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全国市政工程行业科技成果展示:盾构侧穿350 km/h高速铁路桥梁桩基综合技术研究

    “盾构侧穿350 km/h高速铁路桥梁桩基综合技术研究”项目于2016年6月立项,2017年5月完成,2018年1月通过项目技术成果鉴定。该项目研究由中国电建集团铁路建设有限公司、中国水利水电第八工程局有限公司、中南大学等单位联合承担。该项目成果获中国市政工程协会2017年度“全国市政行业市政工程科学技术奖”二等奖,其成果适用于下穿及侧穿安全等级高的既有高速铁路、磁悬浮等铁路桥梁区域的盾构工程施工。

    项目技术研究概况

    “盾构侧穿350 km/h高速铁路桥梁桩基综合技术研究”项目研究概况如下。

    武汉市轨道交通11号线教育中路站—药监局站区间采用土压平衡盾构法施工,盾构管片直径6.20 m。该区间盾构施工侧穿武广高铁高架桥下行线和上行线,该桥为32.6 m跨简支梁桥,桩顶距地面约2.5 m,桩长18、18.5和19 m。区间顶覆土约15.06 m,与桥桩结构水平最小净距8.12 m。

    教药区间近距离穿越武广高铁是武汉市轨道交通11号线工程的重点和难点,穿越前需进行充分的施工风险判识与评估、地层变形预测及其对既有线的影响分析,施工过程中需结合信息化监控量测严格调控掘进参数,减弱对既有线的施工扰动,以确保新、旧线路的施工和运营安全。

    依托武汉市轨道交通11号线教药区间侧穿武广高铁桥梁桩基工程项目,采用理论分析、数值仿真计算、现场实测相结合的研究方法,进行了地铁盾构隧道侧穿高速铁路桥梁桩基影响分析及施工控制关键技术项目研究,主要研究内容如下。

    1)地铁盾构隧道侧穿高速铁路桥梁桩基风险识别、评估及应急安全措施。

    2)地铁盾构隧道侧穿高速铁路桥梁桩基影响机理分析。

    3)地铁盾构隧道侧穿高速铁路桥梁桩基施工控制关键技术。

    4)综合安全监测技术。

    通过该项目研究的开展,揭示盾构隧道下穿施工对地层扰动机理及盾构隧道侧穿施工影响下地层变形规律;探明盾构隧道侧穿施工对既有桥梁桩基础影响机理及其变形特性分析;提出盾构隧道侧穿既有桥梁桩基础施工影响控制关键技术;形成研究报告、专利等成果多项。

    项目关键技术及创新点

    该项目研究以武汉地铁11号线教育中路站—药监局站盾构区间为对象,以区间盾构侧穿设计运营速度350 km/h 武广高铁桥梁桩基施工控制技术为核心,利用系统工程原理和科学管理的手段,满足高速铁路或其它既有线极其严格的轨面沉降要求,其关键技术和创新点如下。

    1)首创了地铁隧道盾构侧穿350 km/h运营高铁桥梁桩基“五步法”综合施工控制技术。

    第1步:进行掘进前风险评估。初步确定盾构掘进参数和注浆压力,控制隧道管片、地层及临近高铁桥梁桩基的影响。

    第2步:进行变形预测。提出防范措施与改进预案,对开挖面周边岩层提前做好注浆密封,避免发生盾构漏气漏浆现象。

    第3步:进行试验段优化。在盾构侧穿高铁桥梁桩基施工之前预设试验段,通过试验段的监测信息反馈优化掘进参数,积累经验为正式侧穿做好十全的技术准备。

    第4步:进行侧穿施工。在盾构正式侧穿掘进期间,全程加强对周围岩层、地表及临近高铁桥梁变形安全监控,通过监测信息反馈及时调整盾构掘进参数,严控对高铁桥梁桩基的扰动变形。

    第5步:进行侧穿后工后处理评价与恢复高铁的正常运行速度。

    2)采用同孔联测法对施工过程中盾构隧道周边土体进行深层水平及竖向位移监测,掌握周边土体变形情况并采取相应措施,确保盾构侧穿运营高铁桥梁桩基安全。

    ①采用一种深层岩体或土体沉降变形测试装置的竖向沉降磁环结构。该实用新型运用于项目周边的深层岩土体高频率、高精度性的变形监测,克服了现有测量深层岩土体竖向沉降的磁环在钻孔回填的时候容易下滑,并不能准确埋设于设计深度问题,具有整体性好、良好的密闭性和一定范围内的自由滑动性。

    ②采用一种深层岩体或土体变形测试回填装置。该实用新型克服了现有的钻孔回填方法很难精确的反应岩土体的真实变形,而且密闭性差,容易漏气漏浆等问题,保证施工安全和测量精度。利用孔底反向注浆回填预制回填料法,尽量保证测量孔回填料与周边地层压缩模量的一致性,提高变形同步性以增加测量精度。

