超大断面矩形顶管法隧道建造成套关键技术及应用

本项目研究成果属土木工程技术领域，地下工程专业。 随着国家对城市建设提出可持续发展的新要求，地下空间的合理开发愈加受到重视。在拥有相同有效空间的条件下，矩形断面与圆形相比，不仅能节约地下空间，还可以减小隧道埋深。近年来，中小断面（5m×3m级）矩形顶管已逐步取代传统明挖法建造城市过街人行通道或地铁出入口。然而，由于其断面的特殊性，施工中对于环境的安全控制难度极高，本项目在中小断面矩形顶管技术基础上攻关与突破，首创了超大断面（10.4m×7.5m）矩形顶管法隧道技术，建造了目前世界最大最长（212m）矩形顶管隧道——城市下立交车行隧道。项目主要创新成果如下： （1）首创超大断面矩形顶管法隧道新技术。针对明挖法建造城市下立交工程产生的建构筑物拆迁、道路翻交、管线改排等诸多社会问题，首次研发超大断面矩形顶管法隧道技术，突破了传统矩形顶管法隧道断面及掘进距离的限制，攻克了超大断面矩形顶管环境保护、轴线姿态与安全控制等关键技术瓶颈，首次实现了超大断面顶管建造城市下立交车行隧道工程，为城市大型非开挖隧道的建造提供了一种全新的解决方案。与圆形隧道相比，运用本技术地下空间利用率提高35%以上。 （2）创建了基于环境保护的顶管法隧道新型泥浆技术体系。针对超大断面矩形顶管长距离掘进施工容易导致的顶力大以及减摩泥浆置换工艺地层损失大的问题，创新研发了新型“高粘聚力低滤失量”减摩泥浆及非置换固化泥浆材料，并结合PLC控制技术形成了一套自动保压泥浆压注工艺，实现了超大断面顶管隧道长距离掘进施工。新型减摩泥浆的滤失率较传统泥浆降低86.7%，保压性能提高6倍，顶进摩擦系数最小仅3kN/m2，地面沉降可控制在1cm以内。 （3）研发了矩形断面多点分区域组合式土体改良技术。针对矩形断面开挖面稳定控制难、轴线姿态控制精度要求高的难点，通过室内改良实验及理论计算，创新研发了适应不同土层的土体改良泥浆配比及施工参数，形成了多点、多部位立体式、分区域循环土体改良施工工艺，成功解决了超大断面矩形顶管掘进开挖面稳定与轴线控制的难题，刀盘扭矩控制在额定值40%以内。 （4）创新发明多项矩形顶管法隧道施工配套新工艺。针对在城市狭小空间构建高环保要求隧道的新需求，研发了大型管节制造及吊运、动态洞门密封保压、顶拉结合、斜交进洞等矩形顶管法隧道施工配套新工艺，实现了都市核心区域复杂环境工况条件下的顶管法隧道建造与风险控制，极大地提高了顶管法隧道的施工安全和质量。 本项目发表论文11篇；申请发明专利15项，其中已授权8项；获得软件著作权1项；获得国家级工法2项，上海市市级工法1项。 目前，应用该技术的郑州下穿中州大道车行隧道、上海/郑州/南京/舟山等地多条大客流地下人行通道工程均已建成，各项性能指标优良，实现新增产值8.9亿元。本项目的成功研发标志着我国矩形顶管法隧道步入超大断面时代，可逐步推广应用于大型城市地下管廊、共同沟、地铁车站等工程的建设。