盾构隧道近距离穿越高铁桥梁微扰动控制措施研究

姚建石

（北京市基础设施投资有限公司，北京 100101）

随着轨道交通的不断发展，线网密度不断提高，不可避免会出现新建地铁隧道与既有建筑物近接或者穿越的问题，新建隧道施工对既有建筑物必然会产生一定程度的影响。盾构下穿铁路引起轨道的不平顺，加大了轮轨间的冲击力，影响列车行驶的舒适性和安全性。高速铁路对变形控制更加严格，地铁盾构下穿使高铁桥桩发生变形和变位，直接影响列车行驶的安全。

注浆加固措施是目前工程领域较为常用的一种施工手段，在深大基坑、铁路桥梁、地铁隧道工程中的应用尤为普遍。高速铁路很多时候采用高架桥的形式通过，因此新建地铁隧道必然会对高铁桥墩和基础的稳定性及变形产生影响，采用区间地表注浆或者隔离桩的方式对高铁桥梁及其基础进行隔离加固施工，成为当前工程领域较为常用的方式。

刘记[1]针对深圳地铁某区间盾构隧道下穿广深港高铁桥梁工程，在无法施工隔断桩防护的情况下，采取多层次、多梯度注浆措施有效控制了变形沉降。郭波针对西安地铁14 号线下穿西成高铁工程，采用隔离桩和土体加固措施，使隧道盾构下穿期间高铁桥墩位移远小于技术规程限值要求。张准[2]针对呼和浩特市轨道交通2 号线一期工程公主府站至内蒙古体育场站区间盾构隧道施工工程，在周围建筑物老旧、不允许较大沉降的不利条件下，采用深孔注浆加固措施，实现了对地表沉降的有效控制，确保砌体建筑物的安全与正常运用。房雅楠[3]针对北京地铁17 号线下穿既有框构桥工程分析不同加固方案下，盾构隧道下穿既有铁路框构桥引起的该区段地表变形规律以及对既有桥梁的影响，仅采取同步注浆加固方案时，地表及铁路框构桥的变形远远大于同期采用同步注浆和二次深孔注浆的方案。刘立明[4]以大连地铁5 号线下穿哈大高速铁路高架桥为背景, 以大连地铁5 号线下穿哈大高速铁路高架桥为背景,区间采用隧道盾构穿越哈大高速铁路。

本文主要研究高速铁路桥某段在已经存在最大87.9mm 不均匀沉降的不利条件下，盾构隧道近距离穿越高铁桥梁微扰动的控制措施。本文主要采用盾构隧道二次深孔注浆+区间注浆的措施以减少高铁桥梁的沉降变形。

图1 隧道与高铁桥墩位置关系剖面图

1 工程概况

区间隧道下穿段的地层从上往下依次为杂填土、砂质粉土、粉砂、粉细砂、粉土、粉质黏土。区间隧道覆土深度约8m，采用盾构法施工，隧道外径6.4m，管片厚0.3m，左右线间距为13m。

高速铁路设计时速为350km/h，无砟轨道，双线。区间隧道从跨五环路的80+128+80m 预应力混凝土连续箱梁中跨穿越，平面交角为40 °，中跨桥墩号281、282。（见图1）

由于超量开采地下水等人为因素，高架桥（80+128+80）m 大跨连续梁桥地段位于地面沉降区域，连续梁桥的沉降情况如下表1 所示，四个桥墩均有不同程度的沉降。其中282 号主墩与283 号边墩沉降差最大，达到了87.9mm。

表1 连续梁桥CPIII 沉降结果

2 数值模拟分析

2.1 力学模型及参数

利用Midas GTS 软件建立地基土层-盾构隧道-上部结构协同作用的三维实体模型（见图2）进行分析盾构施工过程中所采取的控制措施的作用。

计算分析时采用摩尔-库仑本构模型模拟土体与桩基的相互作用，采用弹性本构模型模拟桥梁桩基、承台、桥墩；同步注浆以及浆液与土体的作用，采用应力释放程度和等代层来考虑，等代层采用弹性模型；承台采用实体单元，弹性模型；桥梁荷载作用于承台；桥桩采用嵌入式桁架单元模拟；洞内二次深孔加强注浆采用实体单元提高土体参数、摩尔-库伦模型模拟。模型中材料的物理力学参数取值见表2，其中各地层参数按照地质勘察资料选取。

数值计算模型上表面为地表，竖向共取90m，区间隧道方向取168m，垂直隧道方向取180m。

图2 计算模型图

2.2 模拟隧道的施工过程

将起伏、厚度不均简化地层为单一均质的水平层，忽略地下水的渗透作用。

表2 各材料物理力学参数

模拟盾构隧道的施工过程为：（1）对地层刚开始的应力情况加以计算，清零地层位移；（2）施做高架桥结构、高速路基，并地层位移清零；（3）开挖隧道的钝化土体后将盾壳激活；（4）钝化盾壳，将管片与注浆层激活；（5）将第二和第三步内容重复进行到完成隧道的开挖。开挖至第六环之后，将土体的加固属性按照开挖步骤顺序从所属土层属性转变成加固体属性。

2.3 计算结果与分析

2.3.1 盾构施工诱发的地表变形

通过数值模拟获得双线隧道完成开挖后土体竖向位移的分布云图（见图3）。由图3 可见，完成盾构隧道的施工后，地表的沉降面从上到下呈现出“圆形漏斗”形状。两条隧道之间沉降最大，受五环路荷载影响，地表沉降最大沉降为-15.5mm，左右线隧道顶端周边沉降二者基本对称。盾构隧道采用二次深孔加强注浆后，有效减少了地表的沉降，最大的沉降同样出现在相同位置值为-13.0mm，较没采取措施时产生的沉降减少了16.1%。此外，盾构隧道底部会有微小的隆起，主要原因是隧道范围内土体被挖除，而完成拼装的管片自身重量比被开挖土体的自重小，进而造成隧道底端的土体形成卸载效应，使隧道底端土体出现微小的隆起。

