盾构隧道下穿高铁桥梁分析

摘要：以郑州市轨道交通5号线郑汴路站～经北二路站区间下穿京广高铁桥梁工程为例，利用有限元软件进行数值模拟，结合实测数据情况进行比对，分析盾构隧道下穿施工对高铁桥梁的影响，并对盾构下穿施工对高铁桥梁的风险护措施进行研究，可为同类工程提供参考。

关键词：盾构隧道；高铁桥梁；下穿施工；风险控制

随着我国高速铁路网络的不断完善及城市轨道交通的快速发展，两者的交叉不可避免，地铁盾构隧道下穿既有高铁桥梁施工过程中，会对其周边土体产生扰动，进而会对高铁桥梁结构产生一定附加变形[1-3]。高速列车运行对轨道结构的平顺性要求极为严格，为确保盾构隧道下穿施工高铁桥梁运营安全，国内学者也对在盾构隧道下穿高铁桥梁方面进行了较多的研究，孙雪兵[4]认为盾构隧道的施工会使桩基产生以沉降为主的附加变形，最大沉降发生在桩顶处；贾大鹏等[5]以及李波[6]对从数值模拟盾构隧道施工时对桥梁基础采取隔离保护措施的效果进行了研究，研究结果表明设置隔离桩可防止桥桩变形；杨喜等[7]认为隧道左右线分开各穿一桥跨能较好地拉开空间距离，净距约在2倍洞径情况下，对承台变形影响较小，仅加强洞内注浆措施能满足隧道下穿引起的桥梁沉降控制要求。本文结合工程实例，经过数值模拟计算和实测数据对比分析，研究隔离桩在盾构隧道下穿高铁桥梁施工中隔断加固效果，并对盾构下穿高铁桥梁的风险控制开展研究，制定科学合理的控制方案。

1工程概况

郑州市轨道交通5号线为环线，线路全长约40.4km，均为地下线，采用A型车，6辆编组。郑汴路站～经北二路站区间线路右线全长1774.2m，左线全长1775.89m，区间最小坡度2‰，最大坡度16.68‰，区间隧道下穿京广高铁西南联络线特大桥段，覆土厚度深约为19m。盾构隧道采用单层装配式平板型钢筋混凝土衬砌管片，混凝土强度为C50，抗渗等级为P12，管片外径6.2m，内径5.5m，管片厚度0.35m。盾构隧道左线下穿高铁桥梁为跨径20m简支梁，右线下穿桥梁为跨径32m简支梁。盾构隧道与高铁桥梁位置关系见图1。

2控制标准的制定

高铁桥墩变形一般分为附加变形和工后总沉降。设计阶段很难计算预测下穿工程影响轨面平顺度，但可计算预估桥墩墩顶的位移大小。《公路与市政工程下穿高铁技术规程》（TB10182—2017）与《高速铁路设计规范》（TB10621—2014）中规定，受下穿工程影响高铁桥梁桥墩附加位移限值和工后基础沉降控制值应符合表1规定：

3施工影响预测

3.1工程地质及材料力学参数

根据地质勘查报告，工程所处场地为黄河冲积泛滥平原，地形平坦，所在区域地层自上而下主要土层分布及各层土的各项参数见表2。

3.2计算模型

为分析盾构掘进对桥梁的影响，本模型计算选取京广高铁西南联络线特大桥13号～17号桥墩，模型X向范围共195m；区间隧道结构底板下方取约5倍左右洞径，即模型Z向范围为70m；纵向盾构开挖方向（Y向）取80m。图2为高铁桥桩及桥墩与隧道空间关系图。本次研究建立两种工况进行计算分析，分别为：（1）工况1（采取洞内保护措施）：不设置隔离桩，盾构隧道直接侧穿桥梁桩基。（2）工况2（采取隔离桩保护措施）：设置隔离桩，在隔离桩先期施做后，盾构隧道侧穿桥梁桩基。

3.3计算结果

工况一各桥墩竖向位移历程见图3，工况二各桥墩竖向位移历程见图4。工况一未设置隔离桩工况下，双线贯通后，15号桥墩受左线和右线盾构的两次影响，沉降值最大，最终附加沉降约为1.43mm，其余墩台沉降相对较小，相邻墩台最大差异沉降为0.81mm，15号桥墩桩基轴力变化最大，轴力附加值为64.98kN。工况二设置隔离桩工况下，双线贯通后，15号桥墩最终附加沉降约为0.45mm，相邻墩台最大差异沉降为0.29mm，15号桥墩桩基轴力附加值为29.32kN。隔离桩的设置可有效减小盾构施工对桥墩沉降的影响，各桥墩桩基轴力附加值均有所较小，安全系数相对较高。

