CN112854268B - 岩溶地区框架桥顶进降水施工方法及地质勘察与治理方法 - Google Patents

岩溶地区框架桥顶进降水施工方法及地质勘察与治理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供岩溶地区框架桥顶进降水施工方法及地质勘察与治理方法，包括岩溶地质勘察与治理方法和路基降水工序，在降水前进行地质勘察和病害处治，根据设计图纸、通过地质勘察设备勘察的既有铁路线路间和路基两侧的现场环境及岩溶地区情况建立有限元模型，确定需要填充治理的溶洞和土洞；采用轻型井点降水方法对需要填充位置进行填充前降水；降水时既有线路间运用轻型井点降水和路基两侧运用管井井点降水方法进行协调高效降水，避免盲目降水引起岩溶地区突涌等风险，对既有路基土体扰动极小，且施工时间灵活，既能满足降低地下水位的要求，又能应对暴雨天气的影响，保障了施工质量和安全，施工简便，设备安装与拆除简单，适合在岩溶地区推广应用。

Description

岩溶地区框架桥顶进降水施工方法及地质勘察与治理方法
技术领域
本发明涉及既有铁路下框架桥顶进工程降水施工技术领域，特别是涉及岩溶地区框架桥顶进降水施工方法及地质勘察与治理方法。
背景技术
随着公路网与铁路网的日益密集，两者的交叉穿越频率也逐渐增多。在新建公路下穿既有铁路线工程中，通常采用顶进框架桥的施工方法完成新建公路的建设。在南方岩溶地质环境下，由于岩溶发育的不均性、多变性以及雨水频繁的特点，合理的路基与基坑降水方法成为了保证框架桥顶进施工安全与既有铁路运营安全的关键。传统的降水方法是在铁路路基两侧降水，但其无法满足下穿多股铁路线的长距离路基降水要求。公布号CN106544964A提出了在既有路线间设置降水井序列的降水方法，该方法一定程度上克服了传统降水方法存在的某些缺陷，但也存在一定的不足，尤其是在岩溶地区的适用性不强。首先，岩溶地区地质较为复杂，隐性溶洞与岩溶发育区稳定性较差并蓄水严重，未探明地质情况下盲目设置井降水，容易出现溶洞附近土体大面积崩塌等风险。其次，在既有多股铁路线之间开挖数量较多的降水井，对铁路路基扰动较大，容易造成地层沉降量过大，铁路安全运营难以保障。第三，挖井施工与设备安装耗时较长、程序麻烦，且在多股铁路之间运土也极为不便。第四，施工需要申请较长的天窗点，同时需要考虑整体项目的协同性，因此具体施工时间也难以明确。第五，缺乏考虑南方地区夏季具有突发降水量大且降水次数多的特点。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种适用于岩溶地区的既能保证列车运行和顶进施工安全方便的降水施工方法，具体方案如下：
岩溶地区框架桥顶进施工的地质勘察与治理方法，包括步骤如下：
(6)利用有限元模拟软件，根据设计图纸、通过地质勘察设备勘察的既有铁路线路间和路基两侧的现场环境及岩溶地区情况建立有限元模型；
(7)通过步骤(1)的有限元模型分析结果和现场实际情况，确定需要填充治理的溶洞和土洞；
(8)安装临时降水设备，采用轻型井点降水方法对步骤(2)的需要填充位置进行填充前降水；
(9)步骤(3)的水位下降至设定值后，采用注浆方法填充或粘性土或片粘土填充；
(10)完成步骤(4)的填充后，拆除临时降水设备。
进一步地，步骤(3)中的降水方式包括小尺寸溶洞、大尺寸溶洞和土洞三种降水方式；
所述小尺寸溶洞降水方式为将临时轻型井点管由其上方穿入降水；
所述大尺寸溶洞降水方式为将临时轻型井点管围绕其四周边缘降水；
