《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）—第三部分隧道《盾构掘进数字仿真及风险防控技术》

本期项目简介

完成单位: 盾构及掘进技术国家重点实验室、 中铁隧道局集团有限公司、 郑州地铁集团有限公司、 南宁轨道交通集团有限责任公司、中铁工程装备集团有限公司、 中铁十一局集团城市轨道工程有限公司、 中铁十局集团城市轨道交通工程有限公司、 长沙中天交通凿岩技术服务有限公司

主要完成人: 陈馈、 熊勇军、 刘招伟、 王连山、 程海云、 李凤远、 蒲晓波、 崔天麟、 张岩涛、 孟 庆 军、 王 涛、 张 昆 峰、 黄 鹤、 潘 东 江、徐文平

项目简介

(一) 项目背景

盾构是国家铁 路、 公 路、 市 政、 水 利 和 国防等基础设施建设急需的重大装备, 其关键技术难度高、 附加值大, 反映了一个国家装备制造业的水平。随着城镇化、 工业化进程的加速,2012 年起, 我国已成为盾构需求最大的国家,目前已占全球市场的 80% 。与之不相适应的是,本项目实施之前, 盾构装备仍然不能完全满足各种隧道掘进的需求, 工程事故经常发生, 造成人员伤亡、 财产损失、 工期延误, 其原因在于盾构掘进地质的不确知性、 人员操控的随机性、 设备状况的难以预测性等业界公认的三大国际难题尚未得到根本解决。因此, 开展盾构装备掘进载荷设计与风险防控研究, 已经成为当前隧道施工行业亟须突破的发展方向。针对盾构掘进载荷与地质不匹配、 从业人员操作不规范、 施工掘进风险因素多的问题, 研发了全物理要素掘进数字实验技术、 创新了盾构操控环境可视数字化培训手段、 研发了盾构全过程风险防控技术, 对提升盾构地质适应性、 盾构从业人员素质、 盾构设备管控水平具有十分重要的现实意义。项目成果已成功应用于苏埃通道等国内外多个重大盾构隧道工程, 并显著提升了盾构隧道施工的安全和质量。

(二) 技术概况

针对盾构掘进载荷控制与地质条件不匹配、人员操作不规范、 盾构掘进风险不可控等业界三大共性难题, 项目创新了盾构刀盘刀具掘进载荷全物理数字化实验技术, 设计了一种盾构刀盘刀具掘进过程直接数值模拟方法, 开发了盾构掘进载荷数字化实验平台; 创立了人机交互的盾构操作环境可视化技术, 设计了一种盾构操控环境可视化数字模拟方法, 研制了土压/ 泥水平衡盾构系列数字仿真操作平台; 创建了盾构施工关键风险防控技术, 提出了复杂地层带压换刀、 盾构掘进姿态控制、 砂浆包裹盾壳处理等技术, 保障了盾构掘进过程的人机安全。成果应用于北京、 上海、广州等城市及新加坡、 以色列等多个国家和地区的盾构掘进数字演算、 刀盘数字化设计、 标前决策和掘进风险防控。

(三) 适用范围

本项目主要应用于铁路、 公路、 市政、 水利等盾构法 TBM 隧道工程, 可用于设备设计阶段的数字仿真模拟掘进, 指导设计参数配置; 可用于隧道施工阶段的掘进参数参考; 可用于盾构从业人员仿真培训操作练习; 可用于设备远程监控及维护管理。

(四) 获奖情况

项目成果 “盾构电液系统故障监控技术冶 获中国铁路工程总公司 2017 年度科学技术一等奖,“盾构掘进数字仿真及风险防控技术冶 获中国铁路工程总公司 2018 年度科学技术一等奖, 获河南省工程建设协会项目成果特等奖。

