《交通運(yùn)輸科學(xué)技術(shù)新成果推廣目錄》（２０２０）—第三部分隧道《大直徑土壓平衡盾構(gòu)機(jī)研制及在復(fù)雜地層超長距離掘進(jìn)技術(shù)研究?》?

本期項(xiàng)目簡介

完成單位: 中鐵六局集團(tuán)有限公司

主要完成人: 肖于太、 劉松、 楊會(huì)軍、 劉林周、 齊春杰、 汪令平、 王義強(qiáng)、 徐滿吉、 韓寶清、 盧森、 馮忱、 康劍楠、 方繼安、 李宏斌、 盧鑫、 韓璐、 張育齊、 鄭強(qiáng)、 蔡紅彪、 徐東海

項(xiàng)目簡介

　　(一)項(xiàng)目背景

　　隨著全國城市規(guī)模的擴(kuò)張及城市集群的發(fā)展,建設(shè)“單洞雙線冶“雙層多車道冶等超大直徑長距離隧道已成為新一輪城市地下交通建設(shè)的發(fā)展趨勢。為此,中鐵六局依托承建的太原西南環(huán)東晉隧道盾構(gòu)區(qū)間項(xiàng)目,針對(duì)“大直徑土壓平衡盾構(gòu)機(jī)研制及在復(fù)雜地層超長距離掘進(jìn)技術(shù)研究冶課題進(jìn)行科研立項(xiàng)。該盾構(gòu)區(qū)間長4850m,具有開挖斷面大、掘進(jìn)距離長、穿越地質(zhì)復(fù)雜等特點(diǎn),采用一臺(tái)12.14m大直徑土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工,沿線穿越城市主干道、住宅小區(qū)、古建筑、河流等64處風(fēng)險(xiǎn)源。中鐵六局全面深入開展科研創(chuàng)新活動(dòng),經(jīng)過重大技術(shù)創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地層超長距離大直徑土壓盾構(gòu)施工的新突破。

　　(二)技術(shù)概況

　　1.大直徑土壓平衡盾構(gòu)機(jī)選型設(shè)計(jì)及制造關(guān)鍵技術(shù)

　　根據(jù)地質(zhì)、水文和沿線周邊建構(gòu)筑物等條件對(duì)大直徑土壓平衡盾構(gòu)整機(jī)集成及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造進(jìn)行研究,并對(duì)盾構(gòu)機(jī)選型重要參數(shù)進(jìn)行復(fù)合計(jì)算。

　　2.淺覆土、大坡度分體始發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

　　針對(duì)工程始發(fā)段淺覆土、大坡段(11譯下坡)始發(fā)進(jìn)行模擬,結(jié)合無軌運(yùn)輸、負(fù)環(huán)拼裝、洞門防水和封堵等進(jìn)行場地布置、參數(shù)計(jì)算。

　　3.復(fù)雜地層超長距離掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)通過刀盤、刀具防磨設(shè)計(jì)、多種渣土改良方式、預(yù)設(shè)刀具檢修更換加固區(qū)等技術(shù)手段,實(shí)現(xiàn)安全高效連續(xù)掘進(jìn)。

　　4.盾構(gòu)掘進(jìn)與軌下結(jié)構(gòu)同步施工關(guān)鍵技術(shù)在盾構(gòu)掘進(jìn)的同時(shí)結(jié)合同步運(yùn)輸組織,對(duì)軌下結(jié)構(gòu)進(jìn)行分區(qū)、分段同步施工,改變傳統(tǒng)掘進(jìn)與后道工序流水作業(yè)習(xí)慣,創(chuàng)造了大斷面鐵路隧道整體成型、快速施工全新組織模式。

　　(三)適用范圍

　　適用于采用盾構(gòu)法施工、直徑10m以上穿越復(fù)雜地層(卵石、粉質(zhì)黏土、圓礫、砂層等組成的復(fù)合地層或單一地層)的隧道工程。

　　(四)獲獎(jiǎng)情況

　　課題經(jīng)中鐵股份公司組織評(píng)審,研究成果達(dá)到國際領(lǐng)先水平。已申報(bào)施工工法18項(xiàng),其中11項(xiàng)獲得省部級(jí)優(yōu)秀施工工法;獲得授權(quán)專利52項(xiàng),其中4項(xiàng)發(fā)明專利,發(fā)表論文12篇,1項(xiàng)QC成果獲得北京市質(zhì)量協(xié)會(huì)優(yōu)秀獎(jiǎng)。

項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

　　(1)場地受限工況下快速組裝。在盾構(gòu)始發(fā)場地條件受限情況下,通過采取提前拆除部分負(fù)環(huán)、負(fù)環(huán)特殊加固處理、特殊始發(fā)托架導(dǎo)臺(tái)等措施,完成快速組裝。

　　(2)延長洞門鋼絲刷腔注脂密封技術(shù)。采用延長洞門,利用加長鋼絲刷形成多道密封圈,提前注入油脂密封等技術(shù)措施,完成淺埋段洞口密封,保證盾構(gòu)始發(fā)安全。

　　(3)多級(jí)連續(xù)出渣系統(tǒng)。隧道每延米出渣量約150m3,通過采用多級(jí)連續(xù)皮帶出渣,實(shí)現(xiàn)高效掘進(jìn),最大日進(jìn)尺22m。

