超大直径盾构施工

上海市科学技术进步奖推荐书 一、项目基本情况 专业评审组: 土木二组 评审号: 20104441 中文 超大直径泥水平衡盾构隧道施工关键技术

项目

名称 英文 The Key Techniques of Super Large Diameter Slurry Shield Tunnel Construction

主要完成人员 略

主要完成单位 略

主题词 超大直径隧道；同步注浆；同步施工；进出洞技术；不分散泥水材料

推荐单位 城建集团

奖励类别 技术开发类 项目水平 国际先进 所属学科 隧道工程 学科代码 5801030 相关学科 地下工程 学科代码 5605030 技术领域 其它技术 出口情况 未出口 所属行业 建筑业 密 级 非密 任务来源 省、市、自治区计划 保密期限 0年 创 新 性 国内首创 可否公布 可 市成果登记号(每行只填一个成果登记号)

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项目研究起止时间2006.09--2008.09 上海市科学技术奖励管理办公室制 二、项目简介 项目所属科学技术领域、主要内容、特点及应用推广情况： 本项目属于其他技术领域隧道工程技术。随着城市化建设进程的加快，超大直径盾构隧道飞速发展已成必然的趋势。国内直径12m以内的盾构隧道施工技术渐趋成熟，但直径14m以上的超大直径盾构隧道施工技术尚处起步阶段。随着隧道向超大直径方向发展的需要，研究探索超大直径隧道施工技术有着十分重要的现实意义。本项目通过对超大直径泥水平衡盾构施工工艺、新型泥水体系、同步注浆材料和工艺、进出洞技术、盾构机调头、双层道路同步施工等施工关键技术的研究创立了一套完整的超大直径泥水平衡盾构施工工法，标志着我国正式掌握了超大直径盾构隧道施工技术，开创了中国超大直径盾构隧道施工新时代，取得如下创新成果： （1）首创超大直径泥水盾构不分散泥水体系和集成化泥水固控处理工艺，有效解决了超大直径泥水盾构开挖面稳定控制和泥水高效重复利用的技术难题；所研发的泥水材料与处理工艺大幅降低了废弃泥水的总量，达到施工环保与节能的目的。 （2）创新研制了新型抗剪型同步注浆砂浆材料与施工方法，建立了以抗剪切屈服强度和塌落度为控制指标的同步注浆新理念，突破了传统的以早期抗压强度和初凝时间为控制指标的同步注浆方法，与传统双液浆相比，成本降低30~50%，隧道施工期的稳定更易于控制，有效缩短隧道稳定时间，明显提高了成环隧道的质量； （3）首创了超大直径隧道双层道路同步施工方法，通过应用研制的移动式台模车有机地将盾构推进和内部道路现浇结构施工结合起来，解决了快速施工与高效运输的矛盾，在有效缩短工期的同时，控制了隧道上浮； （4）创新研发了超大直径隧道进出洞冰冻加固体分区域强制解冻结合注浆控制融沉的施工方法，显著减少了盾构进出洞加固土体后期的沉降，大幅降低了超大直径盾构隧道的进出洞风险； （5）首创了狭小空间内超大直径盾构机整体原位调头技术，有效缩短了工期，解决了传统的大直径盾构解体调头对工期和盾构本体质量所带来的不利影响。 本项目授权发明专利2项，申请发明专利4项，授权实用新型专利3项，获得国家级一、二级工法各1项，市级工法3项，出版专著1本，发表论文10余篇。研究成果已应用于大连路隧道、翔殷路隧道、复兴东路隧道、军工路隧道、耀华支路越江隧道、长江隧道等，形成了一套完整的软土地区超大直径泥水平衡盾构施工工法，培养了学科带头人和一批科研和工程的技术人才，标志着我国超大直径盾构隧道施工技术跨入世界先进行列，研究成果总体达到国际先进水平，社会、经济效益突出。

