京張高鐵清華園隧道建造關鍵技術創新與應用

趙 勇，呂 剛，劉建友，劉 方

(1.中國鐵路經濟規劃研究院有限公司,北京 100038；2.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

引言

隨著我國鐵路工程和市政公路工程的大規模開發建設，在城市密集區域修建大直徑盾構隧道的工程案例在不斷增加：如北京鐵路地下直徑線[1-3]、天津鐵路地下直徑線[4-5]、上海虹橋綜合交通樞紐[6]、上海長江西路越江隧道等工程[7-8]。

北京鐵路地下直徑線連接北京西站與北京站，全長9 151 m，其中隧道全長7 285 m，占線路總長的79%，盾構隧道5 175 m，采用外徑為11.6 m的盾構施工，最大開挖深度41 m，最小覆土厚度1.5 m，盾構施工先后安全通過護城河、天寧寺橋、西便門橋、地鐵4號線宣武門站、與既有地鐵2號環線南段平行布置。隧道主要穿越的地層為卵石層、圓礫層，局部為粉質黏土層、粉土層和粉質黏土層等土層，地層中存在φ650 mm的大直徑卵石，并且存在砂層與卵石層的膠結，最大抗壓強度約30 MPa[9-11]。

天津鐵路地下直徑線連接天津站和天津西站，線路全長約5 005 m，其中隧道長3 312 m，盾構區長度為2 146 m，采用1臺直徑11.97 m的泥水盾構機從天津站端始發，盾構隧道管片外徑11.6 m，內徑10.6 m，每環管片縱向長度1.8 m。地層主要為黏性土、淤泥質土、淤泥、粉土、粉砂及細砂。盾構隧道穿越海河、南運河、獅子林橋、金鋼橋、慈海橋及其他多座景觀區、房屋建(構)筑物，施工環境復雜、沿線地下管線和不明障礙物多，且受城市施工條件限制，盾構需在半徑600 m曲線段接收[12-13]。

上海虹橋綜合交通樞紐迎賓三路隧道工程采用直徑14.27 m土壓平衡盾構機，盾構穿越七莘路高架、北橫涇、機場滑行道、機場主跑道、機場航油管、停機坪、101鐵路及歷史保護建筑物，掘進長度1 862 m。迎賓三路隧道于2009年開工，2011年3月22日全線貫通[14-17]。

近年來，我國在城市密集區陸續修建了一些大直徑盾構隧道工程，逐步積累了一些工程經驗，相關技術水平得到了長足發展，但仍有一些理論和技術問題有待進一步深入研究，主要表現在：

(1)大直徑盾構隧道掘進對地層擾動的定量分析尚不夠明確和完善，其中包括擾動范圍、擾動程度、變形特征等[18-20]；

(2)盾構隧道穿越城市密集區建(構)筑物尤其是軌道交通繁忙線路的風險識別、評價、管理，以及應急安全保障措施和工后評價等問題；

(3)城市密集區盾構隧道施工過程的可視化監控、預測技術；

(4)城市密集區盾構隧道環保施工技術，尤其是泥漿的無害化處理技術[21-22]；

(5)大直徑盾構隧道結構運營期長期健康監測的方法和分析評價體系。

1 工程背景

1.1 工程概況

清華園隧道是新建北京至張家口高速鐵路重點控制性工程之一。全隧位于北京市海淀區，于學院南路南側入地，沿原京包鐵路向北敷設，五環路內出地面，呈“V”形坡。隧道自南向北依次穿越學院南路、北三環、知春路、北四環、成府路、清華東路、雙清路共7條主要市政道路和106條重要市政管線；同時，清華園隧道還上穿地鐵12號(在建)、10號、15號線等3條地鐵線，隧道近距離并行側穿地鐵13號線(隧道結構與橋樁最近處僅3.4 m)。清華園隧道是目前國內位于城市核心區，穿越重要建(構)筑物最多的國鐵單洞雙線大直徑盾構高風險隧道之一，是目前北京地區直徑最大的盾構隧道，盾構隧道內徑11.1 m，外徑12.2 m。本隧區段設計速度目標值為120 km/h。清華園隧道進口里程為DK13+400，出口里程為DK19+420。分段施工工法如圖1所示。

圖1 清華園隧道施工區段平面示意(單位：m)

