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2017年度高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术)推荐项目技术发明奖项目简表


时间:2017年05月03日 来源:本站



    一、项目名称:隧道钻爆法施工地下水防治整套技术及应用

    二、推荐单位:中南大学

    三、项目简介:

    本项目属土木建筑工程学科。

    钻爆法修建隧道,地下水对工程施工与安全有很大影响。如世界最长海底隧道~日本青函隧道,修建时曾发生4次较大突水、突泥事故,造成经济损失数拾亿日元,工期延误达5年;我国宜万铁路野三关隧道修建时,仅1.5小时突水量达15.1万方,泥石量5.35万方,造成29人伤亡,直接经济损失数千万元。

    因地质条件的多变性,国内外在隧道地下水防治技术研究方面,面临一系列挑战:钻爆法施工的超前地质预报准确性低;隧道涌水量难以准确预测;超前预注浆技术堵水效果差、施工效率低、工期长、成本高;不可维护式防排水系统易堵塞、使用周期短、维修频率高,因此难以提前有效应对隧道突水突泥事故,系统运营成本高。为此,项目组集成6 家单位力量,历时10 余年,在国家863 计划、重大工程攻关等项目资助下,攻克了有压地下水条件下隧道钻爆法安全施工系列关键技术难题,形成了具有自主知识产权的有压地下水隧道钻爆法施工成套核心技术,其主要技术创新点如下:

    1、发明了有压地下水隧道注浆堵水新方法,提出了改进三臂凿岩台车等大型机械联合作业注浆工法,提高了施工效率。提出了硬岩地层海底隧道注浆和有压地下水硬岩山岭隧道注浆施工工法,通过控制浆液顶水灌浆堵水施工工法,成功封堵了有压地下水,提高了隧道围岩整体强度。发明了隧道二衬中埋式止水带固定装置,能有效地控制止水带施工质量,确保止水带固定位置准确。发明了隧道工程压力出水孔快速封堵引流装置及方法,解决了现有隧道工程钻孔发生水或泥浆喷射后封堵存在费时费力且影响正常施工的问题。保障了隧道施工安全,提高了施工效率,降低了地下水的渗透压力和渗流量,实际平均堵水效率为95.31%,最高达99.3%。

    2、提出了有压地下水隧道超前预报新技术,发明了隧道涌水量计算和海底隧道超前探水新方法,提高了超前地质预报和最大涌水量估算准确性。预报准确率在北天山隧道正洞为87.6%,平导为95%,平均准确率为91.3%。北天山隧道涌水量估算平均准确率为88.2%,青岛海底隧道涌水量准确率为87.2%。

    3、发明了注浆效果检测及耐久性评估新方法。隧道注浆效果检测新方法,突破了传统隧道注浆效果检测方法的缺陷,提高了隧道注浆效果检测的范围和准确率;地表注浆效果检测新方法提高了地表注浆效果检测的范围和准确率;发明的注浆结石体寿命测试仪,实现了对水泥类注浆结石体耐久性的评估和使用寿命的预测计算。

    4、发明了隧道充水破碎围岩高压空气驱水注浆加固方法及装置,解决了现有隧道充水破碎围岩加固时存在成本高且工艺复杂的问题。本发明通过向充水破碎围岩压入高压空气、压送轻质且遇水膨胀的封培材料、速凝浆液达到加压排水且封堵围岩的空隙水补给通道,将原有的充水破碎带注浆改为无水破碎带注浆,具有改善工艺、简化施工、提高工效及降低成本的综合效应。发明了一种可维护式隧道防水系统及其施工方法,延长了防排水系统使用周期,降低了维护次数和排水量,大幅度降低了隧道运营期间排水系统维护费用。

    有压地下水防治技术成果的应用取得了良好社会和经济效益。在北天山隧道工程中产生直接经济效益0.6亿元,青岛海底隧道直接经济效益3.7亿元,长沙营盘路湘江隧道等多个工程项目中产生直接的经济效益0.3亿元,共计直接经济效益4.6亿元,间接经济效益5.0亿元。

    本技术发明极大推动了隧道工程学科有压地下水处治理论与学科的发展,对工程界将产生深远影响。该技术发明的应用将保障施工安全,节约工程投资,降低运营费用,具有广阔应用前景。以孙均院士为主任委员的鉴定委员会一致认为“该研究成果在隧道软弱围岩破碎地段有压地下水防治技术方面总体上达到国际先进水平,其中在最大涌水量估算、注浆效果的检测、隧道排水系统的可维护性方面居国际领先水平。”

