2022年度湖南省科学技术奖励拟提名项目公示

2022年度湖南省科学技术奖励拟提名项目公示一、项目名称富水软硬不均地层下盾构掘进姿态稳定性控制与防渗关键技术二、提名单位、提名等级及提名意见提名单位：湖南科技大学提名等级：湖南省科学技术进步奖三等奖提名意见：近年来，城市地铁盾构隧道穿越富水软硬不均地层时频繁发生坍塌、隆起、涌水涌泥等重大工程灾害，这是制约城市地铁盾构隧道发展的重要瓶颈之一。本项目依托湖南省自然科学基金项目(2015JJ4024)，开展了富水软硬不均地层下盾构掘进姿态稳定性控制与防渗关键技术的研究。针对强-中风化板岩软硬不均富水地层，基于随机介质理论建立了盾构隧道“坍塌-隆起”灾害的失效模型，采用响应面拓展方法求解了盾构隧道的失效概率，为评估富水软硬不均地层盾构隧道的安全性提供了重要的理论依据；引入富水软硬不均地层表征出的富水性、非均质性以及各向异性等力学模型，采用孔隙水效应下的极限分析上限定理得到了合理的盾构掘进参数，显著减小了土体变形以及地表位移；研发了一种适用于大坡度的强制脱轨制动装置的电瓶车、一种长距离运输的渣土装载装置以及盾构稳定接收装置等一系列设备，为富水软硬不均地层中控制盾构稳定的掘进姿态提供了重要的技术支撑；创新了以盾构始发三重洞门密封装置和盾构机铰接密封装置相结合的防渗水技术，有效解决了盾构始发和掘进过程中渗漏水以及涌水涌泥难题。研究成果成功应用于长沙地铁2、4、6号线，有效预防了盾构隧道坍塌、地表隆起、涌水涌泥等重大突发性工程灾害，有力保障了盾构快速、连续、稳定的掘进姿态，推广应用前景良好，经济效益、安全效益十分显著，进一步提升了城市地铁盾构隧道的建设水平。提名该项目为湖南省科学技术进步奖三等奖。三、项目简介随着城市地铁建设的迅猛发展，盾构法施工所遇到地质条件越来越复杂，尤其是面临富水软硬不均地层时，极易发生地表沉陷或隆起、隧道坍塌、盾构渗漏水甚至涌水涌泥等重大突发性工程灾害，造成巨大的人员伤亡、重大的经济损失和严重的社会后果。因此，盾构隧道穿越富水软硬不均地层时，防控要求极严，施工难度极大，安全风险极高。当前，关于富水软硬不均地层盾构隧道安全风险评估机制的基础理论非常匮乏，而且关键防控技术也极为薄弱，这严重制约着盾构隧道的发展，影响着城市地铁的建设。因此，本项目开展了富水软硬不均地层下盾构掘进姿态稳定性控制与防渗关键技术的研究，取得了以下创新成果：(1)基于随机介质理论构建了强-中风化板岩软硬不均富水地层盾构隧道“坍塌-隆起”的失效模型，揭示了富水软硬不均地层盾构隧道沉陷、隆起、涌水涌泥等灾害的形成规律，并进行了安全风险评估分析，划分了盾构施工区间的安全等级，为富水软硬不均地层盾构隧道灾害控制提供了重要的理论依据。(2)引入富水软硬不均地层力学模型，运用水土合算理念与极限分析理论，建立了富水软硬不均地层盾构隧道失稳破坏的判别准则，求解了盾构正常掘进所需要的推力和扭矩，结合现场实测值得到了合理的盾构掘进参数。该方法所得到的结果明显优于传统经验值，显著减小了土体变形以及地表位移，有效预防了盾构隧道坍塌、隆起、涌水涌泥等重大工程灾害。(3)研发了一种适用于大坡度的强制脱轨制动装置电瓶车、一种用于长距离运输的渣土装载装置以及盾构稳定接收装置等一系列设备，彻底解决了大坡度、长距离时盾构掘进姿态难以控制的难题，有力保障了富水软硬不均地层中盾构快速、连续、稳定的掘进姿态。(4)创新了以盾构始发三重洞门密封装置和盾构机铰接密封装置相结合的防渗水技术，显著提高了盾构始发洞门和盾构机铰接结构的密封性，成功解决了传统盾构不能有效抵挡泥水的问题，有力保障了富水软硬不均地层下盾构始发与掘进过程中稳定、安全的掘进姿态，有效控制了盾构涌水涌泥等重大突发性灾害的发生。本项目通过科研攻关和技术创新，有10项代表性成果，其中发明专利1项、实用新型专利4项，论文5篇。其研究成果成功应用于长沙地铁2、4、6号线等，有效解决了富水软硬不均复杂地质条件下盾构掘进姿态难以控制以及坍塌、涌水涌泥灾害防控困难等难题，明显缩短了施工工期，大幅度降低了工程成本，间接经济效益累计达1.28亿元。