一、主要科技創(chuàng)新

1.立項背景

成都作為成渝經(jīng)濟區(qū)核心增長極和國家的西部綜合交通樞紐，從2006年起，正進行8條線路總計371公里的城市地鐵建設(shè)，建成后中心城區(qū)（繞城內(nèi)）線網(wǎng)密度將達到0.74公里/平方公里。當(dāng)前，我國在城市核心區(qū)修建城市地鐵通常采用盾構(gòu)法和淺埋暗挖法。由于成都富水砂卵石地層的特殊性，采用淺埋暗挖法將給城區(qū)地下水環(huán)境、鄰近建（構(gòu)）筑物、沿線交通和商業(yè)環(huán)境等造成重大影響，因此，成都地鐵區(qū)間隧道主城范圍采用盾構(gòu)法施工幾乎是惟一的選擇，盾構(gòu)法隧道工程決定著成都地鐵工程建設(shè)的成敗。成都地鐵特殊復(fù)雜的地層和環(huán)境條件主要表現(xiàn)在：特殊地層條件：成都地鐵盾構(gòu)法隧道工程大規(guī)模穿越市域富水砂卵石地層，該地層具有地下水位高、卵漂石含量高和卵石強度高等“三高”特點。水位埋深2.0～5.0m，為國內(nèi)城市地鐵砂卵石地層最高水位。卵漂石含量高達60～71%，粒徑以30～110mm為主，卵石單軸抗壓強度50～150MPa。工程全線出現(xiàn)粒徑大于200mm漂石的頻率較大，局部地段還下臥膨脹性風(fēng)化巖體。復(fù)雜環(huán)境條件：成都地鐵城區(qū)范圍高樓林立、商業(yè)發(fā)達、交通繁忙、人流密集。要多次下穿河流、股道、站房，頻繁下穿大型房屋、立交橋、市政隧道、上下水道、燃氣管道等種類不同、結(jié)構(gòu)型式迥異、建成年代不一的建（構(gòu)）筑物。與既有房屋、橋梁、隧道、軌道和管線近接施工的最小距離分別為0.75m、0.7m、2.0m、8m、0.436m，建（構(gòu)）筑物保護難度極大。

作為成都市建國以來最大的市政工程，成都地鐵地層的特殊性和環(huán)境的復(fù)雜性給工程的建設(shè)帶來了前所未有的巨大挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在：①砂卵石地層圍巖荷載作用非常復(fù)雜，亟需建立適應(yīng)富水砂卵石地層的荷載取值方法、結(jié)構(gòu)分析關(guān)鍵參數(shù)、結(jié)構(gòu)防水以及適應(yīng)于復(fù)雜城市環(huán)境線路條件的結(jié)構(gòu)設(shè)計體系；②盾構(gòu)在砂卵石地層中施工時設(shè)備磨耗突出，嚴重影響盾構(gòu)掘進效率，亟需解決盾構(gòu)機選型、高磨耗、富水條件下?lián)Q刀、長距離快速掘進以及關(guān)鍵施工參數(shù)和施工工藝等問題；③盾構(gòu)在透水性強、地下水位高的砂卵石地層中施工時,開挖面易出現(xiàn)涌水、涌砂現(xiàn)象，導(dǎo)致土倉壓力失衡和開挖面失穩(wěn)，誘發(fā)地面沉降甚至坍陷，影響地面和地中建（構(gòu)）筑物的安全。為此，課題組歷時10年，展開了成都地鐵盾構(gòu)法適應(yīng)性、盾構(gòu)法施工對環(huán)境影響的預(yù)測及控制方法、盾構(gòu)法施工關(guān)鍵控制參數(shù)與工藝、盾構(gòu)隧道通過特殊及復(fù)雜困難地段對策、盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)體受力特征及關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)、盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)體防滲漏水對策、富水砂卵石地層地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)法施工管理規(guī)程等12項專題的科技攻關(guān)，成功解決了富水砂卵石地層盾構(gòu)法施工的若干建設(shè)關(guān)鍵問題，為成都地鐵工程建設(shè)提供了堅實的技術(shù)支撐。

2.科學(xué)技術(shù)內(nèi)容

課題組通過理論分析、數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗、現(xiàn)場測試、工程設(shè)計應(yīng)用以及現(xiàn)場掘進試驗等綜合手段開展了系統(tǒng)深入的研究，主要的創(chuàng)新性成果如下：

