《交通運輸科學技術新成果推廣目錄》（２０２０）—第三部分隧道《成都富水卵漂石地層盾構下穿運營地鐵微擾動施工關鍵技術研究》

本期項目簡介

完成單位: 中交第二航務工程局有限公司、中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司

主要完成人: 楊釗、 陳培帥、 靳黨鵬、 許超、 王強、 劉文、 曾希鍵、 張士龍、 王燦剛、 劉杰、 張瀚華、 馬超、 黃威、 隋澤文、 劉東軍、 熊棟棟、 賀創(chuàng)波、 鐘涵、 張飛雷、 溫博為

項目簡介

　　(一)項目背景

　　我國幅員遼闊,地質條件錯綜復雜,在修建地鐵項目過程中會遇到各種不同地層,如成都的富水砂卵石地層、西安的濕陷性黃土地層、東南沿海地區(qū)富水軟土地層等。成都富水卵漂石地層宜采用土壓平衡盾構施工,但是由土體強度高、滲透系數(shù)大、地層松散等特性,渣土容易滯排,進而引起刀盤刀具磨損加大,設備負荷大,施工成本高等問題;同時由于地層松散,盾構掘進過程中易出現(xiàn)超挖,易形成地層空洞,后期地面出現(xiàn)塌陷。針對該種地層,尚未找到一種經濟高效的施工方法,盾構施工過程中依然存在一些共性問題,相關施工技術還在不斷探索之中。

　　(二)技術概況

　　1.成都富水卵漂石地層盾構渣土改良技術研發(fā)了卵漂石土體輸送性評價裝置與阻水性評價裝置,開展了渣土改良試驗研究,確定了卵漂石土體渣土改良的改良劑及配比,實現(xiàn)了卵漂石地層盾構渣土改良效果洞外評價,為盾構掘進過程中渣土改良調整提供可靠依據(jù),形成了富水卵漂石地層渣土改良快速評價體系。

　　2.成都富水卵漂石地層盾構設備適應性改造技術

　　(1)對開口率為45%與36%的刀盤進行研究,選用大口率的刀盤能使盾構在卵漂石地層切削動作平穩(wěn),扭矩變化波動小、整體掘進速度高,同時地表沉降控制更有效。

　　(2)將傳統(tǒng)的軸式螺旋輸送機改為采用同等直徑的帶式螺旋輸送機,帶式螺旋輸送機更有利于排出卵漂石地層大粒徑渣土,減少設備磨損。

　　(3)采用空心樁加隔離樁輔助開倉技術,地層加固后穩(wěn)定性好,施工空間寬敞,便于換刀作業(yè),可顯著降低施工風險。

　　3.卵漂石地層盾構近距離下穿運營地鐵隧道施工技術

　　(1)在卵漂石地層布置多點位移計,獲取深層土體變形情況,預測地層中可能存在的空洞。

　　(2)提出了富水卵漂石地層盾構小凈距下穿運營地鐵綜合加固方法,采用光纖陀螺儀準確測量超長管棚的水平偏差和垂直偏差,指導管棚施工。

　　(3)通過盾構掘進與沉降監(jiān)測信息數(shù)據(jù)實時反饋平臺實時監(jiān)測沉降變化并及時反饋,實現(xiàn)了沉降自動化三級預警,提高現(xiàn)場的應急反饋能力。

　　(三)適用范圍

　　該技術基于成都17號線地鐵項目,主要研究內容包含對我國西南地區(qū)富水卵漂石地層的渣土改良以及施工技術。因此,該技術主要適用范圍包含我國西南川渝地區(qū)的富水卵漂石地層的盾構施工項目,為后續(xù)的類似地層工程提供寶貴的施工經驗。

　　(四)獲獎情況

　　(1)中國交通運輸協(xié)會科學技術獎(2020年度)二等獎。

　　(2)江蘇省地下空間學會科學技術獎(2020年度)三等獎。

　　(3)中國交建2020年度科技進步獎二等獎。

　　(4)中交二航局2020年度科學技術一等獎。

項目創(chuàng)新點

(1) 研發(fā)了卵漂石土體渣土改良新技術, 建立了富水卵漂石渣土改良評價指標, 實現(xiàn)了卵漂石地層 (最大粒徑超過 200mm) 盾構渣土改良效果洞外評價。

