《盾构施工引起地层位移的时空发展规律及控制技术研究与应用》

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随着地铁建设深度和城市地下空间开发强度的增加,地铁隧道施工所遇到的环境条件愈加复杂,盾构区间叠落施工、交叉穿越的情况越来越多,盾构施工变形控制的要求越来越高,既有线、铁路等特级风险工程更要求变形控制在3mm以内。然而,中国地铁盾构交叉、叠落、穿越施工尚无成熟的技术标准和成套的风险控制方法,盾构施工仍然存在“地层深层位移难测、位移分布规律难辨、穿越施工风险难控”等问题。为全面提升北京地铁建设水平,有效防控盾构穿越施工风险,降低建设成本,北京城建集团有限责任公司牵头,组成产、学、研、用相结合的研究团体,采用室内试验、理论分析、数值模拟、现场测试等手段相结合的方法,对盾构施工引起地层位移测试技术、地层位移时空发展规律及其分层分级控制技术、基于盾构开挖间隙填注的新型材料研发及注入工艺等领域进行了系统技术攻关,解决了深层位移监测与控制的技术难题,可以有效保障复杂地层与环境条件下盾构交叉穿越、叠落施工的安全,节省施工工期和造价。

主要技术创新点如下:

(1)提出了盾构掘进引起土质地层深层位移的测试方法,研发了高精度、高频率、低扰动地层深层位移测试系统,为盾构施工引起不同深度地层位移的测试与研究奠定了基础,并在北京地铁14号线工程中进行应用和验证。

(2)建立了基于盾构掘进过程的地层横、纵、竖各位移分量发展规律和相互关系,揭示了竖向位移为盾构施工引起地层位移的主控分量,地层横、纵位移工程意义上可以忽略;发现了地层竖向位移“横三区、竖两层、纵向五阶段”的分布特征,提出了盾构施工引起的地层位移分级控制原理,建立了盾构推进的地层位移控制指标,为地层位移控制提供理论依据。

(3)提出了盾构施工引起的地层位移“分层、分级、分阶段”控制方法,实现了盾构施工过程的差异化控制,研发了基于盾构开挖间隙填注的新型材料及注入工艺,形成了盾构交叉穿越工程的设计原理和控制方法。

研究成果共申请专利11项,其中授权发明专利2项和实用新型专利5项;获计算机著作权3项;发表论文10篇。研究成果解决了盾构交叉穿越的设计与施工控制难题,在北京地铁盾构工程中得到成功应用,已推广应用于广州、苏州和南宁地铁等盾构工程中,促进了地铁盾构施工技术的进步,经济社会效益显著。

中国土木工程学会组织了以钱七虎院士为组长的业内专家组对课题成果进行了鉴定,专家组一致认为该成果为国内外首创,达到国际领先水平,建议继续加大推广应用。

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