这表明本项目研究成果推广应用前景良好，且经济效益、社会效益、安全效益非常显著，可为类似复杂地层下城市地铁盾构隧道建设提供了重要的理论依据和技术支撑。四、客观评价盾构隧道穿越富水软硬不均地层时，防控要求极严，施工难度极大，安全风险极高。本项目开展了针对富水软硬不均地层下盾构掘进姿态稳定性控制与防渗关键技术的研究，揭示了富水软硬不均地层盾构隧道沉坍塌、隆起、涌水涌泥等灾害的形成规律，评估分析了盾构施工区间的安全风险，为富水软硬不均地层盾构隧道灾害控制提供了重要的理论依据；运用水土合算理念与极限分析理论，得到了合理的盾构掘进参数，其结果明显优于传统经验方法的结果，可显著降低对土体的扰动；研发的一系列设备和系统，彻底解决了大坡度、长距离时盾构掘进姿态难以控制的难题，有效预防大坡度下运输车脱轨、渣土喷溅、盾构机轴线偏移以及姿态偏差等重大工程风险；创新了以盾构始发三重洞门密封装置和盾构机铰接密封装置相结合的防渗水技术，显著提高了盾构始发洞门和盾构机铰接结构的密封性，成功解决了盾构渗漏水问题。项目研究成果已为长沙地铁2、4、6号线建设提供了重要的理论依据和技术支撑，有效预防了坍塌、涌水涌泥等重大安全工程事故，确保了施工质量，达到了预期目标。该项目创新性突出、社会经济效益显著，推广应用前景广阔，可有效推动了我国城市地铁隧道建设技术的发展。1国内外同行学术性评价意见：1.1发表在国际期刊InternationalJournalforNumericalandAnalyticalMethodsinGeomechanics(JCRQ1,IF=4.229)的论文正面评价核心知识产权1-1：Thecollapseoftunnelfacescanresultincasualtiesandhugeprojectlosses.Therefore,understandingandevaluatingthestabilityoftunnelfacesundersuchacircumstanceareofgreatscientificvalueandengineeringsignificance.4–6译文：隧道工作面坍塌会造成人员伤亡和巨大的工程损失。因此，了解和评估隧道工作面在这种情况下的稳定性具有重要的科学价值和工程意义。1.2发表在国际期刊InternationalJournalofGeomechanics(JCRQ3,IF=3.918)的论文正面评价主要知识产权9-3：Thestabilityoftheshieldexcavationfaceismainlyassociatedwiththefluctuationofthesupportingpressure(DiasandKastner2013).Ontheonehand,thepressurefluctuationisrelatedtotheprescribedvalues.Theaccuratesupportpressurecanoffsetthewaterpressureandearthpressureinfrontoftheexcavation,ensuringadynamicbalanceduringtheexcavationprocess(Zhangetal.2021a).译文：盾构开挖面的稳定性主要与支护压力的波动有关(DiasandKastner2013)。压力波动与规定值有关，准确的支护压力可以抵消开挖前方的水压力和土压力，保证开挖过程中的动态平衡(Zhangetal.2021a)。1.3发表在国际期刊Geofluids(JCRQ2,IF=1.7)的论文正面评价主要知识产权9-3：Forgeotechnicalengineering,especiallytunnelengineeringstabilityanalysis,thelimitanalysisupperboundmethodhasbeenanexcellenttheoreticalanalysismethod[9-14]译文：对于岩土工程，尤其是隧道工程的稳定性分析，极限分析上界法一直是一种极佳的理论分析方法。