(2) 首次在富水卵漂石地層應用 “大開口刀盤+帶式螺旋機冶 配置的盾構機, 開發(fā)了一種基于輔助樁的盾構機正側面維?？臻g系統(tǒng)。

(3) 提出了富水卵漂石地層盾構小凈距下穿運營地鐵綜合加固方法, 研發(fā)了盾構施工深層擾動自動監(jiān)控預警技術。

同類項目比較

　　傳統(tǒng)的渣土改良研究主要針對粒徑較小、卵石含量較低的無水或富水地層,相關的測量儀器適用于最大粒徑小于60mm的卵石土,而對于粒徑更大、卵漂石含量更高的富水地層渣土改良難度更大。本技術研發(fā)了專用的改良測試裝置,對卵漂石土體的輸送性、阻水性及流動性進行評價,通過盾構始發(fā)前的室內評價、盾構掘進中的分析控制,形成了富水卵漂石地層順暢排渣、快速掘進的改良理念。本技術可實現(xiàn)卵漂石渣土性能評價,采取渣樣分析過程控制,通過“試驗+掘進+試驗冶的方式形成最終的改良理念。

　　成都地區(qū)富水砂卵石地層的盾構大多數(shù)都采用土壓平衡盾構,螺旋輸送機采用有軸配置,采取“卵石以排出為主,破碎為輔冶渣土輸送理念,該配置的盾構機存在出渣不暢、盾構刀盤開口率小設備磨損大、地層易產生空洞導致滯后沉降等問題。本項目首次在成都富水卵漂石地層采用輻條式刀盤,開口率約45%,帶式螺旋機配置盾構機,盾構最大輸送粒徑達到560mm伊1100mm,提高了卵漂石輸送效率,減輕設備磨損。

　　卵漂石是一種不穩(wěn)定的地層,地層空洞后存在一定的自穩(wěn)能力,在地下水滲流,城市交通車輛反復震動及地表降水沖刷將會導致空洞擴散,出現(xiàn)坍塌等情況。在卵漂石夾素樁地層狹小空間下進行長管棚加固,目前還未有相關的成熟施工方法,同時盾構施工過程中沉降監(jiān)控反饋存在一定滯后性,影響盾構施工決策。本技術采用水位隨鉆測量結合全站儀和光纖陀螺儀復核,實現(xiàn)管棚施工三維姿態(tài)測量,避免盲目施工,保障施工安全;同時建立了盾構掘進沉降信息反饋系統(tǒng),將測得的沉降數(shù)據(jù)和盾構掘進參數(shù)整合進反饋系統(tǒng),可自動分析沉降的產生階段,便于現(xiàn)場人員采取措施處理,同時對于沉降數(shù)值實現(xiàn)分級預警,大大提高了現(xiàn)場分析反饋能力。

應用案例

　　成都富水卵漂石地層盾構下穿運營地鐵微擾動施工關鍵技術應用如下:

　　在卵漂石含量近75%的富水地層,通過采用了大開口(開口率45%)刀盤、無軸帶式螺旋機(最大通過粒徑560mmx1100mm)的土壓盾構施工,結合渣土改良動態(tài)評價技術,實現(xiàn)了高磨蝕、易噴涌地層大直徑(8.6m)盾構順暢出渣和快速掘進(日進尺22.5m)。

　　在卵漂石夾素樁地層(素樁凈距0.35m)交叉隧道間,應用長、大管棚(長38m、直徑196mm)進行加固,采用光纖陀螺儀準確測量超長管棚的水平偏差和垂直偏差,防止管棚侵限,該測量技術在鹽港東立交項目進行推廣應用。采用富水卵漂石地層盾構小凈距下穿運營地鐵綜合加固方法,結合智能化沉降監(jiān)測系統(tǒng)反饋和調整掘進控制參數(shù),實現(xiàn)下穿運營地鐵線毫米級(小于等于6mm)沉降控制。

社會效益與經濟效益

　　富水卵漂石地層土壓平衡盾構施工技術在依托項目成功應用,為富水卵漂石地層地鐵區(qū)間施工提供經驗借鑒,取得了顯著的經濟和社會效益。

　　通過盾構施工渣土改良及時調整,節(jié)省膨潤土約3400噸,節(jié)約成本約214.2萬元;大開口刀盤和帶式螺旋輸送機的應用,掘進期間縮短工期約2個月,節(jié)約人工成本約300萬元,節(jié)約設備成本460萬元。采用空心樁加固輔助開倉技術,節(jié)約工期約3個月,節(jié)約人工成本約450萬元,節(jié)約設備成本約690萬元。采用卵漂石夾素樁地層盾構近距離下穿地鐵沉降控制技術,保證了加固的有效性、確保了既有構造物的安全、極大降低沉降風險、節(jié)約項目成本,節(jié)約了4號線加固管棚約36根,節(jié)約成本約201.6萬元。

　　本課題應用成果解決了富水卵漂石地層盾構施工沉降不易控制、施工效率慢、設備損傷不易修復等難題,實現(xiàn)了富水卵漂石地層土壓平衡盾構施工的大跨越,推動了土壓平衡盾構施工技術的發(fā)展,可以為類似工程提供參考,具有推廣和示范意義。