2.1建立了富水砂卵石地層城市地鐵盾構(gòu)隧道設(shè)計方法，形成了具有良好安全性、防水性和抗震性的結(jié)構(gòu)體系

成果概述：該結(jié)構(gòu)設(shè)計體系包括砂卵石地層荷載取值方法、錯縫拼裝力學(xué)模型、接頭端面力學(xué)模型、抗震分析解析方法、結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系和防水綜合技術(shù)等，能適應(yīng)富水砂卵石地層盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)特性分析與設(shè)計計算，可充分體現(xiàn)盾構(gòu)隧道接頭非線性效應(yīng)、錯縫拼裝結(jié)構(gòu)效應(yīng)、結(jié)構(gòu)地震動力效應(yīng)以及結(jié)構(gòu)防水特性，解決了富水砂卵石地層隧道結(jié)構(gòu)的受力、防水和抗震問題，成功經(jīng)受住了“5.12”汶川大地震的嚴峻考驗。

（1）富水砂卵石地層地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計靜力分析方法：利用顆粒離散元數(shù)值方法修正了太沙基松動土壓力計算公式，提出了砂卵石地層的荷載取值方法；構(gòu)建了考慮多環(huán)錯縫拼裝效應(yīng)、結(jié)構(gòu)與地層相互作用效應(yīng)的錯縫拼裝結(jié)構(gòu)力學(xué)模型；提出了考慮連接螺栓拉力、接縫最大張開量、軸力、彎矩等因素的接頭抗彎剛度計算方法，建立了接頭端面力學(xué)模型。

（2）富水砂卵石地層地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計分析方法：利用成層地層反射理論獲得的地層剪切力表達式，改進了盾構(gòu)隧道基于復(fù)變函數(shù)的地震動力分析解析方法；在狹義反應(yīng)位移法法的基礎(chǔ)上提出了基于地層-結(jié)構(gòu)模式的反應(yīng)位移法。形成了集解析法、反應(yīng)位移法與時程分析法為一體的盾構(gòu)隧道抗震分析方法組合，以開展盾構(gòu)區(qū)間隧道及其交叉結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析。

（3）富水砂卵石地層地鐵盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)體系：形成了適應(yīng)于富水砂卵石特殊地層和城市復(fù)雜環(huán)境的結(jié)構(gòu)體系，包括適應(yīng)于線路線形的1.2m、1.5m兩種幅寬的管片襯砌結(jié)構(gòu)及其組合方式。該結(jié)構(gòu)型態(tài)最大限度地考慮了環(huán)縱向接頭位置與剛度、錯縫環(huán)間相互咬合效應(yīng)以及隧道與周圍土體間的相互作用，具有承受不均勻水頭差和適應(yīng)局部膨脹性地層和軟硬不均交互地層的能力。

（4）富水砂卵石地層地鐵盾構(gòu)隧道綜合防水技術(shù)：提出了能夠長期適應(yīng)高滲透性富水砂卵石地層的主隧道管片接縫密封墊材質(zhì)類型，對梯形、梳形、中孔形等多種斷面形式實施了優(yōu)化，根據(jù)接觸應(yīng)力與密封墊內(nèi)部等效應(yīng)力、壓縮量與壓力之間的關(guān)系曲線確定了優(yōu)選斷面；建立了能模擬盾構(gòu)施工地層失水條件下結(jié)構(gòu)水荷載的試驗?zāi)M方法，提出了能適用于富水砂卵石地層盾構(gòu)隧道接縫、盾構(gòu)進出洞豎井與區(qū)間、車站與區(qū)間、聯(lián)絡(luò)橫通道與區(qū)間等結(jié)合部位的綜合防水方式，解決了結(jié)合部位在地震誘發(fā)大變形情況下的結(jié)構(gòu)防水問題。

2.2創(chuàng)建了富水砂卵石地層城市地鐵盾構(gòu)隧道施工綜合技術(shù)，攻克了富水砂卵石地層盾構(gòu)快速掘進和長距離掘進技術(shù)難題

成果概述：該綜合施工技術(shù)包括富水砂卵石地層盾構(gòu)設(shè)備選型及配置技術(shù)，盾構(gòu)快速掘進施工技術(shù)，刀盤、刀具與螺旋出土器耐磨技術(shù)，長距離掘進刀具維護與更換綜合技術(shù)等。能適應(yīng)富水砂卵石地層、含透鏡體砂卵石地層、下部局部硬質(zhì)泥巖砂卵石地層等各種地層組成形態(tài)的盾構(gòu)正常掘進，大幅減少刀具磨耗和刀具的更換次數(shù)，實現(xiàn)盾構(gòu)的長距離掘進。該技術(shù)的應(yīng)用將成都地鐵的盾構(gòu)月平均掘進進度從最初的約50m/月大幅提高到300m/月以上。

