滬寧城際鐵路沉降監(jiān)控方法與施工安全技術研究

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研究

楊建中

(滬寧城際鐵路股份有限公司，江蘇南京210000)

針對滬寧城際鐵路超短工期內沉降控制問題，采用三種沉降監(jiān)測方法揭示路基沉降變形規(guī)律，并提出了復合模量法(加固區(qū))結合e－lgp曲線(下臥層)的沉降估算方法。對于緊臨既有線的新線施工“雙向”影響安全控制技術，形成了以設置應力釋放孔、靜壓施工與跳打施工為核心的緊臨既有線預應力管樁施工工法，解決了新線施工對既有線的振動及擠壓問題。同時，建立了基于風險分析的施工天窗優(yōu)化模型和施工組織優(yōu)化方法，并基于既有線路基靜動力測試，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營以及應急搶修成套技術。

城際鐵路 緊臨既有線 沉降監(jiān)測 管樁施工 施工安全

滬寧城際鐵路全長300.209 km，線路走向基本與既有京滬鐵路滬寧線平行，設計速度300 km/h，是長三角地區(qū)城際鐵路網的主骨架。其工程建設具有4大技術特點:①工期緊迫，建設工期僅24個月。如何確保路基在短時間內沉降穩(wěn)定，達到鋪設無砟軌道板的條件，是實現工期目標的關鍵;②工后沉降控制嚴格，線路所經軟土地基比例多，路基比例高達34%，工后沉降控制難度高;③經歷四次重大技術調整，橋梁荷載及梁型變化、速度值和軌道類型改變、線間距調整、車站站線調整，建設標準由最初的200 km/h有砟軌道改為300 km/h無砟軌道;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170 km，既有線行車與新線施工相互干擾，施工難度大，安全要求高。鑒于以上技術特點，在滬寧城際鐵路建設時對其沉降的監(jiān)控與預測、施工安全技術方案的制定與實施展開了研究，以保證既有線運營、新建線路施工的雙安全。

1 路基沉降監(jiān)控

1.1 選取代表性斷面現場監(jiān)測與試驗

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

表1 試驗斷面基本資料

圖1 DK70+020設計橫斷面(單位:m)

依托試驗斷面，采用室內外試驗、現場測試等方法開展以下幾個方面的研究。

1)地基土的基本物理力學指標

滬寧城際鐵路Ⅲ標試驗段沿線多段路基下伏2～6 m淤泥質黏土，地質情況較惡劣。為查明地基土物理力學參數，采用靜力觸探與室內土工試驗進行研究，為后期估算地基的沉降值，指導室內試驗，地基處理設計，以及沉降變形預測奠定基礎。

按現場測試元件埋設位置進行鉆探，取土位置主要集中在路基中心線和兩側坡腳處。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估單樁承載力等，獲取的參數通過查規(guī)范或由經驗算式計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度等。以DK70+020斷面為例，其土體參數見表2、表3。

表2 DK70+020處斷面土的物理指標

表3 DK70+020處斷面土的壓縮性指標和直剪試驗結果

2)無砟軌道路基沉降變形監(jiān)測技術

現場測試自2009年1月至2010年5月，歷時17個月，不間斷測試。分別采用單點沉降計(圖2)、分層沉降管(圖3)、沉降板(圖4)三種方法開展沉降測試研究。主要測試內容包括:地表總沉降、地基土分層沉降、加固區(qū)沉降等。通過測試獲取了滬寧城際鐵路地基沉降變化規(guī)律，為工后沉降預測提供了理論依據。

3)路基填筑性狀與變化規(guī)律

依托6個典型沉降變形測試斷面，進行了側向位移、地基土應力、土工格柵變形與應力、樁土應力比、孔隙水壓力消散速度等監(jiān)測，判定沉降預留值、預壓期等指導施工的關鍵參數的合理性，總結提出路基沉降變形測試方法。測試獲取了土工格柵工作性狀、不同類型地基處理方法的荷載分擔、應力分布變化規(guī)律、深層地基土孔壓變化規(guī)律等，掌握了樁網、樁筏等不同結構形式的路基在填筑、預壓階段的主要工作性狀，為評估路基沉降變形發(fā)展趨勢、確?？茖W合理指導施工提供依據。

圖2 斷面DK70+020沉降發(fā)展曲線(單點沉降計)

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間

工后沉降預測是確定鋪軌時間的依據，針對目前沉降估算精度難以滿足無砟軌道高速鐵路要求的問題，基于前期研究獲取的土工參數，采用規(guī)范法、經驗公式法、解析法對滬寧城際鐵路6個試驗斷面開展沉降計算研究，經對比分析最終確立復合模量法計算加固區(qū)沉降，e－lgp曲線計算下臥層沉降，得出的變形模量計算結果與實測較為接近。鋪軌時間的確定主要依賴于對實測曲線的推算。通過引入預測學中的變權重法，分別對雙曲線法、GM(1，1)法及星野法預測模型進行優(yōu)化組合，得到新的變權重組合預測模型，該模型的預測結果精度更高且結果唯一，工程應用性優(yōu)越。