3.4基于实测数据的变形分析

根据现场统筹安排，隔离桩施工完成后，先施工左线隧道，待左线穿过高铁区域后，右线隧道开始下穿施工。下穿区段的监测工作从8月15日开始，左线盾构掘进至高铁前方约20m，8月26日完成下穿施工，8月28日右线开始下穿施工，9月13日完成下穿施工，取桥下地表沉降监测断面，研究双线盾构隧道施工引起的地表横向沉降见图5。图5桥下地表横向监测沉降曲线图根据监测数据可得，盾构施工引起高铁桥梁下方的地表沉降较小，隧道拱顶附近的最大沉降约为2.23mm，小于制定的控制值要求，表明盾构隧道施工参数制定合理，隔离桩设置有效地控制地表沉降，左线隧道先行施工，引起的地表沉降基本符合正态分布规律，沉降槽宽度和深度较小，沉降最大区域位于轴线两侧18m范围内。结合各桥墩测点竖向位移监测数值，对15号桥墩测点竖向位移变形曲线进行分析。根据监测数据分析盾构掘进至高铁桥梁投影之前，15号桥墩测点沉降约为0.1mm，盾构通过高铁桥梁施工期间，测点沉降速率明显加剧，由0.1mm增加到0.35mm，随着盾构掌子面远离监测点，测点的沉降处于0.45mm内浮动，基本趋于稳定，最大沉降值为0.43mm。施工过程中，桥墩最大沉降和最终沉降量均小于变形控制值。

4盾构下穿施工风险控制措施

综合考虑高铁设施的重要性、线路高标准的平顺性和盾构施工的复杂性，盾构下穿高铁桥梁工程的风险控制研究是一项极为重要的工作。（1）下穿施工前需对既有高铁构筑物结构条件进行调查，并核查穿越区段工程地质和水文地质条件，并根据盾构隧道与高铁桥梁空间位置关系，研究盾构下穿施工风险控制措施。（2）下穿施工过程是风险控制的关键过程，施工过程控制一般采取主动保护和被动保护两种方式。主动保护主要是合理安排左线隧道掘进施工顺序和动态调整施工参数。被动保护主要目的是从桥梁结构的受影响过程出发，一般情况下，减小盾构隧道对高铁桥梁桩基的影响可通过设置隔离桩、桥梁桩基托换以及注浆或搅拌加固土体等措施。（3）可在盾构下穿桥梁之前一定距离内建立试验段，制定详细的监测计划，对监测数据进行分析处理，预测盾构穿越既有线路的沉降值。盾构下穿高铁桥梁的监测中，主要针对桥墩、轨道几何尺寸、隔离结构等方面进行监测。

5结论

（1）数值模拟分析过程中，通过对比是否设置隔离桩的工况，得出设置隔离桩可阻断土体扰动的传播路径，改变土体破裂角走向，可有效控制高铁桥桩的影响，保障高铁运营安全。（2）数值分析预测的桥墩变形、地表沉降规律与现场监测数据基本一致，现场实测数据比数值分析预测结果小，实际施工过程中，通过加强监测和及时同步注浆，改变了部分地表沉降的发展趋势，表明现场的施工控制措施得当，通过动态信息化施工，采取主动措施有效降低了盾构下穿高铁桥梁的影响。（3）盾构下穿高铁桥梁风险控制具有系统性、复杂性的特点，下穿施工前需根据高铁桥梁现状情况、工程地质与水文地质情况，盾构隧道与高铁桥梁空间位置关系，合理制定盾构下穿高铁桥梁施工风险控制措施，将下穿风险控制至最小。

参考文献：

[1]徐干成，李成学，王后裕，等.地铁盾构隧道下穿京津城际高速铁路影响分析[J].岩土力学（2）：269-272.

[2]彭佳湄.地铁盾构隧道下穿宁杭高铁的影响分析[J].铁道勘测与设计，2017（1）：65-68.

[3]孙雪兵.盾构隧道下穿施工对邻近铁路桥梁的影响分析[J].铁道建筑，2018（4）：73-77.

[4]贾大鹏，夏柏如，张影，等.地铁盾构施工下穿高速铁路隔离保护技术[J].铁道建筑，2015（3）：73-75.

[5]李波.地铁盾构施工与隔离桩施工对既有桥梁桩基影响的对比分析[J].中国水运（下半月），2014（3）：275-277.

[6]杨喜，朱颖.盾构隧道下穿高铁桥梁安全影响分析[J].水利与建筑工程学报，2018（6）：215-221.

作者：刘欢 单位：中铁第五勘察设计院集团有限公司