清華園隧道建成后，進入北京北站的列車將全部入地，實現了學院南路、成府路、清華東路道路立交(現有四道口、五道口、雙清路道口等鐵路道口將移除)，這將有效緩解地面市政道路交通擁堵問題，減輕地面交通壓力，改善出行環境。清華園隧道充分利用地下空間，達到了減少占地、降低環境影響、消除城市分割的設計目的，有利于城市區域合理規劃。

1.2 工程地質特征

地層以第四系全新統人工堆積層(Q4ml)雜填土和第四系全新統沖洪積層(Q4al+pl)黏性土、粉土、砂類土、圓礫土及卵石土，地層參數見表1所示。

表1 地層主要參數

1.3 水文地質特征

清華園隧道隧址區主要含有上層滯水、潛水和承壓水，其中上層滯水埋藏深度一般在3.4～5.7 m，潛水分布在兩個地層層位：①層間潛水的水位高程為31.86～34.40 m(水位埋深為15.2～18.0 m)，②層間潛水的水位高程為23.50～27.50 m(水位埋深為22.0～24.0 m)。隧址區承壓水埋深較大，對本隧道無影響。地下水對混凝土具微腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具微腐蝕性，在干濕交替條件下，對鋼筋混凝土中的鋼筋具弱腐蝕性，對鋼結構具弱腐蝕性。

2 清華園隧道技術難點及解決措施

清華園隧道的技術難點及相應的解決措施如下。

(1)隧道長距離穿越黏粒含量高的硬塑粉土和卵石地層，其中夾雜密實粉砂透鏡體，易產生黏土糊刀盤及刀具磨耗嚴重等問題，施工風險較高。針對該地層，設計中對盾構選型和刀盤配備進行了專項研究，采用了常壓換刀、刀盤自動沖洗等先進技術，制定了切實可靠的方案。

(2)全隧近距離并行地鐵13號線、穿越3條地鐵線及7處繁忙的市政道路，重要管線多，周邊建筑物密集，對地層變形控制要求極其嚴格，必須制定更明確、更周密、更安全的變形控制標準、措施和方案。為保證施工安全、滿足地層沉降要求，設計施工過程中對多種施工工法和工藝進行了詳細分析研究，最終選擇采用泥水平衡盾構法施工，這是目前對沉降控制最有效的施工方法；同時，對每處風險源進行安全評估和風險等級劃分，根據不同的風險等級，采取配套防護措施，對癥下藥，保證周邊建筑物安全。

(3)隧道周邊分布居住區、學校及醫院，對施工和運營振動、噪聲、污染等要求嚴格，對環保施工和施工減、降振提出了更高的要求，通過采用控制盾構掘進參數和姿態，預制拼裝等技術解決了環保施工的問題。

(4)本線為2022年冬奧會交通保障工程，須在2019年底通車，受拆遷影響，施工滯后計劃工期，剩余工期異常緊張，采用軌下預制拼裝結構等技術極大提高了施工工效，縮短了工期。

(5)隧道位于城市繁華區地下，斷面空間狹小，防災疏散救援結構布局及設備布置難度大，研發了繁華城區明洞盾構組合長大隧道防災救援疏散綜合技術，保障了運營安全。

為更好地解決清華園隧道以上技術難題，為京張高鐵建設做好技術保障，同時為以后類似工程項目積累經驗，經鐵路總公司研究批準，依托京張高鐵清華園隧道工程，開展城市密集區復雜地質高風險大直徑盾構隧道施工關鍵技術研究，其主要研究內容包括：(1)大直徑盾構隧道掘進技術及周邊地層擾動特征研究；(2)大直徑盾構施工的城市軌道線路變形控制和安全保障技術研究；(3)盾構隧道洞內軌下結構的預制拼裝技術研究；(4)大直徑盾構隧道結構長期變形監測技術研究；(5)城市繁華區大直徑鐵路盾構隧道防災疏散救援技術研究。