    四、推广应用情况

    由于本项目的研究成果成功解决了钻爆法施工隧道防治水的关键技术难题,在有关单位的通力合作与配合下,在8个国家重点工程中得到了推广应用,具体应用情况如下:

在精伊霍铁路北天山隧道实际工程中,本项目成功预测了北天山隧道的最大涌水量,准确率达86.31%以上。中铁17局采用本项目的研究成果,大幅度降低了注浆施工成本,提高了施工效率,缩短工期达3个月,节约经费0.6亿元。

    在胶州湾海底隧道实际工程中,采用了本项目研究成果,提高了高压海水环境下注浆堵水效果和效率,在断层破碎带地段采用注浆施工技术取得了成功,并写入了施工设计图,在全隧道中进行应用,已经完成海底断层破碎带注浆段28 段(主隧道23 段、服务隧道5 段),堵水率平均95.31%,最大堵水率达到99.3%以上,降低了隧道的漏水量,降低了工程施工成本,保证了施工安全,加快了施工进度,整个隧道工程工期提前3个月。因此,由于缩短工期和节约成本,共节约投资约3.7亿元。由于采用了“以堵为主,少量排放的可维护式的耐久性新型海底隧道防排水系统”,大幅度提高了防排水系统的使用周期,减少了防排水系统的维修次数,同时该系统能有效地减少隧道的排水量,使隧道的设计涌水量由20000m3/天降低到实际的涌水量940 m3/天,从而大幅度降低了隧道运营期间的排水费用,在100年的隧道运营期间,这两项将节约运营成本共计达5亿元以上。

    中铁隧道设计院在青岛胶州湾隧道设计中,采用了本项目研究成果,探明了地下水流量、压力等,提高了注浆段落的有效性、高压海水的注浆堵水效率,已完成海底隧道断层注浆地带28段,堵水率平均为95.31%。保障了注浆效果,提高了注浆效率,节约了投资,整个工程工期提前了3个月。

    中铁隧道集团有限公司在青岛胶州湾隧道施工过程中,采用了本项目的成果,提高了高压海水环境下注浆固堵水效果和注浆效率,在断层破碎地带采用超前探孔探水和注浆施工技术取得了成功,成果写入施工设计图,并进行指导施工,已经完成了海底断层破碎带注浆段12段,堵水率达到97%以上,最大堵水率99.3%。保障了施工安全,加快了施工进度,本标段工期缩短4个月。

    中铁二局在青岛胶州湾隧道施工过程中,采用了本项目的成果,保障了注浆效果,提高了注浆效率,节约了成本,本合同段工程工期提前了5个月,总共节约工程成本6700万元。

    中铁隧道局在长沙营盘路湘江隧道施工过程中,使用本项目研究成果,提高了注浆效率,节约了成本,本工程工期提前了4个月,总共节约工程成本3000万元。

    中铁16局在宜万铁路大支坪隧道施工过程中,采用本项目研究成果,保障了注浆施工效果,极大提高了注浆效率,节约了投资,整个工程缩短了工期3个月,共计节约投资1000多万元。

    中铁隧道股份有限公司在巴达高速魏家山隧道等4个工程中,使用了本项目研究成果后收到了良好的效果,共产生经济效益7500万元,缩短了工期约3~5个月,取得了良好的经济效益。

    五、曾获科技奖励情况(无)


    六、主要知识产权证明目录(不超过10件)

 

 

 

 

七、主要完成人情况表

(含姓名、排名、技术职称、工作单位、完成单位、对本项目技术创新贡献、曾获科技奖励情况)

1、王星华,排名第一,教授,中南大学

主要贡献:作为项目负责人,主要负责项目的总体设计,总体思路的完成,具体负责有压地下水控制技术的理论分析研究、室内模型试验研究和现场注浆试验,提出了发明专利2的设计思路与方法,提出了水泥浆注浆浆液结石体使用寿命的评估方法、评估指标、评估程序,建立了有压地下水条件下隧道最大涌水量估算的新公式,创立了有压地下水硬岩山岭隧道与硬岩地层海底隧道的注浆工艺与新工法,研究工作量占总工作量的70%。

