云南昆明复杂环境超长超大云南顶管工程成套施工装备与技术研发及应用

　　市住房城乡建设管理委共有10项推荐项目获奖。我们将陆续推出“华夏建设科学技术奖上海获奖项目”系列报道，带您领略上海住房和城乡建设行业的最新科技成果。

　　今天，住建君为您介绍一等奖项目

　　复杂环境超长超大顶管工程

　　成套施工装备与技术研发及应用

　　顶管法是一种地下工程非开挖施工技术，不同于盾构拼装管节，顶管是整根管节逐节推进，具有结构整体性强的优势。顶管被广泛应用于原水管道、污水干线、地下交通等工程建设，与人民日常生活中“食”“住”“行”息息相关。

　　近年来，随着城市化快速发展和人们对高品质生活需求的提升，顶管工程呈现出圆形顶管单次顶进距离越来越长、矩形顶管断面越来越大的发展趋势，面临以下技术难题：

　　顶管顶力随推进距离的增加而逐步增加，周围土体持续经历反复加载、卸载状态，管节与土体相互作用三维应力状态复杂，目前分析理论还不完善、设计计算偏差大;

　　超长穿越距离和超大顶进断面使得顶管工程中遇到的地质条件更为复杂，长距离顶管土层纵向软硬不均，大断面顶管土层上下软硬不均，对掘进设备的地层适应性要求更高;

　　顶管对土体的切削挤压会造成土层变形，长距离顶进持续时间长，大断面顶进的影响范围广，顶管施工纠偏也会加剧土体扰动。在城市核心区，地下管线密布、地面交通复杂、地上建筑林立，这些敏感环境的变形控制要求高，对顶管施工控制提出了更高要求。

　　针对以上技术难题，项目联合1家设计院，2家高校和3家施工单位基于10余项国家和省部级科研项目，开展产学研联合攻关，历时15年，在复杂环境超长距离、超大断面顶管工程方面取得了系列创新性成果。

　　主要完成单位：上海市基础工程集团有限公司、上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司、上海交通大学、同济大学、中铁隧道局集团有限公司、上海隧道工程有限公司。

　　系列创新性成果

　　分析理论与设计方法建立

　　针对动态顶力作用下土体三维应力路径复杂的问题，提出了考虑应力历史的，颗粒间应变临界状态本构模型，建立了基于动态顶力作用和管土水耦合效应的理论分析方法，揭示了顶管施工全过程的土体应力与孔压响应演化规律。

　　针对长距离圆形顶管设计中未考虑复杂动态应力的问题，系统开展了105组数值分析和现场试验，提出了适用于长距离圆形顶管的实用计算方法，并纳入规范。应用于国内首条4m直径长距离混凝土顶管，管节壁厚优化减少20%。

　　针对大断面矩形顶管近距离相互影响的问题，通过三维动态仿真模拟，分析了地层变形与断面尺寸、顶管净距、刀盘切削率的关系，优化确定了管节断面与间距，提出了顶管机刀盘最小切削率要求和阵列顶进的工序标准，形成了矩形顶管建设地铁车站的成套设计方法，在中心城区建成了世界首个阵列矩形顶管地铁车站-上海地铁14号线静安寺站。

　　△上海轨道交通14号线静安寺站

　　成套施工设备开发

　　针对既有装备不能满足软硬土层兼容切削和超长距离高效顶进的问题，开发了复合式耐磨刀盘、高水压密封装置、自动气压调节舱，自主研制了融合气压平衡功能的土压和泥水复合式顶管机，以及组合式耐高压密封中继间。填补了国内同类装备空白，为单次顶进长度超2000m的圆形顶管工程提供了设备保障。

　　△复合式土压平衡顶管机

　　△复合式泥水平衡顶管机

　　针对大断面顶管掌子面土体软硬不均、切削量大的问题和高切削率要求，自主研制了多刀盘平行轴式和大刀盘组合式大断面矩形顶管机，为断面面积突破50平方的矩形顶管工程提供了设备保障。

　　△多刀盘平行轴式矩形顶管机

　　△大刀盘组合式矩形顶管机

　　成套施工技术研发

　　针对长距离持续顶进的累积扰动问题和工效要求，研发了多曲线长距离顶管微扰动高效施工技术，包括自动测量、智能纠偏、中继环动态耦联控制、自动注浆减阻等系统。成功实施了单次顶进2040m的多曲线顶管，贯通精度达毫米级，工期缩短30%。

　　针对大断面顶管顶进影响范围广、土体变形大的问题，研发了大断面顶管微扰动阵列施工技术，包括掌子面稳定自适应控制系统，自凝式泥浆，自补偿止退工艺等。成功实施了覆土厚度仅5.6m，断面123㎡的超大矩形顶管工程，地表沉降小于20mm。

　　针对超长超大顶管工况流程复杂、监控项目众多、信息数据量巨大的问题，开发了数字化集成管控平台，通过多源数据的融合分析，实现对顶管施工过程的全时域精准调控。

　　项目取得授权发明专利30项、实用新型专利13项、软件著作权7项;形成省部级工法11项;主编标准10部;撰写专著1部，编著6部;发表论文56篇。

　　2022年国际隧道与地下空间协会授予本项目“阵列顶管建设地铁车站技术”ITA国际超越工程大奖，项目技术还获得了2021年度住建部全国建设行业科技成果推广项目认定。以陈湘生院士、朱合华院士为主任的专家委员会和中科院上海科技查新咨询中心均认为：项目综合技术达到国际先进水平，其中单次顶进2600m圆形顶管和120㎡特大矩形断面顶管施工工艺、高水压密封中继间及耦联控制系统、阵列式顶管地铁车站建造技术达到国际领先水平。