楊建中

(滬寧城際鐵路股份有限公司，江蘇南京210000)

滬寧城際鐵路沉降監(jiān)控方法與施工安全技術(shù)研究

楊建中

(滬寧城際鐵路股份有限公司，江蘇南京210000)

針對(duì)滬寧城際鐵路超短工期內(nèi)沉降控制問(wèn)題，采用三種沉降監(jiān)測(cè)方法揭示路基沉降變形規(guī)律，并提出了復(fù)合模量法(加固區(qū))結(jié)合e－lgp曲線(下臥層)的沉降估算方法。對(duì)于緊臨既有線的新線施工“雙向”影響安全控制技術(shù)，形成了以設(shè)置應(yīng)力釋放孔、靜壓施工與跳打施工為核心的緊臨既有線預(yù)應(yīng)力管樁施工工法，解決了新線施工對(duì)既有線的振動(dòng)及擠壓?jiǎn)栴}。同時(shí)，建立了基于風(fēng)險(xiǎn)分析的施工天窗優(yōu)化模型和施工組織優(yōu)化方法，并基于既有線路基靜動(dòng)力測(cè)試，提出了緊臨既有線路基安全監(jiān)控方法，形成了保證既有線安全運(yùn)營(yíng)以及應(yīng)急搶修成套技術(shù)。

城際鐵路 緊臨既有線 沉降監(jiān)測(cè) 管樁施工 施工安全

滬寧城際鐵路全長(zhǎng)300.209 km，線路走向基本與既有京滬鐵路滬寧線平行，設(shè)計(jì)速度300 km/h，是長(zhǎng)三角地區(qū)城際鐵路網(wǎng)的主骨架。其工程建設(shè)具有4大技術(shù)特點(diǎn):①工期緊迫，建設(shè)工期僅24個(gè)月。如何確保路基在短時(shí)間內(nèi)沉降穩(wěn)定，達(dá)到鋪設(shè)無(wú)砟軌道板的條件，是實(shí)現(xiàn)工期目標(biāo)的關(guān)鍵;②工后沉降控制嚴(yán)格，線路所經(jīng)軟土地基比例多，路基比例高達(dá)34%，工后沉降控制難度高;③經(jīng)歷四次重大技術(shù)調(diào)整，橋梁荷載及梁型變化、速度值和軌道類(lèi)型改變、線間距調(diào)整、車(chē)站站線調(diào)整，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)由最初的200 km/h有砟軌道改為300 km/h無(wú)砟軌道;④緊臨既有線施工，滬寧城際鐵路施工段臨近既有京滬線達(dá)170 km，既有線行車(chē)與新線施工相互干擾，施工難度大，安全要求高。鑒于以上技術(shù)特點(diǎn)，在滬寧城際鐵路建設(shè)時(shí)對(duì)其沉降的監(jiān)控與預(yù)測(cè)、施工安全技術(shù)方案的制定與實(shí)施展開(kāi)了研究，以保證既有線運(yùn)營(yíng)、新建線路施工的雙安全。

1 路基沉降監(jiān)控

1.1 選取代表性斷面現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與試驗(yàn)

依托滬寧城際鐵路站前Ⅲ標(biāo)工程，選擇共計(jì)6個(gè)代表性斷面作為試驗(yàn)段(表1)。試驗(yàn)段地形起伏，表層為粉質(zhì)黏土，褐灰色，軟塑～硬塑，厚0.5～9.8 m。其下為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，軟基處理多采用CFG樁加固，淤泥質(zhì)黏土較厚、埋置較深地段采用管樁處理。其中，斷面DK70+020的設(shè)計(jì)橫斷面構(gòu)造如圖1所示。

表1 試驗(yàn)斷面基本資料

圖1 DK70+020設(shè)計(jì)橫斷面(單位:m)

依托試驗(yàn)斷面，采用室內(nèi)外試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等方法開(kāi)展以下幾個(gè)方面的研究。

1)地基土的基本物理力學(xué)指標(biāo)

