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2017年度学会工程奖一等奖:虹梅南路~金海路通道越江段新建工程

发布时间:2018-05-02 10:50:06

完成单位:上海隧道工程有限公司、上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司、上海黄浦江越江设施投资建设发展有限公司

上海建科工程咨询有限公司

 虹梅路.jpg

一、工程概况

虹梅南路~金海路通道越江段新建工程位于闵行区和奉贤区,北起虹梅路、永德路交叉口,终点至西闸路以南约500m,全长5260m,其中圆隧道段包括上下行两条隧道,每条隧道全长3390m,采用德国海瑞克公司制造的Ф14.93m泥水平衡盾构;岸上段结构均采用明挖法施工,工程总投资49.84亿元。

本工程在闵行区、奉贤区分别设置盾构工作井、管理中心和管理用房,在永德路以南和奉贤工作井附近各设置排风塔。本工程起点至剑川路出入口段地道为双向4车道,剑川路出入口以南地道和隧道为双向6车道,地面道路为双向42慢车道。

工程具有五大特点:

1)长:隧道全长5260m,盾构段3390m,是目前黄浦江底最长的隧道;

2)大:建设规模大,工程建安费约29.9亿;隧道采用直径14.93m,重达2200吨超大直径泥水平衡盾构推进;

3)深:隧道最大埋深59m,是目前中国最深的城市越江道路隧道;

4)险:隧道长距离、多工况穿越运营中高压、有毒、易爆石化管线,风险极高;

5)难:隧道长距离、全断面穿越7-2层粉细砂,难度极高。

工程具有三大创新突破:

1)面向“性能设计”的超深埋越江隧道设计新方法

2)面向“风险可控”的超深埋越江隧道施工技术

3)面向全寿命期的深埋隧道质量信息化管理与监控技术

工程于2010731日正式开工,于20151230日建成通车。工程线路与S4公路平行,越江后与奉贤区金海路相接,本工程的建成将大大加强郊区新城与中心城的联系,服务于沿线奉贤滨海、南桥新城、紫竹科学园区、闵行新城等地区入城交通,缓解S4公路、莘庄立交及沪闵高架的交通压力。

二、主要科技创新内容

1. 创新一:面向“性能设计”的超深埋越江隧道设计新方法

采用原位测试手段,首次捕捉到了60m 级埋深条件下的盾构衬砌荷载分布规律。通过对数据的分析发现超深埋工况土压力监测值比全覆土理论值偏小约20%,与松弛土压力较为接近,验证了超深埋隧道顶覆土荷载采用松弛土压力理论计算的合理性,为管片结构配筋优化设计提供了理论支撑。

首次提出了改进梁~弹簧模型(专利号 201610149488.3),采用单向压缩弹簧更好地模拟水平地层抗力和竖向地基反力,为精确求解盾构法隧道管片内力提供了基础。开发了盾构隧道管片参数化设计程序(登记号 2015SR091652),首次实现了管片结构模板图的自动设计和配筋的精细化设计。

 

根据超深埋隧道穿越地层复杂、上覆土荷载变化大的特点,突破原有盾构隧道结构设计中以“浅-深”或“浅--深”为约定习惯的分档方法,形成以上覆土荷载为埋深基准型的纵向精细化分档方法。通过进一步细化埋深的分档,有利于保证钢筋的充分利用;同时根据超深埋隧道纵向长度大,隧道轴线控制和调整难度大。开发了盾构法隧道衬砌圆环排版通用软件(登记号 2015SR091654),可根据管片构造和隧道线型对盾构隧道管片进行纵向拟合排版,确保隧道实际线位与设计的误差在允许范围内。

2. 创新二:面向“安全高效”的隧道全纵向疏散救援体系

道路隧道火灾事故表明,火灾发生后行车道在堵塞条件下无法保证疏散和救援功能;当救援和疏散空间重合时,救援和疏散人流冲突会导致救援迟缓和人员滞留。为此提出了适应长大道路隧道,利用下层空间实现疏散通道与事故空间分离的纵向快速疏散理论,保证疏散通道时时畅通。通过研发地下隧道的纵向疏散结构(ZL201110299969.X),以隧道下部空间作为专用通道,保证了人员疏散的安全和效率。