（1）富水砂卵石地層盾構(gòu)設(shè)備選型及配置技術(shù)：復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)均可用于大粒徑富水砂卵石地層盾構(gòu)隧道的施工，但從刀盤、刀具損耗，施工進度，出碴難易等綜合考慮，大粒徑富水砂卵石地層盾構(gòu)隧道施工應(yīng)優(yōu)選復(fù)合式土壓平衡式盾構(gòu)；提出了富水砂卵石地層“排出為主，破碎為輔”的盾構(gòu)機選型與掘進技術(shù)方案，采取了減少滾刀數(shù)量、優(yōu)化刮刀和齒刀配置、適度加大盾構(gòu)面板開口率等技術(shù)措施。

（2）富水砂卵石地層盾構(gòu)快速掘進施工技術(shù)：通過砂卵石層下盾構(gòu)的施工參數(shù)及其影響因素間的關(guān)系建立了與盾構(gòu)隧道埋深相關(guān)的總推力計算式；通過測試提出了刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩、土倉壓力、推進速度、貫入度、總推力以及螺旋輸送機轉(zhuǎn)速、扭矩和工作面壓力力學(xué)模型，并提出了土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)掘進速度的數(shù)學(xué)計算公式。

（3）富水砂卵石地層施工盾構(gòu)設(shè)備耐磨技術(shù)：提出了雙刃滾刀、刮刀、齒刀的合理配置比例和配置方式、提出增加貝殼刀、選用有后角刮刀、加寬滾刀刀刃、主要刀具段差布置、在刮刀后角面和邊滾刀間焊接導(dǎo)流刀具以整理卵石、減少沖擊等刀具耐磨措施，有效解決了盾構(gòu)刀盤、刀具與螺旋出土器在砂卵石地層中的高磨耗問題；形成了富水砂卵石地層的渣土改良方法和基于應(yīng)力規(guī)則系數(shù)的渣土管理方法。

（4）富水砂卵石地層盾構(gòu)長距離掘進刀具維護與更換綜合技術(shù)：形成了富水砂卵石地層采用人工降水并輔以注漿、旋噴、人工挖孔樁或灌注樁等穩(wěn)定土體、防止砂卵石地層遇水坍塌的常壓開倉換刀技術(shù)；形成了向土倉內(nèi)注入優(yōu)質(zhì)膨潤土泥漿置換原有倉內(nèi)碴土，并在掌子面形成良好泥膜以防止氣體在砂卵石地層中逃逸的帶壓換刀技術(shù)。結(jié)合區(qū)間隧道具體的埋深和環(huán)境條件，采用地層局部處理后常壓換刀和洞內(nèi)帶壓換刀兩種互補的換刀方案，解決了盾構(gòu)在砂卵石地層掘進過程中的換刀問題。

2.3構(gòu)建了城市特殊復(fù)雜環(huán)境下富水砂卵石地層地鐵盾構(gòu)鄰近建（構(gòu)）筑物施工的安全保障技術(shù)，有效解決了鄰近建（構(gòu)）筑物的施工安全問題

成果概述：該安全保障技術(shù)包括鄰近建（構(gòu)）筑物施工安全預(yù)測與風(fēng)險評估技術(shù)，施工安全預(yù)警與控制技術(shù)，施工結(jié)構(gòu)保護與地層加固技術(shù)等，廣泛應(yīng)用于復(fù)雜地質(zhì)條件下盾構(gòu)正穿、斜穿股道、橋梁、房屋、市政隧道等建（構(gòu)）筑物以及地下密集管線的安全近接施工。應(yīng)用該技術(shù)成功通過了包括成都地鐵1、2號線102棟房屋、12座橋梁、8座既有市政隧道和人防通道在內(nèi)的大量建（構(gòu)）筑物，保障了建（構(gòu)）筑物的安全。

