复杂条件下越江地铁工程稳定性控制与关键施工技术

复杂条件下越江地铁工程稳定性控制与关键施工技术项目公示内容一、项目名称复杂条件下越江地铁工程稳定性控制与关键施工技术二、主要完成人彭学军、刘云龙、刘翔、杨维、汤宇、鲁晓明、刘化平、李强、孙望成三、主要完成单位中铁五局集团第一工程有限责任公司、湖南科技大学四、提名单位及提名意见提名单位：长沙市科技局提名意见：越江地铁工程穿越的地层较为复杂，且存在高水压的影响，施工过程中极易出现盾构隧道突水涌泥、坍塌、地表沉降以及车站基坑侧壁坍塌、坑底隆起等失稳破坏问题，对变形防控和施工技术要求高。本项目依托国家自然科学基金项目(51674115)，聚焦复杂条件下越江地铁工程施工亟需解决的稳定性控制与关键施工技术难题。创新了高水压复杂环境下盾构越江掘进的关键控制技术，从盾构机选型、施工参数设定、盾构始发（接收）稳定控制等三方面确保了高水压下越江盾构隧道施工安全，降低了盾构施工引起的扰动；从理论模型、开挖方法与施工技术等方面创新了江中地铁车站高水压深大基坑关键支护技术，为高水压下地铁车站深大基坑支护提供了有效的技术途径；研发了越江盾构隧道和江中地铁车站高水压深大基坑监测预警与风险评估体系，从信息化应用方面为越江地铁工程建设与运营提供了安全保障。研究成果推广应用于长沙、南昌等城市的地铁工程建设，取得了显著的经济和社会效益，并且避免了越江地铁工程重大突发性灾害的发生，为越江地铁工程建设提供了安全保障。该方法和技术推广应用前景良好，可进一步丰富我国城市地铁工程建设技术。提名该项目为湖南省科学技术进步奖二等奖。五、项目简介随着越来越多的城市加入到地铁建设的浪潮中，穿湖越江的城市地铁工程大量增加，而且工程规模和水压条件也在迅速增加，地铁工程建设常常面临着盾构隧道突水涌泥、坍塌、盾构机栽头以及车站基坑侧壁坍塌、坑底隆起等重大突发性工程灾害问题。尤其对于高水压复杂环境下越江盾构隧道，盾构掘进时不仅需要设置合理的掘进参数，还需要及时控制盾构的掘进姿态；而对于高水压影响下的江中地铁车站深大基坑，其支护结构变形、地表沉降位移等安全要求均控制在毫米级内。因此，对于越江地铁工程建设，如何降低越江地铁工程施工对周边的扰动以及确保周围环境安全，是当前地铁工程建设亟待解决的技术难题，也对越江地铁工程施工技术和变形防控提出了更高的要求。本项目依托多个城市地铁工程，针对盾构越江掘进关键控制技术、江中地铁车站深大基坑支护技术以及配套监测预警技术等开展了系统的研究与实践，经过多年科研攻关，取得了以下创新成果：(1)创新了高水压复杂环境下盾构越江掘进的关键控制技术。针对高水压、复合地层下越江盾构隧道稳定性控制难题，从盾构机选型、施工参数合理设定、盾构始发（接收）稳定控制等三方面全面保障了越江盾构隧道掘进施工的安全，有效降低了盾构施工对周边的扰动，预防了越江盾构隧道突水灾害。(2)创新了江中地铁车站高水压深大基坑关键支护技术。首先，建立了高水压深大基坑抗隆起破坏力学模型，其次，创新了高水压下深大基坑地下连续墙施工成套技术，最后，创新了高水压下深大基坑分层分段开挖方法与墙后地层注浆加固技术，从理论模型、开挖方法与施工技术等方面有效保证了江中地铁车站高水压深大基坑施工安全，显著提高了施工效率。(3)研发了越江地铁工程监测预警与风险评估体系。建立了一种越江盾构隧道突水灾害超前预测力学模型，预测了开挖面前方岩土体破坏范围，根据高水压深大基坑安全性计算方法形成了一套可量化的江中地铁车站基坑安全性评估体系，创新了越江盾构隧道和高水压深大基坑关键监测预警技术，实现了越江盾构隧道与高水压深大基坑施工监测预警一体化，为越江地铁工程建设与运营提供了安全保障。本项目通过科研攻关和技术创新，代表性成果中，授权发明专利3项，授权实用新型专利2项，发表学术论文5篇。项目从理论方法、施工技术和信息化应用等方面研发了复杂条件下越江地铁工程稳定性控制与关键施工技术，研究成果已陆续推广应用于长沙、南昌等城市的地铁工程建设，累计产生经济效益2.16亿元。