盾构隧道下穿高铁桥梁安全影响分析

杨 喜，朱 颖

(1.广州地铁设计研究院有限公司， 广东 广州 510010； 2.郑州市轨道交通有限公司， 河南 郑州 450000)

随着国家中长期铁路网规划中四纵四横铁路快速客运通道逐步建设完成，客运专线已成为主要城市之间的重要运输通道。同时随着经济和城市建设的发展，各地主要城市均在大规模修建地铁，不可避免铁路客运专线与城轨交通交叉的工程实例渐多。

现已完成下穿客专桥梁实例的有天津滨海B1线隧道下穿津秦客专桥梁、广佛环线隧道下穿广州南站桥梁、北京地铁10号线隧道下穿京沪高铁桥梁、南京城轨线隧道下穿京沪高铁桥梁、杭州地铁1号线隧道下穿沪杭高铁高架桥、苏州轨道交通2号线隧道下穿沪宁城际高速铁路等。

在盾构隧道下穿客专桥梁方面，贾大鹏等[1]、舒畅等[2]、李吉林[3]对盾构隧道下穿高铁桥梁工程实例中均推荐设置隔离桩，在采用了隔离桩后墩台监测变形量均较小。李波[4]对比分析了南京城轨线盾构隧道近距离下穿京沪高铁桥梁桩基案例中隧道盾构施工与隔离桩施工时对既有桥梁桩基的影响，采用隔离桩主动防护技术,极大减少了盾构隧道对桥梁桩基的扰动作用，同时隔离桩的施作相较隧道掘进对桩基的影响更小。 吴义明[5]对杭州地铁1号线盾构隧道先后近距离侧穿沪杭高铁高架桥(水平净距离为5.2 m～6.2 m)，预先在隧道与被穿越高铁桥墩间打设围护桩。在采用了隔离桩后墩台监测最大累计变形量为1.2 mm。陈海丰等[6]对苏州轨道交通2号线盾构下穿沪宁城际高速铁路工程提出“分区注浆+板桩隔离”保护体系，盾构实施后桥梁最大累计沉降量-1.2 mm。赵丽雅等[7]对福州地铁2号线隧道下穿铁路工程，对下穿段的土体采取注浆加固措施后，盾构隧道施工对既有铁路造成的不均匀沉降得到有效的控制。杨俊等[8]对兰州地铁盾构隧道穿越桥梁基础进行超前喷浆加固,研究表明注浆加固方法对减小不均匀沉降及盾构施工扰动具有明显效果。

近年来，相关工程实例针对客专桥梁结构变形控制要求高，工程实例中大多推荐区间左右线隧道分开下穿相邻桥跨，以增加隧道与桩基之间的净距，对于不同的平面交叉关系、地层、区间左右线间距等采用了相对安全的土体加固、隔离措施，均达到了较为理想的效果。

隧道近距离下穿桥梁，施工过程中难免会对桥梁桩基造成一定的影响，进而影响到桥梁上部结构的变形，尤其是反映到桥面轨道结构上，加之高速铁路无砟轨道变形要求严格，行车安全和舒适度要求高。本文通过对郑州地铁2号线盾构隧道下穿郑西高铁桥梁工程实例，在郑州典型的粉质黏土、粉土地层中，对盾构施工过程中桥梁承台内力及变形、桩侧摩阻力及内力变化、上部结构的变形、下穿前后桥梁结构设计控制参数的变化，以及施工完成后的桥梁承台监测数据与计算分析进行对比，以期对类似工程提供借鉴与参考。

1 工程概况

1.1 高铁桥梁与隧道之间空间关系

区间线路与桥梁正交，左右线双线隧道各穿一桥跨，隧道线间距为36 m。隧道采用两台中铁装备生产的CTE6250复合式土压平衡盾构机进行掘进，结构形式为圆形隧道，管片采用6块分块，外径6.0 m，内径5.4 m，厚度0.3 m，宽度1.5 m，错缝拼装。