所述土洞的降水方式根据降水对其变形的影响情况进行降水，若降水对其变形的影响不大，则在土洞四周两米以外的位置埋设临时轻型井点管；若降水对其变形的影响较大，则先在土洞外周围两米位置浇筑混凝土桩，且在混凝土桩外圈布置临时轻型井点管进行降水。
进一步地，所述混凝土桩设置3～5根，其直径分别为30cm，深度分别要大于土洞最低点0.5m以上。
进一步地，步骤(4)中采用注浆方法填充的情况为需要填充位置位于基坑底部设计标高的下方，采用粘性土或片粘土填充的情况为需要填充位置位于基坑底部设计标高的上方。
进一步地，所述地质勘察设备为探底雷达设备，所述有限元模拟软件为ABAQUS。
岩溶地区框架桥顶进施工的降水施工方法，包括路基降水工序和权利要求1所述的岩溶地质勘察与治理方法，降水前完成所述步骤(1)至(5)的操作后，进行路基降水工序，所述路基降水工序的步骤如下：
S1.在既有铁路线路之间采用轻型井点降水方法，在路基两侧采用管井降水方法，排水沟将轻型井点管和管井降水抽出来的水以及地表降水排走；
S2.在安全时间内进入既有铁路线路进行轻型井点井凿孔施工，安装抽水设备；按照工期对路基两侧进行管井降水的成孔施工，安装管井抽水设备；
S3.根据所述步骤(1)建立的有限元模型，对岩溶灾害单元赋予相应的材料性质，分析不同降水速率对路基沉降的影响；
S4.根据《建筑基坑支护技术规程》和《建筑深基坑工程施工安全技术规范》的计算公式，计算降水引起的地表沉降量；
S5.通过对比S3和S4，并结合路基最大变形要求，找出最优降水速率；
S6.步骤S5的水位下降至设定值后，对既有铁路线路进行加固，抽水设备持续降水，加固完成后，进行基坑的开挖与框架桥的预制；
S7.采用边挖边顶的方式，进行顶进线路路基的开挖和框架桥的顶进工作。
进一步地，步骤S7所述边挖边顶的方式为当顶进线路路基的开挖面接近管井降水点附近时，抽除管井降水相关设备和排水沟，并对开挖侧排水沟端口进行阻断措施，保证排水沟未拆除部位继续正常排水，同理拆除框架桥顶进线路上的轻型井点降水相关设备，直至框架桥顶进就位，在此期间，未拆除的抽水设备持续降水。
进一步地，在路基降水工序步骤S1中，所述路基两侧分别设有行车安全限界，在行车安全限界外侧设置多个管井降水井点，在所述路基一侧设置预制框架桥，预制框架桥两侧分别设有路基开挖线，路基开挖线内外两侧分别设有多个轻型井点管，多个轻型井点管分别设在相邻既有铁路线路之间，其外侧的分别沿铁路方向延伸，两路基开挖线外测还分别设有轻型排水总管，多个轻型井点管分别连接轻型排水总管。
进一步地，所述排水沟设置在两管井降水井点外侧，多个管井降水井点和轻型排水总管分别连接排水沟。
本发明的优点
(1)针对岩溶特殊地质，首先在降水前进行地质勘察，并提出病害处治方案，有效避免了因地质状况不明便盲目降水引起岩溶地区突涌的风险，提高了施工的安全性。
(2)通过既有线路采用轻型井点降水法和路基两侧采用管井井点降水法的创新组合，减小了对既有线路土体的干扰，既能满足降低地下水位的要求，又能应对暴雨天气的影响。
(3)降水设备安装时不需要申请过多天窗点，而需要拆除时，为拆除设备依然能保持正常降水工作，有效降低了施工难度与时间成本，具有灵活、便利等优点。
(4)降水速率根据有限元模拟和传统计算公式对比选择得出，并结合实际沉降量进行调整，降水方案更加合理科学，提高了风险的可控性。
(5)整个降水施工过程均考虑了岩溶发育环境的影响，具有很强的针对性，在岩溶地质地区框架桥涵顶推过程的降水施工中具有很强的适用性，值得推广应用。
附图说明