现场实践表明，本项目研究成果不仅可以有效预防越江地铁工程施工过程中的重大突发性工程灾害，还可以显著提高施工效率、节约建设成本，经济与社会效益显著，在今后类似的越江地铁工程建设中具有良好的推广应用价值。六、客观评价1.长沙理工大学国家杰出青年科学基金获得者、科技部重点研发计划项目首席专家张军辉教授对本项目的评价：随着我国城市交通建设的迅速发展，穿湖越江的地铁建设工程大量增加。越江地铁工程受到复杂地层和高水压等各种因素的影响，施工极易对周边岩土体产生扰动，严重时引发盾构隧道突水涌泥、车站基坑隆起破坏以及地层变形破坏，对越江地铁工程建设与运营安全产生严重威胁。本项目针对这一问题，进行了理论和技术创新，确定了适用于全~中风化泥质（砂质）板岩复合地层的复合式土压平衡盾构机和复合式刀盘，提出了准确获得高水压复杂环境下越江盾构隧道施工参数的计算方法，创新了高水压下越江盾构隧道始发端、接收端盾构施工稳定性控制技术，可以有效预防越江盾构隧道突水灾害以及维持盾构掘进姿态稳定；针对江中地铁车站深大基坑变形防控困难的问题，建立了高水压深大基坑抗隆起破坏力学模型，提出了针对地下连续墙与墙体施工的成套施工技术，创新了高水压深大基坑分层分阶段的土方开挖方法和高水压深大基坑地层注浆加固技术，从理论支撑到技术应用，解决了江中地铁车站高水压深大基坑侧壁坍塌、涌水涌砂和坑底隆起破坏问题；针对越江地铁工程施工超前预测和监测预警，研发了越江盾构隧道和江中地铁车站高水压深大基坑监测预警与风险评估体系，实现了越江盾构隧道与江中地铁车站高水压深大基坑施工监测预警一体化，解决了传统监测技术单一化、片面化的问题，为推动越江地铁工程监测预警技术和施工风险动态评估分析做出了巨大贡献。项目研究成果为复杂条件下越江地铁工程施工变形防控提供了理论和技术支持，可以有效预防越江地铁工程建设过程中突水、坍塌、沉降和隆起破坏等重大突发性灾害，具有重大的工程意义。研究成果已在长沙、南昌等多座城市地铁工程建设中推广应用，经济和社会效益显著，有利于推动我国城市地铁工程稳定性控制理论与施工技术的发展。2.中国矿业大学全国百篇优秀博士论文获得者、教育部新世纪优秀人才获得者柏建彪教授对本项目的评价：越江地铁工程穿越复合地层时，地质情况较为复杂，且受高水压复杂环境的影响，建设过程中对变形防控和施工技术要求极高。本项目针对复杂条件下越江地铁工程稳定性控制与关键施工技术开展研究，对于越江地铁工程安全高效施工与安全运营具有十分重要的意义。项目创新了高水压复杂环境下盾构越江掘进的关键控制技术，解决了盾构机型选取、施工参数合理设定、盾构始发（接收）稳定控制的问题，为越江盾构快速、连续、稳定掘进提供了理论依据和技术支撑；项目通过对基坑抗隆起破坏理论模型、地下连续墙施工技术、深大基坑开挖方法与地层注浆加固技术等进行研究，创新了江中地铁车站高水压深大基坑关键支护技术，有效预防了江中地铁车站高水压深大基坑发生失稳破坏，将基坑变形控制在规范要求范围内，降低了基坑开挖对周边环境的影响；项目建立了越江盾构隧道突水灾害预测模型以及提出了江中地铁车站高水压深大基坑安全性计算方法，以此为理论基础，创新了越江盾构隧道和江中地铁车站高水压深大基坑关键监测预警技术，实现了越江地铁工程动态化施工，可及时调整越江盾构隧道掘进参数和江中地铁车站高水压深大基坑支护措施，解决了越江地铁工程施工和监测协调困难的问题，可有力保障越江地铁工程施工与运营安全。项目研究成果推广应用于长沙、南昌等城市的地铁工程建设，解决了越江地铁工程建设中变形防控困难的问题，可以有效推动我国城市地铁工程建设质量的提升，取得了显著的经济、社会效益和环保效益，具有良好的推广应用前景。3.本项目主要科技创新与国内外同类技术比较创新点国内外研究现状本项目研究成果创新点1：创新了高水压复杂环境下盾构越江掘进的关键控制技术(1)目前针对复合地层的盾构机型普适性较差；(2)针对富水泥质（砂质）板岩复合地层中盾构施工参数控制方面的研究相对较少；(3)现有技术条件下，盾构始发时盾构机在托架上方可能产生扭转，造成盾构始发施工出现问题，导致盾构机发生位移。