曾获科技奖励情况:

(1)茅以升铁路教育科技专项奖,2001

(2)铁路岩溶路基水平帷幕注浆加固试验研究,湖南省科技进步三等奖,2004,第一

(3)粘土固化浆液固化剂,中国有色金属工业科学技术进步三等奖,2004,第一

(4)南京地铁软流塑地层浅埋暗挖隧道和大跨度浅埋暗挖隧道群穿越旧建筑物施工技术,江苏省科技进步二等奖,2004,第6

(5)《岩石力学与工程》教材,国家教学成果二等奖,2005,第4

(6)特殊土地层的地下水处治技术研究,湖南省科技进步二等奖,2010,第一

 

2、周书明,排名第二,教授级高工,工作单位:北京城建设计发展集团股份有限公司,完成单位:中铁隧道勘测设计研究院

主要贡献:作为青岛胶州湾海底隧道的总设计师,完成了该隧道的总体设计和防排水设计,提出了“以堵为主,限量排放”的设计原则、排放标准,完成了防排水系统的耐久性、可维护式设计,建立了承压地下水隧道超前探水新方法,提出了有关专利基本思路,形成了功法11,12,研究工作量占其总工作量的30%,

曾获科技奖励情况:无

 

3、谢文清,排名第三,工作单位,中铁二局(集团)有限公司

主要贡献:在本项目中参与了青岛海底隧道有关的防治水工程,提出了破碎岩体无止浆墙复合式注浆施工方法,并且提出了两个发明专利和一个实用新型专利的基本思路,研究工作量占其总工作量的30%。

曾获科技奖励情况:无

 

4、王振宇,排名第四,工作单位,中南大学

主要贡献:

参与了部分现场防排水试验 、现场注浆试验,以及现场的监测研究工作,研究工作量占其总工作量的30%。

曾获科技奖励情况:无

 

5、王新民,排名第五,工作单位,中铁十七局(集团)有限公司

主要贡献:在本项目中参与了北天山隧道防治水工程,提出了隧道工程压力出水快速封堵技术和相应的装置,提出了三个发明专利的基本思路,研究工作量占其总工作量的30%。

曾获科技奖励情况:无

 

6、张旭芝,排名第六,工作单位,中南大学

主要贡献:参与了部分现场防排水试验 、现场注浆试验,以及现场的监测研究工作,研究工作量占其总工作量的30%。

曾获科技奖励情况:无

 

7、荆学亚,排名第七,工作单位,中铁十七局(集团)有限公司

主要贡献:参与北天山隧道的施工、北天山隧道涌水量估算、现场注浆试验和超前地质预报准确性的部分研究工作,具体负责隧道现场地质条件的研究与超前地质预报准确性的现场试验研究工作,研究工作量占其总工作量的30%,附件2-1,11-2,15。

曾获科技奖励情况:无

 

9、王建军,排名第八,工作单位,中铁七局集团有限公司

主要贡献:承担了部分现场试验研究工作和协调现场试验工作,采与提出了隧道注浆效果检测新方法的基本原理、基本方法,研究工作占其总工作量的35%,对发明点1、2、4有重要贡献。

 

9、潘敏,排名第九,工作单位,中铁十七局(集团)有限公司

主要贡献:在北天山隧道施工现场,作为现场工程部长,参与了现场注浆、堵水的施工工作、超前地质预报和隧道涌水量测试等工作,研究工作量占其总工作量的30%。

曾获科技奖励情况:无

 

10、王武现,排名第十,工作单位:中铁十六局集团有限公司

主要贡献:参与了青岛胶州湾海底隧道的现场试验研究、现场模型试验、现场注浆试验研究,对实用新型专利提出了基本原理,参与编写了有关的施工方法,研究工作量占其总工作量的30%。

曾获科技奖励情况:无

 

11、张秋生,排名第十一,工作单位,中铁十七局集团有限公司

主要贡献:总体负责并主持北天山隧道出口段的施工任务,参与了北天山隧道突水防治、现场注浆试验和超前地质预报准确性的现场试验研究,参与了注浆效果现场检查与评价方法研究,提出了发明专利2的基本原理。研究工作量占其总工作量的30%。

曾获科技奖励情况:无

 


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