结合快速疏散理念中隧道下层空间的利用,提出了消防救援专用通道的设计,研发了带消防车辆通道的隧道纵向疏散结构(ZL201220273744.7)和可供机动车辆直接进出的隧道疏散救援通道结构(ZL201420450716.7)。通过在隧道两端工作井设置专用救援通道入口,消防车辆可直接从城市道路进入隧道下层救援专用通道,沿途不受社会车辆或升降梯的耽误和制约。

隧道下层空间进行三仓设计,疏散人群、强弱电管道和救援车辆独立分离;入口处卷帘门设计,可防止疏散救援通道内风压损失和外部车辆误入。消防救援通道的专项设计在快速疏散理念的基础上保证了救援力量的快速到达和消防工作的及时快速展开。

在恶劣火灾现场条件下,盖板体系、疏散标识系统和楼滑梯装置对于人员疏散和救援起着关键引导和保障作用,本项目研发完成了新型隧道逃生盖板体系, 包括连杆带起式挡水盖板(ZL201320115322.1)和自动弹起式挡水盖板(ZL201320115144.2),有助于逃生通道的开启和防止液体可燃物流入疏散通道,保障疏散救援的安全开展。通过疏散标志系统专项设计,构建了疏散救援成套指示标志,保证人员快速识别到达安全区域以及救援力量的准确到达。同时数值模拟和消防演习对隧道疏散楼梯和滑梯的效率进行系统对比,确定了两种设施的具体设计参数和配置方案。通过成套疏散救援保障体系的研发,保障了隧道人员疏散和消防救援速率。

3. 创新三:面向“风险可控”的超大直径盾构装备保障和施工控制技术

推导建立泥水平衡盾构刀具磨损量化分析方法。通过建立土体剪切破坏平衡方程,得到了单个刮刀的受力特点以及整个刀盘的理论扭矩。理论研究和实测均证实:刀具磨损系数在0.8上下时可以持续推进,刀盘磨损系数低于0.75时呈现为快速下降的趋势,刀盘磨损系数低于0.5,应进行刀具更换。


在项目研究发明了一整套超大直径泥水平衡盾构换刀施工工艺(ZL201010105664.6201610135804.1)。研发了用于换刀工况施工的正面支护专用浆液,其初始粘度可达到120s以上,经12小时循环后,泥水仓浆液粘度可稳定在35s左右,极大的提升了换刀作业工况条件下开挖面稳定性。首次成功实现了超深埋、全断面高承压水粉砂地层中刀具更换作业。

 

研究建立了适用于深埋超大直径盾构法施工的盾尾同步注浆材料与施工工艺。课题研究进行了大量的实验室试验,针对缓凝型同步注浆材料中的粉煤灰、膨润土、石灰、石膏、水泥、各类外加剂等设计了正交试验,得到了浆液的基础特性、流动规律、强度变化规律。课题创新研发新型同步注浆及施工工艺(ZL 201310123614.4),避免了盾尾大塑性变形的产生,确保了6.8km盾构推进过程中盾尾不发生严重漏浆情况。

4. 创新四:面向“环境保护”的超大直径盾构隧道施工扰动理论及控制方法

探索超大直径泥水平衡盾构施工地层扰动机理,研究得到了盾构隧道上浮诱因,建立了相关分析模型,提出了施工控制措施。分别以地层水土压力和位移指标定义了土体内扰动度的概念,采用现场实测的手段分析了盾构切口到达、盾构穿越、盾构远离三个过程中造成的土体内扰动度的分布范围、持续时间和消散规律,为指导盾构穿越各类建构筑物提供了实测依据。建立了基于浆液时变特性的隧道上浮模型,得出了上浮力作用于隧道纵向时的变形规律,提出了控制隧道上浮的对策和相应的施工措施。

形成了超大直径盾构隧道穿越高危易爆乙烯管成套控制技术。采用理论推导、数值分析、现场试验、实测反馈等手段解决了长距离浅埋管线受超大直径盾构施工扰动的变形控制机理问题。提出了以曲率控制为标准的管线安全度控制准则及其响应的盾构参数匹配机制和应急响应方案(ZL 201410500092.X)。主要包括在不同管-隧相对位置关系下,管线埋深、管材、下卧加固体刚度、管-隧相对偏移距离、以及管-隧夹角等因素的影响规律,为类似工程中的地下管线安全控制提供技术参考。

采用大数据的方法研究了双线超大直径泥水平衡盾构隧道施工地层变形分布规律,给出了沉降在空间-时间上的分布及发展规律。研究表明超过80%地面沉降点有效控制在“+1cm ~ -2cm”之间,较之传统的“+1cm ~ -3cm”沉降变形控制标准有显著提升。