滬寧城際鐵路Ⅲ標(biāo)試驗(yàn)段沿線多段路基下伏2～6 m淤泥質(zhì)黏土，地質(zhì)情況較惡劣。為查明地基土物理力學(xué)參數(shù)，采用靜力觸探與室內(nèi)土工試驗(yàn)進(jìn)行研究，為后期估算地基的沉降值，指導(dǎo)室內(nèi)試驗(yàn)，地基處理設(shè)計(jì)，以及沉降變形預(yù)測(cè)奠定基礎(chǔ)。

按現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試元件埋設(shè)位置進(jìn)行鉆探，取土位置主要集中在路基中心線和兩側(cè)坡腳處。靜力觸探可獲取土層剖面、提供承載力、選擇樁端持力層和預(yù)估單樁承載力等，獲取的參數(shù)通過(guò)查規(guī)范或由經(jīng)驗(yàn)算式計(jì)算得到地基壓縮模量、天然地基基本承載力、極限承載力及不排水抗剪強(qiáng)度等。以DK70+020斷面為例，其土體參數(shù)見(jiàn)表2、表3。

表2 DK70+020處斷面土的物理指標(biāo)

表3 DK70+020處斷面土的壓縮性指標(biāo)和直剪試驗(yàn)結(jié)果

2)無(wú)砟軌道路基沉降變形監(jiān)測(cè)技術(shù)

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試自2009年1月至2010年5月，歷時(shí)17個(gè)月，不間斷測(cè)試。分別采用單點(diǎn)沉降計(jì)(圖2)、分層沉降管(圖3)、沉降板(圖4)三種方法開(kāi)展沉降測(cè)試研究。主要測(cè)試內(nèi)容包括:地表總沉降、地基土分層沉降、加固區(qū)沉降等。通過(guò)測(cè)試獲取了滬寧城際鐵路地基沉降變化規(guī)律，為工后沉降預(yù)測(cè)提供了理論依據(jù)。

3)路基填筑性狀與變化規(guī)律

依托6個(gè)典型沉降變形測(cè)試斷面，進(jìn)行了側(cè)向位移、地基土應(yīng)力、土工格柵變形與應(yīng)力、樁土應(yīng)力比、孔隙水壓力消散速度等監(jiān)測(cè)，判定沉降預(yù)留值、預(yù)壓期等指導(dǎo)施工的關(guān)鍵參數(shù)的合理性，總結(jié)提出路基沉降變形測(cè)試方法。測(cè)試獲取了土工格柵工作性狀、不同類(lèi)型地基處理方法的荷載分擔(dān)、應(yīng)力分布變化規(guī)律、深層地基土孔壓變化規(guī)律等，掌握了樁網(wǎng)、樁筏等不同結(jié)構(gòu)形式的路基在填筑、預(yù)壓階段的主要工作性狀，為評(píng)估路基沉降變形發(fā)展趨勢(shì)、確保科學(xué)合理指導(dǎo)施工提供依據(jù)。

圖2 斷面DK70+020沉降發(fā)展曲線(單點(diǎn)沉降計(jì))

圖3 斷面DK70+020分層沉降沿深度變化

圖4 斷面DK70+020各部位沉降板曲線

1.2 估算路基沉降以確定鋪軌時(shí)間

工后沉降預(yù)測(cè)是確定鋪軌時(shí)間的依據(jù)，針對(duì)目前沉降估算精度難以滿足無(wú)砟軌道高速鐵路要求的問(wèn)題，基于前期研究獲取的土工參數(shù)，采用規(guī)范法、經(jīng)驗(yàn)公式法、解析法對(duì)滬寧城際鐵路6個(gè)試驗(yàn)斷面開(kāi)展沉降計(jì)算研究，經(jīng)對(duì)比分析最終確立復(fù)合模量法計(jì)算加固區(qū)沉降，e－lgp曲線計(jì)算下臥層沉降，得出的變形模量計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)較為接近。鋪軌時(shí)間的確定主要依賴(lài)于對(duì)實(shí)測(cè)曲線的推算。通過(guò)引入預(yù)測(cè)學(xué)中的變權(quán)重法，分別對(duì)雙曲線法、GM(1，1)法及星野法預(yù)測(cè)模型進(jìn)行優(yōu)化組合，得到新的變權(quán)重組合預(yù)測(cè)模型，該模型的預(yù)測(cè)結(jié)果精度更高且結(jié)果唯一，工程應(yīng)用性?xún)?yōu)越。

