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)

針對滬寧城際鐵路超短工期內(nèi)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(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(yīng)急搶修成套技術(shù)。

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(shè)計速度300 km/h，是長三角地區(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:①工期緊迫，建設(shè)工期僅24個月。如何確保路基在短時間內(nèi)沉降穩(wěn)定，達到鋪設(shè)無砟軌道板的條件，是實現(xiàn)工期目標的關(guān)鍵;②工后沉降控制嚴格，線路所經(jīng)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(jīng)歷四次重大技術(shù)調(diào)整，橋梁荷載及梁型變化、速度值和軌道類型改變、線間距調(diào)整、車站站線調(diào)整，建設(shè)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(shù)特點，在滬寧城際鐵路建設(shè)時對其沉降的監(jiān)控與預(yù)測、施工安全技術(shù)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(xiàn)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(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)計橫斷面構(gòu)造如圖1所示。

表1 試驗斷面基本資料

圖1 DK70+020設(shè)計橫斷面(單位:m)

依托試驗斷面，采用室內(nèi)外試驗、現(xiàn)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(zhì)黏土，地質(zhì)情況較惡劣。為查明地基土物理力學參數(shù)，采用靜力觸探與室內(nèi)土工試驗進行研究，為后期估算地基的沉降值，指導室內(nèi)試驗，地基處理設(shè)計，以及沉降變形預(yù)測奠定基礎(chǔ)。

按現(xiàn)場測試元件埋設(shè)位置進行鉆探，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)通過查規(guī)范或由經(jīng)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(shù)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(jié)果

2)無砟軌道路基沉降變形監(jiān)測技術(shù)

現(xiàn)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(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(yù)測提供了理論依據(jù)。

3)路基填筑性狀與變化規(guī)律

依托6個典型沉降變形測試斷面，進行了側(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，判定沉降預(yù)留值、預(yù)壓期等指導施工的關(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(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(jù)。

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(yù)測是確定鋪軌時間的依據(jù)，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(shù)，采用規(guī)范法、經(jīng)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(jīng)對比分析最終確立復(fù)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(jié)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(yù)測學中的變權(quán)重法，分別對雙曲線法、GM(1，1)法及星野法預(yù)測模型進行優(yōu)化組合，得到新的變權(quán)重組合預(yù)測模型，該模型的預(yù)測結(jié)果精度更高且結(jié)果唯一，工程應(yīng)用性優(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(jù)。計算和測試結(jié)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(jié)果與現(xiàn)場測試相互驗證，總結(jié)出的沉降計算方法與現(xiàn)場測試技術(shù)為確保工程質(zhì)量在超短工期內(nèi)完成進度提供了技術(shù)保障。

2 新線建設(shè)與既有線安全運營雙向影響

為保證建設(shè)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(xiàn)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(shù)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(nèi)，從設(shè)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(yù)應(yīng)力管樁施工工藝。工程實踐表明，由于預(yù)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(chǎn)生的應(yīng)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(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，長度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)可從三個方面減小對既有線的影響:①通過在緊臨既有線側(cè)設(shè)置應(yīng)力釋放孔，對管樁施工的擠土效應(yīng)進行有效釋放，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(cè)的擠土效應(yīng)，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(xié)調(diào)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(chǔ)。

圖6 試驗?zāi)M施工優(yōu)化方案原理

圖7 施工運輸組織協(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，開挖、打樁、路基填筑等顯著改變鄰近區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力場、位移場，必然對緊臨既有線路基穩(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(guān)的理論和實踐經(jīng)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(shè)測振樁+傳感器”監(jiān)測方法開展動力測試;同時，采用應(yīng)力鏟、應(yīng)變計和測斜管等監(jiān)測應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。其中，選取典型斷面開展的靜動力測試主要內(nèi)容為:①地基側(cè)向位移;②地基側(cè)向水平應(yīng)力;③開挖路基坡腳水平位移;④路基動力響應(yīng);⑤土體動力參數(shù)(位移、速度、頻率等);⑥動位移及總體位移。在此基礎(chǔ)上，選取以坡腳水平位移為靜力指標(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(guān)鍵控制參量，并結(jié)合數(shù)值分析、理論計算及軌檢車數(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(guān)系

圖9 振動位移(動力控制指標)變化趨勢

3 結(jié)語

針對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)問題，本研究采用現(xiàn)場監(jiān)測、室內(nèi)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(yù)測方法，為快速及時確定鋪軌時間提供了依據(jù)。

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(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(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。