3 主要創新成果及應用

以京張高鐵清華園隧道工程為依托，開展了復雜地質條件下高風險大直徑盾構隧道施工關鍵技術研究，取得了如下創新性成果。

3.1 首次提出了軌下結構全預制拼裝技術，并在工程中成功應用

清華園隧道軌下結構和附屬管槽均進行預制化拼裝建造，在國內首次實現了盾構軌下結構全預制拼裝。

3.1.1 全預制拼裝技術的意義

全預制拼裝技術是指隧道的主體結構，包括支護結構、軌下結構、水溝電纜槽等均采用工廠化預制、現場拼裝建造的施工技術。采用全預制軌下拼裝結構，解決了現澆軌下結構施工對盾構掘進的干擾，實現了軌下結構和掘進作業平行同步施工，創新了盾構隧道設計建造理念。全預制拼裝結構與現澆混凝土結構相比，該施工方法機械化程度高，施工速度快，預制構件運至現場即可利用機械進行拼裝，大大提高了工人的工作效率和機械使用效率；工廠化預制件生產可實現構件的標準化，且對其做好防護措施后不受自然環境影響，可以充分保證預制件質量和批量化生產，構件統一生產的標準性和規范性也確保了現場施工的質量和效率；現場施工無需周轉材料、無需占用大量材料堆場，施工時間大為減少，可有效降低盾構隧道的建設成本；工廠化生產、現場拼裝，除后續砂漿灌封，無現場混凝土澆筑，避免了商品混凝土到場不及時、甚至遇政策調整及天氣情況影響無法開展混凝土運輸的問題。

3.1.2 軌下預制結構設計

清華園隧道的管片、軌下結構及水溝電纜槽均采用了預制拼裝結構，其中軌下結構采用三塊箱涵拼裝設計，即中間一塊中箱涵，左、右兩側各一塊邊箱涵拼裝而成，如圖2所示。中箱涵分三種型號：A型中箱涵長3.3 m，寬1.98 m，高2.805 m；理論混凝土方量6.18 m3；該型箱涵用在清華園隧道軌下結構普通段。B型中箱涵用于逃生通道樓梯段，理論混凝土方量7.53 m3，每100 m使用2塊。C型中箱涵側壁開孔，理論混凝土方量5.991 m3，隧道每隔三、四百米設置一處該型箱涵，用于通風通道，共24塊。邊箱涵分A和B兩種類型，A型邊箱涵用于普通段，與A型中涵及B型中涵兩側拼裝，理論混凝土方量4.74 m3；B型邊箱涵側壁開孔，與C型中箱涵側壁開孔相拼裝，理論混凝土方量4.58 m3。

圖2 軌下預制結構示意

3.1.3 軌下結構預制

箱涵預制生產工藝主要分為鋼筋、模板、混凝土三大工序。

鋼筋原材進場經試驗室檢驗合格后，開料投入使用。直螺通過鋼筋切斷機切成指定長度，盤條通過調直切斷機調直切斷。切制完成的鋼筋經過彎曲機、彎箍機加工，制成鋼筋半成品備用。鋼筋籠焊接在專用焊接胎具上完成，保證了鋼筋籠的尺寸精度。焊接人員依次將箍筋、底筋、面筋等穿入胎具中，采用CO2保護焊將鋼筋籠焊接成型，經行車吊至指定區域存放。

箱涵生產采用固定臺座生產方式，箱涵鋼模采用精度高、強度高、不漏漿、性能穩定且連續生產不變形的全新模板，根據生產任務及工期安排，投入13套中箱涵模型(其中包括1套逃生通道模型)和11套邊箱涵模型(1套包括左右兩塊邊箱涵模型)。

攪拌完成的混凝土放至運輸罐車中，由罐車運輸至箱涵生產現場，由龍門吊吊運灰斗進行灌注作業。最終，混凝土在人工振搗棒作用下振搗成形。混凝土灌注完成后，進入下一塊模型的生產。

箱涵生產繼續流轉，當表面溫度與環境溫度相差符合要求，且達到拆模強度時，拆除相關預埋件，打開模板，由專門吊具吊出模具。龍門吊吊裝箱涵進入灑水養護區，經過14 d的灑水養護，吊運至存放場繼續養護存放至出廠。

3.1.4 軌下結構拼裝

清華園隧道軌下結構采用3塊獨立箱涵拼裝形式(2塊邊箱涵和1塊中箱涵)，中箱涵隨盾構機掘進利用盾構機自帶箱涵拼裝機施工，邊箱涵由特制邊箱涵拼裝機進行拼裝，滯后于中箱涵，位于盾構機四號臺車尾部。

邊箱涵預制件拼裝機主要由車架、行走車輪組、行走驅動機構、小車供電、橫移機構、四點起吊三點平衡機構、旋轉機構、U形吊具、箱涵件調整定位機構等組成。該設備可以將邊箱涵預制件從運輸車吊起，并平移旋轉調整后移動到指定安裝位置，最終將邊箱涵預制件精確安裝于中箱涵兩側，實現邊箱涵快速施工。

