新书 | 罗章波等：大直径盾构隧道下穿运营高铁桥梁关键技术与风险控制

文摘 2024-09-30 17:29 北京

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作者简介

Introduction to the author

罗章波，现任中铁第五勘察设计院集团有限公司副总工程师，正高级工程师，长期从事隧道与地下工程、城市轨道交通工程的设计、科研和技术管理工作。先后参加或主持了金台铁路、杭绍台铁路、准朔铁路、衡茶吉铁路、广深港客专、广珠城际、中兰铁路、桐泾路水下大直径盾构隧道、阳澄西湖南隧道、阳澄西湖第三通道（大盾构+围堰明挖）以及北京地铁、广州地铁、武汉地铁的区间隧道设计和技术审查。主持铁路总公司课题“以初期支护为主要承载结构的复合式衬砌技术研究”、中铁建股份公司课题“重载铁路隧道内无砟轨道结构型式及相关技术研究”，参与科技部“城市地下大空间支护结构一体化安全建造技术”等科研课题。主编或主要参编了《城市地下综合管廊技术规程》、《北京市公路工程设计指导意见》、《导轨式胶轮有轨电车工程设计规范》等多项规范、规程的编写。科学技术奖：获省部级一等奖7项，省部级二等奖7项。优秀设计奖：省部级一等奖5项。优秀咨询奖：全国优秀工程咨询成果一等奖1项，省部级一等奖4项。

参与的工程多项获得国家优质工程金奖、优质工程奖或鲁班奖。获省部级优秀专利一等奖2项，二等奖5项。获授权发明专利18项，实用新型专利43项。发表学术论文16篇，专著3部。先后获得中铁五院“劳动模范”、中国铁建股份公司“科技创新工作先进个人”、中国交通运输协会“优秀总工程师”奖。2020年获 “茅以升铁道科学技术奖”。2022年获中国技术市场“金桥奖”。2023年获“詹天佑铁道科学技术奖-东方雨虹材料专项成就奖”。

序

我们生活在一个日新月异、快速发展的时代,交通基础设施的建设对于国家经济增长和社会进步至关重要。我国正在加快建设交通强国,而高铁作为交通系统的核心,在这一愿景的实现中扮演着不可或缺的角色。然而,随着高速铁路网的不断扩展和优化,工程领域也面临着前所未有的挑战。

大直径盾构隧道下穿运营高铁工程建设便是挑战之一,其难点在于工程建设的复杂性和高风险性。随着隧道开挖面尺寸的增加,工作面的稳定性逐渐降低。在地层不均匀、浅埋覆土、强富水等复杂地质条件下,这一问题变得尤为突出,工程难度和风险显著增加。当大直径盾构隧道下穿运营高铁桥梁时,多种风险因素的叠加效应更是给设计、施工和运营带来了成倍增长的挑战和工程风险。

沪宁高铁连接上海市与南京市,不仅是中国第二条城际铁路,还是中国最繁忙的高铁线路之一,它在整个铁路网中扮演着重要的交通枢纽角色。而苏州市桐泾北路隧道工程下穿沪宁高铁苏州西特大桥给工程建设出了一道难题。该工程施工面临着无砟轨道桥墩变形控制要求(2mm 以内)严格、地质条件复杂以及桥下施工净空( 仅3. 6m) 有限等多重限制。在此之前,大直径盾构穿越高铁桥梁安全控制技术和低净空环境下钻孔桩施工技术等问题始终未能找到有效的解决方式,导致桐泾北路盾构隧道工程建设进展严重受阻。

国内外关于盾构隧道穿越高铁的成功案例以小直径盾构为主,而大直径盾构隧道下穿高铁桥梁的变形控制又该如何解决? 工程风险又该如何管理? 本书依托桐泾北路盾构隧道下穿运营高铁桥梁工程实例,开展理论分析、设备研发、精细化施工工艺研究、变形监控及预警等多方面的科研攻关。通过构建高速列车-轨道-桥梁-土层-盾构隧道一体化的空间耦合动力分析模型,深入剖析关键因素对高铁桥墩变形的影响,揭示大直径盾构隧道下穿运营高铁桥墩的土体变形规律,制定了科学可靠的整体加固方案。同时,研发了具有自主知识产权的低净空全套管灌注桩机设备及成套技术,成功实现了净空受限条件下套管隔离桩的安全施工。此外,还建立了一套大直径盾构隧道下穿高铁变形智能监测系统和全过程风险管控体系,及时、准确地识别和预判工程风险,确保了施工安全。

