一、主要科技創新

1.立項背景

成都作為成渝經濟區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，建成后中心城區（繞城內）線網密度將達到0.74公里/平方公里。當前，我國在城市核心區修建城市地鐵通常采用盾構法和淺埋暗挖法。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地下水環境、鄰近建（構）筑物、沿線交通和商業環境等造成重大影響，因此，成都地鐵區間隧道主城范圍采用盾構法施工幾乎是惟一的選擇，盾構法隧道工程決定著成都地鐵工程建設的成敗。成都地鐵特殊復雜的地層和環境條件主要表現在：特殊地層條件：成都地鐵盾構法隧道工程大規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。工程全線出現粒徑大于200mm漂石的頻率較大，局部地段還下臥膨脹性風化巖體。復雜環境條件：成都地鐵城區范圍高樓林立、商業發達、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、結構型式迥異、建成年代不一的建（構）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）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境的復雜性給工程的建設帶來了前所未有的巨大挑戰，主要表現在：①砂卵石地層圍巖荷載作用非常復雜，亟需建立適應富水砂卵石地層的荷載取值方法、結構分析關鍵參數、結構防水以及適應于復雜城市環境線路條件的結構設計體系；②盾構在砂卵石地層中施工時設備磨耗突出，嚴重影響盾構掘進效率，亟需解決盾構機選型、高磨耗、富水條件下換刀、長距離快速掘進以及關鍵施工參數和施工工藝等問題；③盾構在透水性強、地下水位高的砂卵石地層中施工時,開挖面易出現涌水、涌砂現象，導致土倉壓力失衡和開挖面失穩，誘發地面沉降甚至坍陷，影響地面和地中建（構）筑物的安全。為此，課題組歷時10年，展開了成都地鐵盾構法適應性、盾構法施工對環境影響的預測及控制方法、盾構法施工關鍵控制參數與工藝、盾構隧道通過特殊及復雜困難地段對策、盾構隧道結構體受力特征及關鍵設計參數、盾構隧道結構體防滲漏水對策、富水砂卵石地層地鐵區間隧道盾構法施工管理規程等12項專題的科技攻關，成功解決了富水砂卵石地層盾構法施工的若干建設關鍵問題，為成都地鐵工程建設提供了堅實的技術支撐。

2.科學技術內容

課題組通過理論分析、數值模擬、室內試驗、現場測試、工程設計應用以及現場掘進試驗等綜合手段開展了系統深入的研究，主要的創新性成果如下：

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

成果概述：該結構設計體系包括砂卵石地層荷載取值方法、錯縫拼裝力學模型、接頭端面力學模型、抗震分析解析方法、結構構造體系和防水綜合技術等，能適應富水砂卵石地層盾構隧道的結構特性分析與設計計算，可充分體現盾構隧道接頭非線性效應、錯縫拼裝結構效應、結構地震動力效應以及結構防水特性，解決了富水砂卵石地層隧道結構的受力、防水和抗震問題，成功經受住了“5.12”汶川大地震的嚴峻考驗。

（1）富水砂卵石地層地鐵盾構隧道結構設計靜力分析方法：利用顆粒離散元數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；構建了考慮多環錯縫拼裝效應、結構與地層相互作用效應的錯縫拼裝結構力學模型；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模型。

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

（3）富水砂卵石地層地鐵盾構隧道管片襯砌結構體系：形成了適應于富水砂卵石特殊地層和城市復雜環境的結構體系，包括適應于線路線形的1.2m、1.5m兩種幅寬的管片襯砌結構及其組合方式。該結構型態最大限度地考慮了環縱向接頭位置與剛度、錯縫環間相互咬合效應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隧道綜合防水技術：提出了能夠長期適應高滲透性富水砂卵石地層的主隧道管片接縫密封墊材質類型，對梯形、梳形、中孔形等多種斷面形式實施了優化，根據接觸應力與密封墊內部等效應力、壓縮量與壓力之間的關系曲線確定了優選斷面；建立了能模擬盾構施工地層失水條件下結構水荷載的試驗模擬方法，提出了能適用于富水砂卵石地層盾構隧道接縫、盾構進出洞豎井與區間、車站與區間、聯絡橫通道與區間等結合部位的綜合防水方式，解決了結合部位在地震誘發大變形情況下的結構防水問題。

2.2創建了富水砂卵石地層城市地鐵盾構隧道施工綜合技術，攻克了富水砂卵石地層盾構快速掘進和長距離掘進技術難題

成果概述：該綜合施工技術包括富水砂卵石地層盾構設備選型及配置技術，盾構快速掘進施工技術，刀盤、刀具與螺旋出土器耐磨技術，長距離掘進刀具維護與更換綜合技術等。能適應富水砂卵石地層、含透鏡體砂卵石地層、下部局部硬質泥巖砂卵石地層等各種地層組成形態的盾構正常掘進，大幅減少刀具磨耗和刀具的更換次數，實現盾構的長距離掘進。該技術的應用將成都地鐵的盾構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設備選型及配置技術：復合式土壓平衡盾構和泥水平衡盾構均可用于大粒徑富水砂卵石地層盾構隧道的施工，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隧道施工應優選復合式土壓平衡式盾構；提出了富水砂卵石地層“排出為主，破碎為輔”的盾構機選型與掘進技術方案，采取了減少滾刀數量、優化刮刀和齒刀配置、適度加大盾構面板開口率等技術措施。

（2）富水砂卵石地層盾構快速掘進施工技術：通過砂卵石層下盾構的施工參數及其影響因素間的關系建立了與盾構隧道埋深相關的總推力計算式；通過測試提出了刀盤轉速、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速、扭矩和工作面壓力力學模型，并提出了土壓平衡盾構和泥水平衡盾構掘進速度的數學計算公式。