2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优势1.提出了基于随机介质理论的强-中风化板岩软硬不均富水地层盾构隧道“坍塌-隆起”灾害风险评估方法已有的风险评估方法只考虑了盾构隧道坍塌或地表隆起灾害的单一失效模式，未将两种灾害的失效模式综合考虑，故所得到的计算结果不太精确。基于随机介质理论构建了盾构隧道“坍塌-隆起”两种灾害的失效模式，所得到的计算结果精度更高，为有效控制富水软硬不均地层盾构隧道灾害提供了重要的理论依据。2.提出了一种富水软硬不均地层下确定合理盾构掘进参数的计算方法(1)传统的盾构隧道稳定性分析模型假定岩土材料是均质的，这与实际地质情况不太相符，导致计算结果误差较大。(2)未结合现场监测数据将理论值进行修正。针对富水软硬不均地层力学特性，引入非均质性等力学模型，并考虑孔隙水效应，求解盾构掘进参数的理论值，并结合现场监测数据，引入修正系数进一步修正，获得合理的盾构掘进参数。3.创新了一种富水软硬不均地层下盾构掘进姿态稳定控制的综合施工技术(1)盾构刀盘对周围土体非均匀开挖，极易导致盾构偏离设计轴线。(2)盾构机在接收端洞门对齐时，由于注浆的存在极易发生前倾。创新了一种液压控制系统，可实时调整盾构轴线，保障了盾构稳定的掘进姿态，且通过内部顶推机构平衡盾构与接收装置之间的摩擦力，有效预防了盾构前倾的风险。4.创新了一种富水软硬不均地层下盾构始发与掘进过程中防渗水技术盾构始发洞门密封装置不能够进行适应性调整，封堵不够严密极易造成涌水涌泥灾害。研发了富水地层盾构始发三重洞门密封装置，成功解决了密封装置不能进行适应性调整的问题，显著增强了密封效果，有效预防了涌水涌泥灾害。五、推广应用情况本项目研究成果已成功推广和应用于长沙地铁2、4、6号线各标段盾构隧道建设。与传统技术相比较，本项目首先以基于随机介质理论的盾构隧道灾害风险评估方法进行安全风险评估分析，划分盾构施工区间的安全等级；其次通过确定合理的盾构掘进参数减小对土体的扰动、降低灾害的发生；再采用一系列盾构掘进姿态稳定性控制的综合施工技术，保障了盾构快速、连续和稳定的掘进姿态；最后创新了一套防渗水技术，成功解决了传统盾构不能有效抵挡泥水的难题，有效预防了盾构涌水涌泥等重大突发性工程灾害。研究成果的成功推广和应用，有效预防了盾构隧道坍塌、涌水涌泥等重大灾害，保障了地铁建设的施工质量，缩短了施工工期，降低了工程成本，具有显著的经济效益、社会效应和安全效益，具有广阔的应用前景。六、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）有效状态论文Reliabilityanalysisofanti-seismicstabilityof3Dpressurizedtunnelfacesbyresponsesurfacesmethod中国2020,20(01):43-542020年01月10日10.12989/gae.2043湖南科技大学、中南大学张标;马宗宇;王晅;张家生;彭文庆其他有效的知识产权实用新型专利盾构机稳定接收装置中国ZL201921416249.52020年06月02日10655141湖南科技大学张标;凌涛;张佳华;张道兵;孙望成;蔚彪有效专利发明专利一种隧道设备中国ZL201911034167.92021年02月12日4251483中铁五局集团第一工程有限责任公司朱胥仁;杨曾;王伟;陈彬;曹振兴;彭学军;吴彪;杨文国;李享松;汤宇;苗永旺;杨俊峰;罗朝华;胥俊伟;李一萍;胡从文;范方贵;凌涛有效专利论文ReliabilityAnalysisofSeismicStabilityofShieldTunnelFaceunderMultipleCorrelatedFailureModes中国2021,25(8):3172-31852021