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_张中杰.pdf

建设科技 63一 等 奖2022 年“华夏建设科学技术奖”获奖项目（一等奖）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张中杰2 李耀良1 陈锦剑3 王秀志7 俞剑4 裴超5 罗云峰1 王浩然2吕培林2 刘桂荣1 李建高5 王祺6 刘永刚5 邹峰1 杨智勇1(1.上海市基础工程集团有限公司,上海 2 0 0 4 3 3 ;2.上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司,上海2 0 0 1 2 5;3.上海交通大学,上海 2 0 0 2 4 0;4.同济大学,上海 2 0 0 0 9 2;5.中铁隧道局集团有限公司,广州 5 1 0 6 5 5;6.上海隧道工程有限公司,上海 2 0 0 0 3 2;7.上海申通地铁集团有限公司,上海 2 0 1 1 0 3)摘要 项目紧扣城市基础设施建设和高质量发展需求，通过产、学、研、用联动模式，聚焦复杂环境超长超大顶管工程关键技术核心要素开展了重点攻关，分别从超长距离圆形顶管和超大断面矩形顶管工程施工力学特性及设计方法、成套装备与集成控制系统、关键施工工艺等方面进行研究。创新建立了基于管土水共同作用、阵列推进和环境安全的顶管分析方法和设计技术；开发了适应复杂地层、超长距离和特大断面的顶管掘进设备体系；研发了智能控制、精准顶进和静默穿越的顶管系列施工工艺。项目取得了大量原创性技术成果，有效解决了复杂环境超长超大顶管工程中的系列技术难题，保障工程与环境安全，引领了顶管技术的发展，推动了行业的科技进步，社会经济效益显著。关键词 顶管工程；复杂环境；超长距离；超大断面；掘进机；中继间Research and Application on Complete Construction Equipment and Technology of Super-long and Super-large Pipe Jacking Project in Complex EnvironmentsZhang Zhongjie2,Li Yaoliang1,Chen Jinjian3,Wang Xiuzhi7,Yu Jian4,Pei Chao5,Luo Yunfeng1,Wang Haoran2,Lv Peilin2,Liu Guirong1,Li Jiangao5,Wang Qi6,Liu Yonggang5,Zou Feng1,Yang Zhiyong1(1Shanghai Foundation Engineering Group Co.,Ltd.,Shanghai,200433；2.Shanghai Urban Construction Design&Research Insti-tute(Group)Co.,Ltd.,Shanghai,200125；3.Shanghai Jiao Tong University,Shanghai,200240;4.Tongji University,Shanghai,200092;5.China Railway Tunnel Group Co.,Ltd.,Guangzhou,510655;6.Shanghai Tunnel Engineering Co.,Ltd.Shanghai,200032;7.Shanghai Shentong Metro Co.,Ltd.,Shanghai,201103）Abstract:The project closely follows the needs of urban infrastructure construction and high-quality development,and focuses on the key technical core elements of super-long and super-large pipe jacking projects in complex environments through the linkage mode of production,education,research,and application.The research is conducted from the aspects of construction mechanical characteristics and design methods,complete equipment,integrated control system,and key construction processes of super-long distance circular pipe jacking and super-large cross-section rectangular pipe jacking projects,innovatively establishes the pipe jacking analysis methods and design techniques based on pipe-soil-water interaction,array propulsion and environmental safety,develops a system of pipe jacking and tunneling equipment suitable for complex formations,super-long distances,and super-large cross sections,and formulates a series of pipe jacking construction processes with intelligent control,precise jacking,and silent crossing.The project