图1为本发明的路基降水时的整体布局示意图。
图2为图1降水前的溶洞填充处理示意图。
图3为图1降水前的土洞填充处理示意图。
图4为本发明的有限元模型图。
图中：
1、管井降水井点；2、行车安全界限；3、既有铁路线路；4、轻型井点管；5、轻型排水总管；6、排水沟；7、路基开挖线；8、预制框架桥；9、混凝土桩；10、土洞；11、临时轻型井点管；12、小尺寸溶洞；13、较大尺寸溶洞。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地解释和说明，需要注意的是，本具体实施例不限定本发明的权利范围。
如图1至图4所示，本具体实施例提供的岩溶地区框架桥顶进降水施工方法，包括岩溶地质勘察与治理方法和路基降水工序，包括如下步骤：
一、降水前先进行既有铁路线路间和路基两侧的现场环境的地质勘察与治理，其步骤如下：
(1)利用ABAQUS有限元模拟软件，根据设计图纸、通过探底雷达设备对既有铁路线路3间和路基两侧进行勘察的现场环境和岩溶情况建立如图4所示的有限元模型，明确岩溶灾害类型，尤其是溶洞和土洞的具体位置、大小尺寸及填充物信息；分析降水对溶洞变化和路基变形可能存在的风险。
(2)根据ABAQUS有限元模拟软件分析结果和既有铁路线路3间和路基两侧的实际现场情况，确定需要填充治理的溶洞和土洞10；溶洞包括小尺寸溶洞12和大尺寸溶洞13。
(3)采用轻型井点降水方法对填充位置进行填充前降水，降水方式包括小尺寸溶洞12、大尺寸溶洞13和土洞10三种降水方式：
如图2所示，小尺寸溶洞12的降水方式是将临时轻型井点管11由其上方穿入降水；大尺寸溶洞13的降水方式是将临时轻型井点管11围绕其四周边缘降水；
如图3所示，土洞10的降水方式为，若降水对其变形的影响不大，则在土洞10四周两米以外的位置埋设临时轻型井点管11，通过渗流作用降水，减小降水带来的扰动，若降水对其变形的影响较大，则先在土洞10周围两米位置浇筑混凝土桩9，优选地，混凝土桩9设置3～5根，其每根的直径分别为30cm，深度分别大于土洞最低点0.5m以上，目的在于对土体起到支撑和稳定的作用，同时在混凝土桩9外圈布置临时轻型井点管11进行降水。
(4)步骤(3)中的需要填充位置在水位下降至设定值后，根据具体情况对岩溶灾害进行填充：若需要填充位置位于基坑底部设计标高的下方，采用注浆方法填充；若需要填充位置位于基坑底部设计标高的上方，采用粘性土或片石粘土填充。
(5)填充完步骤(4)的需要填充位置后，拆除临时降水设备，进入路基正式降水工序。
二、路基降水工序，其步骤如下。
S1、如图1所示，确定降水总布局：在路基两侧分别设有行车安全限界2，目的在于不仅能减小对既有铁路线路3土体的影响，还能使施工时间较为灵活。行车安全限界2外侧设置多个管井降水井点1，在路基一侧设置预制框架桥8，预制框架桥8两侧分别设有路基开挖线7，路基开挖线7内侧和外侧分别设有多个轻型井点管4，多个轻型井点管4分别设置在相邻既有铁路线路3之间，且其外测的轻型井点管4沿铁路方向延伸15m，两路基开挖线7外测0.5m处还分别设有轻型排水总管5，当与铁路设备冲突时，可适当调整；多全轻型井点管4分别连接轻型排水总管5，排水沟6设置在两管井降水1的井点外侧，多个管井降水1的井点通过抽水泵将水抽送到排水沟6，轻型排水总管5分别连接排水沟6，目的在于将多个轻型井点管4的水通过轻型排水总管5统一排放到排水沟6。
按以上降水布局，在既有铁路线路3之间采用轻型井点降水方法，两侧降水设备均连接至一根排水总管，但互不干扰，当拆除内测降水设备时，未拆除排水系统依然通过轻型排水总管5持续排水；
