《交通運輸科學(xué)技術(shù)新成果推廣目錄》（２０２０）—第三部分隧道《?地鐵施工對鄰近既有橋樁穩(wěn)定性影響分析與控制技術(shù)》?

本期項目簡介

完成單位: 中鐵五局集團(tuán)有限公司、 中鐵五局集團(tuán)第一工程有限責(zé)任公司、 長沙理工大學(xué)、湖南科技大學(xué)

主要完成人: 謝曉波、 趙建斌、 劉飛翔、劉柏汐、 湯宇、 凌濤、 段磊、 蘇志來

項目簡介

　　(一)項目背景

　　地鐵鄰近既有橋樁施工,其控制要求極嚴(yán),施工難度極大,已成為限制城市地鐵發(fā)展的主要瓶頸。開展地鐵施工對鄰近既有樁基穩(wěn)定性影響分析和控制技術(shù)研究,解決目前城市地鐵施工中的主要瓶頸問題,具有重要的科學(xué)價值和工程意義。

　　(二)技術(shù)概況

　　(1)建立了地鐵施工引起土體沉陷、隆起的三維隨機(jī)預(yù)測模型。

　　(2)提出了一種高坡錨固用錨孔施工方法及其錨固裝備智能控制方法。

　　(3)提出了基于極限分析可靠度理論的盾構(gòu)平衡壓力計算方法。

　　(4)創(chuàng)新了地鐵鄰近高架橋樁基施工的雙重隔離保護(hù)技術(shù)。

　　(5)研發(fā)了高架橋樁基變形預(yù)警機(jī)制和預(yù)警系統(tǒng)。

　　(三)適用范圍

　　適用于城市地鐵施工施工時臨近高架橋等構(gòu)建物的穩(wěn)定性控制。

　　(四)獲獎情況

　　中國交通運輸協(xié)會科學(xué)技術(shù)獎三等獎。

項目創(chuàng)新點

　　(1)基于隨機(jī)介質(zhì)理論及概率理論建立了土體沉陷或隆起的三維隨機(jī)預(yù)測模型,推導(dǎo)了土體沉隆位移解析解,獲取土體沉降、隆起潛在破壞面位置,預(yù)測土體沉降、隆起的破壞范圍,為控制“樁基-土體冶相對位移提供理論指導(dǎo)。

　　(2)提供了一種操作容易、自動化程度及施工效率高、安全性能好的高坡錨固裝備智能控制方法和一種錨孔施工方法。

　　(3)提出了設(shè)定盾構(gòu)平衡壓力的理論計算方法,根據(jù)目標(biāo)可靠指標(biāo)準(zhǔn)確獲取盾構(gòu)隧道開挖面維持平衡所需要的合理支護(hù)力范圍,即土倉壓力范圍,實現(xiàn)了平衡壓力的精確設(shè)定,有力地保障了盾構(gòu)的平穩(wěn)掘進(jìn)姿態(tài)。

　　(4)創(chuàng)新了鄰近高架橋樁基的雙重隔離保護(hù)技術(shù),成功隔離了地鐵施工對鄰近高架橋樁基的影響,顯著減少了樁身軸力和樁側(cè)摩阻力損失,有效控制了“樁基-土體冶相對位移。

　　(5)開發(fā)了高架橋樁基變形預(yù)警機(jī)制和預(yù)警系統(tǒng),采用智能測量機(jī)器人對現(xiàn)場進(jìn)行自動監(jiān)測,通過預(yù)警服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析,并且準(zhǔn)確及時報警,實現(xiàn)了對高架橋樁基三維變形的全天候、自動化監(jiān)測且無人為誤差。

同類項目比較

　　(一)地鐵施工引起土體沉陷、隆起的三維隨機(jī)預(yù)測模型

　　目前,國內(nèi)外學(xué)者所構(gòu)建的破壞模式不能反映出實際的三維破壞特征,并且沒有考慮土體的隨機(jī)性,即沒有建立土體沉陷或隆起的三維隨機(jī)預(yù)測模型,嚴(yán)重影響了計算結(jié)果的精度。針對這一問題,研究土體沉陷或隆起的力學(xué)特征,分析土體沉陷或隆起過程中塑性區(qū)形成、發(fā)展以及蠕變惡性擴(kuò)張的演化規(guī)律。

