盾構隧道近距離穿越高鐵橋梁微擾動控制措施研究

姚建石

（北京市基礎設施投資有限公司，北京 100101）

隨著軌道交通的不斷發展，線網密度不斷提高，不可避免會出現新建地鐵隧道與既有建筑物近接或者穿越的問題，新建隧道施工對既有建筑物必然會產生一定程度的影響。盾構下穿鐵路引起軌道的不平順，加大了輪軌間的沖擊力，影響列車行駛的舒適性和安全性。高速鐵路對變形控制更加嚴格，地鐵盾構下穿使高鐵橋樁發生變形和變位，直接影響列車行駛的安全。

注漿加固措施是目前工程領域較為常用的一種施工手段，在深大基坑、鐵路橋梁、地鐵隧道工程中的應用尤為普遍。高速鐵路很多時候采用高架橋的形式通過，因此新建地鐵隧道必然會對高鐵橋墩和基礎的穩定性及變形產生影響，采用區間地表注漿或者隔離樁的方式對高鐵橋梁及其基礎進行隔離加固施工，成為當前工程領域較為常用的方式。

劉記[1]針對深圳地鐵某區間盾構隧道下穿廣深港高鐵橋梁工程，在無法施工隔斷樁防護的情況下，采取多層次、多梯度注漿措施有效控制了變形沉降。郭波針對西安地鐵14 號線下穿西成高鐵工程，采用隔離樁和土體加固措施，使隧道盾構下穿期間高鐵橋墩位移遠小于技術規程限值要求。張準[2]針對呼和浩特市軌道交通2 號線一期工程公主府站至內蒙古體育場站區間盾構隧道施工工程，在周圍建筑物老舊、不允許較大沉降的不利條件下，采用深孔注漿加固措施，實現了對地表沉降的有效控制，確保砌體建筑物的安全與正常運用。房雅楠[3]針對北京地鐵17 號線下穿既有框構橋工程分析不同加固方案下，盾構隧道下穿既有鐵路框構橋引起的該區段地表變形規律以及對既有橋梁的影響，僅采取同步注漿加固方案時，地表及鐵路框構橋的變形遠遠大于同期采用同步注漿和二次深孔注漿的方案。劉立明[4]以大連地鐵5 號線下穿哈大高速鐵路高架橋為背景, 以大連地鐵5 號線下穿哈大高速鐵路高架橋為背景,區間采用隧道盾構穿越哈大高速鐵路。

本文主要研究高速鐵路橋某段在已經存在最大87.9mm 不均勻沉降的不利條件下，盾構隧道近距離穿越高鐵橋梁微擾動的控制措施。本文主要采用盾構隧道二次深孔注漿+區間注漿的措施以減少高鐵橋梁的沉降變形。

圖1 隧道與高鐵橋墩位置關系剖面圖

1 工程概況

區間隧道下穿段的地層從上往下依次為雜填土、砂質粉土、粉砂、粉細砂、粉土、粉質黏土。區間隧道覆土深度約8m，采用盾構法施工，隧道外徑6.4m，管片厚0.3m，左右線間距為13m。

高速鐵路設計時速為350km/h，無砟軌道，雙線。區間隧道從跨五環路的80+128+80m 預應力混凝土連續箱梁中跨穿越，平面交角為40 °，中跨橋墩號281、282。（見圖1）

由于超量開采地下水等人為因素，高架橋（80+128+80）m 大跨連續梁橋地段位于地面沉降區域，連續梁橋的沉降情況如下表1 所示，四個橋墩均有不同程度的沉降。其中282 號主墩與283 號邊墩沉降差最大，達到了87.9mm。

