《交通運輸科學技術新成果推廣目錄》（２０２1）第二部分隧道工程篇《復合地層泥水盾構超近接下穿既有隧道沉降控制與關鍵施工技術研究》

完成單位：中鐵四局集團第五工程有限公司、遼寧工程技術大學、阜新市交通運輸事務服務中心

主要完成人：宋洋、杜春生、祝百茹、李冰恒、付星星、李昂、李志新、張舵、徐國光、梁大勇

項目簡介

　　隨著城市經濟的快速發(fā)展，城市規(guī)模和人口也在日益擴大，城市開發(fā)空前高漲，特別是城市軌道交通的發(fā)展更加迅速。下穿既有隧道不僅易引起軌道沉降，更易引起較大的軌道高差，影響地鐵運營安全，如何保證既有線路的質量安全是工程技術人員亟待解決的課題。

　　南寧市軌道交通5號線秀靈路站-明秀路站區(qū)間下穿2號線明秀路站-秀廂站區(qū)間，管片外皮最小垂直凈距僅為2.05m-2.10m，穿越地質條件復雜，5號線隧道主要穿越地層為泥巖地層，上部含有少量圓礫層。其中圓礫層具有穩(wěn)定性差、富水、滲透系數(shù)大等特點，盾構施工極易引起地層產生沉降，掘進面易發(fā)生失穩(wěn)坍塌、涌水、涌砂等災害；同時泥巖地層遇水崩解，開挖面穩(wěn)定性降低，泥漿環(huán)流效率低，導致棄漿率增加，且在復合地層（上部松軟土層，下部軟巖層）施工掘進過程中刀盤受力不均，盾構機姿態(tài)極難控制，因此施工中極易發(fā)生工作面失穩(wěn)現(xiàn)象。

（二）技術概況

　　主要包括以下幾方面內容：（1）泥水盾構下穿既有地鐵隧道掘進參數(shù)優(yōu)化研究；（2）上軟下硬復合地層主動失穩(wěn)極限平衡模型研究；（3）上軟下硬復合地層盾構下穿數(shù)值模擬研究；（4）自動化監(jiān)測及掘進參數(shù)對比分析；（5）泥巖地層泥水盾構泥漿環(huán)流效率提升優(yōu)化研究；（6）復合地層泥水平衡盾構機近距離下穿既有地鐵隧道關鍵施工技術研究。

（三）適用范圍

　　泥巖圓礫復合地層泥水平衡盾構下穿既有隧道施工。

（四）獲獎情況

　　1.2020年7月《復合地層泥水盾構超近接下穿既有地鐵隧道精細沉降控制與關鍵施工技術研究》經中國公路建設行業(yè)協(xié)會鑒定為國際先進水平；

　　2.形成工法2項《上軟下硬復合地層泥水盾構高適應性泥漿配比轉化施工工法》《復合地層泥水盾構近距離下穿既有地鐵隧道施工工法》，經中國公路建設行業(yè)協(xié)會鑒定為國際先進水平；

　　3.發(fā)表EI論文2篇，SCI論文1篇（JCR2區(qū)），收錄于國內領軍期刊《巖土工程學報》、《巖土力學》，《BulletinofEngineeringGeologyandtheEnvironment》，國內核心期刊論文3篇；

　　4.授權發(fā)明專利1項，實用新型專利5項，實審發(fā)明專利2項；

　　5.授權軟件著作權2項；

　　6.獲批2020年安徽省工程建設QC小組活動成果一等獎1項《中鐵四局集團第五工程有限公司盾構分公司南寧盾構分部QC小組——泥水盾構近距離下穿既有隧道控制方法創(chuàng)新》。

項目創(chuàng)新點

　?。ㄒ唬┩ㄟ^自制泥水盾構下穿既有隧道試驗裝置，優(yōu)化下穿段掘進參數(shù)，研究不同地層復合比的情況下，下穿施工引起既有隧道位移變化規(guī)律。獨立開發(fā)一種適用于上軟下硬復合地層泥水盾構近距離下穿既有地鐵隧道的室內模擬試驗裝置，對泥水壓力、推進速度和刀盤轉速等掘進參數(shù)進行優(yōu)化研究

　?。ǘ┗跇O限平衡法，對傳統(tǒng)楔形體計算模型進行修正，假設破壞面為折線，建立適用于圓礫泥巖復合地層泥水盾構開挖面主動失穩(wěn)模型。當盾構在圓礫泥巖復合地層中支護力過小時，圓礫泥巖地層楔形體會向下滑動從而發(fā)生破壞，分別建立圓礫泥巖地層楔形體在向下滑動時的水平與豎直方向受力平衡方程，進行求解。

