《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）—第三部分隧道《​地铁施工对邻近既有桥桩稳定性影响分析与控制技术》​

本期项目简介

完成单位: 中铁五局集团有限公司、 中铁五局集团第一工程有限责任公司、 长沙理工大学、湖南科技大学

主要完成人: 谢晓波、 赵建斌、 刘飞翔、刘柏汐、 汤宇、 凌涛、 段磊、 苏志来

项目简介

　　(一)项目背景

　　地铁邻近既有桥桩施工,其控制要求极严,施工难度极大,已成为限制城市地铁发展的主要瓶颈。开展地铁施工对邻近既有桩基稳定性影响分析和控制技术研究,解决目前城市地铁施工中的主要瓶颈问题,具有重要的科学价值和工程意义。

　　(二)技术概况

　　(1)建立了地铁施工引起土体沉陷、隆起的三维随机预测模型。

　　(2)提出了一种高坡锚固用锚孔施工方法及其锚固装备智能控制方法。

　　(3)提出了基于极限分析可靠度理论的盾构平衡压力计算方法。

　　(4)创新了地铁邻近高架桥桩基施工的双重隔离保护技术。

　　(5)研发了高架桥桩基变形预警机制和预警系统。

　　(三)适用范围

　　适用于城市地铁施工施工时临近高架桥等构建物的稳定性控制。

　　(四)获奖情况

　　中国交通运输协会科学技术奖三等奖。

项目创新点

　　(1)基于随机介质理论及概率理论建立了土体沉陷或隆起的三维随机预测模型,推导了土体沉隆位移解析解,获取土体沉降、隆起潜在破坏面位置,预测土体沉降、隆起的破坏范围,为控制“桩基-土体冶相对位移提供理论指导。

　　(2)提供了一种操作容易、自动化程度及施工效率高、安全性能好的高坡锚固装备智能控制方法和一种锚孔施工方法。

　　(3)提出了设定盾构平衡压力的理论计算方法,根据目标可靠指标准确获取盾构隧道开挖面维持平衡所需要的合理支护力范围,即土仓压力范围,实现了平衡压力的精确设定,有力地保障了盾构的平稳掘进姿态。

　　(4)创新了邻近高架桥桩基的双重隔离保护技术,成功隔离了地铁施工对邻近高架桥桩基的影响,显著减少了桩身轴力和桩侧摩阻力损失,有效控制了“桩基-土体冶相对位移。

　　(5)开发了高架桥桩基变形预警机制和预警系统,采用智能测量机器人对现场进行自动监测,通过预警服务器对数据进行智能分析,并且准确及时报警,实现了对高架桥桩基三维变形的全天候、自动化监测且无人为误差。

同类项目比较

　　(一)地铁施工引起土体沉陷、隆起的三维随机预测模型

　　目前,国内外学者所构建的破坏模式不能反映出实际的三维破坏特征,并且没有考虑土体的随机性,即没有建立土体沉陷或隆起的三维随机预测模型,严重影响了计算结果的精度。针对这一问题,研究土体沉陷或隆起的力学特征,分析土体沉陷或隆起过程中塑性区形成、发展以及蠕变恶性扩张的演化规律。

　　(二)高坡锚固用锚孔施工方法及其锚固装备智能控制方法

　　对于小斜坡,传统的岩土锚固技术大多通过提升设备或搭脚手架将钻机放置到需要锚孔位置进行打孔。这种方法工作效率低,且搭脚手架工作任务大、成本高、劳动强度大。该方法通过液压油缸调整操作平台的角度,结合倾角传感器与陀螺仪,可以实现操作平台姿态的自适应调整,以保证在不同角度坡面进行作业时,都可自动将驾驶室调节至水平位置,方便工作人员操控机器,通过视觉传感器和激光测距传感器,结合插值填充算法、二值法算法、图像平滑算法、边缘提取算法,可以实现自动钻孔,适用于各种高坡锚固的工作环境,实用性强,提高了工作效率。

　　(三)基于极限分析可靠度理论的盾构平衡压力计算方法

　　关于盾构平衡压力的确定,引入可靠度理论,从失效概率或安全等级的角度以准确得到盾构掘进时所需要的平衡压力范围。针对求解土仓压力范围的问题,提出了一种极限分析可靠度理论计算方法。与传统定值方法相比较,基于该方法所得到的土仓压力范围,明显缩小了平衡压力的设定范围,有力地保障了盾构的平稳掘进姿态,显著减少了土体的扰动,有效控制了地表的沉降和隆起。

　　(四)邻近高架桥桩基的双重隔离保护技术

　　目前工程界采用了一些对策,例如旋喷桩隔离保护措施、袖阀管及其注浆隔离加固措施等。但是,对于近距离尤其是超近距离,单一隔离保护措施的效果不太理想,因此,亟须创新传统的单一隔离保护技术,提高隔离保护效果,保障既有桩基的稳定性。针对这一问题,除了降低地铁施工对土体的扰动外,就是采用隔离技术减少土体变形移动对高架桥桩基的影响。因此,在传统隔离保护技术的基础上,创新了邻近高架桥桩基的双重隔离保护技术。采用三重管旋喷桩、袖阀管以及注浆技术对高架桥桩基内圈和外圈进行双重隔离保护。针对地铁车站深基坑围护结构,改进传统单根钢支撑支护形式,优化支撑参数,采用双拼钢支撑且实施分级施加预应力方法提高支护效果。再利用钢筋混凝土板对高架桥桩基进行侧向约束,使隔离保护结构和深基坑围护结构形成一个整体,提高高架桥桩基的稳定性。

　　(五)高架桥桩基变形预警机制和预警系统

　　目前,对于高架桥桥桩的变形仍主要采用常规的监测方法和监测手段,本项目阐明了高架桥桩基变形预警机制,研发了一套完整的预警系统。在预警机制中,确定桩基沉降、同一跨相邻桩基差异沉降、桩基倾斜以及主桥裂缝等监测项目的变形容许值和预警值,划分黄、橙、红3级预警等级,并制定相应的预警处理方案。该预警系统可实现对高架桥桩基三维变形全天候、自动化监测,对现场采集数据智能化分析,整个过程完全消除人为误差,准确及时发出预警信号,有力保障了盾构快速、连续、稳定的掘进姿态

应用案例

　　本项目研发的地铁施工对邻近既有桥桩稳定性影响的控制技术,成功应用于长沙地铁5号线一标,该技术采用主动和被动相结合的方式,从几个不同的方面全面弱化了地铁施工对既有桥桩的影响,有效控制了“桩基-土体冶的相对位移,有力保障了高架桥的稳定性。

社会效益与经济效益

　　本项目研究应用可以全面弱化地铁施工对既有桥桩的影响,有力保障既有桥桩的稳定性,有效预防地铁施工造成地表沉陷、桥梁倾斜或倒塌等重大突发性安全事故;还可以大大节省地铁建设成本,缩短地铁施工周期,使地铁有望提前竣工,提前服务于社会。