高速公路下穿既有运营铁路施工关键技术及安全控制研究

论文摘要

随着我国高速公路和铁路路网密度不断提升，交通通道资源日益紧缺，两种交通方式间的交叉穿越逐渐增多。高速公路下穿既有运营铁路工程是指新建高速公路与既有铁路发生交叉，需要在既有铁路正常运营的情况下，采取措施完成高速公路穿越施工。此类工程既有一般的高速公路工程的特点又具有其特殊性，其中最突出的矛盾就是高速公路施工区域的安全和既有铁路线安全运营的冲突问题。一方面，新建高速公路下穿既有铁路，施工过程中会对既有铁路线的路基造成影响，容易造成安全事故；另一方面，既有铁路线在施工的条件下正常营运，同时也对铁路运营安全产生威胁。尤其在既有运营铁路下进行高速公路箱桥顶进施工过程时，施工对既有铁路路基及列车运营安全必将产生影响；同时，列车通过施工路段时的动荷载对顶进施工也将产生影响。但是，两者彼此影响的程度有多深；如何减少施工对周围土层的扰动，最大限度地降低施工对铁路路基变形的影响，以及如何对受影响地层及周围环境采取保护措施；如何选取适宜的箱桥顶进速度限值、列车运营速度限值、降水方案，才能满足安全运营同时保证穿越施工顺利进行，这一直是人们所关心的问题。因此，就高速公路箱桥下穿铁路施工引起的既有线路路基变形及安全控制研究具有较大的实际意义。本文结合商周二期高速公路箱桥下穿顶进陇海铁路、京九铁路工程实际，较为系统地收集了类似工程和相关研究的资料，开展以下研究：（1）研究公铁交叉中箱桥下穿顶进施工的技术原理、适用范围及工艺流程；（2）提出了顶进施工过程中铁路路基变形和运营期箱桥下穿段路面积水是公铁交叉项目存在安全风险的主要原因，并详细分析了顶进施工过程中铁路路基变形的主要因素；（3）利用有限差分软件FLAC3D、有限元分析软件ABAQUS对工作坑开挖、箱桥顶进步长、列车时速、施工降水等因素造成铁路路基变形进行数值分析；（4）根据分析结果提出铁路路基加固方案，进而提出了箱桥下穿施工过程中铁路路基变形的控制措施。（5）针对平原区高速公路下穿铁路路段积水这一难题，提出了高速公路正常排水系统+集水沉井+渗井的解决方案；（6）研究箱桥下穿施工安全风险管控体系：通过具体施工关键技术研究，分析影响施工安全的主要危险源和安全风险因素，确定出高速公路穿越高速铁路工程安全风险评估指标体系。本文通过影响安全的关键技术分析，进一步研究了箱桥下穿施工安全风险管控体系：通过具体施工关键技术研究，分析影响施工安全的主要危险源和安全风险因素，确定出高速公路下穿既有运营铁路工程安全风险评估指标体系，通过对各安全风险评估方法的比较，选定合理的安全风险评估模型，采集相应数据，对工程施工安全做出评价，为项目安全管理与决策提供参考依据，并提出一套完善的高速公路下穿既有运营铁路施工的安全管理体系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景、目的及意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 箱桥顶进施工研究现状
• 1.2.2 箱桥顶进安全管理研究现状
• 1.2.3 存在问题
• 1.3 主要研究内容及研究线路
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 研究线路
• 2 公铁交叉风险因素分析和控制指标体系研究
• 2.1 箱桥顶进施工简介
• 2.1.1 箱桥顶进施工的发展历程
• 2.1.2 箱桥顶进施工主要原理和流程
• 2.2 商周二期下穿陇海铁路项目简介
• 2.2.1 项目背景
• 2.2.2 项目概况
• 2.3 公铁交叉项目风险因素分析
• 2.3.1 箱桥顶进导致铁路路基变形的风险
• 2.3.2 列车动载导致铁路路基变形的风险
• 2.3.3 施工降水导致铁路路基变形的风险
• 2.3.4 箱桥积水导致高速公路运营安全的风险
• 2.4 公铁交叉项目风险因素分析的控制指标体系研究
