地鐵盾構隧道下穿高鐵橋樁變形控制研究

楊 才

（廣州地鐵設計研究院有限公司，廣東 廣州 5100 101）

0 引言

隨著國內城市軌道交通建設快速發展，下穿既有鐵路的工程越來越多。由于盾構施工造成的地層損失，不可避免對周圍土體產生擾動，引起土體應力狀態改變，導致地表沉降。目前我國高鐵速度逐步提升，對路基及軌道的結構變形控制要求也更為嚴格。新建地鐵隧道下穿既有鐵路中，為保證鐵路的行車安全和正常運營，必須采取合理有效措施減小隧道施工對既有鐵路的影響，控制路基及軌道變形。本文結合國內多個類似工程對鐵路保護標準進行總結；對地鐵下穿既有鐵路增設隔離樁防護措施進行有限元建模分析。

1 鐵路保護標準研究

根據對國內類似工程采取的鐵路保護標準進行調查，目前各地主要參照《鐵路線路維修規則》（鐵運［2006］146號）和《客運專線 300～350 k m／h軌道不平順管理值》（鐵道部科技司［2008］65號），再結合當地實際情況，召開設計施工專家論證會，并邀請鐵路相關部門參加并提出有關要求和意見，建議采用相應的鐵路保護標準。

根據國內地鐵在建或已建地鐵下穿既有鐵路的相關實例，軌面沉降、鋼軌高差、軌距等指標控制值如下。

1）廣州地鐵九號線廣州北站—花果山公園站區間下穿武廣客運專線、京廣鐵路，軌面沉降值不得超過10 mm；相鄰兩股鋼軌水平高差不得超過8 mm；相鄰兩股鋼軌三角坑不得超過6 mm；前后高低（縱向水平）8 mm。

2）天津地鐵9號線七經路站—天津站區間盾構下穿天津站，軌面沉降值不得超過10 mm；相鄰兩股鋼軌水平高差不得超過6 mm；相鄰兩股鋼軌三角坑不得超過6 mm；前后高低（縱向水平）6 mm。

3）廣州市軌道交通3號線［天—華區間］下穿廣深鐵路，軌面沉降值不得超過6 mm；相鄰兩股鋼軌水平高差不得超過6 mm；相鄰兩股鋼軌三角坑不得超過5 mm。

4）蘇州5號線穿越滬寧城際高鐵與滬寧普速鐵路，無砟軌道高速鐵路線控制值為隆起0、沉降8 mm；其他區段沉降控制值為15 mm。

5）上海市軌道交通9號線一期工程R 413標段盾構隧道（九亭站—七寶區間）下穿滬寧鐵路，路基段保護標準為沉降＜15 mm。

綜上所述，新建隧道的施工不可避免地將對鐵路橋梁帶來一定影響，為了保證高鐵的安全運營，并參考國內外相關工程經驗及相關規定，建議的控制標準如下。

1）無砟軌道高速鐵路線控制值為隆起0、沉降8 mm。

2）普速鐵路區段沉降控制值為15 mm。

2 工程實例

2.1 工程概況

杭州地鐵4號線二期工程杭鋼站—拱康路站區間線路出杭鋼站后，下穿寧杭高鐵（高架段）。地鐵隧道采用土壓平衡盾構施工，隧道外徑為6200 mm，隧道內徑5500 mm，采用350 mm厚鋼筋混凝土管片。盾構隧道采用標準環＋左、右轉彎環襯砌環形式，管片為錯縫拼裝。

杭鋼站—拱康路站區間里程 K 37＋100．000—K 37＋130．000段下穿寧杭高鐵（高架段），下穿段寬約17 m，下穿段為高架段。地鐵隧道與寧杭高鐵（高架段）近似90°夾角相交。高架段基礎采用承臺基礎＋12根樁基礎，樁基礎為φ 1000 mm鉆孔灌注樁，樁頂標高 0．000 m，樁底標高 －47．000 m。擬建隧道下穿段左線與樁基最小距離為6．8 m，右線與樁基最小距離為6．4 m。隧道下穿寧杭高鐵剖面關系如圖1所示。