区间左右线分别下穿高架桥0#—1#、1#—2#桥跨，区间隧道在下穿高铁桥处覆土约13 m，隧道外侧与桩外侧水平距离为11.1 m～11.3 m。

区间隧道、桥梁空间关系见图1。

图1隧道与桥梁关系图(单位：m)

1.2 工程地质及水文地质概况

隧道下穿处位于黄河冲洪积平原二级阶地，地下水位于地面以下16 m～17 m，为孔隙潜水，交叉处地层依次为粉土、粉砂、粉质黏土层。场地土层为不液化或可不考虑液化影响。计算分析按现地勘土体参数及水位。

1.3 高铁桥梁结构设计概况

郑西客运专线设计速度350 km/h，为双线铁路，线间距5.0 m。

隧道下穿处为郑西客专跨南水北调总干渠特大桥，桥梁为32 m跨无碴轨道后张法简支箱梁，轨道形式为CRTSⅡ型板式无碴轨道，该处线路位于平坡，半径R=6 000 m缓和曲线上。桩基础采用群桩基础，桩间距2.8 m。承台尺寸为10.5 m×5.6 m×2.0 m(长×宽×高)。高铁桥桥墩及基础基本情况见表1。

桥梁主梁、垫石为C50混凝土，承台、桥墩、桥台、桩基础为C35混凝土。

1.4 高铁桥梁变形控制指标

郑西客运专线桥梁变形按照《高速铁路设计规范)》[9](TB 10621—2009)、《铁路桥涵设计基本规范》[10](TB 10002.1—2005)中要求进行控制，主要控制内容为：

(1) 墩顶横向水平位移引起的梁端水平折角应≤1.0‰弧度。

(3) 对于简支梁、无砟轨道，墩台工后均匀总沉降≤20 mm，相邻墩台最终沉降差≤5 mm。

(4) 墩台顶部纵向水平线刚度(32 m跨)应>350 kN/cm。

2 施工影响分析

2.1 建模及参数选取

根据工程相互关系，采用ABAQUS计算软件对施工阶段进行模拟，主要分析隧道施工对群桩基础的变形影响，应力应变的本构理论采用Mohr-Coulomb 线弹塑性模型。模型中根据勘察地层设置隧道周边土层，各个部分的材料参数见表2。其中考虑衬砌连接的不连续性，将衬砌的弹性模量按0.15 进行折减，桥台以上结构作为荷载计算。几何模型如图2所示。

表2 材料参数表

图2整体模型图

设计活载:列车竖向荷载采用ZK荷载，其图式见图3。

(a) 标准活载图式(一) (b)标准活载图式(二)

图3 ZK活载图式

群桩基础的承台顶面荷载分布见表3，其中X向为顺桥方向，Y向为平面垂直线路方向，Z向竖直方向。采用不利的重型荷载组合(设备及梁重+离心力+双孔重载+列车横向摇摆力)。

表3 桥梁承台顶面荷载

2.2 施工过程模拟

模拟步骤：(1) 初始地应力场平衡；(2) 施加承台顶面荷载；(3) 隧道掘进，分盾构掘进开挖、管片拼装、同步注浆三个阶段。

首先将盾构机掘进后的一环土体单元去除，激活管片混凝土材料。同步注浆通过设置10 cm厚的等代层来模拟浆体材料。

盾构法隧道掘进的过程是地层损失发生并对周围环境产生影响的过程，该过程引起土层变形的原因是多方面的，如按照扰动原因进行相应的分析是非常困难及复杂的，因而，根据已有施工经验的总结和反馈分析，本次计算采用0.5%地层损失率计算出综合地层损失。

另外，对开挖面施加均布荷载以模拟刀盘顶推力，桩土间摩擦效应考虑设置接触单元(见图4)。

隧道掘进工序为先施工左线隧道，后施工右线隧道。

图4承台桩基布置图(单位：m)