根據上述綜合沉降估算法與變權重組合推算方法，計算得到較精確的路基沉降發(fā)展趨勢，為確定鋪軌時間提供了依據。計算和測試結果均顯示，滬寧城際鐵路6個試驗斷面工后沉降滿足控制要求。沉降計算結果與現場測試相互驗證，總結出的沉降計算方法與現場測試技術為確保工程質量在超短工期內完成進度提供了技術保障。

2 新線建設與既有線安全運營雙向影響

為保證建設期間新線施工與既有線運營的雙安全，主要從工法改進、加強施工管理以及現場安全監(jiān)控等方面進行優(yōu)化、改進。

2.1 緊臨既有線管樁施工技術研究

為把滬寧城際鐵路施工對既有線的影響控制在安全范圍以內，從設計、組織管理、施工工藝角度出發(fā)提出對策。其中，重點研究了緊臨既有線預應力管樁施工工藝。工程實踐表明，由于預制管樁在施工過程中引起的振動、擠土和噪聲對周圍環(huán)境的不良影響，尤其打樁產生的應力波會造成周圍土體的強烈振動，將影響既有線的運營安全。

為防止打樁施工對既有線的振動以及擠壓影響，緊臨既有線預應力管樁施工采用了設置應力釋放孔、靜壓施工、調整施打順序等工藝優(yōu)化措施(圖5)。其中，應力釋放孔(孔間距3～5 m、孔徑0.5 m)設置在緊臨既有線側，深度≥10 m且≥1/2樁長，長度10～19 m。

圖5 成樁施工優(yōu)化技術示意

該成樁施工安全技術可從三個方面減小對既有線的影響:①通過在緊臨既有線側設置應力釋放孔，對管樁施工的擠土效應進行有效釋放，阻斷土體繼續(xù)向既有線側傳遞;②采用靜壓施工取代動力打樁，無振動和施工噪音;③成樁采用跳打順序，盡早形成帷幕，抑制既有線側的擠土效應，為超孔隙水壓力提供充足的消散時間。

2.2 緊臨既有線施工安全管理研究

針對緊鄰既有線施工和交通運輸相互干擾的問題，提出動態(tài)不確定環(huán)境下，基于風險分析的施工天窗優(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輸組織協調分析的管理理念。

通過4組試驗(圖6)，分別模擬股道垮塌不同狀態(tài)下(發(fā)生時間、垮塌嚴重程度、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)所需時間。在每組試驗狀態(tài)下，考慮對車站列車運行影響小，施工持續(xù)總時間短，既有利于施工單位連續(xù)施工、盡早完工，也利于降低對既有線行車的干擾，得出計算優(yōu)化解(圖7)。實踐證明，該模型消解了沖突，建立了施工組織優(yōu)化方法，具有較強的可操作性，為解決施工與運營雙安全問題奠定了理論基礎。

圖6 試驗模擬施工優(yōu)化方案原理

圖7 施工運輸組織協調與優(yōu)化原理

2.3 緊臨既有線路基安全監(jiān)控方法

滬寧城際鐵路建設期間，開挖、打樁、路基填筑等顯著改變鄰近區(qū)域內的應力場、位移場，必然對緊臨既有線路基穩(wěn)定狀態(tài)產生不利影響，而目前我國仍缺乏新線路基修筑及既有線運行對彼此穩(wěn)定狀態(tài)的影響相關的理論和實踐經驗。因此，針對施工期間難以獲知緊臨既有線路基狀態(tài)的問題，提出“靜力監(jiān)測+動力測試”的緊臨既有線路基安全監(jiān)控方法。

施工期間，針對路基基坑開挖、地基成樁、以及路基填筑對緊臨運營路基狀態(tài)的影響，采用“埋設測振樁+傳感器”監(jiān)測方法開展動力測試;同時，采用應力鏟、應變計和測斜管等監(jiān)測應力應變規(guī)律。其中，選取典型斷面開展的靜動力測試主要內容為:①地基側向位移;②地基側向水平應力;③開挖路基坡腳水平位移;④路基動力響應;⑤土體動力參數(位移、速度、頻率等);⑥動位移及總體位移。在此基礎上，選取以坡腳水平位移為靜力指標(圖8)和振動加速度、振動位移為動力指標(圖9)的路基狀態(tài)關鍵控制參量，并結合數值分析、理論計算及軌檢車數據，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段既有線路基安全監(jiān)測方法。

圖8 坡腳水平位移(靜力控制指標)與填土高度關系

圖9 振動位移(動力控制指標)變化趨勢

3 結語

針對新建滬寧城際鐵路緊臨既有線的施工安全等關鍵技術問題，本研究采用現場監(jiān)測、室內外試驗、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，提出了路基沉降計算與預測方法，為快速及時確定鋪軌時間提供了依據。

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

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

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

研究成果已在滬寧城際鐵路建設中得到成功應用，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似工況提供參考。

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(責任審編李付軍)

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，高級工程師，碩士。