechanics(JCRQ1,IF=4.229)的論文正面評價核心知識產(chǎn)權(quán)1-1：Thecollapseoftunnelfacescanresultincasualtiesandhugeprojectlosses.Therefore,understandingandevaluatingthestabilityoftunnelfacesundersuchacircumstanceareofgreatscientificvalueandengineeringsignificance.4–6譯文：隧道工作面坍塌會造成人員傷亡和巨大的工程損失。因此，了解和評估隧道工作面在這種情況下的穩(wěn)定性具有重要的科學(xué)價值和工程意義。1.2發(fā)表在國際期刊InternationalJournalofGeomechanics(JCRQ3,IF=3.918)的論文正面評價主要知識產(chǎn)權(quán)9-3：Thestabilityoftheshieldexcavationfaceismainlyassociatedwiththefluctuationofthesupportingpressure(DiasandKastner2013).Ontheonehand,thepressurefluctuationisrelatedtotheprescribedvalues.Theaccuratesupportpressurecanoffsetthewaterpressureandearthpressureinfrontoftheexcavation,ensuringadynamicbalanceduringtheexcavationprocess(Zhangetal.2021a).譯文：盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定性主要與支護壓力的波動有關(guān)(DiasandKastner2013)。壓力波動與規(guī)定值有關(guān)，準(zhǔn)確的支護壓力可以抵消開挖前方的水壓力和土壓力，保證開挖過程中的動態(tài)平衡(Zhangetal.2021a)。1.3發(fā)表在國際期刊Geofluids(JCRQ2,IF=1.7)的論文正面評價主要知識產(chǎn)權(quán)9-3：Forgeotechnicalengineering,especiallytunnelengineeringstabilityanalysis,thelimitanalysisupperboundmethodhasbeenanexcellenttheoreticalanalysismethod[9-14]譯文：對于巖土工程，尤其是隧道工程的穩(wěn)定性分析，極限分析上界法一直是一種極佳的理論分析方法。2本項目主要科技創(chuàng)新與國內(nèi)外同類技術(shù)比較創(chuàng)新點國內(nèi)外研究現(xiàn)狀本項目優(yōu)勢1.提出了基于隨機介質(zhì)理論的強-中風(fēng)化板巖軟硬不均富水地層盾構(gòu)隧道“坍塌-隆起”災(zāi)害風(fēng)險評估方法已有的風(fēng)險評估方法只考慮了盾構(gòu)隧道坍塌或地表隆起災(zāi)害的單一失效模式，未將兩種災(zāi)害的失效模式綜合考慮，故所得到的計算結(jié)果不太精確?；陔S機介質(zhì)理論構(gòu)建了盾構(gòu)隧道“坍塌-隆起”兩種災(zāi)害的失效模式，所得到的計算結(jié)果精度更高，為有效控制富水軟硬不均地層盾構(gòu)隧道災(zāi)害提供了重要的理論依據(jù)。2.提出了一種富水軟硬不均地層下確定合理盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的計算方法(1)傳統(tǒng)的盾構(gòu)隧道穩(wěn)定性分析模型假定巖土材料是均質(zhì)的，這與實際地質(zhì)情況不太相符，導(dǎo)致計算結(jié)果誤差較大。(2)未結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)將理論值進(jìn)行修正。針對富水軟硬不均地層力學(xué)特性，引入非均質(zhì)性等力學(xué)模型，并考慮孔隙水效應(yīng)，求解盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的理論值，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，引入修正系數(shù)進(jìn)一步修正，獲得合理的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)。3.創(chuàng)新了一種富水軟硬不均地層下盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)穩(wěn)定控制的綜合施工技術(shù)(1)盾構(gòu)刀盤對周圍土體非均勻開挖，極易導(dǎo)致盾構(gòu)偏離設(shè)計軸線。