《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）—第三部分隧道《成都富水卵漂石地层盾构下穿运营地铁微扰动施工关键技术研究》

本期项目简介

完成单位: 中交第二航务工程局有限公司、中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司

主要完成人: 杨钊、 陈培帅、 靳党鹏、 许超、 王强、 刘文、 曾希键、 张士龙、 王灿刚、 刘杰、 张瀚华、 马超、 黄威、 隋泽文、 刘东军、 熊栋栋、 贺创波、 钟涵、 张飞雷、 温博为

项目简介

　　(一)项目背景

　　我国幅员辽阔,地质条件错综复杂,在修建地铁项目过程中会遇到各种不同地层,如成都的富水砂卵石地层、西安的湿陷性黄土地层、东南沿海地区富水软土地层等。成都富水卵漂石地层宜采用土压平衡盾构施工,但是由土体强度高、渗透系数大、地层松散等特性,渣土容易滞排,进而引起刀盘刀具磨损加大,设备负荷大,施工成本高等问题;同时由于地层松散,盾构掘进过程中易出现超挖,易形成地层空洞,后期地面出现塌陷。针对该种地层,尚未找到一种经济高效的施工方法,盾构施工过程中依然存在一些共性问题,相关施工技术还在不断探索之中。

　　(二)技术概况

　　1.成都富水卵漂石地层盾构渣土改良技术研发了卵漂石土体输送性评价装置与阻水性评价装置,开展了渣土改良试验研究,确定了卵漂石土体渣土改良的改良剂及配比,实现了卵漂石地层盾构渣土改良效果洞外评价,为盾构掘进过程中渣土改良调整提供可靠依据,形成了富水卵漂石地层渣土改良快速评价体系。

　　2.成都富水卵漂石地层盾构设备适应性改造技术

　　(1)对开口率为45%与36%的刀盘进行研究,选用大口率的刀盘能使盾构在卵漂石地层切削动作平稳,扭矩变化波动小、整体掘进速度高,同时地表沉降控制更有效。

　　(2)将传统的轴式螺旋输送机改为采用同等直径的带式螺旋输送机,带式螺旋输送机更有利于排出卵漂石地层大粒径渣土,减少设备磨损。

　　(3)采用空心桩加隔离桩辅助开仓技术,地层加固后稳定性好,施工空间宽敞,便于换刀作业,可显著降低施工风险。

　　3.卵漂石地层盾构近距离下穿运营地铁隧道施工技术

　　(1)在卵漂石地层布置多点位移计,获取深层土体变形情况,预测地层中可能存在的空洞。

　　(2)提出了富水卵漂石地层盾构小净距下穿运营地铁综合加固方法,采用光纤陀螺仪准确测量超长管棚的水平偏差和垂直偏差,指导管棚施工。

　　(3)通过盾构掘进与沉降监测信息数据实时反馈平台实时监测沉降变化并及时反馈,实现了沉降自动化三级预警,提高现场的应急反馈能力。

　　(三)适用范围

　　该技术基于成都17号线地铁项目,主要研究内容包含对我国西南地区富水卵漂石地层的渣土改良以及施工技术。因此,该技术主要适用范围包含我国西南川渝地区的富水卵漂石地层的盾构施工项目,为后续的类似地层工程提供宝贵的施工经验。