表1 連續梁橋CPIII 沉降結果

2 數值模擬分析

2.1 力學模型及參數

利用Midas GTS 軟件建立地基土層-盾構隧道-上部結構協同作用的三維實體模型（見圖2）進行分析盾構施工過程中所采取的控制措施的作用。

計算分析時采用摩爾-庫侖本構模型模擬土體與樁基的相互作用，采用彈性本構模型模擬橋梁樁基、承臺、橋墩；同步注漿以及漿液與土體的作用，采用應力釋放程度和等代層來考慮，等代層采用彈性模型；承臺采用實體單元，彈性模型；橋梁荷載作用于承臺；橋樁采用嵌入式桁架單元模擬；洞內二次深孔加強注漿采用實體單元提高土體參數、摩爾-庫倫模型模擬。模型中材料的物理力學參數取值見表2，其中各地層參數按照地質勘察資料選取。

數值計算模型上表面為地表，豎向共取90m，區間隧道方向取168m，垂直隧道方向取180m。

圖2 計算模型圖

2.2 模擬隧道的施工過程

將起伏、厚度不均簡化地層為單一均質的水平層，忽略地下水的滲透作用。

表2 各材料物理力學參數

模擬盾構隧道的施工過程為：（1）對地層剛開始的應力情況加以計算，清零地層位移；（2）施做高架橋結構、高速路基，并地層位移清零；（3）開挖隧道的鈍化土體后將盾殼激活；（4）鈍化盾殼，將管片與注漿層激活；（5）將第二和第三步內容重復進行到完成隧道的開挖。開挖至第六環之后，將土體的加固屬性按照開挖步驟順序從所屬土層屬性轉變成加固體屬性。

2.3 計算結果與分析

2.3.1 盾構施工誘發的地表變形

通過數值模擬獲得雙線隧道完成開挖后土體豎向位移的分布云圖（見圖3）。由圖3 可見，完成盾構隧道的施工后，地表的沉降面從上到下呈現出“圓形漏斗”形狀。兩條隧道之間沉降最大，受五環路荷載影響，地表沉降最大沉降為-15.5mm，左右線隧道頂端周邊沉降二者基本對稱。盾構隧道采用二次深孔加強注漿后，有效減少了地表的沉降，最大的沉降同樣出現在相同位置值為-13.0mm，較沒采取措施時產生的沉降減少了16.1%。此外，盾構隧道底部會有微小的隆起，主要原因是隧道范圍內土體被挖除，而完成拼裝的管片自身重量比被開挖土體的自重小，進而造成隧道底端的土體形成卸載效應，使隧道底端土體出現微小的隆起。

由于區間注漿加固的作用，臨近橋樁側地表沉降槽影響范圍有所減小，左側地表沉降為0 的點距左線外輪廓垂直距離約10m，右側地表沉降為0 的點距右線外輪廓垂直距離約16m，圖4。

采用的二次深孔注漿+區間注漿加固措施對盾構隧道施工影響范圍內減輕地表沉降效果明顯，最大減少16.1%。并且該措施也減小了地表沉降槽的影響范圍，有效減少了對高鐵橋墩的影響。

2.3.2 盾構施工誘發的橋墩變形（圖5）

盾構施工引起橋墩發生沉降，在未采取控制措施的情況下，282 號墩產生了0.358mm 沉降。在施加控制措施的情況下，282號墩產生了0.168mm 沉降，由此可見，所采取的控制措施有效地減少了橋墩的沉降，最大減少了53%的沉降。但是，兩種情況下，281 號和282 號墩都出現了差異沉降，距離盾構近的一端沉降較大，即兩橋墩朝隧道方向傾斜。

盾構施工引起橋墩發生了水平位移，計算模型中X 方向為垂直區間掘進方向，Y 方向為順區間掘進方向，提取橋梁墩臺豎向位移及將X 和Y 水平位移在每一個施工步的變化值進行分析，并將X 和Y 方向水平位移分解疊加得到墩臺水平位移。由此得到281 號墩順橋向水平位移為0.26mm，橫橋向水平位移為0.28mm。282 號墩順橋向水平位移為0.32mm，橫橋向水平位移為0.35mm。