3.2 開發了大直徑盾構施工過程可視化平臺，實現了盾構施工的可視化監控和實時預測預報

清華園隧道搭建了基于三維BIM模型和VR技術的可視化、信息化智慧施工管理監控平臺，如圖3所示，實現對掘進、拼裝、注漿等施工環節的全過程管理和監控，同時實現了對風險的可視化實時預測和分析。盾構機采用常壓換刀技術，有效降低施工風險。

圖3 可視化信息化智慧管理監控平臺

(1)基于清華園隧道沿線水文地質勘察、周邊既有建(構)筑物相對位置關系調查及工程措施(包括盾構施工參數及防護措施)監控及數值模擬，實現了盾構掘進過程中地質條件、周邊建(構)筑物、工程措施的數字化。通過以上方法，將地層資料及參數數字化后植入到施工系統中，盾構掘進過程中可以即時獲取當前所處地質環境及風險源環境，同時可以獲取盾構施工參數，如果需要施作防護措施，則防護措施信息及仿真結果同樣可以在施工系統獲取。

(2)基于清華園隧道實測數據資料，建立了基于Peck理論及神經網絡理論的地層沉降預測模型，實現了盾構隧道施工引起地層沉降及周邊風險源沉降的可靠預測及預測結果的可視化顯示。通過對前期盾構施工引起地層沉降的實測數據的分析總結，基本摸清了清華園隧道在粉質黏土及砂卵石地層中施工引起地層沉降的規律，進而建立相應的預測模型，可對沉降進行可靠預測。同時，根據既有建(構)筑物與隧道的空間位置關系，可以進一步預測其施工變形響應。此預測結果可以在施工系統中可視化顯示。

(3)基于清華園隧道周邊風險源的風險等級、變形控制標準、施工數據監測及沉降預測模型，實現了施工引起臨近建(構)筑物危險性的實時預測預報。通過對沉降實測值的分析總結，對預測方法進行不斷完善，當預測值在容許誤差范圍內，可與控制標準進行比較。如果預測值超過控制標準則報警；如果未超過控制標準則安全。當超過控制值，則需要反饋調整盾構施工參數。

(4)基于清華園隧道地質條件、風險源、工程措施的數字化技術，實時預測預報及其可視化顯示技術，建立了京張高鐵清華園隧道智能建造系統。該系統可以實現盾構施工進度、盾構實時及歷史掘進參數的即時顯示，地層及風險源施工變形響應的實時預測與風險源安全狀態的實時判別，監測數據的上傳及測點歷時曲線與沉降槽的繪制，盾構施工實時視頻監控等功能，使施工人員的動態管理成為可能，為清華園隧道的信息化、智能化施工提供了堅實保障。

3.3 研制了城市盾構泥漿環保處理技術，解決了盾構隧道泥漿運輸和環境污染問題

清華園隧道地處北京市海淀區境內，位于北京市城市核心區，盾構機在全斷面黏土地層掘進，刀盤極易結泥餅，施工廢漿量大、處理困難；粉質黏土地層長達1 200 m，粒徑在50 μm以下成分在粉質黏土地層中占比50%以上，目前此類黏土顆粒較難通過泥水分離設備分離，掘進期間需廢棄大量泥漿。因施工地點位于北京市海淀區，無處理場地成為制約盾構施工效率的一大難點，同時受特殊性政策及北京市高標準環保要求的影響，泥漿處理也是制約施工的一大難題。

為響應京張高鐵綠色辦奧運理念，清華園隧道盾構施工采用ZXSⅡ-2500/20泥水處理設備、壓濾設備、離心設備相結合的泥漿綜合處理技術，實現泥漿的循環利用，達到綠色環保、節能高效的施工目標。

泥漿處理過程分為以下幾個步驟：泥漿收集→泥漿改性→壓濾(含送漿、建壓)→排水→隔膜壓榨→吹氣脫水→卸料→管路沖洗。全部壓濾流程均為PLC自動控制，自動進行壓濾流程切換；壓濾后渣料含水率可低至23%，可以直接裝車外運。壓濾后回收的清水直接回調漿池與二級旋流后的泥漿混合，使比重還原到進泥所需之值，實現泥漿重復利用。

工科新教師培訓的目標網絡必然體現個人目標與學校目標的有機統一，體現知識掌握、技能訓練、理念培育、行為養成、能力發展目標的相輔相成與互促互進，實現短、中、長期目標的有機結合。