在路基两侧采用管井降水方法，排水沟6将轻型井点管4和管井降水井点1抽出来的水以及地表降水排走。
S2、确定降水总布局后，在安全时间内进入既有铁路线路3进行轻型井点井凿孔施工，并安装抽水设备，在试抽和检查没有问题后，恢复线路正常运营。
S3、灵活安排工期对路基两侧进行管井降水的成孔施工，紧接着进行管井抽水设备的安装工作，试抽并检查，保证设备能正常工作；
S4、开挖路基两侧的排水沟，并将两种降水方式的排水管出口接到排水沟6，保证由抽水设备抽出来的地下水都能流到排水沟6而及时排走，同时排水沟6的作用还在于集中和排除地表降水；
S5、确定降水速率：
①根据岩溶地质勘察与治理方法步骤(1)建立的有限元模型作为基础，考虑填充效果，对岩溶灾害单元赋予相应的材料性质，分析不同降水速率对路基沉降的影响；
②《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)和《建筑深基坑工程施工安全技术规范》(JGJ311-2013)给出的计算公式，计算降水引起的地表沉降量：
Figure BDA0002884967290000051
式中：S为降水引起的地表沉降量(m)；
ψ为经验系数，可根据当地相关经验取值，若无经验，宜取值为1；
Δσ′k为第k层土因降水而引起的平均附加应力(kPa)；
Δhk为第k层土的厚度(m)；
Ek为为第k层土的压缩模量(kPa)；
③通过对比①和②，并结合路基最大变形要求，找出最优降水速率。
S6、根据项目工期，启动降水系统，由于降水初期对土体影响较大，初期降水速率根据经验值乘以一定的折减系数，在土体稳定后，逐步提升降水速率，在此期间，根据路基和周围建筑物沉降适当调整降水速率，防止出现过大变形；遭遇暴雨或连续降雨等降雨量较大的天气时，加大管井降水抽水功率，将雨水及时排出，减小雨水对地下水位的渗流补给作用。
S7、步骤S6的水位下降至设计值后，对既有铁路线路3进行加固，在此期间抽水设备持续降水，并加强保护措施，防止抽水设备损坏；待线路加固完成后，进行基坑的开挖与框架桥的预制。
S8、采用边挖边顶的方式，进行顶进线路路基的开挖和预制框架桥8的顶进工作，当开挖面接近管井降水井点1附近时，抽除管井降水相关设备和排水沟6，并对开挖侧排水沟6端口进行阻断措施，保证排水沟6未拆除部位继续正常排水，同理拆除预制框架桥8顶进线路上的轻型井点降水相关设备，直至预制框架桥8顶进就位，在此期间，未拆除的降水设备持续降水。

Claims (8)

1.岩溶地区框架桥顶进施工的降水施工方法，其特征在于，包括岩溶地质勘察与治理方法和路基降水工序，所述的岩溶地质勘察与治理方法包括如下步骤：
(1)利用有限元模拟软件，根据设计图纸、通过地质勘察设备勘察的既有铁路线路和路基两侧的现场环境及岩溶地区情况建立有限元模型；
(2)通过步骤(1)的有限元模型分析结果和现场实际情况，确定需要填充治理的溶洞和土洞；
(3)安装临时降水设备，采用轻型井点降水方法对步骤(2)的需要填充位置进行填充前降水；
(4)步骤(3)的水位下降至设定值后，采用注浆方法填充或粘性土或片粘土填充；
(5)完成步骤(4)的填充后，拆除临时降水设备；
降水前完成所述步骤(1)至(5)的操作后，进行路基降水工序，所述路基降水工序的步骤如下：
S1.在既有铁路线路之间采用轻型井点降水方法，在路基两侧采用管井降水方法，排水沟将轻型井点管和管井降水抽出来的水以及地表降水排走；