(2)盾構(gòu)機在接收端洞門對齊時，由于注漿的存在極易發(fā)生前傾。創(chuàng)新了一種液壓控制系統(tǒng)，可實時調(diào)整盾構(gòu)軸線，保障了盾構(gòu)穩(wěn)定的掘進(jìn)姿態(tài)，且通過內(nèi)部頂推機構(gòu)平衡盾構(gòu)與接收裝置之間的摩擦力，有效預(yù)防了盾構(gòu)前傾的風(fēng)險。4.創(chuàng)新了一種富水軟硬不均地層下盾構(gòu)始發(fā)與掘進(jìn)過程中防滲水技術(shù)盾構(gòu)始發(fā)洞門密封裝置不能夠進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，封堵不夠嚴(yán)密極易造成涌水涌泥災(zāi)害。研發(fā)了富水地層盾構(gòu)始發(fā)三重洞門密封裝置，成功解決了密封裝置不能進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整的問題，顯著增強了密封效果，有效預(yù)防了涌水涌泥災(zāi)害。五、推廣應(yīng)用情況本項目研究成果已成功推廣和應(yīng)用于長沙地鐵2、4、6號線各標(biāo)段盾構(gòu)隧道建設(shè)。與傳統(tǒng)技術(shù)相比較，本項目首先以基于隨機介質(zhì)理論的盾構(gòu)隧道災(zāi)害風(fēng)險評估方法進(jìn)行安全風(fēng)險評估分析，劃分盾構(gòu)施工區(qū)間的安全等級；其次通過確定合理的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)減小對土體的擾動、降低災(zāi)害的發(fā)生；再采用一系列盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)穩(wěn)定性控制的綜合施工技術(shù)，保障了盾構(gòu)快速、連續(xù)和穩(wěn)定的掘進(jìn)姿態(tài)；最后創(chuàng)新了一套防滲水技術(shù)，成功解決了傳統(tǒng)盾構(gòu)不能有效抵擋泥水的難題，有效預(yù)防了盾構(gòu)涌水涌泥等重大突發(fā)性工程災(zāi)害。研究成果的成功推廣和應(yīng)用，有效預(yù)防了盾構(gòu)隧道坍塌、涌水涌泥等重大災(zāi)害，保障了地鐵建設(shè)的施工質(zhì)量，縮短了施工工期，降低了工程成本，具有顯著的經(jīng)濟效益、社會效應(yīng)和安全效益，具有廣闊的應(yīng)用前景。六、主要知識產(chǎn)權(quán)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等目錄（不超過10件）知識產(chǎn)權(quán)（標(biāo)準(zhǔn)）類別知識產(chǎn)權(quán)（標(biāo)準(zhǔn)）具體名稱國家（地區(qū)）授權(quán)號（標(biāo)準(zhǔn)編號）授權(quán)（標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布）日期證書編號（標(biāo)準(zhǔn)批準(zhǔn)發(fā)布部門）權(quán)利人（標(biāo)準(zhǔn)起草單位）發(fā)明人（標(biāo)準(zhǔn)起草人）發(fā)明專利（標(biāo)準(zhǔn)）有效狀態(tài)論文Reliabilityanalysisofanti-seismicstabilityof3Dpressurizedtunnelfacesbyresponsesurfacesmethod中國2020,20(01):43-542020年01月10日10.12989/gae.2043湖南科技大學(xué)、中南大學(xué)張標(biāo);馬宗宇;王晅;張家生;彭文慶其他有效的知識產(chǎn)權(quán)實用新型專利盾構(gòu)機穩(wěn)定接收裝置中國ZL201921416249.52020年06月02日10655141湖南科技大學(xué)張標(biāo);凌濤;張佳華;張道兵;孫望成;蔚彪有效專利發(fā)明專利一種隧道設(shè)備中國ZL201911034167.92021年02月12日4251483中鐵五局集團第一工程有限責(zé)任公司朱胥仁;楊曾;王偉;陳彬;曹振興;彭學(xué)軍;吳彪;楊文國;李享松;湯宇;苗永旺;楊俊峰;羅朝華;胥俊偉;李一萍;胡從文;范方貴;凌濤有效專利論文ReliabilityAnalysisofSeismicStabilityofShieldTunnelFaceunderMultipleCorrelatedFailureModes中國2021,25(8):3172-31852021年05月22日10.1007/s12205-021-