（1）鄰近建（構(gòu)）筑物施工安全預(yù)測與風(fēng)險評估技術(shù)：通過Φ30cm泥水平衡盾構(gòu)模擬試驗和Φ52cm土壓平衡盾構(gòu)模擬試驗、現(xiàn)場試驗和顆粒流非線性模擬揭示了砂卵石地層盾構(gòu)施工擾動變形機理，探明了不同施工參數(shù)和施工狀態(tài)下砂卵石地層的擾動范圍、擾動程度及其對建（構(gòu)）筑物的影響。根據(jù)近接程度、近接方式，分析了重要建（構(gòu)）筑物的風(fēng)險狀態(tài)與盾構(gòu)掘進參數(shù)、盾構(gòu)與重要建（構(gòu)）筑物空間幾何位置和幾何尺度的關(guān)系，從總體上把握了建（構(gòu)）筑物的風(fēng)險程度。

（2）鄰近建（構(gòu)）筑物施工安全預(yù)警與控制技術(shù)：提出了不同建（構(gòu)）筑物的監(jiān)控方式和預(yù)警標準。通過建立“土倉應(yīng)力比”、“應(yīng)力規(guī)則系數(shù)”參數(shù)與盾構(gòu)掘進過程盈壓、平衡、欠壓、結(jié)塊狀態(tài)的關(guān)系，提出了適合成都砂卵石地層特殊環(huán)境下保障建（構(gòu)）筑物安全的土倉壓力平衡方法，即一般地段采用“土壓平衡”掘進模式，控制性建（構(gòu)）筑物地段采用“適當(dāng)超壓”的掘進模式。重要建（構(gòu)）筑物段應(yīng)將盾構(gòu)掘進地層損失率控制在3%以內(nèi)，同時應(yīng)增加碴土質(zhì)量控制指標。

（3）鄰近建（構(gòu)）筑物施工結(jié)構(gòu)保護與地層加固技術(shù)：通過砂卵石地層下不同注漿壓力、注漿率對地表變形量的影響大小，提出了砂卵石地層盾構(gòu)同步注漿過程中注漿壓力和注漿率分區(qū)方法，解決了砂卵石地層漿液的注入問題。根據(jù)建（構(gòu)）筑物種類以及建成年代，對于房屋分磚砼結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)和磚木結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)分條型基礎(chǔ)、人工挖孔樁基礎(chǔ)以及灌注樁基礎(chǔ)等，有區(qū)別地提出了盾構(gòu)下穿重要管線、股道、橋梁、房屋以及市政隧道的加固方式、保護范圍。提出了樁基托換、袖閥管注漿、跟蹤注漿等綜合加固技術(shù)。

3.與當(dāng)前國內(nèi)外同類技術(shù)主要參數(shù)、效益、市場競爭力的比較成都地鐵砂卵石地層卵漂石含量60～71%，主要分布在30～110mm區(qū)間，沿線漂石出現(xiàn)較為頻繁，地下水位較高，一般在地表下2.0～5.0m；北京地鐵砂卵石地層卵漂石含量50%～70%，主要分布在20～60mm區(qū)間，偶見漂石分布，但基本無地下水；沈陽地鐵砂卵石地層卵石含量5～20%，主要分布在20～45mm區(qū)間，基本無漂石，地下水位在地表下4.5～10.0m。成都地鐵是國內(nèi)首次在遍布城區(qū)的富水砂卵石地層中采用盾構(gòu)法實施大面積施工，其盾構(gòu)法隧道建設(shè)技術(shù)堪稱世界性難題，研究所形成的富水砂卵石地層地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)法施工技術(shù)指南在成都地鐵工程中系統(tǒng)應(yīng)用，其關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)對比。

二、第三方評價

本項成果是在成都地鐵工程建設(shè)科研課題的支持下、結(jié)合四川省科技支撐計劃、國家自然科學(xué)基金等10余項研究課題，由高校、設(shè)計、施工、建設(shè)等多單位歷時10年的聯(lián)合攻關(guān)取得的。主要第三方評價如下：

1.成果技術(shù)鑒定

“成都地鐵盾構(gòu)隧道工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)”通過四川省科技廳組織的專家鑒定。由著名地質(zhì)專家中國科學(xué)院劉寶?院士、著名地鐵與隧道工程專家中國工程院施仲衡院士等相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜医M成的鑒定委員會認為：由富水砂卵石地層城市地鐵盾構(gòu)隧道設(shè)計方法及結(jié)構(gòu)體系、富水砂卵石地層城市地鐵盾構(gòu)隧道施工綜合技術(shù)、城市特殊復(fù)雜環(huán)境下富水砂卵石地層地鐵盾構(gòu)鄰近建（構(gòu)）筑物施工的安全保障技術(shù)等所構(gòu)成的研究成果總體上處于國際領(lǐng)先水平。