• 2.4.1 铁路路基变形的控制指标
• 2.4.2 高速公路箱桥下穿路段路面排水要求
• 2.5 本章小结
• 3 箱桥下穿顶进导致铁路既有线路基变形的数值分析
• 3.1 路基变形的数值分析方法
• 3.1.1 流体质点运动的研究方法
• 3.1.2 基于拉格朗日法的应用软件—FLAC3D 简介
• 3.1.3 有限差分软件 FLAC3D 模拟分析过程
• 3.1.4 运用 FLAC3D 建立三维模型
• 3.1.5 箱桥穿越施工模拟的实现
• 3.2 工作坑开挖对铁路既有线路基变形影响的数值分析
• 3.2.1 不同开挖步对铁路线路沉降的影响
• 3.2.2 不同列车运行速度对铁路线路沉降的影响
• 3.3 不同顶进步长对铁路既有线路基变形影响的数值分析
• 3.3.1 每步开挖顶进 1.0m 时的铁路线路沉降
• 3.3.2 每步开挖顶进 2.0m 时的铁路线路沉降
• 3.3.3 每步开挖顶进 3.0m 时的铁路线路沉降
• 3.4 不同列车时速对铁路既有线路基变形影响的数值分析
• 3.4.1 每步开挖顶进 1m 时不同列车时速的影响
• 3.4.2 每步开挖顶进 2m 时不同列车时速的影响
• 3.4.3 每步开挖顶进 3m 时不同列车时速的影响
• 3.5 本章小结
• 4 施工降水导致铁路既有线路基变形影响的数值分析
• 4.1 降水方案的选择
• 4.2 箱桥下穿高速铁路施工降水工程数值模拟分析方法
• 4.3 不同降水速率对铁路既有线路基变形影响的数值分析
• 4.4 连续降水对铁路既有线路基变形影响的数值分析
• 4.5 加固补强后连续降水对铁路既有线路基变形影响的数值分析
• 4.5.1 铁路既有线路基加固补强措施
• 4.5.2 铁路既有线路基加固补强后抗变形效果分析
• 4.6 箱桥下穿顶进过程中降水突停对铁路既有线路基变形的影响
• 4.6.1 箱桥顶进 11m 降水突停分析
• 4.6.2 箱桥完全顶进到位后降水突停分析
• 4.7 本章小结
• 5 铁路既有线路基控制变形及箱桥排水技术措施
• 5.1 箱桥下穿顶进施工过程分项控制措施
• 5.1.1 工作坑开挖
• 5.1.2 箱桥顶进步长控制
• 5.1.3 列车运行速度控制
• 5.1.4 降水控制
• 5.1.5 铁路路基注浆加固
• 5.1.6 铁路线路加固
• 5.1.7 铁路路基沉降观测
• 5.2 箱涵下穿顶进过程的现场监测
• 5.2.1 现场监测的作用
• 5.2.2 现场监测内容
• 5.2.3 测试方法和原理
• 5.3 理论分析数据与现场监测数据耦合度分析
• 5.4 箱桥下穿路段路面排水技术
• 5.4.1 集水沉井的设计与作用
• 5.4.2 渗井技术的应用
• 5.4.3 集水沉井+渗井在高速公路下穿铁路路段排水系统中的组合应用
• 5.4.4 商周二期下穿陇海铁路沉井+渗井技术应用实例
• 5.5 本章小结
• 6 高速公路下穿既有铁路工程安全风险评估及控制研究
• 6.1 高速公路下穿既有铁路工程安全风险评估指标研究
• 6.1.1 安全风险评估指标体系的建立
• 6.1.2 安全风险评估指标具体描述
• 6.2 高速公路下穿既有铁路工程安全风险评估研究
• 6.2.1 安全风险评估方法比选
• 6.2.2 支持向量机理论
• 6.2.3 基于 SVM 回归高速公路下穿既有铁路工程安全风险评估模型建立
• 6.2.4 商周二期高速公路穿越陇海铁路安全风险评估实例
• 6.3 高速公路下穿既有铁路工程安全风险控制研究
• 6.3.1 本质安全理论
• 6.3.2 基于本质安全高速公路下穿既有铁路工程安全预控措施
• 6.3.3 高速公路下穿既有铁路工程安全风险预控系统建立
• 6.4 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 博士研究生学习阶段科研成果及实践成果