3.3.1 技術原理

(1)采用預篩分，一、二級旋流分離，實現盾構循環泥漿中砂、泥的良好分離。

(2)采用脫水篩高頻振動脫水，實現對外棄渣含水率≤23%，適合自卸汽車直接運輸。

(3)采用壓濾設備處理多余的廢漿來保證地面工程泥漿的零排放。

(4)采用制調漿設備，實現盾構環流系統的流量平衡、物質平衡及環流泥漿調節與快速補償。

(5)采用PLC集中控制室遠程控制模式，實現地面泥水處理系統的遠程集中控制及實時監控。

3.3.2 泥水處理設備

泥水處理設備如圖4所示。盾構掘進時排出的污漿由排泥泵經分配器分配后送入泥水分離設備的進漿槽，經過預篩分器的兩層粗篩振動篩選后，將粒徑在3 mm以上的渣料分離；篩余的泥漿進入一級儲漿槽，由2臺渣漿泵分別給2套一級旋流器組進料，經過旋流除砂器分選，粒徑微細的泥砂由下端的沉砂嘴排出，落入除泥篩的下層細篩，旋流除砂器的溢流進入一級中儲箱，沿排漿管排出或進入一級或二級儲漿槽，由二級旋流除砂器進漿泵泵入二級旋流除砂器組，二級旋流除砂器組底流口濃漿進入除泥篩的上層細篩，一、二級旋流器底流經細篩脫水篩選后，干燥的細渣料分離出來，篩下漿液進入一級儲漿槽池；二級旋流器溢流自溜槽流入沉淀池或調漿池或二次除砂系統。

圖4 泥水分離設備

3.4 探明了大直徑盾構土層擾動特征，預確定了相應地層盾構施工關鍵參數，提高盾構施工安全度和工效

(1)針對大直徑泥水盾構掘進對周邊地層擾動，對3號井盾構掘進擾動情況進行了數值模擬與現場監測，得到了盾構掘進對周圍土體的水平擾動特征，如圖5、圖6所示。土體的水平位移主要發生在盾構脫環之后。盾構施工最終產生的應力釋放率在0.13左右，顯著地表沉降范圍為隧道軸線兩側20 m，應在盾構切口到達相應斷面前12 m(約1倍洞徑)開始監控水平位移的變化，在盾構通過期間為重點監控防范階段，當盾構刀盤通過相應斷面超過20 m(約1.6倍洞徑)之后，可減小對相應斷面的監控防范頻率。

圖5 大直徑盾構變形影響范圍的數值模擬結果

圖6 清華園隧道沉降現場監測結果

(2)針對盾構機進行掘進適應性分析，尤其是對兩個盾構區間出現的特殊情況進行研究，總結了問題產生的原因及處理措施。主要針對2號井盾構區間掘進效率低、盾構機盾尾隆起及3號井刀盤刀具磨損等問題進行盾構掘進適應性分析，給出了相應的處理措施。

(3)基于盾構掘進關鍵參數記錄及地勘資料，運用數理統計的分析方法，確定了盾構施工掘進關鍵參數與地層參數之間的變化關系。刀盤扭矩、盾構推力及掘進速度表現出明顯的分階段性變化規律，當盾構掘進從粉質黏土地層進入到復雜互層，呈現出刀盤扭矩和盾構推力大幅變大、掘進速度變慢的趨勢。對于掘進參數的選擇與控制，盾構機操控人員應在保證掘進速度的前提下實時地根據地勘資料進行調整。

(4)針對清華園大直徑泥水盾構超淺埋始發問題進行了總結與分析研究，包括洞門端頭土體加固技術等始發關鍵技術以及始發掘進參數控制，通過數值模擬確定了始發段加固范圍，驗證了加固技術的可靠性。始發段加固范圍為盾構外輪廓線上、下、左、右各5 m，隧道掘進方向17 m，垂直隧道軸線方向22 m。使用旋噴樁進行土體加固后，土體性質得到大幅改善，洞門破除后的土體滿足穩定性要求。

3.5 提出了大直徑盾構施工對周邊環境影響的變形控制和安全保障技術，最大程度減小了盾構隧道施工對周邊建(構)筑物的影響

清華園隧道盾構段工程是一項極復雜、高風險的工程。其風險控制主要存在以下幾個問題：(1)理論研究不充分。風險分析長期來看具有較大的研究潛力，但目前相關研究較少，距離“工程精算”的目標相差甚遠。(2)預測預報不準確。風險控制影響因素多而復雜，一般僅考慮主要因素，簡化次要因素的影響，還無法做到精準預測。(3)監控量測不及時。建立隧道沉降測量嚴格控制網，監測數據未實現實時同步更新，信息反饋效應產生一定的滯后。(4)過程控制不精細。施工過程控制雖然可細化到每一步施工過程，但偏向宏觀控制，控制精細化程度仍需進一步提高。因此，為保證項目的順利實施，深入研究盾構施工過程的變形控制和安全保障技術十分必要。