这些研究成果和技术创新为解决大直径盾构隧道下穿高铁桥梁所带来的一系列设计、施工和运营难题提供了新思路和新方法。本书填补了低净空全套管灌注桩机设备以及高速列车-轨道-桥梁-土层-盾构隧道系统空间耦合振动影响分析方面的研究空白,首次提出了直径超过10m 的大直径盾构隧道穿越运营高铁桥梁的沉降变形控制、施工安全控制以及风险防控等一系列成套技术,对类似工程建设具有重要的借鉴和指导意义。

最后,我对所有为这本专著作出贡献的作者和研究人员表示感谢,正是他们的专业、创新、勤勉、努力、严谨、坚持才使得本书得以呈现。当然,也要感谢各位读者,因为您的关注和支持将推动这部专著的影响力不断扩大。让我们共同努力,为建设更加安全、高效的交通基础设施而贡献自己的力量,共同迎接未来的挑战。

中国工程院院士

深圳大学土木与交通工程学院院长

前言

当前,我国正经历着前所未有的城市化进程,城市规模的扩大和人口的增长对交通基础设施提出了更高的要求。随着经济的蓬勃发展,我国的交通基础设施建设迎来了历史性的机遇,城市地下空间的开发利用已成为缓解城市交通压力、提升城市综合承载力的重要手段。在这一背景下,大直径盾构隧道作为城市地铁、越江(河) 公路隧道、水利水电隧道等工程建设的主要选择,其施工技术的发展和创新成为工程界关注的焦点。

我国《新时代交通强国铁路先行规划纲要》提出了构建现代高效的高速铁路网之宏伟蓝图,预计到2035 年,将建成以高铁主通道为骨架、区域性高铁衔接延伸的发达高速铁路网,高铁里程达7 万km,实现铁路网内外互联互通、区际多路畅通、省会高效连通、地市快速通达。这一宏伟规划的实施,不仅极大地促进了区域经济的一体化,也为城市地下交通工程的发展带来了新的挑战和机遇。随着城市地下交通工程与既有高铁的交叉问题日益凸显,盾构隧道下穿高铁桥梁的需求在大中城市将更加普遍,技术难题亟待攻克。

苏州桐泾北路隧道工程是苏州市城市路网的主骨架,也是“ 十三五”期间重点打通的中心城区南北向断头路。桐泾北路隧道工程盾构段连续穿越北环快速路、京沪铁路、沪宁高铁、山塘街( 河) 等重要建( 构) 筑物,实施难度大、技术要求高,尤其是穿越运营中的沪宁高铁,对沉降控制要求严苛。大直径盾构隧道下穿高铁桥梁变形控制是在交通强国建设背景下迫切需要研究解决的重大课题。

针对大直径盾构隧道下穿运营高铁桥梁存在的工程风险高、施工设备受限、施工附加应力对既有线结构变形影响大以及施工精准化控制要求高等一系列技术难题,本书从理论分析着手,以设备研发为突破,以工程风险控制和质量管理为目标,以智能预警监测为手段,全面探讨了大直径盾构隧道下穿运营高铁桥梁的关键技术与风险控制技术,涵盖工程风险预测与评价、加固方案设计、设备研发、施工变形控制和智能监测技术等。