从盾构机选型、施工参数合理设定、盾构始发（接收）稳定控制等三方面全面保障了越江盾构隧道掘进施工的安全，有效降低了盾构施工对周边的扰动，将掘进时的地层损失率控制到最小，预防了越江盾构隧道突水灾害。创新点2：创新了江中地铁车站高水压深大基坑关键支护技术(1)针对高水压复杂环境，坑底为软弱土层时，现有的基坑抗隆起破坏力学模型不足以提供理论支撑；(2)现有的地下连续墙施工技术在复杂环境和施工空间有限的工况下适应性较差；(3)基坑外地下水位变化复杂，各种复杂施工环境造成基坑开挖与地层注浆加固难度极大。建立了高水压深大基坑抗隆起破坏力学模型，创新了高水压下深大基坑地下连续墙施工成套技术，创新了高水压下深大基坑分层分段开挖方法与墙后地层注浆加固技术，从理论到技术层面解决了江中地铁车站高水压深大基坑变形防控困难与施工技术适应性差的问题，保证了江中地铁车站高水压深大基坑施工安全。创新点3：研发了越江盾构隧道和江中地铁车站高水压深大基坑监测预警与风险评估体系(1)运用极限分析法构建盾构隧道开挖面破坏模式时，均假设破坏模型完全位于地下水位线以下，未考虑地下水位线的影响，虽然计算过程简便，但预测的破坏范围误差较大。(2)基质吸力和中主应力对基坑抗隆起稳定性的影响很少被考虑，导致高水压复杂环境影响下深大基坑安全性计算存在误差。(3)现有地铁工程监测数据只针对某一监测项目，且只能通过人工输入施工数据进行施工模拟，无法实现监测项目之间的协调统一。建立了一种越江盾构隧道突水灾害超前预测力学模型，并根据高水压深大基坑安全性计算方法形成了一套可量化的江中地铁车站基坑安全性评估体系，创新了越江盾构隧道和高水压深大基坑关键监测预警技术，解决了越江盾构隧道破坏范围预测不准确以及江中地铁车站高水压深大基坑安全性计算存在误差的问题，实现了越江盾构隧道与高水压深大基坑施工监测预警一体化，为越江地铁工程建设与运营提供了安全保障。七、推广应用情况本项目研究成果推广应用于长沙市轨道交通二号线、六号线以及南昌市轨道交通一号线北延、东延及二号线东延工程等项目（近三年应用单位及取得经济效益如下表所示）。通过与传统地铁工程稳定性控制理论与施工技术相比较，本项目研发的复杂条件下越江地铁工程稳定性控制与关键施工技术，从理论方法、施工技术和信息化应用等方面解决了越江地铁工程变形防控困难的问题，将盾构越江掘进时的地层损失率控制到最小，降低了江中地铁车站高水压深大基坑开挖对周边环境的影响，实现了越江地铁工程监测预警一体化以及动态化施工。现场实践应用表明，本项目研究成果不仅可以有效预防越江盾构隧道突水涌泥、坍塌、地表沉降以及车站基坑侧壁坍塌、坑底隆起等重大突发性工程灾害，还可以显著提高施工效率、节约建设成本，经济效益、社会效应和安全效益显著，具有良好的推广应用前景。八、主要知识产权和标准规范等目录（不超过10件）知识产权（标准）类别知识产权（标准）具体名称国家（地区）授权号（标准编号）授权（标准发布）日期证书编号

（标准批准发布部门）权利人（标准起草单位）发明人（标准起草人）发明专利（标准）有效状态发明专利一种隧道衬砌检测清扫装置中国ZL201911323195.22021年03月02日4277764中铁五局集团第一工程有限责任公司彭学军;刘柏汐;陈敏;刘德安;汤宇;王圣;杜荣华;刘飞翔;何林云;钟东;吴俊宏;吴理彪;林巍杰;童昌;李一萍;胥俊玮;胡从文;彭正中有效专利发明专利一种富水泥岩地层隧道掌子面超前注浆方法中国ZL202110250136.82021年05月28日4445982中铁五局集团第一工程有限责任公司刘翔;邓小卫;刘飞翔;谢晓波;李建;刘化平;胥俊玮;陈敏;刘德安;杨文国;赵建斌;彭学军;阳军生;汤宇;胡晓;方文应;彭静;段磊;曾玉德;王圣;彭雨杨;方星桦;李强;何林云;陈栋;杨海龙;凌涛有效专利论文Limitanalysisofbasalheavestabilityinunsaturatedsoilsbasedontheunifiedstrengththeory中国2020,39(01):593-6022020年07月31日10.1007