一、主要科技创新
1.立项背景
成都作为成渝经济区核心增长极和国家的西部综合交通枢纽，从2006年起，正进行8条线路总计371公里的城市地铁建设，建成后中心城区（绕城内）线网密度将达到0.74公里/平方公里。当前，我国在城市核心区修建城市地铁通常采用盾构法和浅埋暗挖法。由于成都富水砂卵石地层的特殊性，采用浅埋暗挖法将给城区地下水环境、邻近建（构）筑物、沿线交通和商业环境等造成重大影响，因此，成都地铁区间隧道主城范围采用盾构法施工几乎是惟一的选择，盾构法隧道工程决定着成都地铁工程建设的成败。成都地铁特殊复杂的地层和环境条件主要表现在：特殊地层条件：成都地铁盾构法隧道工程大规模穿越市域富水砂卵石地层，该地层具有地下水位高、卵漂石含量高和卵石强度高等“三高”特点。水位埋深2.0～5.0m，为国内城市地铁砂卵石地层最高水位。卵漂石含量高达60～71%，粒径以30～110mm为主，卵石单轴抗压强度50～150MPa。工程全线出现粒径大于200mm漂石的频率较大，局部地段还下卧膨胀性风化岩体。复杂环境条件：成都地铁城区范围高楼林立、商业发达、交通繁忙、人流密集。要多次下穿河流、股道、站房，频繁下穿大型房屋、立交桥、市政隧道、上下水道、燃气管道等种类不同、结构型式迥异、建成年代不一的建（构）筑物。与既有房屋、桥梁、隧道、轨道和管线近接施工的最小距离分别为0.75m、0.7m、2.0m、8m、0.436m，建（构）筑物保护难度极大。
作为成都市建国以来最大的市政工程，成都地铁地层的特殊性和环境的复杂性给工程的建设带来了前所未有的巨大挑战，主要表现在：①砂卵石地层围岩荷载作用非常复杂，亟需建立适应富水砂卵石地层的荷载取值方法、结构分析关键参数、结构防水以及适应于复杂城市环境线路条件的结构设计体系；②盾构在砂卵石地层中施工时设备磨耗突出，严重影响盾构掘进效率，亟需解决盾构机选型、高磨耗、富水条件下换刀、长距离快速掘进以及关键施工参数和施工工艺等问题；③盾构在透水性强、地下水位高的砂卵石地层中施工时,开挖面易出现涌水、涌砂现象，导致土仓压力失衡和开挖面失稳，诱发地面沉降甚至坍陷，影响地面和地中建（构）筑物的安全。为此，课题组历时10年，展开了成都地铁盾构法适应性、盾构法施工对环境影响的预测及控制方法、盾构法施工关键控制参数与工艺、盾构隧道通过特殊及复杂困难地段对策、盾构隧道结构体受力特征及关键设计参数、盾构隧道结构体防渗漏水对策、富水砂卵石地层地铁区间隧道盾构法施工管理规程等12项专题的科技攻关，成功解决了富水砂卵石地层盾构法施工的若干建设关键问题，为成都地铁工程建设提供了坚实的技术支撑。
2.科学技术内容
课题组通过理论分析、数值模拟、室内试验、现场测试、工程设计应用以及现场掘进试验等综合手段开展了系统深入的研究，主要的创新性成果如下：
2.1建立了富水砂卵石地层城市地铁盾构隧道设计方法，形成了具有良好安全性、防水性和抗震性的结构体系
成果概述：该结构设计体系包括砂卵石地层荷载取值方法、错缝拼装力学模型、接头端面力学模型、抗震分析解析方法、结构构造体系和防水综合技术等，能适应富水砂卵石地层盾构隧道的结构特性分析与设计计算，可充分体现盾构隧道接头非线性效应、错缝拼装结构效应、结构地震动力效应以及结构防水特性，解决了富水砂卵石地层隧道结构的受力、防水和抗震问题，成功经受住了“5.12”汶川大地震的严峻考验。
（1）富水砂卵石地层地铁盾构隧道结构设计静力分析方法：利用颗粒离散元数值方法修正了太沙基松动土压力计算公式，提出了砂卵石地层的荷载取值方法；构建了考虑多环错缝拼装效应、结构与地层相互作用效应的错缝拼装结构力学模型；提出了考虑连接螺栓拉力、接缝最大张开量、轴力、弯矩等因素的接头抗弯刚度计算方法，建立了接头端面力学模型。