年05月22日10.1007/s12205-021-2174-3湖南科技大学、中南大学张道兵;孙望成;王成洋;蔚彪其他有效的知识产权论文Upperboundsolutionofcollapsepressureandpermanentdisplacementof3Dtunnelfacesusingthepseudo-dynamicmethodandthekinematicapproach中国2021,25(6):521-5332021年06月25日10.12989/gae.2021湖南科技大学、中南大学张标;蒋瑾;张道兵;刘泽其他有效的知识产权论文基于Hoek-Brown破坏准则深埋硐室围岩结构可靠度分析中国2021,36(01):30-372021年03月20日10.13582/ki.1674-5876.2021.01.005湖南科技大学、中铁五局集团有限公司张静;焦倓然;张道兵;蔚彪;尹华东其他有效的知识产权论文长沙市轨道交通5号线盾构隧道管片修补及防渗漏技术中国2020,32(02):71-742020年05月22日1672-6146(2020)02-0071-04中铁五局集团第一工程有限责任公司、湖南科技大学、中国建筑第五工程局有限公司李享松;沈红良;蒋瑾;饶永强;凌涛;刘焘其他有效的知识产权实用新型专利一种可过车的新型针梁台车中国ZL202120933594.72021年12月03日14951448中铁五局集团第一工程有限责任公司;长沙理工大学;中铁五局集团有限公司魏波;陈武林;邓满林;彭学军;刘丽;汤宇;刘云龙;陆敬忠;赵建斌;康仲;尹来容;刘稳琦;黄苛;段鹏昌;胥俊伟;凌涛有效专利实用新型专利富水地层盾构始发三重洞门密封装置中国ZL202020174596.82020年09月15日11491267湖南科技大学张佳华;张道兵;蔚彪;尹华东;孙望成;蒋瑾;宋嘉诚有效专利实用新型专利一种柱模加固装置中国ZL202121706412.92021年12月17日15177607中铁五局集团第一工程有限责任公司;中铁五局集团有限公司;中铁发展投资有限公司周军强;孙永科;刘云龙;汤宇;龙明华;彭学军;冯慧君;李培国;钟东;彭正中;徐毅勇;周飞;郭子琦;沈红良;凌涛;杨维;刘杰锋;段磊;杨锡斌;童昌有效专利七、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张标讲师湖南科技大学湖南科技大学项目总负责人，提出了总体的研究思路，制定整体研究方案和技术路线。2张静高级工程师/项目经理中铁五局集团有限公司中铁五局集团有限公司参与提出了基于随机介质理论的强-中风化板岩软硬不均富水地层盾构隧道“坍塌-隆起”灾害风险评估方法。3魏波高级工程师/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研发了盾构机穿越富水软硬不均地层稳定接收装置。4凌涛高级工程师/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研发了盾构机穿越富水软硬不均地层稳定接收装置，并且参与创新了一种富水软硬不均地层下盾构始发与掘进过程中防渗水技术。5周飞高级工程师/项目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研发了盾构机穿越富水软硬不均地层稳定接收装置。6焦倓然高级工程师/项目经理中铁五局集团有限公司中铁五局集团有限公司参与提出了基于随机介质理论的强-中风化板岩软硬不均富水地层盾构隧道“坍塌-隆起”灾害风险评估方法。7蔚彪无湖南科技大学湖南科技大学参与了基于随机介质理论的强-中风化板岩软硬不均富水地层盾构隧道“坍塌-隆起”灾害风险评估方法等。八、主要完成单位及创新推广贡献情况完成单位对本项目科技创新和推广应用情况的贡献湖南科技大学项目负责单位，承担了项目的总体研究工作，为项目提供了相应设备，配备了一定数量科研人员，积极将研究成果向施工单位进行推广