針對清華園隧道的風險特點，提出了盾構施工的城市軌道線路變形控制和安全保障技術，主要成果如下。

(1)基于周邊環境設施的重要性、與清華園隧道的接近程度、周邊環境設施的狀況，結合數值仿真方法，確定了隧道施工影響下的風險源及風險等級。根據以上方法共確定風險源48處，并給出其風險等級，確定重要風險源為：城鐵13號線高架橋，成府路、北四環、知春路及知春路地鐵站、北三環、大鐘寺地鐵站、學院南路。

(2)基于既有建(構)筑物的損傷評估體系，結合數值仿真方法，確定了隧道施工影響下重要風險源的變形控制指標及其三階段控制標準。通過數值仿真模擬施工過程并綜合相關建(構)筑物的損傷折減系數制定其變形控制標準，根據北京市地鐵運營公司對于跨越地鐵工程列車安全運營有關規定或意見，將控制值的85%作為報警值，70%作為預警值，得到重要風險源的三階段控制標準，其中主要風險源的控制標準如表2所示。

(3)基于安全狀態識別，通過地層變形過程預測、實時監測及大數據融合分析方法，提出了透明化施工方法，為盾構施工參數的合理選擇提供了理論依據，實現了施工全過程的安全可控。建立了包括基于Peck及神經網絡的預測方法，通過數據學習預測盾構施工影響下的地層變形，結合變形的傳播方式，進一步預測既有建(構)筑物的變形，通過與實測變形比對，進一步完善預測方法的完備性與準確性；通過實測變形與控制標準進行比對，判斷其安全狀態，若變形過大，則通過建立的預測模型反分析調整施工參數，保證施工全過程的安全可控。

表2 主要風險源的控制標準

注：墩柱傾斜的控制標準為墩柱傾斜的斜率。

(4)基于重要建(構)筑物的變形監測結果，為施工安全提供判斷依據，同時為預測方法提供數據支撐，提升預測方法的準確度。通過對13號線高架橋、成府路和知春路等重大風險源進行監測結果分析，得益于施工參數的優化及結構物自身大剛度的原因，結構物在施工影響下的變形均在控制范圍以內。

4 結語

清華園隧道是目前國內位于城市核心區，穿越地層最復雜、重要建(構)筑物最多的國鐵單洞雙線大直徑盾構高風險隧道之一，設計和施工存在諸多難題。為了更好地解決這些難題，展開了復雜地質條件下高風險大直徑盾構隧道施工關鍵技術研究，取得了如下創新性成果。

(1)首次提出了全預制拼裝技術。盾構隧道軌下結構均采用全預制機械化拼裝技術，并專門研發了機械化拼裝機器人，實現了軌下結構建造工廠化、機械化、專業化和智能化，解決了現澆軌下結構施工對盾構掘進的干擾，提高了功效和工程質量，同時極大改善了作業環境。

(2)開發了大直徑盾構施工過程可視化平臺。基于清華園隧道實際工程資料及數值模擬，建立了基于Peck理論及神經網絡理論的地層沉降預測模型，實現了盾構隧道施工引起地層沉降的可靠預測及可視化顯示，以及施工引起臨近建(構)筑物危險性的實時預測預報，并建立了清華園隧道智能建造系統。

(3)研制了城市盾構泥漿環保處理技術。針對清華園隧道盾構機在全斷面黏土地層掘進，存在刀盤極易結泥餅、施工廢漿量大、處理困難等問題，研發了泥漿環保處理技術，解決了盾構隧道泥漿運輸和環境污染問題。

(4)研究了大直徑盾構土層擾動特征及盾構施工關鍵技術。通過現場監測、數值模擬和理論分析，探明了大直徑盾構隧道施工土層的擾動特征，分析了盾構機的適應性，通過調整盾構掘進參數，減少了盾構刀盤的磨損，提高了盾構掘進速度。

(5)提出了大直徑盾構施工對周邊環境影響的變形控制和安全保障技術。針對清華園隧道的風險特點，確定了隧道施工影響下的風險源及其風險等級，確定了隧道施工影響下重要風險源的變形控制指標及其三階段控制標準，并基于重要建構(筑)物的變形監測結果，提出了透明化施工方法，為施工是否安全提供判斷依據。