has achieved a large number of original technical achievements,that can effectively solve a series of technical problems in complex and super-long pipe jacking projects,safeguard the engineering and environmental safety,usher the development of pipe jacking technology,and promote the scientific and technological progress in the industry,which has achieved significant social and economic benefits.Keywords:pipe jacking,complex environment,super-long distance,super-large section,pipe jacking tunneling machine,intermediate jacking stationDOI:10.16116/ki.jskj.2023.11.01364 建设科技特 别 关 注The Special Focus“华夏奖”专刊顶管法通过掘进开挖和管段顶推实现地下管道的非开挖施工，具有碳排量低、适应性强、环境影响小及施工效率高的优点，广泛应用于原水管道、污水干线、地下交通等工程建设，是构建完善城市地下基础设施网络，实现联网、补网、强链的重要手段。联网、补网需要长距离的管道建设，强链需要大断面的交通节点，这对顶管技术提出了新的巨大挑战：一方面，超长的穿越距离和超大的顶进断面都需要更大的顶力，使得管节结构处于高应力水平，三维应力状态复杂，分析设计技术未形成体系；同时，顶管施工面临着软弱淤泥质土层、高水头江海底砂土层、土岩复合地层、夹块石卵石淤泥层等复杂地质条件，以及近距离穿越运营轨道交通、繁忙交通干道和重要市政设施等敏感环境，对安全适用的智能化系列施工装备和精准高效的微扰动成套施工工艺提出了更高的要求。针对以上问题，本项目在国家自然科学基金、国家住建部科技项目、上海市科委科研项目等多项课题资助下，联合设计、施工与高校，历时15年研发实践，建立了基于管土耦合、阵列推进和环境安全的顶管分析设计方法，开发了适应复杂地层、超长距离和特大断面的顶管掘进设备体系,研发了实现智能控制、精准高效和静默穿越的顶管系列施工工艺，形成了复杂环境超长超大顶管工程分析、设计和施工的成套技术，已在全国30多项工程中成功应用，为我国超长超大顶管工程建设提供了有力的技术支撑。1 基于管土耦合、阵列推进和环境安全的顶管分析设计方法（1）基于十余项典型超长超大顶管工程，系统开展了105组顶管数值分析和试验研究，获得了基于管土耦合的管节土压力分布模式：施工过程中的土拱效应使管道上方和下方土体应力减小，而左右两侧应力增大，土拱效应随覆土厚度的增加逐渐增强，管土接触压力分布比较平均。进一步提出了考虑顶管施工全过程管土耦合作用的设计方法，总结出土压力分布修正计算公式，修正了现行顶管设计规范。（2）基于能量法推导了考虑弹性地基作用的轴压圆柱壳屈曲有限条法（FSM）解，开发出基于一阶剪切变形板理论的轴压圆柱壳屈曲有限条法（FSM）计算软件。建立了考虑管土相互作用效应的钢顶管轴压稳定性分析模型，阐明了管土相互作用影响下钢顶管的屈曲失稳机理，揭示了钢顶管轴压屈曲临界荷载变化规律和屈曲模态影响规律（如图1所示）。（3）系统研发了大断面顶管结构断面分块设计理论和材料选择方法，解决了构件尺度大运输受限的问题，保证了管节的刚度和密封性；研发了顶管法地铁车站结构-土相互作用动力有限元分析方法，研究了不同地震动特性对结构响应的影响，结合振动台试验，提出了大断面矩形顶管法地铁车站的抗震设计简化计算方法和抗震评价指标，并提出相应关键节点的抗震构造；形成了以近距离阵列多管建设地铁车站的设计方法及配套系列技术措施，明确了各个管节的推进顺序，有效减小对邻近高架桥桩基的影响，实现了相对同类型明挖车站建筑功能全覆盖，规避了地面交通疏解和地下管线搬迁，减少工期约三分之一。图1 高围压下长距离管道屈曲模态2 适应复杂地层、超长距离和特大断面的顶管掘进设备体系（1）针对软弱淤泥质土层、高水头江海底砂土层、土岩复合地层、夹块石卵石淤泥层等复杂地质条件下的长距离施工需求，攻克众多关键技术难题，自主研制了土压加气压或泥水加气压的系列复合式平衡顶管机，实现长距离顶管工程安全高效掘进。图2 土压加气压复合式平衡顶管机 建设科技 65一 等 奖图3 泥水加气压复合式平衡顶管机（2）针对复杂环境条件、大断面矩形顶管的施工需求，自主研制了多刀盘平行轴式大断面顶管机和大刀盘组合式大断面顶管机。多刀盘平行轴式大断面矩形顶管机配置了6个辐条式刀盘，刀盘开口率72%，采用3前3后平行轴式布置，各组刀盘受力均匀，开挖覆盖率能达到93%95%，大刀盘组合式大断面矩形顶管机，采用了大刀盘与偏心刀盘相组合的形式，其中大刀盘具有适应地质条件广，刀盘系统刚度大，对开挖面支护稳定性强，偏心刀盘（辅刀盘）可满足全断面切削要求，实现全断面100%切削，尤其适合环境保护要求高的微扰动施工。图4 多刀盘平行轴式矩形顶管机 图5 大刀盘组合式矩形顶管机（3）研发了组合式耐高压密封中继间，中继间止水橡胶可根据需要通过调节螺丝在径向和圆角方向自由调节和组合，并可在常压下对磨损的密封圈进行调换。开展了动态疲劳模拟试验，在0.75MPa 稳定压力下，进行4500 次中继间来回伸缩疲劳试验，中继间始终未出现渗漏现象，具有良好的止水性能。3 实现智能控制、精准高效和静默穿越的顶管系列施工工艺图 6 数字化管控平台（1）创新优化中继间工艺工序和控制系统，解决了传统中继环逐个调节、逐个启动效率偏低的问题，实现多中继间同时工作下的蚯蚓式连续蠕动顶进，提高顶管施工效率3倍。相较于直线顶管，在顶进过程中，曲线顶