2.用戶評價

根據(jù)成都地鐵建設(shè)與運營單位-成都地鐵有限責(zé)任公司提供的用戶報告，本項成果在成都地鐵1、2號線整體應(yīng)用后，解決了富水砂卵石地層盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，并成功經(jīng)受住了“5.12”汶川大地震的嚴峻考驗，實現(xiàn)了富水砂卵石地層的盾構(gòu)長距離快速掘進（平均月進度300m/月以上，局部標段最高月進度達600m/月），大幅減少了刀具磨耗和刀具的更換次數(shù)（換刀距離提高到了250m），保障了盾構(gòu)穿越地面建（構(gòu)）筑物以及地下密集管線施工時建（構(gòu)）筑物的安全，僅在成都地鐵1、2號線區(qū)間盾構(gòu)隧道就成功通過了102棟房屋、12座橋梁和8座既有市政隧道和人防通道。項目研究成果還在成都地鐵3、4、7號線以及1號線南延線、2號線西延線等成都地鐵后續(xù)線路工程建設(shè)中得到全面應(yīng)用，為成都地鐵工程提供了重要支撐。

國內(nèi)其他城市地鐵設(shè)計、施工以及建設(shè)與運營單位（西安市地下鐵道有限責(zé)任公司、南京地下鐵道有限責(zé)任公司、中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司、中國中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司、中鐵二十三局集團有限公司、中鐵十五局集團有限公司、中鐵十三局集團有限公司、中鐵八局集團有限公司、中鐵二局集團有限公司、中鐵隧道股份有限公司、上海隧道工程股份有限公司等）提供的用戶應(yīng)用證明表明:在砂卵石地層或復(fù)雜建（構(gòu)）筑物城市環(huán)境條件下應(yīng)用本項研究成果后，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理、盾構(gòu)施工掘進更加高效、投入營運結(jié)構(gòu)更加安全，其經(jīng)濟和社會效益明顯。

三、應(yīng)用推廣情況

本成果是依托成都地鐵1號、2號線區(qū)間盾構(gòu)隧道工程建設(shè)取得的，解決了富水砂卵石地層及復(fù)雜城市環(huán)境條件下盾構(gòu)區(qū)間隧道建設(shè)的設(shè)計與施工關(guān)鍵技術(shù)問題。成都地鐵1號線一期工程全線已于2009年底通過了土建工程竣工驗收并于次年5月開通試運行，成都地鐵1號線一期工程運行2年來，區(qū)間盾構(gòu)隧道運行良好；成都地鐵2號線一期工程當(dāng)前也已全線貫通并正在實施空載聯(lián)調(diào)聯(lián)試。項目研究成果僅在成都地鐵1號、2號線工法選擇、襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計和地鐵施工等環(huán)節(jié)就節(jié)約了工程造價約3.7億元人民幣，并在成都地鐵3號、4號、7號以及1號線南延線、2號線西延線等后續(xù)線路中得到了全面推廣，為成都地鐵今后的路網(wǎng)規(guī)劃與建設(shè)提供了重要的技術(shù)支撐。

與此同時，本項成果還在北京地鐵6號、8號線，沈陽地鐵6號線等砂卵石地層地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道建設(shè)中獲得成功應(yīng)用，并在廣州地鐵2號、3號、8號線，天津地鐵3號線，深圳地鐵3號、5號、11號線，西安地鐵1號線，鄭州地鐵1號線，昆明地鐵3號線等局部區(qū)段存在砂卵石、中粗砂或卵石等類似地層中獲得推廣應(yīng)用。成果大面積和局部獲得應(yīng)用的城市包括成都、廣州、北京、天津、深圳、沈陽、大連、西安、鄭州、昆明、長春、南京、武漢等10余座，解決了這些城市局部區(qū)段存在砂卵石或者類似砂卵石地層的盾構(gòu)掘進施工問題以及盾構(gòu)近距離施工復(fù)雜建（構(gòu)）筑物下的結(jié)構(gòu)安全保障問題，豐富了盾構(gòu)施工工法，拓展了盾構(gòu)法在砂卵石地層中的適應(yīng)能力。“富水砂卵石地層地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)法施工技術(shù)指南”在為成都地鐵工程提供技術(shù)保障的同時，也為國內(nèi)其它城市地鐵建設(shè)提供了重要參考，極大地推動了城市地鐵建設(shè)領(lǐng)域的科技進步。

作者：何川 單位：土木學(xué)院