《交通運輸科學(xué)技術(shù)新成果推廣目錄》（２０２０）—第三部分隧道《盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)字仿真及風(fēng)險防控技術(shù)》

本期項目簡介

完成單位: 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點實驗室、 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司、 鄭州地鐵集團(tuán)有限公司、 南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司、中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司、 中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司、 中鐵十局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司、 長沙中天交通鑿巖技術(shù)服務(wù)有限公司

主要完成人: 陳饋、 熊勇軍、 劉招偉、 王連山、 程海云、 李鳳遠(yuǎn)、 蒲曉波、 崔天麟、 張巖濤、 孟 慶 軍、 王 濤、 張 昆 峰、 黃 鶴、 潘 東 江、徐文平

項目簡介

(一) 項目背景

盾構(gòu)是國家鐵 路、 公 路、 市 政、 水 利 和 國防等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)急需的重大裝備, 其關(guān)鍵技術(shù)難度高、 附加值大, 反映了一個國家裝備制造業(yè)的水平。隨著城鎮(zhèn)化、 工業(yè)化進(jìn)程的加速,2012 年起, 我國已成為盾構(gòu)需求最大的國家,目前已占全球市場的 80% 。與之不相適應(yīng)的是,本項目實施之前, 盾構(gòu)裝備仍然不能完全滿足各種隧道掘進(jìn)的需求, 工程事故經(jīng)常發(fā)生, 造成人員傷亡、 財產(chǎn)損失、 工期延誤, 其原因在于盾構(gòu)掘進(jìn)地質(zhì)的不確知性、 人員操控的隨機性、 設(shè)備狀況的難以預(yù)測性等業(yè)界公認(rèn)的三大國際難題尚未得到根本解決。因此, 開展盾構(gòu)裝備掘進(jìn)載荷設(shè)計與風(fēng)險防控研究, 已經(jīng)成為當(dāng)前隧道施工行業(yè)亟須突破的發(fā)展方向。針對盾構(gòu)掘進(jìn)載荷與地質(zhì)不匹配、 從業(yè)人員操作不規(guī)范、 施工掘進(jìn)風(fēng)險因素多的問題, 研發(fā)了全物理要素掘進(jìn)數(shù)字實驗技術(shù)、 創(chuàng)新了盾構(gòu)操控環(huán)境可視數(shù)字化培訓(xùn)手段、 研發(fā)了盾構(gòu)全過程風(fēng)險防控技術(shù), 對提升盾構(gòu)地質(zhì)適應(yīng)性、 盾構(gòu)從業(yè)人員素質(zhì)、 盾構(gòu)設(shè)備管控水平具有十分重要的現(xiàn)實意義。項目成果已成功應(yīng)用于蘇埃通道等國內(nèi)外多個重大盾構(gòu)隧道工程, 并顯著提升了盾構(gòu)隧道施工的安全和質(zhì)量。

(二) 技術(shù)概況

針對盾構(gòu)掘進(jìn)載荷控制與地質(zhì)條件不匹配、人員操作不規(guī)范、 盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險不可控等業(yè)界三大共性難題, 項目創(chuàng)新了盾構(gòu)刀盤刀具掘進(jìn)載荷全物理數(shù)字化實驗技術(shù), 設(shè)計了一種盾構(gòu)刀盤刀具掘進(jìn)過程直接數(shù)值模擬方法, 開發(fā)了盾構(gòu)掘進(jìn)載荷數(shù)字化實驗平臺; 創(chuàng)立了人機交互的盾構(gòu)操作環(huán)境可視化技術(shù), 設(shè)計了一種盾構(gòu)操控環(huán)境可視化數(shù)字模擬方法, 研制了土壓/ 泥水平衡盾構(gòu)系列數(shù)字仿真操作平臺; 創(chuàng)建了盾構(gòu)施工關(guān)鍵風(fēng)險防控技術(shù), 提出了復(fù)雜地層帶壓換刀、 盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制、 砂漿包裹盾殼處理等技術(shù), 保障了盾構(gòu)掘進(jìn)過程的人機安全。成果應(yīng)用于北京、 上海、廣州等城市及新加坡、 以色列等多個國家和地區(qū)的盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)字演算、 刀盤數(shù)字化設(shè)計、 標(biāo)前決策和掘進(jìn)風(fēng)險防控。