　　(二)高坡錨固用錨孔施工方法及其錨固裝備智能控制方法

　　對于小斜坡,傳統(tǒng)的巖土錨固技術(shù)大多通過提升設(shè)備或搭腳手架將鉆機(jī)放置到需要錨孔位置進(jìn)行打孔。這種方法工作效率低,且搭腳手架工作任務(wù)大、成本高、勞動強(qiáng)度大。該方法通過液壓油缸調(diào)整操作平臺的角度,結(jié)合傾角傳感器與陀螺儀,可以實現(xiàn)操作平臺姿態(tài)的自適應(yīng)調(diào)整,以保證在不同角度坡面進(jìn)行作業(yè)時,都可自動將駕駛室調(diào)節(jié)至水平位置,方便工作人員操控機(jī)器,通過視覺傳感器和激光測距傳感器,結(jié)合插值填充算法、二值法算法、圖像平滑算法、邊緣提取算法,可以實現(xiàn)自動鉆孔,適用于各種高坡錨固的工作環(huán)境,實用性強(qiáng),提高了工作效率。

　　(三)基于極限分析可靠度理論的盾構(gòu)平衡壓力計算方法

　　關(guān)于盾構(gòu)平衡壓力的確定,引入可靠度理論,從失效概率或安全等級的角度以準(zhǔn)確得到盾構(gòu)掘進(jìn)時所需要的平衡壓力范圍。針對求解土倉壓力范圍的問題,提出了一種極限分析可靠度理論計算方法。與傳統(tǒng)定值方法相比較,基于該方法所得到的土倉壓力范圍,明顯縮小了平衡壓力的設(shè)定范圍,有力地保障了盾構(gòu)的平穩(wěn)掘進(jìn)姿態(tài),顯著減少了土體的擾動,有效控制了地表的沉降和隆起。

　　(四)鄰近高架橋樁基的雙重隔離保護(hù)技術(shù)

　　目前工程界采用了一些對策,例如旋噴樁隔離保護(hù)措施、袖閥管及其注漿隔離加固措施等。但是,對于近距離尤其是超近距離,單一隔離保護(hù)措施的效果不太理想,因此,亟須創(chuàng)新傳統(tǒng)的單一隔離保護(hù)技術(shù),提高隔離保護(hù)效果,保障既有樁基的穩(wěn)定性。針對這一問題,除了降低地鐵施工對土體的擾動外,就是采用隔離技術(shù)減少土體變形移動對高架橋樁基的影響。因此,在傳統(tǒng)隔離保護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上,創(chuàng)新了鄰近高架橋樁基的雙重隔離保護(hù)技術(shù)。采用三重管旋噴樁、袖閥管以及注漿技術(shù)對高架橋樁基內(nèi)圈和外圈進(jìn)行雙重隔離保護(hù)。針對地鐵車站深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu),改進(jìn)傳統(tǒng)單根鋼支撐支護(hù)形式,優(yōu)化支撐參數(shù),采用雙拼鋼支撐且實施分級施加預(yù)應(yīng)力方法提高支護(hù)效果。再利用鋼筋混凝土板對高架橋樁基進(jìn)行側(cè)向約束,使隔離保護(hù)結(jié)構(gòu)和深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形成一個整體,提高高架橋樁基的穩(wěn)定性。

　　(五)高架橋樁基變形預(yù)警機(jī)制和預(yù)警系統(tǒng)

　　目前,對于高架橋橋樁的變形仍主要采用常規(guī)的監(jiān)測方法和監(jiān)測手段,本項目闡明了高架橋樁基變形預(yù)警機(jī)制,研發(fā)了一套完整的預(yù)警系統(tǒng)。在預(yù)警機(jī)制中,確定樁基沉降、同一跨相鄰樁基差異沉降、樁基傾斜以及主橋裂縫等監(jiān)測項目的變形容許值和預(yù)警值,劃分黃、橙、紅3級預(yù)警等級,并制定相應(yīng)的預(yù)警處理方案。該預(yù)警系統(tǒng)可實現(xiàn)對高架橋樁基三維變形全天候、自動化監(jiān)測,對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)智能化分析,整個過程完全消除人為誤差,準(zhǔn)確及時發(fā)出預(yù)警信號,有力保障了盾構(gòu)快速、連續(xù)、穩(wěn)定的掘進(jìn)姿態(tài)

應(yīng)用案例

　　本項目研發(fā)的地鐵施工對鄰近既有橋樁穩(wěn)定性影響的控制技術(shù),成功應(yīng)用于長沙地鐵5號線一標(biāo),該技術(shù)采用主動和被動相結(jié)合的方式,從幾個不同的方面全面弱化了地鐵施工對既有橋樁的影響,有效控制了“樁基-土體冶的相對位移,有力保障了高架橋的穩(wěn)定性。

社會效益與經(jīng)濟(jì)效益

　　本項目研究應(yīng)用可以全面弱化地鐵施工對既有橋樁的影響,有力保障既有橋樁的穩(wěn)定性,有效預(yù)防地鐵施工造成地表沉陷、橋梁傾斜或倒塌等重大突發(fā)性安全事故;還可以大大節(jié)省地鐵建設(shè)成本,縮短地鐵施工周期,使地鐵有望提前竣工,提前服務(wù)于社會。