（不超过800个汉字） 三、项目详细内容 1.主要科技创新内容（采用的技术原理与方案；关键技术创新点；必要的图表数据） 1.1总体研究思路 本课题是针对超大直径泥水平衡盾构施工关键技术的综合性研究，上海大连路隧道（Φ11.22m）、复兴路隧道（Φ11.22m）和翔殷路隧道（Φ11.58m）等大直径隧道工程的相继投入使用标志着我国大直径隧道的施工技术已基本成熟，而当时国内最大直径的上海上中路隧道（Φ14.87m）工程开工标志着我国正式进入了超大直径盾构（直径大于14m）施工的新时代，但超大直径隧道施工技术在国内尚处于起步阶段，研究探索超大直径盾构施工技术具有十分重要的意义。 超大直径盾构隧道出土量与开挖断面是大直径隧道的1.76倍，排泥流量前者是后者的近3倍，前者断面上下土压力差是后者的1.325倍，盾构机重量也增加近两倍，随着体量的大幅增加，对传统的泥水体系、进出洞技术、盾构机调头、同步注浆等施工技术理念的突破势在必行。为此本课题对超大直径盾构施工工艺、新型泥水体系、同步注浆材料、进出洞技术、盾构机调头、双层道路同步施工等超大直径泥水盾构隧道施工关键技术进行了综合性研究。 以往大直径隧道施工采用的是以膨润土泥水及沉淀池构成的分散泥水体系，取得了比较好的工程效果，但存在废弃泥浆排放量大、稳定性差、回收率低，泥浆指标难以控制，新浆材料用量大、泥水处理场地占地大等不足。根据超大直径隧道泥水流量巨大、开挖面稳定控制困难等特点，在室内泥水材料试验、现场应用试验的基础上，开发一种全新的具备较强的造浆能力、网结能力、抑制分散能力、稳定性好、触变性好以及形成的泥膜致密等优点的不分散泥水材料，并集成设计了超大直径泥水盾构隧道施工的泥水固控处理工艺，形成一套适用于软土地区超大直径泥水平衡盾构施工的泥水体系，使超大直径泥水盾构进入城市密集区施工成为可能。 超大直径隧道由于开挖面巨大等特点使得盾构进出洞存在巨大的风险。冰冻法作为一种常用的出洞土体加固方法具有安全可靠的特点，但冻融控制比较困难，解冻后造成的地表沉降较大，本课题探索了一种带有融沉注浆控制技术的分区域强制解冻施工方法，大大缩短了冰冻体后期稳定周期，减少了地面沉降，提高了出洞段隧道质量。 上海早期的地铁隧道工程采用膨润土单液浆作为盾构的同步注浆浆液，这种浆液在注入到土层后，浆液中的水和主要骨料会发生分离，导致浆液中的水分流失，不利于隧道后期沉降的控制。之后采用的双液型浆液是典型的可硬性浆液，具有初凝时间短，早期强度以及后期强度均较大，固结后体积收缩小等特点。但施工过程控制要求较高，实际使用中注浆量偏大，对周围土体扰动较大，浆液充填均匀性难以控制。本课题研制的抗剪性同步注浆砂浆及工艺改变了这种状况。 传统的盾构机调头采用解体吊装的方法，但直径14.87m盾构机即使分解后最重的单件达225吨，且拆卸及后期组装难度大，工期较长。为此本课题创立一种盾构机原位调头的方法，采用可控性好、可平移基座搁架支承体系和先进的PLC控制液压同步移位系统，可以快速实现盾构机工作井内平移调头。 大直径隧道内部结构为双层道路，复兴东路隧道采用了带牛腿管片的同步施工方法，由于涉及到牛腿位置的确定，管片拼装的灵活性较差，给盾构施工的轴线控制等环节造成不利的影响。同时先掘后筑的施工方式将盾构掘进施工和内部道路施工的工期叠加，工期较长。本课题有机地将盾构推进和内部道路现浇结构施工相结合，实现了真正意义上的同步施工，既解决盾构施工运输通道问题，又加快了工程进度。研制一种移动式台模车使得内部结构施工受隧道施工的影响较小，有效地缩短了工期，同时及时进行内部结构施工对控制隧道上浮有利。 通过上述研究，形成了一套完整的软土地区超大直径泥水平衡盾构的施工工法，填补国内超大型盾构施工技术的空白，推动了地下空间的发展。课题研究技术路线如下：

