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    盾構裝上“透視眼” 同濟大學解決地鐵隧道穿越敏感建構筑物關鍵技術

    發布日期:2021-02-05

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    圖說:第二代產品在濟南地鐵中的應用 采訪對象供圖(下同)

    目前越來越多的城市開始修建地鐵,盾構機是地鐵施工中最主要的施工設備。但是,盾構施工會引起土體沉降,在穿越老舊居民樓、運營地鐵隧道、電力隧道等敏感建構筑物時,會造成既有建構筑物變形開裂。如何能提前感知并有效控制可能出現的沉降?同濟大學土木工程學院謝雄耀教授團隊成功研發了“深埋近距離地鐵隧道穿越敏感建構筑物關鍵技術及裝備”,為解決這一難題提供了創新方案,就像是給盾構機裝上了一雙“透視眼”。該成果亮相于本周開幕的中國國際工業博覽會后,一定會相當“彈眼落睛”。

    思路從地層損失率控制入手

    盾構,如同一只巨大的穿山甲,它在城市地下挖掘土方、運送渣土、整體推進并安裝管片,從而完成地鐵隧道的“毛坯房”建造。謝雄耀教授介紹,隨著我國城市規模不斷擴大,對互聯互通需求進一步增強,亟需建設大量的大體量通道工程,盾構隧道迎來快速發展。城市核心區地下空間開發、密集建構筑物、復雜地質環境,使得盾構在近距離穿越敏感建構筑物時,易發生開挖面失穩、鄰近建構筑物沉降過大、開裂甚至垮塌的安全事故,因此,對隧道穿越所產生的沉降進行有效控制非常關鍵。

    由于穿越市中心時引起的開裂糾紛成本非常高,通常希望沉降最小甚至沒有,那么如何實現這一點呢?研究團隊從地層損失率控制入手,在機理、技術、裝備、平臺四個方面實現了地層損失預測、微擾動施工控制、注漿實時感知、沉降協同管控的實質性創新,提出了“在沉降發生前感知并控制”的理念,形成了盾構施工的微沉降智能預警方法與技術,解決了盾構隧道近距離安全高效穿越敏感建構筑物的關鍵技術難題。


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    圖說:產品在超大直徑盾構隧道——上海北橫通道的應用

    準確判斷同步注漿情況

    “盾構隧道施工中,沉降發生的主要原因在于盾構機開挖形成的直徑大于拼裝好的管片直徑,這個空隙是通過盾尾壁后注漿進行填充的。在施工中,我們只能控制注漿的壓力和注漿總量,至于漿液注入到管片背后發生了什么、如何分布,現有的手段是看不到的。如果注入的漿液不能充滿盾尾的空隙,會導致盾尾上方的土體發生沉降,傳遞到地表敏感建構筑物,就會引起房屋變形開裂等?!敝x教授說,“我們團隊提出的方法,是通過雷達來解決這個問題,雷達天線發射的電磁波穿透過管片,經漿液和土體反射回來,這兩者的反射信號存在明顯的差異,通過找出這種差異,就能分辨出管片與土體間漿液的分布情況。這就如同在盾構機上安裝了一雙‘眼睛’,而且是能‘透視的眼睛’”。為了能夠更加快速準確地判斷同步注漿的情況,他們團隊開發了一種車架隨行式壁后注漿檢測裝備,該裝備能夠在兩分鐘內自動完成壁后注漿情況的檢測,如果發現注漿不飽滿,就可以在沉降發生前及時安排二次補注漿。

    摸清地層沉降發展規律

    這一技術的實現依賴于四個方面的創新。一是在沉降發生的機理方面開展了大量的模型試驗和數值仿真,摸清了盾構穿越不同類型建構筑物的地層損失情況和沉降發展規律。二是在沉降控制手段方面積累了豐富的工程經驗,提出了新的注漿漿液配比。三是發明了車架隨行式盾構壁后注漿雷達實時檢測裝備,“透過”管片“看到”實際的注漿情況,能夠在沉降發生前二次補漿。四是在盾構施工信息聯動交流方面開發了一系列軟件平臺,打破了現有施工過程中地面和地下溝通不暢的壁壘,使得項目管理人員、工程師、業主等隨時隨地掌握盾構施工情況。

    目前,該成果已成功應用于上海地鐵、南寧地鐵、濟南地鐵、上海長江隧道、北橫通道等國內標志性工程以及莫斯科地鐵三號線等國際工程中,實現了穿越老舊居民樓、鐵路股道、火車站站房、運營地鐵隧道、機場跑道、電力隧道及建筑物樁基等敏感建構筑物,沉降均控制10毫米以內,產生直接經濟效益12.59億元。該成果申請專利40項,獲上海市優秀發明金獎1項,總體達到國際先進水平,部分達到國際領先水平,顯著推動了城市盾構隧道穿越建構筑物的科技進步,為城市地下空間的建設保駕護航。


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