S2.在安全时间内进入既有铁路线路进行轻型井点井凿孔施工，安装抽水设备；按照工期对路基两侧进行管井降水的成孔施工，安装管井抽水设备；
S3.根据所述步骤(1)建立的有限元模型，对岩溶灾害单元赋予相应的材料性质，分析不同降水速率对路基沉降的影响；
S4.根据《建筑基坑支护技术规程》和《建筑深基坑工程施工安全技术规范》的计算公式，计算降水引起的地表沉降量，降水引起的地表沉降量的计算公式如下：
Figure FDA0003545774960000011
式中：S为降水引起的地表沉降量(m)；
ψ为经验系数，可根据当地相关经验取值，若无经验，宜取值为1；
Δσ′k为第k层土因降水而引起的平均附加应力(kPa)；
Δhk为第k层土的厚度(m)；
Ek为第k层土的压缩模量(kPa)；
S5.通过对比S3和S4，并结合路基最大变形要求，找出最优降水速率；
S6.步骤S5的水位下降至设定值后，对既有铁路线路进行加固，抽水设备持续降水，加固完成后，进行基坑的开挖与框架桥的预制；
S7.采用边挖边顶的方式，进行顶进线路路基的开挖和框架桥的顶进工作。
2.根据权利要求1所述的岩溶地区框架桥顶进施工的降水施工方法，其特征在于，步骤(3)中的降水方式包括小尺寸溶洞、大尺寸溶洞和土洞三种降水方式；
所述小尺寸溶洞降水方式为将临时轻型井点管由其上方穿入降水；
所述大尺寸溶洞降水方式为将临时轻型井点管围绕其四周边缘降水；
所述土洞的降水方式根据降水对其变形的影响情况进行降水，若降水对其变形的影响不大，则在土洞四周两米以外的位置埋设临时轻型井点管；若降水对其变形的影响较大，则先在土洞外周围两米位置浇筑混凝土桩，且在混凝土桩外圈布置临时轻型井点管进行降水。
3.根据权利要求2所述的岩溶地区框架桥顶进施工的降水施工方法，其特征在于，所述混凝土桩设置3～5根，其直径分别为30cm，深度分别要大于土洞最低点0.5m以上。
4.根据权利要求1所述的岩溶地区框架桥顶进施工的降水施工方法，其特征在于，步骤(4)中采用注浆方法填充的情况为需要填充位置位于基坑底部设计标高的下方，采用粘性土或片粘土填充的情况为需要填充位置位于基坑底部设计标高的上方。
5.根据权利要求1所述的岩溶地区框架桥顶进施工的降水施工方法，其特征在于，所述地质勘察设备为探地雷达设备，所述有限元模拟软件为ABAQUS。
6.根据权利要求1所述的岩溶地区框架桥顶进施工的降水施工方法，其特征在于，步骤S7所述边挖边顶的方式为当顶进线路路基的开挖面接近管井降水点附近时，抽除管井降水相关设备和排水沟，并对开挖侧排水沟端口进行阻断措施，保证排水沟未拆除部位继续正常排水，同理拆除框架桥顶进线路上的轻型井点降水相关设备，直至框架桥顶进就位，在此期间，未拆除的抽水设备持续降水。
7.根据权利要求1所述的岩溶地区框架桥顶进施工的降水施工方法，其特征在于，在路基降水工序步骤S1中，所述路基两侧分别设有行车安全限界，在行车安全限界外侧设置多个管井降水井点，在路基一侧设置预制框架桥，预制框架桥两侧分别设有路基开挖线，路基开挖线内外两侧分别设有多个轻型井点管，多个轻型井点管分别设在相邻既有铁路线路之间，其外侧的分别沿铁路方向延伸，两路基开挖线外测还分别设有轻型排水总管，多个轻型井点管分别连接轻型排水总管。
8.根据权利要求1所述的岩溶地区框架桥顶进施工的降水施工方法，其特征在于，所述排水沟设置在两管井降水井点外侧，多个管井降水井点和轻型排水总管分别连接排水沟。
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