　　(4)特殊U型轉(zhuǎn)渣裝置。全線地層復(fù)雜,存在大量粒徑超過800mm卵石,通過對(duì)刀盤開口率控制、加大螺旋機(jī)直徑、設(shè)置轉(zhuǎn)渣槽等技術(shù)措施,實(shí)現(xiàn)碴土快速外排。

　　(5)車輛洞內(nèi)掉頭裝置。設(shè)計(jì)一種洞內(nèi)自動(dòng)調(diào)頭平臺(tái),可自動(dòng)隨盾構(gòu)機(jī)前進(jìn),解決洞內(nèi)運(yùn)輸車輛的調(diào)頭難題。

　　(6)可變開口率刀盤。通過可拆卸翼板結(jié)構(gòu),在不同地層實(shí)現(xiàn)刀盤開口率的動(dòng)態(tài)調(diào)整;提升刀盤在不同地層中的綜合適應(yīng)能力,降低大粒徑卵石卡死螺旋機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。

　　(7)軌下結(jié)構(gòu)同步施工。采用無軌運(yùn)輸、軌下結(jié)構(gòu)同步施工方法,設(shè)計(jì)一種自動(dòng)脫模、行走異型模板臺(tái)車,提升效率,實(shí)現(xiàn)軌下結(jié)構(gòu)與掘進(jìn)同步進(jìn)行、流水作業(yè),確?？傮w工期。

同類項(xiàng)目比較

同類項(xiàng)目比較見表 1。

應(yīng)用案例

　　課題項(xiàng)目在太原鐵路樞紐西南環(huán)線盾構(gòu)區(qū)間項(xiàng)目順利實(shí)施運(yùn)用,解決了開挖直徑大、地層復(fù)雜、掘進(jìn)距離長、工期短等施工難題,形成大直徑土壓平衡盾構(gòu)復(fù)雜地層長距離掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)研究。具體應(yīng)用情況如下:

　　(1)設(shè)計(jì)可變開口率直角型式復(fù)合刀盤、撕裂刀與滾刀互換式刀箱,滿足高含量大粒徑卵石土、黏性細(xì)顆粒土等多種地層掘進(jìn);刀盤設(shè)計(jì)多通道可互換式改良噴口,保證大斷面開挖時(shí)的改良工作;設(shè)計(jì)重型刀具進(jìn)行“立體分層冶布置,有效提高掘進(jìn)壽命。

　　(2)研發(fā)應(yīng)用三級(jí)分體始發(fā)工法,采取特殊始發(fā)導(dǎo)臺(tái)、提前拆除部分負(fù)環(huán)等措施,加快了組裝速度,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工況下大直徑盾構(gòu)機(jī)40天完成組裝始發(fā);采用延長注脂洞門密封工法,實(shí)現(xiàn)8m淺覆土始發(fā)條件下最大沉降不足5mm的安全快速始發(fā)掘進(jìn)。

　　(3)通過刀盤、刀具防磨設(shè)計(jì)等技術(shù)手段,實(shí)現(xiàn)安全高效連續(xù)掘進(jìn)。研發(fā)應(yīng)用U型轉(zhuǎn)渣裝置和多級(jí)連續(xù)皮帶出渣系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地層多次改良、不同地質(zhì)大體積渣土連續(xù)高效運(yùn)輸。通過超前沉降數(shù)據(jù)模擬分析、注漿及改良參數(shù)等措施,達(dá)成單日最快22m,單月460m、平均月進(jìn)度260m的高效掘進(jìn)目標(biāo);同時(shí)實(shí)現(xiàn)地表最大累計(jì)沉降小于10mm、成型隧道無破損滲漏、管片最大錯(cuò)臺(tái)小于5mm的高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)目標(biāo)。

　　(4)研究采用雙頭機(jī)車和可移動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái),為大體量物資快速供應(yīng)提供有效保障;結(jié)合運(yùn)輸通道布置、研制走行式模板臺(tái)車,實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)與兩側(cè)翼板同步施工280m/月以上,創(chuàng)造了大斷面鐵路隧道整體成型、快速施工全新的組織模式。

社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益

　　課題應(yīng)用較傳統(tǒng)單洞單線盾構(gòu)法施工減少征拆、設(shè)備投入,縮短了工程工期,節(jié)約成本4400萬元以上,經(jīng)濟(jì)效益顯著。較大限度提升地下空間的利用率,對(duì)促進(jìn)國家的工業(yè)化和城市化進(jìn)程,高效、環(huán)保和安全地開發(fā)利用地下空間,具有重要的戰(zhàn)略意義。施工期間,業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)、施工、建設(shè)單位前往該工程觀摩、考察、交流的活動(dòng)絡(luò)繹不絕,參觀者均給予其高度評(píng)價(jià),相關(guān)媒體多次對(duì)工程進(jìn)行了相關(guān)報(bào)道,受到業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理等各方的好評(píng)及肯定,取得了良好的社會(huì)效益。獲得了中國鐵路太原局“三優(yōu)共創(chuàng)冶先進(jìn)單位、中國中鐵股份公司“標(biāo)準(zhǔn)化工地冶等多項(xiàng)榮譽(yù)稱號(hào)。