(三) 適用范圍

本項目主要應(yīng)用于鐵路、 公路、 市政、 水利等盾構(gòu)法 TBM 隧道工程, 可用于設(shè)備設(shè)計階段的數(shù)字仿真模擬掘進(jìn), 指導(dǎo)設(shè)計參數(shù)配置; 可用于隧道施工階段的掘進(jìn)參數(shù)參考; 可用于盾構(gòu)從業(yè)人員仿真培訓(xùn)操作練習(xí); 可用于設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控及維護(hù)管理。

(四) 獲獎情況

項目成果 “盾構(gòu)電液系統(tǒng)故障監(jiān)控技術(shù)冶 獲中國鐵路工程總公司 2017 年度科學(xué)技術(shù)一等獎,“盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)字仿真及風(fēng)險防控技術(shù)冶 獲中國鐵路工程總公司 2018 年度科學(xué)技術(shù)一等獎, 獲河南省工程建設(shè)協(xié)會項目成果特等獎。

項目創(chuàng)新點

(1) 揭示了盾構(gòu)掘進(jìn)過程中刀盤刀具-土體耦合作用規(guī)律, 建立了掘進(jìn)界面土體的平衡微分方程, 實現(xiàn)了刀盤刀具與地層間復(fù)雜作用的精確力學(xué)描述; 首創(chuàng)了盾構(gòu)掘進(jìn)載荷數(shù)字化實驗技術(shù),創(chuàng)新了盾構(gòu)刀盤刀具掘進(jìn)過程直接數(shù)值模擬方法;創(chuàng)建了盾構(gòu)掘進(jìn)全物理要素數(shù)字實驗技術(shù), 研發(fā)了準(zhǔn)確模擬真實工況的盾構(gòu)掘進(jìn)載荷數(shù)字化實驗平臺, 解決了現(xiàn)場實驗高成本、 高風(fēng)險的問題,攻克了盾構(gòu)設(shè)計中載荷預(yù)測與施工中載荷控制難題, 實現(xiàn)了面向?qū)嶋H工程的盾構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與安全施工數(shù)字化實驗, 提高了盾構(gòu)設(shè)計與施工控制的地質(zhì)適應(yīng)性。

(2) 基于視、 聽、 覺計算機虛擬靈境技術(shù),創(chuàng)新了盾構(gòu)操控環(huán)境可視化數(shù)字模擬方法, 克服了傳統(tǒng)操作培訓(xùn)直觀性差的弊端; 基于云計算的海量數(shù)據(jù)挖掘技術(shù), 發(fā)明了人機交互式盾構(gòu)故障處理模擬方法, 為盾構(gòu)從業(yè)人員快速提升突發(fā)故障處理技能提供了保障; 基于盾構(gòu)操控互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程培訓(xùn)技術(shù), 研發(fā)了盾構(gòu)從業(yè)人員仿真培訓(xùn)平臺, 創(chuàng)新了盾構(gòu)從業(yè)人員職業(yè)技能技術(shù)培訓(xùn)手段, 降低了盾構(gòu)從業(yè)人員不規(guī)范操作引起的施工風(fēng)險。

(3) 針對盾構(gòu)施工過程中存在的進(jìn)倉換刀風(fēng)險大、 盾殼固結(jié)被卡及姿態(tài)控制失準(zhǔn)等風(fēng)險, 研發(fā)了一種盾構(gòu)帶壓換刀手段, 保障了掌子面的穩(wěn)定和作業(yè)人員的安全; 研發(fā)了盾構(gòu)施工過程中設(shè)備姿態(tài)風(fēng)險控制技術(shù), 建立了盾構(gòu)糾偏數(shù)學(xué)模型,提高了盾構(gòu)糾偏精度和速度; 提出了固結(jié)砂漿包裹盾殼處理技術(shù), 解決了掘進(jìn)過程中的卡盾問題,實現(xiàn)了盾構(gòu)掘進(jìn)過程關(guān)鍵風(fēng)險防控。