根據(jù)上述綜合沉降估算法與變權(quán)重組合推算方法，計(jì)算得到較精確的路基沉降發(fā)展趨勢(shì)，為確定鋪軌時(shí)間提供了依據(jù)。計(jì)算和測(cè)試結(jié)果均顯示，滬寧城際鐵路6個(gè)試驗(yàn)斷面工后沉降滿足控制要求。沉降計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相互驗(yàn)證，總結(jié)出的沉降計(jì)算方法與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)為確保工程質(zhì)量在超短工期內(nèi)完成進(jìn)度提供了技術(shù)保障。

2 新線建設(shè)與既有線安全運(yùn)營(yíng)雙向影響

為保證建設(shè)期間新線施工與既有線運(yùn)營(yíng)的雙安全，主要從工法改進(jìn)、加強(qiáng)施工管理以及現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控等方面進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn)。

2.1 緊臨既有線管樁施工技術(shù)研究

為把滬寧城際鐵路施工對(duì)既有線的影響控制在安全范圍以?xún)?nèi)，從設(shè)計(jì)、組織管理、施工工藝角度出發(fā)提出對(duì)策。其中，重點(diǎn)研究了緊臨既有線預(yù)應(yīng)力管樁施工工藝。工程實(shí)踐表明，由于預(yù)制管樁在施工過(guò)程中引起的振動(dòng)、擠土和噪聲對(duì)周?chē)h(huán)境的不良影響，尤其打樁產(chǎn)生的應(yīng)力波會(huì)造成周?chē)馏w的強(qiáng)烈振動(dòng)，將影響既有線的運(yùn)營(yíng)安全。

為防止打樁施工對(duì)既有線的振動(dòng)以及擠壓影響，緊臨既有線預(yù)應(yīng)力管樁施工采用了設(shè)置應(yīng)力釋放孔、靜壓施工、調(diào)整施打順序等工藝優(yōu)化措施(圖5)。其中，應(yīng)力釋放孔(孔間距3～5 m、孔徑0.5 m)設(shè)置在緊臨既有線側(cè)，深度≥10 m且≥1/2樁長(zhǎng)，長(zhǎng)度10～19 m。

圖5 成樁施工優(yōu)化技術(shù)示意

該成樁施工安全技術(shù)可從三個(gè)方面減小對(duì)既有線的影響:①通過(guò)在緊臨既有線側(cè)設(shè)置應(yīng)力釋放孔，對(duì)管樁施工的擠土效應(yīng)進(jìn)行有效釋放，阻斷土體繼續(xù)向既有線側(cè)傳遞;②采用靜壓施工取代動(dòng)力打樁，無(wú)振動(dòng)和施工噪音;③成樁采用跳打順序，盡早形成帷幕，抑制既有線側(cè)的擠土效應(yīng)，為超孔隙水壓力提供充足的消散時(shí)間。

2.2 緊臨既有線施工安全管理研究

針對(duì)緊鄰既有線施工和交通運(yùn)輸相互干擾的問(wèn)題，提出動(dòng)態(tài)不確定環(huán)境下，基于風(fēng)險(xiǎn)分析的施工天窗優(yōu)化模型，尋找可行性和最優(yōu)性上的平衡策略。創(chuàng)造性提出了施工組織與交通運(yùn)輸組織協(xié)調(diào)分析的管理理念。

通過(guò)4組試驗(yàn)(圖6)，分別模擬股道垮塌不同狀態(tài)下(發(fā)生時(shí)間、垮塌嚴(yán)重程度、搶修作業(yè)方式)搶修施工作業(yè)，模擬分析其封鎖施工作業(yè)所需時(shí)間。在每組試驗(yàn)狀態(tài)下，考慮對(duì)車(chē)站列車(chē)運(yùn)行影響小，施工持續(xù)總時(shí)間短，既有利于施工單位連續(xù)施工、盡早完工，也利于降低對(duì)既有線行車(chē)的干擾，得出計(jì)算優(yōu)化解(圖7)。實(shí)踐證明，該模型消解了沖突，建立了施工組織優(yōu)化方法，具有較強(qiáng)的可操作性，為解決施工與運(yùn)營(yíng)雙安全問(wèn)題奠定了理論基礎(chǔ)。