2.3 区间左线隧道施工影响分析

2.3.1 承台变形分析

总体而言，根据桩基与隧道之间的空间关系，平面净距相对较大，区间左线施工后，隧道两侧0#、1#承台受到的扰动较小，且由于中间桩基的隔断，2#承台受到的扰动可忽略。

区间左线施工完成后，左侧0#承台的1号、2号角点X向位移最大约为0.82 mm，3号、4号角点X向位移最大约为0.78 mm。右侧1#承台的1号、2号角点X向位移最大约为0.54 mm，3号、4号角点X向位移最大约为0.50 mm。

随着隧道的掘进，0#和1#承台Y向位移先增加后减小。0#承台4个角点Y向位移最大约为0.17 mm。1#承台的4个角点Y向位移最大约为0.15 mm。

对于Z向位移，0#承台1号、2号角点Z向最大位移约为-0.37 mm，3号、4号角点Z向最大位移约为-0.35 mm。承台的沉降差为0.02 mm，转角为0.0002°。1#承台1号、2号角点Z向最大位移约为-0.36 mm，3号、4号角点Z向最大位移约为-0.35 mm。承台的沉降差为0.01 mm，转角为0.0001°。承台沉降最大值约为-0.4 mm，转角最大约为0.0002°，左线隧道两侧的承台沉降差为0.02 mm。

2.3.2 承台内力、桩侧摩阻力及桩身轴力变化

图5—图8为区间左线隧道施工时桩侧摩阻力及桩身轴力变化图。左侧隧道开挖时，在隧道中心线上下一定范围内的土体由于开挖卸载的影响，桩侧摩阻力会有局部下降，而在隧道下部由于土体卸载回弹的影响，桩侧摩阻力有少量的增大，但数值均很小，减小值最大约1.2 kPa，增加值约为0.4 kPa。桩身轴力变化较小，开挖会引起桩身轴力有所增加，变化趋势为先增大后减小，在桩长25 m左右最大，为52 kN。

图5 0#墩桩侧摩阻力分布及变化图(左线施工)

对于承台受力，内力控制截面为XY截面Z向压力，在左线隧道掘进后0#承台变化量为0.14%，1#承台变化量为1.1%；弯矩控制截面为YZ截面Y向弯矩，0#承台变化量为-2.4%，1#承台变化量为-7.6%，由此可见隧道掘进引起的承台内力变化较小。

图6 0#墩桩身轴力分布及变化图(左线施工)

图7 1#墩桩侧摩阻力分布及变化图(左线施工)

图8 1#墩桩身轴力分布及变化图(左线施工)

2.4 区间右线施工影响分析

2.4.1 承台及地表变形

与左线隧道施工相似，在桩基与隧道之间的空间关系中，平面净距相对较大，右线隧道两侧的承台受到的扰动也较小，且由于中间桩基的隔断，0#承台受到的二次扰动可忽略。

左线隧道掘进后，1#承台向左线隧道方向发生少量的位移，右侧隧道开挖时1#承台X向的位移方向与左侧隧道开挖时相反，在隧道开挖结束时，1#承台的1号、2号角点最大位移约只有0.09 mm，3号、4号角点X向最大位移只有0.08 mm。2#承台的1号、2号角点X向最大位移约为-0.84 mm，3号、4号角点X向最大位移约为-0.79 mm。

随着右线隧道的掘进，1#和2#承台Y向位移同样也先增加后减小，1#承台4个角点Y向位移最大为0.20 mm。2#承台4个角点Y向位移最大为0.16 mm。

对于Z向位移，1#承台1号、2号角Z向最大位移约为-0.76 mm，3号、4号角点Z向位移最大为-0.80 mm，沉降差为0.04 mm，转角为0.0004°。2#承台1号、2号角Z向最大位移为-0.33 mm，3号、4号角点Z向最大位移为-0.32 mm。沉降差为0.01 mm，转角为0.0001°。