/s10706-020-01481-5张佳华;凌涛;饶永强;王成洋;杨维;熊胜;黄光其他有效的知识产权发明专利一种隧道衬砌雷达探测装置中国ZL201911323614.22021年03月23日4312820中铁五局集团第一工程有限责任公司曹振兴;刘柏汐;彭学军;罗运杰;杨文国;曹辉;杜荣华;刘云龙;尹繁盛;汤宇;袁仲辉;李强;田亚军;钟东;童昌;周文聪;林巍杰;彭正中;阳昌标有效专利实用新型专利防止盾构机在始发施工中发生扭转的装置中国ZL201921418848.02020年06月02日10652725湖南科技大学张佳华;凌涛;张标;张道兵;孙望成;蔚彪有效专利实用新型专利一种用于软弱岩土体隧道洞口的超前小导管注浆支护结构中国ZL202020362305.82020年04月24日10379085中铁五局集团第一工程有限责任公司曹振兴;彭学军;李享松;沈红良;吴彪;杨文国;凌涛;饶永强;汤宇;佘文军;鲁晓明;林映;杨维;张佳华有效专利论文泥质粉砂岩层中盾构掘进参数控制中国2020,32(01):85-882020年02月03日10.3969/j.issn.1672-6146.2020.01.018凌涛;饶永强;杨维;熊胜;黄光;张佳华其他有效的知识产权论文盾构施工对周边建筑物影响及其保护技术中国2020,32(02):75-79.2020年05月22日10.3969/j.issn.1672-6146.2020.02.014彭学军;孙望成;饶永强;佘文军;凌涛;刘焘其他有效的知识产权论文城市地下工程轨排井支架体系施工关键技术研究中国2019,38(09):41-44+542019年09月01日10.14165/ki.hunansci.2019.09.010彭学军;曹振兴;彭雨杨;胡从文;李一萍其他有效的知识产权论文聚能水压爆破技术在水平岩层隧道施工中的应用中国2020,(02):182-183+186.2020年02月15日1673-1069(2020)02-0182-03刘云龙其他有效的知识产权九、主要完成人情况表排名姓名职称/职务工作单位完成单位对本项目主要学术贡献1彭学军正高级工程师/副总工程师中铁五局集团第一工程有限责任公司中铁五局集团第一工程有限责任公司制定了项目的研究目的、研究内容、研究思路以及研究计划等2刘云龙高级工程师/总工程师中铁五局集团第一工程有限责任公司中铁五局集团第一工程有限责任公司提出了一种准确获得高水压复杂环境下越江盾构隧道施工参数计算方法，参与创新了越江盾构隧道和江中地铁车站高水压深大基坑关键监测预警技术3刘翔高级工程师/分公司总工程师中铁五局集团第一工程有限责任公司中铁五局集团第一工程有限责任公司提出了一种富水泥质（砂质）板岩复合地层盾构隧道开挖面超前注浆方法，4杨维高级工程师/项目总工程师中铁五局集团第一工程有限责任公司中铁五局集团第一工程有限责任公司参与创新了江中地铁车站高水压深大基坑关键支护技术，提出了一种江中地铁车站高水压深大基坑安全性计算方法5汤宇工程师/工程技术管理部部长中铁五局集团第一工程有限责任公司中铁五局集团第一工程有限责任公司参与研发了越江盾构隧道和江中地铁车站高水压深大基坑监测预警与风险评估体系6鲁晓明高级工程师/项目总工程师中铁五局集团第一工程有限责任公司中铁五局集团第一工程有限责任公司参与创新了高水压下越江盾构隧道始发端、接收端盾构施工稳定性控制技术7刘化平高级工程师/分公司经理中铁五局集团第一工程有限责任公司中铁五局集团第一工程有限责任公司参与创新了高水压复杂环境下盾构越江掘进的关键控制技术8李强工程师/副总工程师中铁五局集团第一工程有限责任公司中铁五局集团第一工程有限责任公司参与提出了一种准确获得高水压复杂环境下越江盾构隧道施工参数的计算方法9孙望成助理工程师/主管工程师中铁五局集团第一工程有限责任公司湖南科技大学参与确定了适用于泥质（砂质）板岩复杂地层的盾构机型十、主要完成单位情况完成单位对本项目科技创新和推广应用情况的贡献中铁五局集团第一工程有限责任公司作为项目负责单位，制定了项目的研究目