圖6 試驗(yàn)?zāi)M施工優(yōu)化方案原理

圖7 施工運(yùn)輸組織協(xié)調(diào)與優(yōu)化原理

2.3 緊臨既有線路基安全監(jiān)控方法

滬寧城際鐵路建設(shè)期間，開(kāi)挖、打樁、路基填筑等顯著改變鄰近區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)，必然對(duì)緊臨既有線路基穩(wěn)定狀態(tài)產(chǎn)生不利影響，而目前我國(guó)仍缺乏新線路基修筑及既有線運(yùn)行對(duì)彼此穩(wěn)定狀態(tài)的影響相關(guān)的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。因此，針對(duì)施工期間難以獲知緊臨既有線路基狀態(tài)的問(wèn)題，提出“靜力監(jiān)測(cè)+動(dòng)力測(cè)試”的緊臨既有線路基安全監(jiān)控方法。

施工期間，針對(duì)路基基坑開(kāi)挖、地基成樁、以及路基填筑對(duì)緊臨運(yùn)營(yíng)路基狀態(tài)的影響，采用“埋設(shè)測(cè)振樁+傳感器”監(jiān)測(cè)方法開(kāi)展動(dòng)力測(cè)試;同時(shí)，采用應(yīng)力鏟、應(yīng)變計(jì)和測(cè)斜管等監(jiān)測(cè)應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。其中，選取典型斷面開(kāi)展的靜動(dòng)力測(cè)試主要內(nèi)容為:①地基側(cè)向位移;②地基側(cè)向水平應(yīng)力;③開(kāi)挖路基坡腳水平位移;④路基動(dòng)力響應(yīng);⑤土體動(dòng)力參數(shù)(位移、速度、頻率等);⑥動(dòng)位移及總體位移。在此基礎(chǔ)上，選取以坡腳水平位移為靜力指標(biāo)(圖8)和振動(dòng)加速度、振動(dòng)位移為動(dòng)力指標(biāo)(圖9)的路基狀態(tài)關(guān)鍵控制參量，并結(jié)合數(shù)值分析、理論計(jì)算及軌檢車(chē)數(shù)據(jù)，得出以上控制參量的建議安全閾值。由此形成一套可靠、易操作的滬寧城際鐵路試驗(yàn)段既有線路基安全監(jiān)測(cè)方法。

圖8 坡腳水平位移(靜力控制指標(biāo))與填土高度關(guān)系

圖9 振動(dòng)位移(動(dòng)力控制指標(biāo))變化趨勢(shì)

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)新建滬寧城際鐵路緊臨既有線的施工安全等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，本研究采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、室內(nèi)外試驗(yàn)、理論分析等方法，取得如下創(chuàng)新成果:

1)揭示了滬寧城際鐵路軟土路基沉降變形規(guī)律，提出了路基沉降計(jì)算與預(yù)測(cè)方法，為快速及時(shí)確定鋪軌時(shí)間提供了依據(jù)。

2)建立了基于風(fēng)險(xiǎn)分析的施工天窗優(yōu)化模型，提出了施工組織優(yōu)化方法。

3)提出了以設(shè)置應(yīng)力釋放孔、靜壓與跳打施工為核心的緊臨既有線預(yù)應(yīng)力管樁施工方法。

4)提出了以既有線路基靜動(dòng)力測(cè)試為支撐，以理論分析閾值為指標(biāo)的緊臨既有線路基安全監(jiān)測(cè)方法。

研究成果已在滬寧城際鐵路建設(shè)中得到成功應(yīng)用，效果顯著，可為在軟土地基上修建緊臨既有線高速鐵路等類(lèi)似工況提供參考。

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(責(zé)任審編李付軍)

U238;U216.4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．25

1003-1995(2015)03-0088-04

2014-09-10;

2014-11-30

楊建中(1964—)，男，廣東大埔人，高級(jí)工程師，碩士。