项目创新点

(1) 揭示了盾构掘进过程中刀盘刀具-土体耦合作用规律, 建立了掘进界面土体的平衡微分方程, 实现了刀盘刀具与地层间复杂作用的精确力学描述; 首创了盾构掘进载荷数字化实验技术,创新了盾构刀盘刀具掘进过程直接数值模拟方法;创建了盾构掘进全物理要素数字实验技术, 研发了准确模拟真实工况的盾构掘进载荷数字化实验平台, 解决了现场实验高成本、 高风险的问题,攻克了盾构设计中载荷预测与施工中载荷控制难题, 实现了面向实际工程的盾构优化设计与安全施工数字化实验, 提高了盾构设计与施工控制的地质适应性。

(2) 基于视、 听、 觉计算机虚拟灵境技术,创新了盾构操控环境可视化数字模拟方法, 克服了传统操作培训直观性差的弊端; 基于云计算的海量数据挖掘技术, 发明了人机交互式盾构故障处理模拟方法, 为盾构从业人员快速提升突发故障处理技能提供了保障; 基于盾构操控互联网远程培训技术, 研发了盾构从业人员仿真培训平台, 创新了盾构从业人员职业技能技术培训手段, 降低了盾构从业人员不规范操作引起的施工风险。

(3) 针对盾构施工过程中存在的进仓换刀风险大、 盾壳固结被卡及姿态控制失准等风险, 研发了一种盾构带压换刀手段, 保障了掌子面的稳定和作业人员的安全; 研发了盾构施工过程中设备姿态风险控制技术, 建立了盾构纠偏数学模型,提高了盾构纠偏精度和速度; 提出了固结砂浆包裹盾壳处理技术, 解决了掘进过程中的卡盾问题,实现了盾构掘进过程关键风险防控。

应用案例

      本项目研究成果已在中铁隧道股份有限公司、中铁十局集团城市轨道交通工程有限公司、 中铁隧道集团二处有限公司、 中铁十一局集团城市轨道工程有限公司、 中铁隧道集团三处有限公司、杭州市地铁集团有限责任公司、 南宁轨道交通集团有限责任公司进行推广应用。

      近三年, 应用本项目技术对盾构优化设计与施工管理的盾构 1249 台次, 研究成果应用于国内北京、 上海、 广州、 杭州、 郑州等 40 多个城市和新加坡、 以色列、 马来西亚、 黎巴嫩等国家和地区的 410 个项目。研制的盾构掘进载荷数字化实验平台, 针对特殊地质盾构施工进行盾构掘进数字模拟演算 70 余台次, 刀盘数字化设计 150 余台次,同时为标前参考决策 370 余台次。应用自主研制的盾构从业人员智能培训系统, 应用于举办全国盾构从业人员培训班 26 期, 培训盾构从业人员 2637名。应用施工风险管理技术, 对国内外施工项目进行 1000 余台次盾构施工管理。

      针对盾构掘进载荷控制与地质条件不匹配、人员操作不规范、 盾构掘进风险不可控等业界三大共性难题, 项目在现有隧道施工技术基础上,重点研究了盾构装备掘进载荷设计与风险防控关键技术, 针对作业人员开发了系列培训及风险防控平台, 重点解决了城市地铁隧道、 浅埋海底隧道及山岭隧道掘进机施工风险防控问题, 提高了作业人员操作稳定性, 加强了施工过程中沉降、渗漏、 坍塌、 设备损坏等风险防控, 有效避免了施工过程中的风险。

社会效益与经济效益

      中铁隧道局集团采用研究成果, 用于指导构隧道工程施工过程中技术管理、 掘进参数设置,配合公司标前掘进风险评估研究, 新增销售额327860 万元。中铁十局等单位利用平台对盾构工程应用模拟演算、 人员培训、 风险防控技术, 规避了盾构施工安全风险, 降低了财产损失, 新增销售额 145950 万元。

      项目成果为标前策划提供了技术支持及理论依据, 同时为数字化盾构选型、 刀盘优化设计提供了参考依据。形成了盾构操作、 考试培训体系, 通过标准化的培训, 提升了盾构施工掘进效率。减少了在复杂地层带压换刀易引起地面沉降超标、 塌陷现象的发生, 解决了盾构固结砂浆卡盾的处理难题, 克服了复杂地层盾构姿态难以控制引起的超限通病, 提升了盾构掘进施工风险防控水平。