《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）—第三部分隧道《大直径土压平衡盾构机研制及在复杂地层超长距离掘进技术研究​》​

本期项目简介

完成单位: 中铁六局集团有限公司

主要完成人: 肖于太、 刘松、 杨会军、 刘林周、 齐春杰、 汪令平、 王义强、 徐满吉、 韩宝清、 卢森、 冯忱、 康剑楠、 方继安、 李宏斌、 卢鑫、 韩璐、 张育齐、 郑强、 蔡红彪、 徐东海

项目简介

　　(一)项目背景

　　随着全国城市规模的扩张及城市集群的发展,建设“单洞双线冶“双层多车道冶等超大直径长距离隧道已成为新一轮城市地下交通建设的发展趋势。为此,中铁六局依托承建的太原西南环东晋隧道盾构区间项目,针对“大直径土压平衡盾构机研制及在复杂地层超长距离掘进技术研究冶课题进行科研立项。该盾构区间长4850m,具有开挖断面大、掘进距离长、穿越地质复杂等特点,采用一台12.14m大直径土压平衡盾构机施工,沿线穿越城市主干道、住宅小区、古建筑、河流等64处风险源。中铁六局全面深入开展科研创新活动,经过重大技术创新,实现了复杂地层超长距离大直径土压盾构施工的新突破。

　　(二)技术概况

　　1.大直径土压平衡盾构机选型设计及制造关键技术

　　根据地质、水文和沿线周边建构筑物等条件对大直径土压平衡盾构整机集成及控制系统设计制造进行研究,并对盾构机选型重要参数进行复合计算。

　　2.浅覆土、大坡度分体始发关键技术

　　针对工程始发段浅覆土、大坡段(11译下坡)始发进行模拟,结合无轨运输、负环拼装、洞门防水和封堵等进行场地布置、参数计算。

　　3.复杂地层超长距离掘进关键技术通过刀盘、刀具防磨设计、多种渣土改良方式、预设刀具检修更换加固区等技术手段,实现安全高效连续掘进。

　　4.盾构掘进与轨下结构同步施工关键技术在盾构掘进的同时结合同步运输组织,对轨下结构进行分区、分段同步施工,改变传统掘进与后道工序流水作业习惯,创造了大断面铁路隧道整体成型、快速施工全新组织模式。

　　(三)适用范围

　　适用于采用盾构法施工、直径10m以上穿越复杂地层(卵石、粉质黏土、圆砾、砂层等组成的复合地层或单一地层)的隧道工程。

　　(四)获奖情况

　　课题经中铁股份公司组织评审,研究成果达到国际领先水平。已申报施工工法18项,其中11项获得省部级优秀施工工法;获得授权专利52项,其中4项发明专利,发表论文12篇,1项QC成果获得北京市质量协会优秀奖。

项目创新点

　　(1)场地受限工况下快速组装。在盾构始发场地条件受限情况下,通过采取提前拆除部分负环、负环特殊加固处理、特殊始发托架导台等措施,完成快速组装。

　　(2)延长洞门钢丝刷腔注脂密封技术。采用延长洞门,利用加长钢丝刷形成多道密封圈,提前注入油脂密封等技术措施,完成浅埋段洞口密封,保证盾构始发安全。

　　(3)多级连续出渣系统。隧道每延米出渣量约150m3,通过采用多级连续皮带出渣,实现高效掘进,最大日进尺22m。

　　(4)特殊U型转渣装置。全线地层复杂,存在大量粒径超过800mm卵石,通过对刀盘开口率控制、加大螺旋机直径、设置转渣槽等技术措施,实现碴土快速外排。

　　(5)车辆洞内掉头装置。设计一种洞内自动调头平台,可自动随盾构机前进,解决洞内运输车辆的调头难题。

　　(6)可变开口率刀盘。通过可拆卸翼板结构,在不同地层实现刀盘开口率的动态调整;提升刀盘在不同地层中的综合适应能力,降低大粒径卵石卡死螺旋机的风险。

　　(7)轨下结构同步施工。采用无轨运输、轨下结构同步施工方法,设计一种自动脱模、行走异型模板台车,提升效率,实现轨下结构与掘进同步进行、流水作业,确保总体工期。

同类项目比较

同类项目比较见表 1。

应用案例

　　课题项目在太原铁路枢纽西南环线盾构区间项目顺利实施运用,解决了开挖直径大、地层复杂、掘进距离长、工期短等施工难题,形成大直径土压平衡盾构复杂地层长距离掘进关键技术研究。具体应用情况如下:

　　(1)设计可变开口率直角型式复合刀盘、撕裂刀与滚刀互换式刀箱,满足高含量大粒径卵石土、黏性细颗粒土等多种地层掘进;刀盘设计多通道可互换式改良喷口,保证大断面开挖时的改良工作;设计重型刀具进行“立体分层冶布置,有效提高掘进寿命。

　　(2)研发应用三级分体始发工法,采取特殊始发导台、提前拆除部分负环等措施,加快了组装速度,实现复杂工况下大直径盾构机40天完成组装始发;采用延长注脂洞门密封工法,实现8m浅覆土始发条件下最大沉降不足5mm的安全快速始发掘进。

　　(3)通过刀盘、刀具防磨设计等技术手段,实现安全高效连续掘进。研发应用U型转渣装置和多级连续皮带出渣系统,实现复杂地层多次改良、不同地质大体积渣土连续高效运输。通过超前沉降数据模拟分析、注浆及改良参数等措施,达成单日最快22m,单月460m、平均月进度260m的高效掘进目标;同时实现地表最大累计沉降小于10mm、成型隧道无破损渗漏、管片最大错台小于5mm的高标准建设目标。

　　(4)研究采用双头机车和可移动旋转平台,为大体量物资快速供应提供有效保障;结合运输通道布置、研制走行式模板台车,实现掘进与两侧翼板同步施工280m/月以上,创造了大断面铁路隧道整体成型、快速施工全新的组织模式。

社会效益与经济效益

　　课题应用较传统单洞单线盾构法施工减少征拆、设备投入,缩短了工程工期,节约成本4400万元以上,经济效益显著。较大限度提升地下空间的利用率,对促进国家的工业化和城市化进程,高效、环保和安全地开发利用地下空间,具有重要的战略意义。施工期间,业内设计、施工、建设单位前往该工程观摩、考察、交流的活动络绎不绝,参观者均给予其高度评价,相关媒体多次对工程进行了相关报道,受到业主、设计、监理等各方的好评及肯定,取得了良好的社会效益。获得了中国铁路太原局“三优共创冶先进单位、中国中铁股份公司“标准化工地冶等多项荣誉称号。