江苏省水利厅提名2019年度江苏省科学技术奖项目
项目名称
软土地基盾构穿越构筑物的微扰动控制技术及应用
完成人
丰土根、钟小春，颜红勤、张箭、高玮、陈学东、王霆、翟高勇、任玉彬、蒋红樱、范昭平、秦建设、王静
完成单位
江苏省水利工程科技咨询股份有限公司，河海大学，南京地铁集团有限公司 项目简介
江苏南京地处长江下游，历史上秦淮河水系多次改迁，南京大范围形成了河漫滩软土地质。根据南京市地铁建设规划，南京地铁和电力等管网建设将多次、反复穿越秦淮河、滁河和长江等堤防工程。本项目从地质条件、盾构施工控制机理出发，探索了盾构微扰动控制理论及相关技术，系统开展了软弱地基盾构掘进穿越堤防、盾构穿越桥桩保障关键技术研究，取得了如下创新成果：
（1）软弱地基盾构掘进开挖面稳定控制技术
1）首次明确了富水砂层渣土喷涌发生机理及发生条件。
当排土口水流量超过3 cm3/s，或者水压力超过10kPa（1m水头）时，开始出现轻微喷涌，当排土口水流量超过4 cm3/s，或者水压力超过20kPa（1m水头）时，开始出现严重喷涌。
2）首次建立了富水砂层盾构螺旋排土器理论排渣模型
根据隧道埋深确定压力舱开挖面支护压力，应用该模型可以确定掘进1环时间内不同流塑性质渣土的排渣方量。这是首次建立起排渣方量与渣土性质之间的关系。
3）提出了盾构穿越堤防盾构开挖面确定的理论计算方法
基于Flamant解答，提出了盾构隧道上覆土厚度变化时盾构开挖面合理支护压力的理论计算公式。
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4）提出了盾构开挖面稳定的上限有限元方法
建立下限有限元理论，编制了下限有限元程序，研究了开挖面稳定的支护压力与地层、埋深和隧道直径的计算公式。
（2）盾构掘进对软弱地层对构筑物影响及加固方法
1）考虑盾构三维效应的二维边坡稳定分析方法
基于Mindlin力学解答，建立了开挖面推力、盾壳与地层的摩擦力在弹性地基中力学计算公式，将盾构掘进的三维效应简化为二维条分法，便于工程应用推广。
2）基于堤防稳定性等效原则的堤防加固方案的快速确定方法
基于地基中应力扩散原则，提出了加固宽度；基于盾构穿越堤防时的最不利位置，提出了加固桩布设位置；基于堤防稳定性等效原则，提出了由加固桩完全承受盾构推进过程传来的应力；通过以上三点可以快速确定加固方案。
3）盾构穿越桥桩影响的二阶段分析方法
盾构穿越桥桩时，简化为两阶段分析，一是根据Mindlin解答求出桥桩上的附加应力；二是计算桥桩上附加应力作用下桥桩的附加内力及变形。
4）隔断桩对软土地基桥桩的保护
分析了不同桩长、桩距、桩径等对软土地基桥桩的保护效果评价。
（3）盾构穿越软弱地基微扰动施工控制技术
1）盾构压力舱内渣土改良技术
进行压力舱渣土改良使之达到流塑状态，便于精确控制开挖面的支护压力，最低限度降低开挖面的扰动
2）提出了基于质量或体积控制的出渣量控制方法
通过本项目提出的螺旋排土器出渣量精确计算，可以精确判断是否超挖以及超挖率。为现场精细化施工和盾尾壁后注浆、地表沉降控制提供了重要参考。
3）盾构掘进过程实时反分析技术
根据现场监测结果，进行反分析反算堤防地质条件基本参数，再正算从而可以更好地预测盾构掘进的行为，做到最大限度降低对软弱地基的影响，保护堤防及桥桩。
4）气压辅助施工有助于维持开挖面的支护压力稳定
首次探讨了泥浆注入刀盘上成膜的可能性，并分析了气压辅助有助于开挖面稳
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定的可行性。根据综合案例分析，压力舱压力基本保持了稳定，也减少了盾构超挖，较好地控制了地层沉降。
本项目获得授权发明专利10项，出版学术专著2部，发表学术论文8篇。项目近两年来的经济效益达到5000.0万元，效益显著，经评价，研究成果有重大创新，达到了国际领先水平，对推进行业技术进步具有重大意义。
主要知识产权目录