（2）富水砂卵石地层地铁盾构隧道结构抗震设计分析方法：利用成层地层反射理论获得的地层剪切力表达式，改进了盾构隧道基于复变函数的地震动力分析解析方法；在狭义反应位移法法的基础上提出了基于地层-结构模式的反应位移法。形成了集解析法、反应位移法与时程分析法为一体的盾构隧道抗震分析方法组合，以开展盾构区间隧道及其交叉结构的地震响应分析。
（3）富水砂卵石地层地铁盾构隧道管片衬砌结构体系：形成了适应于富水砂卵石特殊地层和城市复杂环境的结构体系，包括适应于线路线形的1.2m、1.5m两种幅宽的管片衬砌结构及其组合方式。该结构型态最大限度地考虑了环纵向接头位置与刚度、错缝环间相互咬合效应以及隧道与周围土体间的相互作用，具有承受不均匀水头差和适应局部膨胀性地层和软硬不均交互地层的能力。
（4）富水砂卵石地层地铁盾构隧道综合防水技术：提出了能够长期适应高渗透性富水砂卵石地层的主隧道管片接缝密封垫材质类型，对梯形、梳形、中孔形等多种断面形式实施了优化，根据接触应力与密封垫内部等效应力、压缩量与压力之间的关系曲线确定了优选断面；建立了能模拟盾构施工地层失水条件下结构水荷载的试验模拟方法，提出了能适用于富水砂卵石地层盾构隧道接缝、盾构进出洞竖井与区间、车站与区间、联络横通道与区间等结合部位的综合防水方式，解决了结合部位在地震诱发大变形情况下的结构防水问题。
2.2创建了富水砂卵石地层城市地铁盾构隧道施工综合技术，攻克了富水砂卵石地层盾构快速掘进和长距离掘进技术难题
成果概述：该综合施工技术包括富水砂卵石地层盾构设备选型及配置技术，盾构快速掘进施工技术，刀盘、刀具与螺旋出土器耐磨技术，长距离掘进刀具维护与更换综合技术等。能适应富水砂卵石地层、含透镜体砂卵石地层、下部局部硬质泥岩砂卵石地层等各种地层组成形态的盾构正常掘进，大幅减少刀具磨耗和刀具的更换次数，实现盾构的长距离掘进。该技术的应用将成都地铁的盾构月平均掘进进度从最初的约50m/月大幅提高到300m/月以上。
（1）富水砂卵石地层盾构设备选型及配置技术：复合式土压平衡盾构和泥水平衡盾构均可用于大粒径富水砂卵石地层盾构隧道的施工，但从刀盘、刀具损耗，施工进度，出碴难易等综合考虑，大粒径富水砂卵石地层盾构隧道施工应优选复合式土压平衡式盾构；提出了富水砂卵石地层“排出为主，破碎为辅”的盾构机选型与掘进技术方案，采取了减少滚刀数量、优化刮刀和齿刀配置、适度加大盾构面板开口率等技术措施。
（2）富水砂卵石地层盾构快速掘进施工技术：通过砂卵石层下盾构的施工参数及其影响因素间的关系建立了与盾构隧道埋深相关的总推力计算式；通过测试提出了刀盘转速、刀盘扭矩、土仓压力、推进速度、贯入度、总推力以及螺旋输送机转速、扭矩和工作面压力力学模型，并提出了土压平衡盾构和泥水平衡盾构掘进速度的数学计算公式。
（3）富水砂卵石地层施工盾构设备耐磨技术：提出了双刃滚刀、刮刀、齿刀的合理配置比例和配置方式、提出增加贝壳刀、选用有后角刮刀、加宽滚刀刀刃、主要刀具段差布置、在刮刀后角面和边滚刀间焊接导流刀具以整理卵石、减少冲击等刀具耐磨措施，有效解决了盾构刀盘、刀具与螺旋出土器在砂卵石地层中的高磨耗问题；形成了富水砂卵石地层的渣土改良方法和基于应力规则系数的渣土管理方法。