圖3 盾構施工完成地表沉降云圖（m）

圖4 地表豎向位移隨施工步變化曲線圖

圖5 282 號橋墩豎向位移隨施工步變化曲線圖

2.3.3 盾構施工前后橋梁梁體的應力變化（圖6）

在盾構隧道施工前，根據沉降變形監測數據成果，在283 號墩施加87.9mm 強制位移模擬282 號墩與283 號墩之間的差異沉降，計算顯示283 號墩邊跨跨中附近梁體上緣出現0.27MPa 拉應力，282 號墩支點附近拉應力達到3.49MPa。超出了原有設計值，已達到影響結構耐久性的限值，并接近影響結構安全性的限值。該橋梁墩臺的差異沉降不能再繼續擴大，否則將影響列車行駛安全。因此，盾構隧道施工過程中采用隧道二次深孔灌漿+區間注漿加固的方式來減少對橋梁的影響。

在盾構隧道施工后，疊加盾構開挖帶來的變形影響，283 號墩邊跨跨中附近上緣應力、282 號墩支點附近拉應力影響不大，其余控制指標變動較小。因此在采取控制措施的情況下，該盾構隧道施工對橋梁應力影響不大，但由于原有差異沉降較大，且已經超出設計值范圍，所以應對該橋梁采取相應整治措施。

3 變形控制標準及措施

3.1 變形控制標準

為保證高速鐵路的運營安全，不降低基礎結構正常使用性能要求，根據既有鐵路現狀及周邊設施，參考國內類似工程經驗并結合有限元模型計算分析，橋梁墩臺頂縱向水平變形量、橫向水平變形量、豎向位移變形量管理值為2mm；墩臺累計差異沉降控制在5mm。

3.2 變形控制措施

由于既有高鐵橋梁已經存在最大87.9mm 的差異沉降，為了減少盾構隧道穿越施工的擾動，控制措施采用二次深孔注漿+區間注漿的方式。管片增加壁后注漿管，拱頂180°3m，仰拱1m 范圍進行二次深孔加強注漿。單孔注漿擴散半徑不小于0.5m，注漿量不小于理論加固體所需孔隙填充量的120%。盾構區間與鐵路橋墩之間預埋垂直注漿管，注漿加固范圍為區間外輪廓2m～7m，拱底以下3m 范圍，加固厚度5m，高度15m，注漿體距地表約2.5m。

4 結論

本文結合隧道下穿鐵路高架橋工程，研究了雙線盾構隧道近距離下穿既有高速鐵橋梁微擾動的控制措施，通過有限元計算分析，主要結論如下：

4.1 盾構隧道施工會對所穿越橋梁產生一定影響，橋梁最終將發生附加位移現象，該過程中產生的附加累計最大沉降量為-0.27mm，附加累計最大順橋向水平變形量為-0.32mm，附加累計最大橫橋向水平變形量為-0.35mm，橋墩會朝盾構隧道方向產生輕微傾斜。

4.2 使用二次深孔注漿+區間注漿加固措施后，盾構隧道施工產生的地面沉降趨勢會獲得明顯的緩解，較未采取措施，最大沉降量可減少16.1%。臨近橋樁側地表沉降槽影響范圍有所減小，距離隧道稍遠的橋墩沉降明顯減少，墩臺的最大沉降減少53%，說明使用二次深孔注漿+區間注漿加固措施能較大幅度降低盾構隧道穿越對高鐵橋梁的影響。

4.3 根據原有該橋梁沉降變形監測數據疊加考慮盾構施工沉降后，對283 號墩邊跨跨中附近上緣應力、282 號墩支點附近拉應力影響不大。因此，采用二次深孔注漿+區間注漿加固措施后，盾構隧道下穿對高鐵橋梁的變形影響不大。但是283 號墩原有差異沉降量為87.9mm，從理論上計算已達到影響結構耐久性的限值，并接近影響結構安全性的限值，所以應對該橋梁采取必要的整治措施減少差異沉降，保證行車安全。

圖6 既有沉降條件下盾構施工后橋面彎矩圖