图1 研究技术路线 1.2超大直径泥水平衡盾构新型泥水体系 以往大直径隧道采用的是以膨润土泥水及沉淀池构成的分散泥水体系，取得了比较好的工程效果，但存在废弃泥浆排放量大、稳定性差、回收率低，泥浆指标难以控制，新浆材料用量大、泥水处理场地占地大等不足，并且在复杂地质情况和盾构推进速度较快时，开挖面稳定性较难控制。根据超大直径隧道具有泥水流量巨大、开挖面稳定性差等特点，新型泥水应具备良好的网状结构、控制粘土分散的能力、良好的剪切稀释特性、一定的结构强度、便于携带和悬浮土颗粒、失水较小、有利于泥膜的形成等特性；泥水处理设备应具备模块化、集成化、工厂化、自动化以及泥水回收率高等特性。为此在室内试验和现场试验的基础上，研发了一种全新概念的不分散泥水材料，并集成设计了超大直径泥水平衡盾构隧道施工的泥水固控处理工艺，形成一套适用于软土地区超大直径泥水盾构施工的不分散泥水体系，为超大直径泥水盾构的发展并进入城市密集区施工提供了强有力的技术支撑。 1.2.1新型泥水材料试验研究 良好的泥水体系是泥水平衡盾构隧道开挖面土体稳定性的重要保障之一。就泥水技术方面而言，泥膜、阻塞、开挖面稳定机理、地面沉降控制等技术经历了一个认识过程，在大连路隧道、复兴路隧道、翔殷路隧道等隧道施工中，采用的形式是由膨润土、自然粘土、水、增粘剂、离散剂及泥水处理沉淀池等组成的分散泥浆体系，存在废弃泥浆排放量大、回收率低，设备使用寿命低，泥浆指标难以控制，泥水处理场地占地大，新浆材料用量大等不足。上海复兴路隧道工程尝试以正电胶为主体的高分子材料所形成的泥水呈典型的不分散性，泥水处理采用沉淀池，严格来说是在分散泥水体系中应用了不分散技术，工程应用了160环，取得了一些有价值的的结论。本课题在室内试验和现场试验的基础上研制了全新的泥水配方。 根据上海软土地层的特点，新型泥水在不同土层、不同施工阶段应具有较高的造浆能力、网结能力和封堵能力等特点，为此通过试验确定了适用于泥水盾构施工不同需要的五个配方，简称造浆剂、堵漏剂、增粘剂、强粘剂、调整剂被命名为“HS系列”，新型泥水材料具有如下几个特点： 1）不分散性：不分散性是相对于泥浆的分散性而言，分散性是指为了使膨润土、天然粘土获得良好的稳定性，随着原状土的混入，其稳定性很难保证，尤其是在砂土层中施工，其稳定性很快被破坏。新型泥水体系强调的是不分散性，由高分子聚合物以及带正电荷的抑制剂呈链状吸附带负电荷的有效颗粒，形成网状结构，这一网状结构可保证在一段时期内相对保持稳定。 2）触变性：新型泥水体系的流变特性具有明显的触变特性，网状结构提高了泥水的屈服值，表现在低剪切时粘度高，高剪切时粘度低，即泥水体系静止时，呈果冻状固体，而在流动时，体系即刻转化为流体。 3）抑制性：抑制性包括二个方面，一是以中小分子聚合物作为粘土稳定剂，阻止有效颗粒的分散，起到聚凝作用；另一方面是以带正电的活性颗粒的胶体粒子对粘土膨胀进行抑制，使得粘土的吸水性差，从而达到新型泥水体系稳定的目的。 4）携带性：新型泥水体系通过排泥管道（较高的流速）携带出原状土，进入沉淀池后，流速减慢，网状结构在汇浆池、储浆池、调整池渐渐恢复，而原状土在沉淀池沉淀下来；排泥水经过设备的多级处理后，分离出原状土，回收浆液进入调整槽经重新组合，形成新的网状结构。 不分散泥水体系－HS系列新型材料与分散泥水体系综合比较见表1所示。 表1 不分散泥水体系与分散泥水体系综合比较 指标 不分散泥水体系 分散泥水体系 泥水指标 稳定 不稳定，受土层变化影响大 携 带 可携带细小颗粒而泥水质量不变 可携带细小颗粒但泥水质量易变化