（4）富水砂卵石地层盾构长距离掘进刀具维护与更换综合技术：形成了富水砂卵石地层采用人工降水并辅以注浆、旋喷、人工挖孔桩或灌注桩等稳定土体、防止砂卵石地层遇水坍塌的常压开仓换刀技术；形成了向土仓内注入优质膨润土泥浆置换原有仓内碴土，并在掌子面形成良好泥膜以防止气体在砂卵石地层中逃逸的带压换刀技术。结合区间隧道具体的埋深和环境条件，采用地层局部处理后常压换刀和洞内带压换刀两种互补的换刀方案，解决了盾构在砂卵石地层掘进过程中的换刀问题。
2.3构建了城市特殊复杂环境下富水砂卵石地层地铁盾构邻近建（构）筑物施工的安全保障技术，有效解决了邻近建（构）筑物的施工安全问题
成果概述：该安全保障技术包括邻近建（构）筑物施工安全预测与风险评估技术，施工安全预警与控制技术，施工结构保护与地层加固技术等，广泛应用于复杂地质条件下盾构正穿、斜穿股道、桥梁、房屋、市政隧道等建（构）筑物以及地下密集管线的安全近接施工。应用该技术成功通过了包括成都地铁1、2号线102栋房屋、12座桥梁、8座既有市政隧道和人防通道在内的大量建（构）筑物，保障了建（构）筑物的安全。
（1）邻近建（构）筑物施工安全预测与风险评估技术：通过Φ30cm泥水平衡盾构模拟试验和Φ52cm土压平衡盾构模拟试验、现场试验和颗粒流非线性模拟揭示了砂卵石地层盾构施工扰动变形机理，探明了不同施工参数和施工状态下砂卵石地层的扰动范围、扰动程度及其对建（构）筑物的影响。根据近接程度、近接方式，分析了重要建（构）筑物的风险状态与盾构掘进参数、盾构与重要建（构）筑物空间几何位置和几何尺度的关系，从总体上把握了建（构）筑物的风险程度。
（2）邻近建（构）筑物施工安全预警与控制技术：提出了不同建（构）筑物的监控方式和预警标准。通过建立“土仓应力比”、“应力规则系数”参数与盾构掘进过程盈压、平衡、欠压、结块状态的关系，提出了适合成都砂卵石地层特殊环境下保障建（构）筑物安全的土仓压力平衡方法，即一般地段采用“土压平衡”掘进模式，控制性建（构）筑物地段采用“适当超压”的掘进模式。重要建（构）筑物段应将盾构掘进地层损失率控制在3%以内，同时应增加碴土质量控制指标。
（3）邻近建（构）筑物施工结构保护与地层加固技术：通过砂卵石地层下不同注浆压力、注浆率对地表变形量的影响大小，提出了砂卵石地层盾构同步注浆过程中注浆压力和注浆率分区方法，解决了砂卵石地层浆液的注入问题。根据建（构）筑物种类以及建成年代，对于房屋分砖砼结构，框架结构和砖木结构，基础分条型基础、人工挖孔桩基础以及灌注桩基础等，有区别地提出了盾构下穿重要管线、股道、桥梁、房屋以及市政隧道的加固方式、保护范围。提出了桩基托换、袖阀管注浆、跟踪注浆等综合加固技术。
3.与当前国内外同类技术主要参数、效益、市场竞争力的比较成都地铁砂卵石地层卵漂石含量60～71%，主要分布在30～110mm区间，沿线漂石出现较为频繁，地下水位较高，一般在地表下2.0～5.0m；北京地铁砂卵石地层卵漂石含量50%～70%，主要分布在20～60mm区间，偶见漂石分布，但基本无地下水；沈阳地铁砂卵石地层卵石含量5～20%，主要分布在20～45mm区间，基本无漂石，地下水位在地表下4.5～10.0m。成都地铁是国内首次在遍布城区的富水砂卵石地层中采用盾构法实施大面积施工，其盾构法隧道建设技术堪称世界性难题，研究所形成的富水砂卵石地层地铁区间隧道盾构法施工技术指南在成都地铁工程中系统应用，其关键技术参数对比。
二、第三方评价
本项成果是在成都地铁工程建设科研课题的支持下、结合四川省科技支撑计划、国家自然科学基金等10余项研究课题，由高校、设计、施工、建设等多单位历时10年的联合攻关取得的。主要第三方评价如下：
1.成果技术鉴定
