盾构装上“透视眼” 同济大学解决地铁隧道穿越敏感建构筑物关键技术

盾构装上“透视眼” 同济大学解决地铁隧道穿越敏感建构筑物关键技术飞入寻常百姓家
来源:新民晚报   作者:王蔚   2019-09-16 19:58:40

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图说:第二代产品在济南地铁中的应用 采访对象供图(下同)

目前越来越多的城市开始修建地铁,盾构机是地铁施工中最主要的施工设备。但是,盾构施工会引起土体沉降,在穿越老旧居民楼、运营地铁隧道、电力隧道等敏感建构筑物时,会造成既有建构筑物变形开裂。如何能提前感知并有效控制可能出现的沉降?同济大学土木工程学院谢雄耀教授团队成功研发了“深埋近距离地铁隧道穿越敏感建构筑物关键技术及装备”,为解决这一难题提供了创新方案,就像是给盾构机装上了一双“透视眼”。该成果亮相于本周开幕的中国国际工业博览会后,一定会相当“弹眼落睛”。

思路从地层损失率控制入手

盾构,如同一只巨大的穿山甲,它在城市地下挖掘土方、运送渣土、整体推进并安装管片,从而完成地铁隧道的“毛坯房”建造。谢雄耀教授介绍,随着我国城市规模不断扩大,对互联互通需求进一步增强,亟需建设大量的大体量通道工程,盾构隧道迎来快速发展。城市核心区地下空间开发、密集建构筑物、复杂地质环境,使得盾构在近距离穿越敏感建构筑物时,易发生开挖面失稳、邻近建构筑物沉降过大、开裂甚至垮塌的安全事故,因此,对隧道穿越所产生的沉降进行有效控制非常关键。

由于穿越市中心时引起的开裂纠纷成本非常高,通常希望沉降最小甚至没有,那么如何实现这一点呢?研究团队从地层损失率控制入手,在机理、技术、装备、平台四个方面实现了地层损失预测、微扰动施工控制、注浆实时感知、沉降协同管控的实质性创新,提出了“在沉降发生前感知并控制”的理念,形成了盾构施工的微沉降智能预警方法与技术,解决了盾构隧道近距离安全高效穿越敏感建构筑物的关键技术难题。

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图说:产品在超大直径盾构隧道——上海北横通道的应用

准确判断同步注浆情况

“盾构隧道施工中,沉降发生的主要原因在于盾构机开挖形成的直径大于拼装好的管片直径,这个空隙是通过盾尾壁后注浆进行填充的。在施工中,我们只能控制注浆的压力和注浆总量,至于浆液注入到管片背后发生了什么、如何分布,现有的手段是看不到的。如果注入的浆液不能充满盾尾的空隙,会导致盾尾上方的土体发生沉降,传递到地表敏感建构筑物,就会引起房屋变形开裂等。”谢教授说,“我们团队提出的方法,是通过雷达来解决这个问题,雷达天线发射的电磁波穿透过管片,经浆液和土体反射回来,这两者的反射信号存在明显的差异,通过找出这种差异,就能分辨出管片与土体间浆液的分布情况。这就如同在盾构机上安装了一双‘眼睛’,而且是能‘透视的眼睛’”。为了能够更加快速准确地判断同步注浆的情况,他们团队开发了一种车架随行式壁后注浆检测装备,该装备能够在两分钟内自动完成壁后注浆情况的检测,如果发现注浆不饱满,就可以在沉降发生前及时安排二次补注浆。

摸清地层沉降发展规律

这一技术的实现依赖于四个方面的创新。一是在沉降发生的机理方面开展了大量的模型试验和数值仿真,摸清了盾构穿越不同类型建构筑物的地层损失情况和沉降发展规律。二是在沉降控制手段方面积累了丰富的工程经验,提出了新的注浆浆液配比。三是发明了车架随行式盾构壁后注浆雷达实时检测装备,“透过”管片“看到”实际的注浆情况,能够在沉降发生前二次补浆。四是在盾构施工信息联动交流方面开发了一系列软件平台,打破了现有施工过程中地面和地下沟通不畅的壁垒,使得项目管理人员、工程师、业主等随时随地掌握盾构施工情况。

目前,该成果已成功应用于上海地铁、南宁地铁、济南地铁、上海长江隧道、北横通道等国内标志性工程以及莫斯科地铁三号线等国际工程中,实现了穿越老旧居民楼、铁路股道、火车站站房、运营地铁隧道、机场跑道、电力隧道及建筑物桩基等敏感建构筑物,沉降均控制10毫米以内,产生直接经济效益12.59亿元。该成果申请专利40项,获上海市优秀发明金奖1项,总体达到国际先进水平,部分达到国际领先水平,显著推动了城市盾构隧道穿越建构筑物的科技进步,为城市地下空间的建设保驾护航。

新民晚报首席记者 王蔚

编辑:任天宝

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