《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２1）第二部分隧道工程篇《复合地层泥水盾构超近接下穿既有隧道沉降控制与关键施工技术研究》

完成单位：中铁四局集团第五工程有限公司、辽宁工程技术大学、阜新市交通运输事务服务中心

主要完成人：宋洋、杜春生、祝百茹、李冰恒、付星星、李昂、李志新、张舵、徐国光、梁大勇

项目简介

　　随着城市经济的快速发展，城市规模和人口也在日益扩大，城市开发空前高涨，特别是城市轨道交通的发展更加迅速。下穿既有隧道不仅易引起轨道沉降，更易引起较大的轨道高差，影响地铁运营安全，如何保证既有线路的质量安全是工程技术人员亟待解决的课题。

　　南宁市轨道交通5号线秀灵路站-明秀路站区间下穿2号线明秀路站-秀厢站区间，管片外皮最小垂直净距仅为2.05m-2.10m，穿越地质条件复杂，5号线隧道主要穿越地层为泥岩地层，上部含有少量圆砾层。其中圆砾层具有稳定性差、富水、渗透系数大等特点，盾构施工极易引起地层产生沉降，掘进面易发生失稳坍塌、涌水、涌砂等灾害；同时泥岩地层遇水崩解，开挖面稳定性降低，泥浆环流效率低，导致弃浆率增加，且在复合地层（上部松软土层，下部软岩层）施工掘进过程中刀盘受力不均，盾构机姿态极难控制，因此施工中极易发生工作面失稳现象。

（二）技术概况

　　主要包括以下几方面内容：（1）泥水盾构下穿既有地铁隧道掘进参数优化研究；（2）上软下硬复合地层主动失稳极限平衡模型研究；（3）上软下硬复合地层盾构下穿数值模拟研究；（4）自动化监测及掘进参数对比分析；（5）泥岩地层泥水盾构泥浆环流效率提升优化研究；（6）复合地层泥水平衡盾构机近距离下穿既有地铁隧道关键施工技术研究。

（三）适用范围

　　泥岩圆砾复合地层泥水平衡盾构下穿既有隧道施工。

（四）获奖情况

　　1.2020年7月《复合地层泥水盾构超近接下穿既有地铁隧道精细沉降控制与关键施工技术研究》经中国公路建设行业协会鉴定为国际先进水平；

　　2.形成工法2项《上软下硬复合地层泥水盾构高适应性泥浆配比转化施工工法》《复合地层泥水盾构近距离下穿既有地铁隧道施工工法》，经中国公路建设行业协会鉴定为国际先进水平；

　　3.发表EI论文2篇，SCI论文1篇（JCR2区），收录于国内领军期刊《岩土工程学报》、《岩土力学》，《BulletinofEngineeringGeologyandtheEnvironment》，国内核心期刊论文3篇；

　　4.授权发明专利1项，实用新型专利5项，实审发明专利2项；

　　5.授权软件著作权2项；

　　6.获批2020年安徽省工程建设QC小组活动成果一等奖1项《中铁四局集团第五工程有限公司盾构分公司南宁盾构分部QC小组——泥水盾构近距离下穿既有隧道控制方法创新》。

项目创新点

　　（一）通过自制泥水盾构下穿既有隧道试验装置，优化下穿段掘进参数，研究不同地层复合比的情况下，下穿施工引起既有隧道位移变化规律。独立开发一种适用于上软下硬复合地层泥水盾构近距离下穿既有地铁隧道的室内模拟试验装置，对泥水压力、推进速度和刀盘转速等掘进参数进行优化研究

　　（二）基于极限平衡法，对传统楔形体计算模型进行修正，假设破坏面为折线，建立适用于圆砾泥岩复合地层泥水盾构开挖面主动失稳模型。当盾构在圆砾泥岩复合地层中支护力过小时，圆砾泥岩地层楔形体会向下滑动从而发生破坏，分别建立圆砾泥岩地层楔形体在向下滑动时的水平与竖直方向受力平衡方程，进行求解。

　　（三）通过自动化监测，阐明盾构下穿过程对既有地铁隧道沉降变化规律，研究泥水盾构在不同施工阶段的参数变化，动态调整掘进参数，形成《泥岩地层泥水平衡盾构机近距离下穿既有地铁隧道施工工法》。通过掘进参数变化规律的分析得知，开挖仓泥水压力、刀盘扭矩、总推力、进出浆量急剧增大且波动频繁是由于泥岩的大量堵仓造成的，且四者变化的规律存在一致性。

　　（四）通过自制泥浆环流系统，研发新型泥浆，优化泥浆配比，提高泥浆环流效率，并形成《上软下硬复合地层泥水盾构高适应性泥浆配比转化施工工法》。开展泥水盾构掘进泥岩圆砾复合地层泥浆配比室内试验，采用控制变量法，利用自制的模拟泥水盾构掘进系统，比选泥浆外加剂，分析外加剂掺入量和地层复合比对出浆比重的影响规律。

　　（五）选取适宜注浆材料，优化浆液配合比，配置适合富水圆砾地层的cs双浆液。CS双液浆具有凝胶时间短、可注性好及早期强度高的特点，水泥选自某水泥厂原产普通硅酸盐水泥P.O42.5级水泥，水玻璃为某化工厂生成的液态硅酸钠，试验分别选取32、35、38和42波美度。

应用案例

　　本课题成功应用于南宁地铁轨道交通五号线02标8工区秀灵路-明秀路站、南宁地铁轨道交通五号线02标5工区旱塘站～新阳路站区间工程。圆砾泥岩复合地层泥水盾构超近接下穿既有地铁隧道，通过相似试验得到合理的掘进参数，建立圆砾泥岩复合地层主动失稳计算模型，并通过自制成膜系统得到了由甲基硅酸钾、渣土及膨润土与水组成的泥水盾构泥浆，可以很好控制了盾构超近接下穿过程中既有隧道的沉降变形，解决了泥岩层具有极易吸水、粘结、遇水极易膨胀使其粘结刀盘及形成泥饼、环流效率低下等问题，累计创造经济效益1470万元，在同类泥水盾构隧道施工中具有环保和经济效益并存的优势，取得了较好的经济效益、社会效益与生态效益。

社会效益与经济效益

　　在南宁市轨道交通5号线秀灵路站-明秀路站区间项目段，通过相似试验优化掘进参数，指导下穿工作，使施工工序有条不紊的进行，缩短了施工的工期，加快了施工进度，降低施工成本约690万元；施工采用泥水盾构泥浆改性的方法，减少掌子面泥岩地层因遇水崩解，从而造成地表沉降过大；降低出浆比重，增加泥浆循环利用率，每1000m3泥浆，消耗渣土为100吨；降低施工成本约为610万元，降低人工维护费用170万元。累计节约成本1470万元。

　　随着城市经济的快速发展，城市规模和人口也在日益扩大，城市开发空前高涨，特别是城市轨道交通的发展更加迅速。各条线路交错复杂，日益网络化，相继出现了很多换乘站及新建线路穿越既有线路的一系列复杂情况，不可避免存在近距离下穿既有区间隧道的情况。下穿既有隧道不仅易引起轨道沉降，更易引起较大的轨道高差，影响地铁运营安全，如何保证既有线路的质量安全是工程技术人员函待解决的课题。因此对复合地层泥水盾构超近接下穿既有地铁隧道精细沉降控制与关键施工技术的研究具有较强的针对性，解决社会关注度高、贴近民生的重难点问题，且研究技术先进，工序合理，因此具有较好的社会效益与推广应用前景。