“成都地铁盾构隧道工程建设关键技术”通过四川省科技厅组织的专家鉴定。由著名地质专家中国科学院刘宝?院士、著名地铁与隧道工程专家中国工程院施仲衡院士等相关领域专家组成的鉴定委员会认为：由富水砂卵石地层城市地铁盾构隧道设计方法及结构体系、富水砂卵石地层城市地铁盾构隧道施工综合技术、城市特殊复杂环境下富水砂卵石地层地铁盾构邻近建（构）筑物施工的安全保障技术等所构成的研究成果总体上处于国际领先水平。
2.用户评价
根据成都地铁建设与运营单位-成都地铁有限责任公司提供的用户报告，本项成果在成都地铁1、2号线整体应用后，解决了富水砂卵石地层盾构隧道衬砌结构的结构设计问题，并成功经受住了“5.12”汶川大地震的严峻考验，实现了富水砂卵石地层的盾构长距离快速掘进（平均月进度300m/月以上，局部标段最高月进度达600m/月），大幅减少了刀具磨耗和刀具的更换次数（换刀距离提高到了250m），保障了盾构穿越地面建（构）筑物以及地下密集管线施工时建（构）筑物的安全，仅在成都地铁1、2号线区间盾构隧道就成功通过了102栋房屋、12座桥梁和8座既有市政隧道和人防通道。项目研究成果还在成都地铁3、4、7号线以及1号线南延线、2号线西延线等成都地铁后续线路工程建设中得到全面应用，为成都地铁工程提供了重要支撑。
国内其他城市地铁设计、施工以及建设与运营单位（西安市地下铁道有限责任公司、南京地下铁道有限责任公司、中铁第四勘察设计院集团有限公司、中国中铁二院工程集团有限责任公司、中铁二十三局集团有限公司、中铁十五局集团有限公司、中铁十三局集团有限公司、中铁八局集团有限公司、中铁二局集团有限公司、中铁隧道股份有限公司、上海隧道工程股份有限公司等）提供的用户应用证明表明:在砂卵石地层或复杂建（构）筑物城市环境条件下应用本项研究成果后，盾构隧道结构设计更加合理、盾构施工掘进更加高效、投入营运结构更加安全，其经济和社会效益明显。
三、应用推广情况
本成果是依托成都地铁1号、2号线区间盾构隧道工程建设取得的，解决了富水砂卵石地层及复杂城市环境条件下盾构区间隧道建设的设计与施工关键技术问题。成都地铁1号线一期工程全线已于2009年底通过了土建工程竣工验收并于次年5月开通试运行，成都地铁1号线一期工程运行2年来，区间盾构隧道运行良好；成都地铁2号线一期工程当前也已全线贯通并正在实施空载联调联试。项目研究成果仅在成都地铁1号、2号线工法选择、衬砌结构设计和地铁施工等环节就节约了工程造价约3.7亿元人民币，并在成都地铁3号、4号、7号以及1号线南延线、2号线西延线等后续线路中得到了全面推广，为成都地铁今后的路网规划与建设提供了重要的技术支撑。
与此同时，本项成果还在北京地铁6号、8号线，沈阳地铁6号线等砂卵石地层地铁区间盾构隧道建设中获得成功应用，并在广州地铁2号、3号、8号线，天津地铁3号线，深圳地铁3号、5号、11号线，西安地铁1号线，郑州地铁1号线，昆明地铁3号线等局部区段存在砂卵石、中粗砂或卵石等类似地层中获得推广应用。成果大面积和局部获得应用的城市包括成都、广州、北京、天津、深圳、沈阳、大连、西安、郑州、昆明、长春、南京、武汉等10余座，解决了这些城市局部区段存在砂卵石或者类似砂卵石地层的盾构掘进施工问题以及盾构近距离施工复杂建（构）筑物下的结构安全保障问题，丰富了盾构施工工法，拓展了盾构法在砂卵石地层中的适应能力。“富水砂卵石地层地铁区间隧道盾构法施工技术指南”在为成都地铁工程提供技术保障的同时，也为国内其它城市地铁建设提供了重要参考，极大地推动了城市地铁建设领域的科技进步。
作者：何川 单位：土木学院