　　(四)获奖情况

　　(1)中国交通运输协会科学技术奖(2020年度)二等奖。

　　(2)江苏省地下空间学会科学技术奖(2020年度)三等奖。

　　(3)中国交建2020年度科技进步奖二等奖。

　　(4)中交二航局2020年度科学技术一等奖。

项目创新点

(1) 研发了卵漂石土体渣土改良新技术, 建立了富水卵漂石渣土改良评价指标, 实现了卵漂石地层 (最大粒径超过 200mm) 盾构渣土改良效果洞外评价。

(2) 首次在富水卵漂石地层应用 “大开口刀盘+带式螺旋机冶 配置的盾构机, 开发了一种基于辅助桩的盾构机正侧面维保空间系统。

(3) 提出了富水卵漂石地层盾构小净距下穿运营地铁综合加固方法, 研发了盾构施工深层扰动自动监控预警技术。

同类项目比较

　　传统的渣土改良研究主要针对粒径较小、卵石含量较低的无水或富水地层,相关的测量仪器适用于最大粒径小于60mm的卵石土,而对于粒径更大、卵漂石含量更高的富水地层渣土改良难度更大。本技术研发了专用的改良测试装置,对卵漂石土体的输送性、阻水性及流动性进行评价,通过盾构始发前的室内评价、盾构掘进中的分析控制,形成了富水卵漂石地层顺畅排渣、快速掘进的改良理念。本技术可实现卵漂石渣土性能评价,采取渣样分析过程控制,通过“试验+掘进+试验冶的方式形成最终的改良理念。

　　成都地区富水砂卵石地层的盾构大多数都采用土压平衡盾构,螺旋输送机采用有轴配置,采取“卵石以排出为主,破碎为辅冶渣土输送理念,该配置的盾构机存在出渣不畅、盾构刀盘开口率小设备磨损大、地层易产生空洞导致滞后沉降等问题。本项目首次在成都富水卵漂石地层采用辐条式刀盘,开口率约45%,带式螺旋机配置盾构机,盾构最大输送粒径达到560mm伊1100mm,提高了卵漂石输送效率,减轻设备磨损。

　　卵漂石是一种不稳定的地层,地层空洞后存在一定的自稳能力,在地下水渗流,城市交通车辆反复震动及地表降水冲刷将会导致空洞扩散,出现坍塌等情况。在卵漂石夹素桩地层狭小空间下进行长管棚加固,目前还未有相关的成熟施工方法,同时盾构施工过程中沉降监控反馈存在一定滞后性,影响盾构施工决策。本技术采用水位随钻测量结合全站仪和光纤陀螺仪复核,实现管棚施工三维姿态测量,避免盲目施工,保障施工安全;同时建立了盾构掘进沉降信息反馈系统,将测得的沉降数据和盾构掘进参数整合进反馈系统,可自动分析沉降的产生阶段,便于现场人员采取措施处理,同时对于沉降数值实现分级预警,大大提高了现场分析反馈能力。

应用案例

　　成都富水卵漂石地层盾构下穿运营地铁微扰动施工关键技术应用如下:

　　在卵漂石含量近75%的富水地层,通过采用了大开口(开口率45%)刀盘、无轴带式螺旋机(最大通过粒径560mmx1100mm)的土压盾构施工,结合渣土改良动态评价技术,实现了高磨蚀、易喷涌地层大直径(8.6m)盾构顺畅出渣和快速掘进(日进尺22.5m)。

　　在卵漂石夹素桩地层(素桩净距0.35m)交叉隧道间,应用长、大管棚(长38m、直径196mm)进行加固,采用光纤陀螺仪准确测量超长管棚的水平偏差和垂直偏差,防止管棚侵限,该测量技术在盐港东立交项目进行推广应用。采用富水卵漂石地层盾构小净距下穿运营地铁综合加固方法,结合智能化沉降监测系统反馈和调整掘进控制参数,实现下穿运营地铁线毫米级(小于等于6mm)沉降控制。

社会效益与经济效益

　　富水卵漂石地层土压平衡盾构施工技术在依托项目成功应用,为富水卵漂石地层地铁区间施工提供经验借鉴,取得了显著的经济和社会效益。

　　通过盾构施工渣土改良及时调整,节省膨润土约3400吨,节约成本约214.2万元;大开口刀盘和带式螺旋输送机的应用,掘进期间缩短工期约2个月,节约人工成本约300万元,节约设备成本460万元。采用空心桩加固辅助开仓技术,节约工期约3个月,节约人工成本约450万元,节约设备成本约690万元。采用卵漂石夹素桩地层盾构近距离下穿地铁沉降控制技术,保证了加固的有效性、确保了既有构造物的安全、极大降低沉降风险、节约项目成本,节约了4号线加固管棚约36根,节约成本约201.6万元。

　　本课题应用成果解决了富水卵漂石地层盾构施工沉降不易控制、施工效率慢、设备损伤不易修复等难题,实现了富水卵漂石地层土压平衡盾构施工的大跨越,推动了土压平衡盾构施工技术的发展,可以为类似工程提供参考,具有推广和示范意义。