圖1 隧道下穿高鐵剖面

2.2 下穿寧杭高鐵加固方案設計

為減少隧道施工對鐵路的影響，杭州地鐵4號線正線穿越寧杭高鐵，高速鐵路橋梁為簡支梁橋，盡量避免雙洞隧道在橋梁同跨穿越，并優先采用較小斷面。高速鐵路安全保護區范圍內的隧道結構應采取加強措施，變形縫應避免設置在高速鐵路橋梁投影線范圍內。隧道結構與橋墩樁基的最小凈距不小于1．0倍隧道寬度；隧道增設隔離樁防護措施，并設置1000 mm×800 mm混凝土冠梁及600 mm×800 mm框架混凝土支撐；隔離樁內的土體進行加固處理。隔離樁采用φ 800 mm＠1000 mm鉆孔灌注樁，樁與隧道結構間的凈距采用1．0 m，隔離樁沿隧道掘進方向的設置范圍超出承臺兩端各1．5倍隧道寬度，取40 m。

3 盾構下穿對寧杭高鐵影響分析

3.1 計算方法

根據杭州4號線二期區間與寧杭高鐵的相對位置關系，使用PLAXIS-2D有限元軟件進行數值模擬分析，土體選用M-C彈塑性模型，結構選用彈性本構模型模擬。

1）將土層簡化為水平層狀分布的彈塑性材料。本構模型采用M-C彈塑性模型。M-C彈塑性模型在數值計算中效果較好，并能較好地描述巖土材料的破壞行為，在巖土領域內得到廣泛的應用。

2）土體、橋梁結構等采用二維實體單元模擬，樁基采用梁單元模擬。

3）模型底部約束水平和豎直方向變形；模型兩側約束水平變形，豎直方向變形不約束。

根據工程經驗和理論分析，所取土體范圍為200 m×80 m（長 ×高），在此區域模擬盾構掘進，計算模型如圖2所示。計算分為5個施工工序：工況1：初始地應力平衡→工況2：建筑物→工況3：隔離樁＋支撐體系→工況4：隧道開挖→工況5：注漿加固→工況6：管片襯砌。

圖2 二維整體分析模型

3.2 計算結果

1）不采用隔離樁＋框架支撐結構防護體系通過計算得到橋臺墩頂位移云圖如圖3所示。由結果可知，橋臺最大水平位移5．44 mm，橋臺最大豎向位移 8．18 mm。

2）采用隔離樁＋框架支撐防護體系 通過計算得到橋臺墩頂位移云圖如圖4所示。由此可知，采用隔離樁＋框架支撐防護體系加固后橋臺最大水平位移0．53 mm，橋臺最大豎向位移0．46 mm。

圖3 橋臺墩頂位移云圖

圖4 橋臺墩頂位移云圖

因此，增設隔離樁防護措施，并設置混凝土冠梁及框架支撐后，橋臺的最大水平位移和豎向位移均比未設置隔離樁減小，滿足無砟軌道高速鐵路線控制值為隆起0、沉降8 mm的限值要求。隔離樁主要起3方面作用。

1）當盾構隧道施工時，影響范圍內的土體向隧道方向發生位移，此時隔離樁起到一定的擋土和隔斷作用，從而限制土體及橋樁的水平變形。

2）盾構隧道施工時，影響范圍內的土體除了向隧道側的水平位移外，土體還會發生豎向沉降，隔離樁承擔土體由于沉降傳遞過來的摩擦力，限制樁外土體的豎向沉降，將樁內外的豎向沉降隔斷。

3）如果在隧道周圍有袖閥管注漿的情況時隔離樁能保證袖閥管注漿效果，同時可減小袖閥管注漿過程中對橋樁的影響。

4 結語

1）通過實例分析可得出，增設隔離樁并設置混凝土冠梁及框架支撐對隔離樁內的土體進行加固處理，能減小盾構施工對周圍土體擾動，有效控制既有鐵路軌道的結構變形。

2）隧道下穿既有高鐵線路，沉降值應控制在鐵路建議保護標準范圍內。除增設隔離樁防護措施外，還應采取以下措施：①優化線路平縱斷面，盾構盡量偏離鐵路樁基礎，減小盾構對鐵路沉降的影響；②樁基周圍土體采取有效的加固補強措施；③采用同步注漿，減少盾尾通過后隧道外周圍形成的空隙，減少隧道周圍土體的水平位移及因此而產生的對樁基的負摩阻力，控制樁基水平、垂直位移；④加強監測，采取相應措施，包括對建（構）筑物的變形、沉降的監測。

3）以通過鐵路之前的100 m區段作為盾構施工試驗段，不斷優化盾構推進參數控制地表變形，減少對鐵路影響，根據正面土壓力，緊密結合地表變形監測，及時調整盾構掘進參數，將施工后地表變形量控制在最小范圍內。根據地層情況合理制定施工參數，確保開挖面的土壓力平衡，減少開挖面土體的坍塌、變形及土層損失。