    ③采用一种开挖面底部沉降变形监测装置。该实用新型技术的应用,克服了以现有测量立柱竖向高度来反映开挖面底部沉降变形时并不能准确监测沉降量最大的位置,不能直接反映开挖面底部沉降,及无放坡转站条件下开挖面底部沉降精确测量等技术难点问题,可直接反映开挖面底部沉降,精确测量开挖面底部沉降变形。

    3)盾构掘进采用盾体外侧加注“克泥效”等综合措施,控制周边土体变形使桥梁沉降控制在±1 mm范围内。

    在盾构机掘进的同时,采取向前盾、中盾上部径向孔注入“克泥效”。“克泥效”为一种类似水泥的由多种矿物组成的粉状物质(由合成钙基黏土矿物、纤维素衍生剂、胶体稳定剂和分散剂等),在使用过程中通过与水按照1∶3比例的搅拌混合形成带有一定黏度的克泥效浆液。克泥效浆液与水玻璃使用注浆泵按照20∶1的比例进行混合注入,混合后的“克泥效”为一种具有一定承载力的牙膏状的半固体。盾构掘进施工过程中,“克泥效”对盾体以外的空隙进行及时的填充,防止上部地层的沉降,有效控制周边土体变形,使桥梁结构沉降值控制在±1 mm范围内。

    4)采用自动化监测技术实现了对既有高速铁路桥梁桩基沉降变形的精细化实时监测。

    为准确掌握侧穿部位桥梁桥墩水平、竖向及倾斜变形情况,采用大型自动化、精细化实时监测手段,通过对施工单位测量队、项目公司测量队、地铁公司第三方监测队、武汉大学科研测量队、高铁段动态监测数据和项目研究方监测数据进行交换对比及计算分析,获得与实际桥梁桥墩变形情况相吻合的综合变形值。并将变形参数与预警值、报警值对比,运用监测预警机制向实际施工发出预警指令,指导掘进过程中参数合理优化调整。并通过合理调整盾构机推进速度、盾构掘进过程中同步注浆和二次注浆、加强管片设计及采用克泥效等技术措施,将隧道开挖对周边地层、管片的影响严格控制在允许范围内,保证施工及设计安全施工要求。

    5)应用标准化管理流程实施配合完善的应急措施,做到了流程设计的清晰化,动态管理的完善化。

    侧穿高铁施工方案上报流程极为复杂,方案先上报到铁路局受理,结合武汉供电段、武汉电务段、武汉通信段、武汉高铁工务段提出的多方意见后完善应急预案,通过建设处组织铁路局相关单位、建设方、监理方、设计方、施工方及监测单位等多方评审,确定施工过程中的具体执行标准。整个施工管理流程完善、规范,动态管理清晰明确,可参照性强。

    与国内外同类技术的比较

    该研究所依托的工程项目为国内首例地铁隧道盾构侧穿350 km/h运营高铁桥梁桩基工程,对轨道的纵横向平顺性要求极为严格,对沉降变形异常敏感,可以借鉴的工程经验非常有限。

    该项目研究实现了地铁盾构隧道领域内的基础研究和应用技术水平的突破,达到国际先进水平。

    项目应用成果与效益

    “盾构侧穿350 km/h高速铁路桥梁桩基综合技术研究”成果已成功运用于武汉地铁11号线起点—光谷火车站区间盾构下穿流芳站站场施工,实现了有砟轨道累计沉降1.5 mm的精准安全施工,保证了流芳站场的正常运营,为工程施工单位在下穿环线、高铁、站场线路等特殊工况下的盾构工程施工积累了宝贵的经验,得到了社会的一致认可。同时,通过研究项目相关技术的应用,施工累计节约成本101万元。

    应用该项目研究技术成果,根据新建轨道交通工程结构的强度、刚度及稳定性,在确保工程施工安全及周边环境安全的前提下,通过工程类比、数值模拟、解析法等计算分析制定合理的控制指标,将隧道施工引起的地面沉降和隆起值均控制在允许的安全范围以内,并依据周围环境、铁路线路股道、建筑物基础和地下管线对变形的敏感程度,采取稳妥可靠的措施,有效地保证侧穿安全。

    该项目研究成果形成了一整套完善的施工工艺,通过矩阵式协调组织,穿越前预先进行三维数字模拟,科学预判,合理避险;盾构穿越铁路施工过程中,应用地面及地下施工控制、沉降控制、综合监测、应急救援等措施实现了全方位、多层次的施工作业有效实时监控,确保了工程的安全施工,社会效益十分显著。

    (中国电建集团铁路建设有限公司 供稿)

    注:本文刊载于《市政技术》2019年第5期,第1、2页。