1．发明专利：一种盾构穿越软弱地基堤防的加固方案快速确定方法 2．发明专利：网格刀盘的泥水加压盾构施工方法及其施工设备 3．发明专利：考虑盾构穿越影响的堤防边坡二维安全稳定性分析方法 4．发明专利：土压平衡泥水加压连续切换式盾构施工方法 5. 发明专利：一种适用于隧道施工采空区的填充膏浆 6. 发明专利：一种可循环利用的智能化轴力仪 7. 发明专利：一种用全站仪测深层土体水平位移的方法 8. 发明专利：一种U型测斜管及其安装与埋设方法 9. 发明专利：一种盾构近距离穿越建筑物时的变形控制方法 10.发明专利：一种圆盘式混凝土灌注桩及其施工工艺
代表性论文情况
[1] J Zhang, F Yang, JS Yang, et al..Upper-bound stability analysis of dual unlined elliptical tunnels in cohesive-frictional soils [J]. Computers and Geotechnics, 2016, 80: 283-289.（SCI）
[2] F Yang, J Zhang*（通讯作者）, JS Yang, et al.. Stability analysis of unlined elliptical tunnel using finite element upper-bound method with rigid translatory moving elements [J].Tunnelling and Underground Space Technology, 2015, 50: 13-22.（SCI） [3] F Yang, J Zhang, LH Zhao, JS Yang. Upper-bound finite element analysis of stability of tunnel face subjected to surcharge loading in cohesive-frictional soil [J]. KSCE
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Journal of Civil Engineering, 2016, 20(6): 2270-2279.（SCI）
[4] Zhong, Xiao Chun; Ye, Wen Long; Ren, Yu Bin; Zhai, Gao Yong; Chen, Xue Dong. 2D numerical analysis on influence of embankment's security and stability caused by shield tunneling[J]. Advanced Materials Research, 2014, 977: 247-252（EI） [5] Wei Gao，Premium-Penalty Ant Colony Optimization and Its Application in Slope
Stability Analysis Applied Soft Computing, 2016, 43: 480-488
[6] Wei Gao; X Wang; S Dai; DL Chen Study on Stability of High Embankment Slope
Based on Black Hole Algorithm Environmental Earth Sciences, 2016, 75(20): 1381, 1-13（SCI）
[7] 丰土根，熊中华，余波.坑中坑开挖对悬臂式支护结构侧移的影响分析[J].岩土工程学报，2013,35(11)，2053-2059（EI）
[8] 朱伟，秦建设，魏康林. 土压平衡盾构喷涌发生机理研究[J].岩土工程学报, 2004,
26(5):489-493.