2.4.2 承台内力、桩侧摩阻力及桩身轴力变化

图9—图12为区间右线施工时桩侧摩阻力及桩身轴力变化图。右侧隧道开挖时，同样在隧道中心线上下一定范围内的土体由于开挖卸载的影响，桩侧摩阻力会有局部下降，而在隧道下部由于土体卸载回弹的影响，桩侧摩阻力有少量的增大，但数值均较小。由于左侧隧道和右侧隧道开挖对1#墩都有一定的影响，因此，右线隧道掘进时1#墩桩侧摩阻力减小最大值达到约-1.6 kPa左右，而下部增大最大值为0.6 kPa左右。与左线隧道掘进时类似，桩身轴力变化不大，开挖会引起桩身轴力有所增加，变化趋势为先增大后减小，在桩长25 m左右最大，为80 kN。

对于右线隧道开挖后的承台受力，与左线类似，内力控制截面为XY截面Z向压力，在右线隧道掘进后1#承台变化量为-6.8%，2#承台变化量为0.66%；弯矩控制截面为YZ截面Y向弯矩，1#承台变化量为6.04%，2#承台变化量为-2.46%，由此可见隧道掘进引起的承台内力同样变化较小。

图9 1#墩桩侧摩阻力分布及变化图(右线施工)

图10 1#墩桩身轴力分布及变化图(右线施工)

图11 2#墩桩侧摩阻力分布及变化图(右线施工)

3 盾构施工对桥墩及上部结构的影响

3.1 墩顶变形及梁端折角计算

由于承台为较大体积的钢筋混凝土构件，按刚性构件考虑，将承台四角对应的变形换算至承台中心位置的变形，对DX、DY、DZ进行合成传递至承台中心O点，最终反映到承台表面中心有：DX、DY、DZ三个方向的位移，和绕X轴的转角RX、绕Y轴转角RY。

图12 3#墩桩身轴力分布及变化图(右线施工)

桥墩和承台连接可以看成刚接，通过刚体位移计算，盾构隧道施工对桥梁下部结构的影响可由承台中心转移至墩顶中心，进而传递到梁部及轨道结构上。

3.2 计算结果及分析

根据2.3、2.4节中承台角点位移及转角值，经3.1节中计算原则计算，桥墩顶最大沉降0.78 mm，最大横向位移0.19 mm、纵向最大位移0.83 mm，梁端水平折角最大为0.006‰，对上部结构影响较小，均满足1.4节中控制变形指标。

4 桥梁设计参数下穿前后计算、监测对比分析

现区间已完成穿越，根据施工过程中和后续的监测数据，0#承台角点最大累积沉降-3.4 mm，1#承台角点最大累积沉降-1.6 mm，2#承台角点最大累积沉降-2.1 mm，最大差异沉降3.4 mm，满足控制要求。

表4 0#、1#、2#墩影响前后设计参数对比表

5 结论与讨论

对于已有下穿桥梁经验，在不同的地层及空间关系下，采取下穿的主要辅助措施如下：

(1) 预先加固盾构隧道周围的土体，减小掘进过程中拱顶松弛和扰动，控制地层变形。

(2) 在构筑物和盾构隧道之间设置隔离帷幕排桩，隔离因盾构隧道掘进而引起的地基变形。

(3) 加固构筑物的地基及周边土体，提高地基强度、承载力以及抗变形能力。

(4) 采取洞内加固措施，加强盾构隧道同步注浆及二次注浆。

本次对区间隧道采用盾构法下穿客运专线桥梁进行了有限元数值模拟，计算结果显示隧道施工对桥梁结构控制参数影响较小，推荐较为经济的加强隧道内注浆方案。在实际施工过程中距桥梁桩基150 m范围进行类似地层盾构掘进参数分析，通过监测数据进行检验优化各项施工参数，并对盾构隧道同步注浆量及注浆压力进行合理控制，并及时进行二次注浆，较好的控制了桥梁桩基及上部结构的结构变形。