（3）富水砂卵石地層施工盾構設備耐磨技術：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力規則系數的渣土管理方法。

（4）富水砂卵石地層盾構長距離掘進刀具維護與更換綜合技術：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定土體、防止砂卵石地層遇水坍塌的常壓開倉換刀技術；形成了向土倉內注入優質膨潤土泥漿置換原有倉內碴土，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。結合區間隧道具體的埋深和環境條件，采用地層局部處理后常壓換刀和洞內帶壓換刀兩種互補的換刀方案，解決了盾構在砂卵石地層掘進過程中的換刀問題。

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

成果概述：該安全保障技術包括鄰近建（構）筑物施工安全預測與風險評估技術，施工安全預警與控制技術，施工結構保護與地層加固技術等，廣泛應用于復雜地質條件下盾構正穿、斜穿股道、橋梁、房屋、市政隧道等建（構）筑物以及地下密集管線的安全近接施工。應用該技術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的大量建（構）筑物，保障了建（構）筑物的安全。

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

（2）鄰近建（構）筑物施工安全預警與控制技術：提出了不同建（構）筑物的監控方式和預警標準。通過建立“土倉應力比”、“應力規則系數”參數與盾構掘進過程盈壓、平衡、欠壓、結塊狀態的關系，提出了適合成都砂卵石地層特殊環境下保障建（構）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）筑物地段采用“適當超壓”的掘進模式。重要建（構）筑物段應將盾構掘進地層損失率控制在3%以內，同時應增加碴土質量控制指標。

（3）鄰近建（構）筑物施工結構保護與地層加固技術：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同步注漿過程中注漿壓力和注漿率分區方法，解決了砂卵石地層漿液的注入問題。根據建（構）筑物種類以及建成年代，對于房屋分磚砼結構，框架結構和磚木結構，基礎分條型基礎、人工挖孔樁基礎以及灌注樁基礎等，有區別地提出了盾構下穿重要管線、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。

3.與當前國內外同類技術主要參數、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區間，沿線漂石出現較為頻繁，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。成都地鐵是國內首次在遍布城區的富水砂卵石地層中采用盾構法實施大面積施工，其盾構法隧道建設技術堪稱世界性難題，研究所形成的富水砂卵石地層地鐵區間隧道盾構法施工技術指南在成都地鐵工程中系統應用，其關鍵技術參數對比。

二、第三方評價

本項成果是在成都地鐵工程建設科研課題的支持下、結合四川省科技支撐計劃、國家自然科學基金等10余項研究課題，由高校、設計、施工、建設等多單位歷時10年的聯合攻關取得的。主要第三方評價如下：

1.成果技術鑒定

“成都地鐵盾構隧道工程建設關鍵技術”通過四川省科技廳組織的專家鑒定。由著名地質專家中國科學院劉寶?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領域專家組成的鑒定委員會認為：由富水砂卵石地層城市地鐵盾構隧道設計方法及結構體系、富水砂卵石地層城市地鐵盾構隧道施工綜合技術、城市特殊復雜環境下富水砂卵石地層地鐵盾構鄰近建（構）筑物施工的安全保障技術等所構成的研究成果總體上處于國際領先水平。

2.用戶評價

根據成都地鐵建設與運營單位-成都地鐵有限責任公司提供的用戶報告，本項成果在成都地鐵1、2號線整體應用后，解決了富水砂卵石地層盾構隧道襯砌結構的結構設計問題，并成功經受住了“5.12”汶川大地震的嚴峻考驗，實現了富水砂卵石地層的盾構長距離快速掘進（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（換刀距離提高到了250m），保障了盾構穿越地面建（構）筑物以及地下密集管線施工時建（構）筑物的安全，僅在成都地鐵1、2號線區間盾構隧道就成功通過了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線路工程建設中得到全面應用，為成都地鐵工程提供了重要支撐。

國內其他城市地鐵設計、施工以及建設與運營單位（西安市地下鐵道有限責任公司、南京地下鐵道有限責任公司、中鐵第四勘察設計院集團有限公司、中國中鐵二院工程集團有限責任公司、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）提供的用戶應用證明表明:在砂卵石地層或復雜建（構）筑物城市環境條件下應用本項研究成果后，盾構隧道結構設計更加合理、盾構施工掘進更加高效、投入營運結構更加安全，其經濟和社會效益明顯。

三、應用推廣情況

本成果是依托成都地鐵1號、2號線區間盾構隧道工程建設取得的，解決了富水砂卵石地層及復雜城市環境條件下盾構區間隧道建設的設計與施工關鍵技術問題。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，區間盾構隧道運行良好；成都地鐵2號線一期工程當前也已全線貫通并正在實施空載聯調聯試。項目研究成果僅在成都地鐵1號、2號線工法選擇、襯砌結構設計和地鐵施工等環節就節約了工程造價約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號線西延線等后續線路中得到了全面推廣，為成都地鐵今后的路網規劃與建設提供了重要的技術支撐。

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間盾構隧道建設中獲得成功應用，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號線等局部區段存在砂卵石、中粗砂或卵石等類似地層中獲得推廣應用。成果大面積和局部獲得應用的城市包括成都、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段存在砂卵石或者類似砂卵石地層的盾構掘進施工問題以及盾構近距離施工復雜建（構）筑物下的結構安全保障問題，豐富了盾構施工工法，拓展了盾構法在砂卵石地層中的適應能力。“富水砂卵石地層地鐵區間隧道盾構法施工技術指南”在為成都地鐵工程提供技術保障的同時，也為國內其它城市地鐵建設提供了重要參考，極大地推動了城市地鐵建設領域的科技進步。

作者：何川 單位：土木學院