5. 创新五:面向“全寿命期”的深埋隧道质量信息化管理与监控技术

设计了专用的RFID芯片,利用RFID技术实现孤立分散的信息准确组织,实现进度信息、材料信息、工艺信息、安装信息、检查信息和维护信息的一体化管理,将原本孤立的隧道轴线设计、管片设计、管片检查、拼装信息,以及盾构机推进工艺参数、环境监测信息、止水涂料信息等各类表单进行系统集成,并整体传递到运维养护阶段,填补施工阶段与运维阶段的信息断层,为运维人员全面了解隧道设计和施工过程信息、针对性地制定养护策略和实现隧道全寿命期的智能化运维创造了有利条件。

由于隧道管片的特殊性,不适合进行芯片预埋或芯片粘贴,因此研究人员结合管片的特点,设计了一种独特的RFID标签,它即是一个RFID芯片,同时又是一个管片的注浆孔盖,并不影响管片的原有功能和性能,可以方便地进行标签的安装和管理。由于隧道内环境复杂、干扰大,在RFID标签设计时充分注意到了它的抗干扰能力、密封性。

围绕管片的整个工艺工程、系统从材料管理开始、记录了管片每一个生产和施工流程的数据、并拍摄了相关的照片,做到了全程跟踪。

以管片为纽带,建立隧道全寿命信息流动机制,将原本孤立的隧道轴线设计、管片设计、管片检查、拼装信息,以及盾构机推进工艺参数、环境监测信息、止水涂料信息等各类表单进行系统集成,并整体传递到运维养护阶段,填补施工阶段与运维阶段的信息断层,为运维人员全面了解隧道设计和施工过程信息、针对性地制定养护策略和实现隧道全寿命期的智能化运维创造了有利条件。

首次以BIM模型为载体,建立了隧道施工全生命周期管理平台,“虹梅南路隧道管片全寿命管理系统”分为五层的结构体系,分别进行信息采集、管理、交互、分析和应用。如图所示:

 

由于隧道管片排列和旋转角度并不固定,我们设计了参数化自动建模程序,实现了BIM模型的自适应。在隧道全寿命管片管理系统提供了管片的三维建模和参数化拼装功能,能够将独立的管片模型,通过约束拼装成环,并基于空间轴线,进行圆环的错缝拼装,检验拼装方案的可行性和隧道轴线的合理性。

系统运用BIM技术将管片、测点、周边环境等基础数据自动整合到同一模型,形成具有集成信息的BIM模型,用不同的颜色和方案直接显示隧道工程进度、管片状态、周边环境及施工进度,通过动态漫游方式实现了盾构机、周边建筑的准确定位和辅助巡检,并基于隧道管片全过程的信息,进行管片渗漏等典型施工病害影响因素和趋势分析,提出了面向防渗的施工参数组合,以辅助施工人员提高工程质量。帮助工程人员进行及时有效的工程项目管理和决策。

研制的基于激光测距技术的全自动激光隧道断面收敛仪(ZL 201521004532.9)与三向位移计(ZL201521004533.3),实现了针对隧道断面收敛与结构缝三向变形等重要结构健康指标的长期自动化非接触式监测。

在超大直径泥水平衡盾构隧道的施工与运营阶段,盾构管片接缝变形也是一项重要的监测内容,是盾构掘进施工的质量检验主控项目,也是影响盾构隧道长期服役性能的关键指标。研制的三向位移计实现盾构管片或其他结构缝的张开、错动、错台变形,其集成了CMOS微型激光测距元件使得该传感器的重复精度达到0.2mm,线型度为±0.2%F.S.,其高精度与高稳定的特性使其特别适用于结构缝长期变化的监测。利用激光的非接触式特性,研制一套特殊的反射机械结构,可以使得三向位移计的三个测距模块在平行放置的情况下也能获得结构缝三个方向的变形;此外提出了一套标定算法,使得设备可以利用其自身数据获得初始姿态,从而降低了设备的安装精度要求。这一套组合设计使得三向位移计的厚度相比其他同类产品大大减小,提高了在隧道侧壁等狭小空间内使用的适用性,同时又能适应隧道内弧面这样的异形结构。



项目获2015年度上海市工程建设优秀QC成果一等奖、2015年度全国工程建设优秀质量管理小组二等奖、2015年度上海市优质工程(结构工程)、2016年度上海市市政工程金奖等共计10项。