　?。ㄈ┩ㄟ^自動化監(jiān)測，闡明盾構下穿過程對既有地鐵隧道沉降變化規(guī)律，研究泥水盾構在不同施工階段的參數(shù)變化，動態(tài)調整掘進參數(shù)，形成《泥巖地層泥水平衡盾構機近距離下穿既有地鐵隧道施工工法》。通過掘進參數(shù)變化規(guī)律的分析得知，開挖倉泥水壓力、刀盤扭矩、總推力、進出漿量急劇增大且波動頻繁是由于泥巖的大量堵倉造成的，且四者變化的規(guī)律存在一致性。

　?。ㄋ模┩ㄟ^自制泥漿環(huán)流系統(tǒng)，研發(fā)新型泥漿，優(yōu)化泥漿配比，提高泥漿環(huán)流效率，并形成《上軟下硬復合地層泥水盾構高適應性泥漿配比轉化施工工法》。開展泥水盾構掘進泥巖圓礫復合地層泥漿配比室內試驗，采用控制變量法，利用自制的模擬泥水盾構掘進系統(tǒng)，比選泥漿外加劑，分析外加劑摻入量和地層復合比對出漿比重的影響規(guī)律。

　?。ㄎ澹┻x取適宜注漿材料，優(yōu)化漿液配合比，配置適合富水圓礫地層的cs雙漿液。CS雙液漿具有凝膠時間短、可注性好及早期強度高的特點，水泥選自某水泥廠原產普通硅酸鹽水泥P.O42.5級水泥，水玻璃為某化工廠生成的液態(tài)硅酸鈉，試驗分別選取32、35、38和42波美度。

應用案例

　　本課題成功應用于南寧地鐵軌道交通五號線02標8工區(qū)秀靈路-明秀路站、南寧地鐵軌道交通五號線02標5工區(qū)旱塘站～新陽路站區(qū)間工程。圓礫泥巖復合地層泥水盾構超近接下穿既有地鐵隧道，通過相似試驗得到合理的掘進參數(shù)，建立圓礫泥巖復合地層主動失穩(wěn)計算模型，并通過自制成膜系統(tǒng)得到了由甲基硅酸鉀、渣土及膨潤土與水組成的泥水盾構泥漿，可以很好控制了盾構超近接下穿過程中既有隧道的沉降變形，解決了泥巖層具有極易吸水、粘結、遇水極易膨脹使其粘結刀盤及形成泥餅、環(huán)流效率低下等問題，累計創(chuàng)造經濟效益1470萬元，在同類泥水盾構隧道施工中具有環(huán)保和經濟效益并存的優(yōu)勢，取得了較好的經濟效益、社會效益與生態(tài)效益。

社會效益與經濟效益

　　在南寧市軌道交通5號線秀靈路站-明秀路站區(qū)間項目段，通過相似試驗優(yōu)化掘進參數(shù)，指導下穿工作，使施工工序有條不紊的進行，縮短了施工的工期，加快了施工進度，降低施工成本約690萬元；施工采用泥水盾構泥漿改性的方法，減少掌子面泥巖地層因遇水崩解，從而造成地表沉降過大；降低出漿比重，增加泥漿循環(huán)利用率，每1000m3泥漿，消耗渣土為100噸；降低施工成本約為610萬元，降低人工維護費用170萬元。累計節(jié)約成本1470萬元。

　　隨著城市經濟的快速發(fā)展，城市規(guī)模和人口也在日益擴大，城市開發(fā)空前高漲，特別是城市軌道交通的發(fā)展更加迅速。各條線路交錯復雜，日益網絡化，相繼出現(xiàn)了很多換乘站及新建線路穿越既有線路的一系列復雜情況，不可避免存在近距離下穿既有區(qū)間隧道的情況。下穿既有隧道不僅易引起軌道沉降，更易引起較大的軌道高差，影響地鐵運營安全，如何保證既有線路的質量安全是工程技術人員函待解決的課題。因此對復合地層泥水盾構超近接下穿既有地鐵隧道精細沉降控制與關鍵施工技術的研究具有較強的針對性，解決社會關注度高、貼近民生的重難點問題，且研究技術先進，工序合理，因此具有較好的社會效益與推廣應用前景。