由于区间注浆加固的作用，临近桥桩侧地表沉降槽影响范围有所减小，左侧地表沉降为0 的点距左线外轮廓垂直距离约10m，右侧地表沉降为0 的点距右线外轮廓垂直距离约16m，图4。

采用的二次深孔注浆+区间注浆加固措施对盾构隧道施工影响范围内减轻地表沉降效果明显，最大减少16.1%。并且该措施也减小了地表沉降槽的影响范围，有效减少了对高铁桥墩的影响。

2.3.2 盾构施工诱发的桥墩变形（图5）

盾构施工引起桥墩发生沉降，在未采取控制措施的情况下，282 号墩产生了0.358mm 沉降。在施加控制措施的情况下，282号墩产生了0.168mm 沉降，由此可见，所采取的控制措施有效地减少了桥墩的沉降，最大减少了53%的沉降。但是，两种情况下，281 号和282 号墩都出现了差异沉降，距离盾构近的一端沉降较大，即两桥墩朝隧道方向倾斜。

盾构施工引起桥墩发生了水平位移，计算模型中X 方向为垂直区间掘进方向，Y 方向为顺区间掘进方向，提取桥梁墩台竖向位移及将X 和Y 水平位移在每一个施工步的变化值进行分析，并将X 和Y 方向水平位移分解叠加得到墩台水平位移。由此得到281 号墩顺桥向水平位移为0.26mm，横桥向水平位移为0.28mm。282 号墩顺桥向水平位移为0.32mm，横桥向水平位移为0.35mm。

图3 盾构施工完成地表沉降云图（m）

图4 地表竖向位移随施工步变化曲线图

图5 282 号桥墩竖向位移随施工步变化曲线图

2.3.3 盾构施工前后桥梁梁体的应力变化（图6）

在盾构隧道施工前，根据沉降变形监测数据成果，在283 号墩施加87.9mm 强制位移模拟282 号墩与283 号墩之间的差异沉降，计算显示283 号墩边跨跨中附近梁体上缘出现0.27MPa 拉应力，282 号墩支点附近拉应力达到3.49MPa。超出了原有设计值，已达到影响结构耐久性的限值，并接近影响结构安全性的限值。该桥梁墩台的差异沉降不能再继续扩大，否则将影响列车行驶安全。因此，盾构隧道施工过程中采用隧道二次深孔灌浆+区间注浆加固的方式来减少对桥梁的影响。

在盾构隧道施工后，叠加盾构开挖带来的变形影响，283 号墩边跨跨中附近上缘应力、282 号墩支点附近拉应力影响不大，其余控制指标变动较小。因此在采取控制措施的情况下，该盾构隧道施工对桥梁应力影响不大，但由于原有差异沉降较大，且已经超出设计值范围，所以应对该桥梁采取相应整治措施。

3 变形控制标准及措施

3.1 变形控制标准

为保证高速铁路的运营安全，不降低基础结构正常使用性能要求，根据既有铁路现状及周边设施，参考国内类似工程经验并结合有限元模型计算分析，桥梁墩台顶纵向水平变形量、横向水平变形量、竖向位移变形量管理值为2mm；墩台累计差异沉降控制在5mm。

3.2 变形控制措施

由于既有高铁桥梁已经存在最大87.9mm 的差异沉降，为了减少盾构隧道穿越施工的扰动，控制措施采用二次深孔注浆+区间注浆的方式。管片增加壁后注浆管，拱顶180°3m，仰拱1m 范围进行二次深孔加强注浆。单孔注浆扩散半径不小于0.5m，注浆量不小于理论加固体所需孔隙填充量的120%。盾构区间与铁路桥墩之间预埋垂直注浆管，注浆加固范围为区间外轮廓2m～7m，拱底以下3m 范围，加固厚度5m，高度15m，注浆体距地表约2.5m。

4 结论

本文结合隧道下穿铁路高架桥工程，研究了双线盾构隧道近距离下穿既有高速铁桥梁微扰动的控制措施，通过有限元计算分析，主要结论如下：

4.1 盾构隧道施工会对所穿越桥梁产生一定影响，桥梁最终将发生附加位移现象，该过程中产生的附加累计最大沉降量为-0.27mm，附加累计最大顺桥向水平变形量为-0.32mm，附加累计最大横桥向水平变形量为-0.35mm，桥墩会朝盾构隧道方向产生轻微倾斜。

4.2 使用二次深孔注浆+区间注浆加固措施后，盾构隧道施工产生的地面沉降趋势会获得明显的缓解，较未采取措施，最大沉降量可减少16.1%。临近桥桩侧地表沉降槽影响范围有所减小，距离隧道稍远的桥墩沉降明显减少，墩台的最大沉降减少53%，说明使用二次深孔注浆+区间注浆加固措施能较大幅度降低盾构隧道穿越对高铁桥梁的影响。

4.3 根据原有该桥梁沉降变形监测数据叠加考虑盾构施工沉降后，对283 号墩边跨跨中附近上缘应力、282 号墩支点附近拉应力影响不大。因此，采用二次深孔注浆+区间注浆加固措施后，盾构隧道下穿对高铁桥梁的变形影响不大。但是283 号墩原有差异沉降量为87.9mm，从理论上计算已达到影响结构耐久性的限值，并接近影响结构安全性的限值，所以应对该桥梁采取必要的整治措施减少差异沉降，保证行车安全。

图6 既有沉降条件下盾构施工后桥面弯矩图