本书由罗章波、谌启发、王晓琼、周建光、陈利民、黄娟、贾朝军组织策划并统稿。全书共分为10 章:第1 章为绪论,主要介绍工程研究的背景与意义,梳理盾构隧道下穿运营高铁桥梁的典型案例,总结此类工程面临的关键问题和工程特点,并对国内外研究现状进行了介绍,主要由刘彦文、何明华、贾朝军等撰写;第2 章为大直径盾构隧道下穿施工对运营高铁桥梁的影响预测与风险分析,主要介绍依托工程概况、施工影响预测分析模型以及工程风险识别与评估,主要由黄娟、卢裕杰、陈德健等撰写;第3 章为大直径盾构隧道下穿运营高铁桥梁加固方案设计与优化,主要基于不同加固方案的变形控制效果分析,针对依托工程提出了隔离桩+ 地表纵横梁+ MJS 工法桩的整体加固体系,并优化相应的设计参数,主要由卢裕杰、陈卓、赵法亮等撰写;第4 章为基于耦合动力分析理论的高铁行车安全与加固方案的有效性分析,主要建立了列车-轨道-桥梁-土层-盾构隧道一体化的空间耦合动力分析模型,分析评估在采取整体加固体系处置之后,盾构隧道下穿运营高铁桥梁时的列车运行安全性,进一步论证整体加固体系处置措施的可靠性和有效性,主要由赵大亮、王冰、刘彦文等撰写;第5 章为低净空条件下全套管灌注桩微扰动施工装备研发与试桩试验,详细介绍了低净空全套管灌注桩微扰动施工装备研发过程和配套施工技术,以及现场试桩试验和实际应用效果,主要由毛忠良、陈晓莉、时洪斌等撰写;第6 章为下穿运营高铁桥梁大直径盾构掘进施工变形精准控制技术,主要介绍盾构选型设计,盾构开挖面稳定性的影响因素及关键控制参数,形成了一套针对大直径盾构下穿运营高铁桥梁的施工变形精准控制技术体系,主要由王晓琼、吴奎、孙丰彪等撰写;第7 章为大直径盾构隧道下穿高铁桥梁智能监测与预警系统,主要针对运营高铁行车密度大、速度高等特点,构建了一套高精度、全自动、智能化监测系统和预警信息化系统,详细介绍了智能监测系统的组成、监测方案和监测成果,主要由陈利民、徐雄、李春平等撰写;第8 章为大直径盾构隧道下穿施工其他风险控制技术,系统阐述了依托工程大直径盾构在浅覆土、强富水、软弱地层中长距离掘进、下穿文物保护建筑、快速公路桥桩等其他风险源点的控制技术,主要由王伟、贾朝军、熊健等撰写;第9 章为大直径盾构隧道下穿高铁桥梁工程全过程风险管理机制,主要介绍了全过程风险管理的核心理念以及建设、运营等各阶段的管理方法,主要由顾永明、周建光、姚建明等撰写;第10 章为总结与展望,主要从技术、经济社会效益层面,针对依托工程面临的挑战,总结相关研究成果,并展望类似工程发展趋势、未来应用前景,主要由谌启发、罗章波、吴小波等撰写。

参与本书相关内容研究、撰写工作的还有中铁第五勘察设计院集团有限公司刘春晓、张照亮、李彬、王忆飞,苏州交投建设管理有限公司王长松、魏荣亮、朱宇、朱晓勇,中铁十四局集团有限公司于朋臣,上海东华地方铁路开发有限公司王纲、张勋。

此外,在本书的撰写、修改和完善过程中,中国国家铁路集团有限公司鉴定中心唐国荣正高级工程师、同济大学王炳龙教授、中国铁建重工集团股份有限公司张帅坤副院长、中南大学郭文华教授、中南大学施成华教授、中南大学雷明锋教授、河海大学孟庆祥副教授、江南大学杨兰兰老师等专家、学者给予了大力支持和帮助,提出了宝贵的意见和建议。中南大学研究生郑艳林和应允辉等完成了部分计算和图片编辑等工作。同时,本书引用了国内外许多学者的研究成果和资料,在此一并表示诚挚的谢意。

我们期待本书能够为隧道及地下工程、轨道交通工程等领域的工程技术人员、科研工作者、高校师生以及对隧道及地下工程感兴趣的专业人士带来有价值的参考和启发。由于编者水平有限,书中难免存在不足之处,敬请广大读者批评指正。

作者

2024年6月

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编辑：张晓李学会贾萱

审核：王霞

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隧道及地下工程大讲堂

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