應(yīng)用案例

      本項目研究成果已在中鐵隧道股份有限公司、中鐵十局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司、 中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司、 中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司、 中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司、杭州市地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司、 南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司進(jìn)行推廣應(yīng)用。

      近三年, 應(yīng)用本項目技術(shù)對盾構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與施工管理的盾構(gòu) 1249 臺次, 研究成果應(yīng)用于國內(nèi)北京、 上海、 廣州、 杭州、 鄭州等 40 多個城市和新加坡、 以色列、 馬來西亞、 黎巴嫩等國家和地區(qū)的 410 個項目。研制的盾構(gòu)掘進(jìn)載荷數(shù)字化實驗平臺, 針對特殊地質(zhì)盾構(gòu)施工進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)字模擬演算 70 余臺次, 刀盤數(shù)字化設(shè)計 150 余臺次,同時為標(biāo)前參考決策 370 余臺次。應(yīng)用自主研制的盾構(gòu)從業(yè)人員智能培訓(xùn)系統(tǒng), 應(yīng)用于舉辦全國盾構(gòu)從業(yè)人員培訓(xùn)班 26 期, 培訓(xùn)盾構(gòu)從業(yè)人員 2637名。應(yīng)用施工風(fēng)險管理技術(shù), 對國內(nèi)外施工項目進(jìn)行 1000 余臺次盾構(gòu)施工管理。

      針對盾構(gòu)掘進(jìn)載荷控制與地質(zhì)條件不匹配、人員操作不規(guī)范、 盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險不可控等業(yè)界三大共性難題, 項目在現(xiàn)有隧道施工技術(shù)基礎(chǔ)上,重點研究了盾構(gòu)裝備掘進(jìn)載荷設(shè)計與風(fēng)險防控關(guān)鍵技術(shù), 針對作業(yè)人員開發(fā)了系列培訓(xùn)及風(fēng)險防控平臺, 重點解決了城市地鐵隧道、 淺埋海底隧道及山嶺隧道掘進(jìn)機施工風(fēng)險防控問題, 提高了作業(yè)人員操作穩(wěn)定性, 加強了施工過程中沉降、滲漏、 坍塌、 設(shè)備損壞等風(fēng)險防控, 有效避免了施工過程中的風(fēng)險。

社會效益與經(jīng)濟(jì)效益

      中鐵隧道局集團(tuán)采用研究成果, 用于指導(dǎo)構(gòu)隧道工程施工過程中技術(shù)管理、 掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置,配合公司標(biāo)前掘進(jìn)風(fēng)險評估研究, 新增銷售額327860 萬元。中鐵十局等單位利用平臺對盾構(gòu)工程應(yīng)用模擬演算、 人員培訓(xùn)、 風(fēng)險防控技術(shù), 規(guī)避了盾構(gòu)施工安全風(fēng)險, 降低了財產(chǎn)損失, 新增銷售額 145950 萬元。

      項目成果為標(biāo)前策劃提供了技術(shù)支持及理論依據(jù), 同時為數(shù)字化盾構(gòu)選型、 刀盤優(yōu)化設(shè)計提供了參考依據(jù)。形成了盾構(gòu)操作、 考試培訓(xùn)體系, 通過標(biāo)準(zhǔn)化的培訓(xùn), 提升了盾構(gòu)施工掘進(jìn)效率。減少了在復(fù)雜地層帶壓換刀易引起地面沉降超標(biāo)、 塌陷現(xiàn)象的發(fā)生, 解決了盾構(gòu)固結(jié)砂漿卡盾的處理難題, 克服了復(fù)雜地層盾構(gòu)姿態(tài)難以控制引起的超限通病, 提升了盾構(gòu)掘進(jìn)施工風(fēng)險防控水平。