推广应用情况
“盾构穿越软土地基堤防的影响分析及微扰动控制”课题成果，已广泛应用于省委省政府、江苏省水利厅、江苏省沿海办、沿海开发集团、连云港市、盐城市、南通市等相关的政府决策、规划、沿海重点工程建设、海洋开发、保护与海洋管理中，创造了显著的社会经济效益，为江苏沿海地区的经济建设和社会发展做出了重大贡献，推广应用基本情况如下：
1. 南京市下关区220KV码头变电站送电工程电缆隧道。隧道由唐山路220KV码头变电站开始沿唐山路、南通路、郑和中路走设，穿越三汊河（秦淮河）到达三汊河市民广场出地面。本工程中变电站到唐山路与南通路交叉口段及下关大桥北桥头到终点段采用盾构法施工。盾构穿越时由于盾构刀盘无法破除已有的钢筋混凝土钻孔灌注桩，因此需要提前拔除，并在拔除前对堤防进行了补强。在这种背景下，需要考虑盾构穿越范围内的桩基拔除和补强后堤防的稳定性，并对盾构施工对堤防可能造成的影响进行评估。
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江苏省水利工程科技咨询有限公司与河海大学开展了堤防加固方案、拔桩方案分别再汛期和非汛期施工对堤防影响的三维有限元分析，特别是对高压旋喷桩加固方案给出了简便的确定方法，既能保证工程安全，又能最大限度节约工程造价和工期，为南京市下关区220KV码头变电站送电工程电缆隧道安全、按期完成作出了贡献，经济效益十分明显。
2. 南京地铁1号线穿越秦淮河工程。区间采用盾构法施工，隧道覆土厚度最小7.6m。盾构隧道穿越秦淮河处较浅，堤岸覆土厚度为12-15m。河床所处位置为较为软弱的淤泥质粉质粘土，强度较低，容易受到施工扰动，盾构施工控制不当，可能对堤防施工造成不利的影响。
通过设置不同盾构开挖面支护压力情况下，计算分析盾构穿越堤防时堤防的安全稳定性。特别是提出了穿越堤防时开挖面支护压力新的确定方法，为盾构掘进时的微扰动控制提供了重要参考和依据。节省了堤防大量加固费用和工期，为宁天城际轨道交通一期工程安全按期完成作出了贡献，经济效益十分明显。
3. 地铁4号线穿越草场门秦淮河。区间采用盾构法施工，隧道覆土厚度最小9.1m。盾构隧道穿越秦淮河处较浅，堤岸覆土厚度为15-18m。河床所处位置为较为软弱的淤泥质粉质粘土，强度较低，容易受到施工扰动，盾构施工控制不当，可能对堤防施工造成不利的影响。
通过设置不同盾构开挖面支护压力情况下，计算分析盾构穿越堤防时堤防的安全稳定性。特别是提出了穿越堤防时开挖面支护压力新的确定方法，为盾构掘进时的微扰动控制提供了重要参考和依据。节省了堤防大量加固费用和工期，为宁天城际轨道交通一期工程安全按期完成作出了贡献，经济效益十分明显。
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4. 南京地铁S3号线穿越新秦淮河。区间采用盾构法施工，隧道覆土厚度最小10.6m。盾构隧道穿越处较浅，堤岸覆土厚度为18-21m。河床所处位置为较为软弱的淤泥质粉质粘土，强度较低，容易受到施工扰动，盾构施工控制不当，可能对堤防施工造成不利的影响。
通过设置不同盾构开挖面支护压力情况下，计算分析盾构穿越堤防时堤防的安全稳定性。特别是提出了穿越堤防时开挖面支护压力新的确定方法，为盾构掘进时的微扰动控制提供了重要参考和依据。节省了堤防大量加固费用和工期，为宁天城际轨道交通一期工程安全按期完成作出了贡献，经济效益十分明显。
5. 南京市宁天城际区间在K25+850～K26+000处下穿滁河。区间采用盾构法施工，隧道覆土厚度最小8.6m。盾构隧道穿越滁河处较浅，堤岸覆土厚度为16-19m。河床所处位置为较为软弱的淤泥质粉质粘土，强度较低，容易受到施工扰动，盾构施工控制不当，可能对堤防施工造成不利的影响。
江苏省水利工程科技咨询有限公司与河海大学对盾构穿越滁河可能对堤防不利影响进行了分析。通过设置不同盾构开挖面支护压力情况下，计算分析盾构穿越堤防时堤防的安全稳定性。特别是提出了穿越堤防时开挖面支护压力新的确定方法，为盾构掘进时的微扰动控制提供了重要参考和依据。节省了堤防大量加固费用和工期，为宁天城际轨道交通一期工程安全按期完成作出了贡献，经济效益十分明显。
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