2174-3湖南科技大學(xué)、中南大學(xué)張道兵;孫望成;王成洋;蔚彪其他有效的知識產(chǎn)權(quán)論文Upperboundsolutionofcollapsepressureandpermanentdisplacementof3Dtunnelfacesusingthepseudo-dynamicmethodandthekinematicapproach中國2021,25(6):521-5332021年06月25日10.12989/gae.2021湖南科技大學(xué)、中南大學(xué)張標(biāo);蔣瑾;張道兵;劉澤其他有效的知識產(chǎn)權(quán)論文基于Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則深埋硐室圍巖結(jié)構(gòu)可靠度分析中國2021,36(01):30-372021年03月20日10.13582/ki.1674-5876.2021.01.005湖南科技大學(xué)、中鐵五局集團有限公司張靜;焦倓然;張道兵;蔚彪;尹華東其他有效的知識產(chǎn)權(quán)論文長沙市軌道交通5號線盾構(gòu)隧道管片修補及防滲漏技術(shù)中國2020,32(02):71-742020年05月22日1672-6146(2020)02-0071-04中鐵五局集團第一工程有限責(zé)任公司、湖南科技大學(xué)、中國建筑第五工程局有限公司李享松;沈紅良;蔣瑾;饒永強;凌濤;劉燾其他有效的知識產(chǎn)權(quán)實用新型專利一種可過車的新型針梁臺車中國ZL202120933594.72021年12月03日14951448中鐵五局集團第一工程有限責(zé)任公司;長沙理工大學(xué);中鐵五局集團有限公司魏波;陳武林;鄧滿林;彭學(xué)軍;劉麗;湯宇;劉云龍;陸敬忠;趙建斌;康仲;尹來容;劉穩(wěn)琦;黃苛;段鵬昌;胥俊偉;凌濤有效專利實用新型專利富水地層盾構(gòu)始發(fā)三重洞門密封裝置中國ZL202020174596.82020年09月15日11491267湖南科技大學(xué)張佳華;張道兵;蔚彪;尹華東;孫望成;蔣瑾;宋嘉誠有效專利實用新型專利一種柱模加固裝置中國ZL202121706412.92021年12月17日15177607中鐵五局集團第一工程有限責(zé)任公司;中鐵五局集團有限公司;中鐵發(fā)展投資有限公司周軍強;孫永科;劉云龍;湯宇;龍明華;彭學(xué)軍;馮慧君;李培國;鐘東;彭正中;徐毅勇;周飛;郭子琦;沈紅良;凌濤;楊維;劉杰鋒;段磊;楊錫斌;童昌有效專利七、主要完成人情況表排名姓名職稱/職務(wù)工作單位完成單位對本項目主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)1張標(biāo)講師湖南科技大學(xué)湖南科技大學(xué)項目總負(fù)責(zé)人，提出了總體的研究思路，制定整體研究方案和技術(shù)路線。2張靜高級工程師/項目經(jīng)理中鐵五局集團有限公司中鐵五局集團有限公司參與提出了基于隨機介質(zhì)理論的強-中風(fēng)化板巖軟硬不均富水地層盾構(gòu)隧道“坍塌-隆起”災(zāi)害風(fēng)險評估方法。3魏波高級工程師/分公司經(jīng)理中鐵五局集團第一工程有限責(zé)任公司中鐵五局集團第一工程有限責(zé)任公司參與研發(fā)了盾構(gòu)機穿越富水軟硬不均地層穩(wěn)定接收裝置。4凌濤高級工程師/項目總工程師中鐵五局集團第一工程有限責(zé)任公司中鐵五局集團第一工程有限責(zé)任公司參與研發(fā)了盾構(gòu)機穿越富水軟硬不均地層穩(wěn)定接收裝置，并且參與創(chuàng)新了一種富水軟硬不均地層下盾構(gòu)始發(fā)與掘進(jìn)過程中防滲水技術(shù)。5周飛高級工程師/項目經(jīng)理中鐵五局集團第一工程有限責(zé)任公司中鐵五局集團第一工程有限責(zé)任公司參與研發(fā)了盾構(gòu)機穿越富水軟硬不均地層穩(wěn)定接收裝置。6焦倓然高級工程師/項目經(jīng)理中鐵五局集團有限公司中鐵五局集團有限公司參與提出了基于隨機介質(zhì)理論的強-中風(fēng)化板巖軟硬不均富水地層盾構(gòu)隧道“坍塌-隆起”災(zāi)害風(fēng)險評估方法。7蔚彪無湖南科技大學(xué)湖南科技大學(xué)參與了基于隨機介質(zhì)理論的強-中風(fēng)化板巖軟硬不均富水地層盾構(gòu)隧道“坍塌-隆起”災(zāi)害風(fēng)險評估方法等。八、主要完成單位及創(chuàng)新推廣貢獻(xiàn)情況完成單位對本項目科技創(chuàng)新和推廣應(yīng)用情況的貢獻(xiàn)湖南科技大學(xué)項目負(fù)責(zé)單位，承擔(dān)了項目的總體研究工作，為項目提供了相應(yīng)設(shè)備，配備了一定數(shù)量科研人員，積極將研究成果向施工單位進(jìn)行推廣