地鐵盾構施工下穿高速鐵路隔離保護技術

賈大鵬，夏柏如，張影，張麗芳

(1．中國地質大學(北京)工程技術學院，北京100083;2．中鐵十二局集團有限公司，山西太原030032)

地鐵盾構施工下穿高速鐵路隔離保護技術

賈大鵬1，2，夏柏如1，張影1，張麗芳2

(1．中國地質大學(北京)工程技術學院，北京100083;2．中鐵十二局集團有限公司，山西太原030032)

北京地鐵10號線二期草橋站—紀家廟站區間隧道施工須下穿京滬高鐵高架橋，保證施工安全及京滬高鐵橋梁基礎安全是施工難點。采用有限元軟件ANSYS建模分析隧道施工時對橋梁基礎采取隔離保護措施的效果。分析結果表明，兩座隧道中間的橋墩承臺受盾構兩次掘進通過的影響，產生的沉降量最大，且最大沉降量靠近后掘進的隧道;設置隔離樁可降低橋樁變形。依據分析結果確定了工程措施，并論述了隔離樁施工、盾構掘進參數控制等關鍵技術。施工監測結果表明，橋梁墩臺累計變形在控制范圍之內。

盾構 下穿 高鐵 隔離 施工

1 工程概況

北京地鐵10號線二期草橋站—紀家廟站區間長1 332 m，位于北京市豐臺區，采用盾構法施工。區間線路在樁號右K38+400—K38+500附近斜穿京滬高鐵(雙線)、京滬動車線(雙線)、城際動車線共5條高速線路。5條線路均為高架簡支橋，橋梁基礎全部為群樁基礎，樁頂設承臺。橋梁結構為盾構下穿預留了空間條件，橋梁跨度均為32.7 m。區間隧道埋深14.9 m，外側距離新建鐵路承臺的水平凈距為5.6～11.2 m。

為保證隧道施工和高速線路安全，采取了隔離保護法，即將隔離結構設置在隧道與高速橋梁基礎之間，通過結構的隔離作用，最大限度地減小隔離結構與橋梁基礎之間土體的變形。工程上常用的隔離結構主要包括隔離墻和隔離樁［1］。

2 隔離保護作用分析

2.1 有限元模型

采用ANSYS建模分析。計算時首先假定圍巖是連續介質，采用實體單元模擬。根據盾構區間與既有結構位置關系，依據規范要求及以往經驗，盡量考慮減少數值模型中邊界條件對計算結果產生的不利影響，既要盡量減少計算量，又要確保計算結果的準確性。

建模時，模型四周約束為各面的法向位移約束，假設地表為自由面，模型底部設置為豎向約束。模型坐標原點設于離隧道北側最近的京滬動車左線橋墩承臺西南角，橋梁水平方向為Y軸，X軸為與橋梁垂直的水平橫向，豎直向上為Z軸。三維計算模型見圖1。計算模型共劃分178 052個單元，193 776個節點，為便于有限元網格劃分及提高計算速度和精度，按剛度等效方法用方樁代替圓樁，并對承臺作適當簡化。

圖1 三維計算模型

2.2 地層參數

根據地質報告提供參數，考慮安全需要，對一定深度范圍內巖土類別相近的土體進行了合并，并對土層參數進行綜合取值，見表1。

2.3 設置隔離樁前后的沉降分析

通過對左右線盾構通過橋樁基礎后橋樁承臺的沉降和順橋向水平位移的計算分析可得，盾構穿過樁基時，樁的不同部位位移方向不同。樁基中部水平位移方向為遠離隧道方向，樁頂水平位移方向為靠近隧道方向。中間的樁基承臺由于存在左右線隧道分別掘進通過的工況，出現先向左線隧道靠近的水平位移，后往右線隧道靠近的水平位移。由于中間承臺受隧道兩次掘進通過的影響，其豎向沉降量最大，且最大沉降量處靠近后掘進的隧道。

《高速鐵路設計規范》(TB 10020—2009)對工后沉降的規定是:無砟軌道的墩臺基礎均勻沉降限值20 mm，相鄰墩臺沉降差限值5 mm［2］。計算結果表明僅盾構下穿引起的沉降即接近限值的60%，可見設置隔離樁是必要的。由表2可知，設置隔離樁有效減小了高速鐵路既有橋樁沉降，并且密排隔離樁豎向沉降甚微，與理想化剛性連續墻的作用極相似［3］，可以克服盾構掘進可能引起的地層損失，規避盾構穿越給橋梁帶來的風險。

表1 地層物理力學參數

表2 高鐵橋樁及承臺變形mm

2.4 可采取的技術措施

依據數值模擬分析，為確保盾構施工順利下穿京滬高鐵，可采取如下技術措施:

1)盾構下穿橋梁前，提前進行隔離防護樁施工，規避盾構穿越給橋梁帶來的巨大風險。

2)隔離防護樁安排在列車停運時施工，因高鐵尚未正式開通，爭取在高速鐵路正式運營前完成，在樁施工過程中嚴格實施承臺變形監測。

3)在正式下穿之前開展盾構推進試驗，根據監測結果優化盾構掘進參數。應加強二次注漿，并選用高品質材料。

4)對高架橋梁梁體進行沉降及傾斜監測以隨時掌握高架橋梁梁體沉降情況，并與承臺沉降互相校核。

5)施工完成后，應對高架橋梁結構及其軌道進行檢查，如發現異常現象，應采取處理措施。

3 施工關鍵技術

3.1 技術措施概述

盾構穿越高鐵線前采取洞外加固措施，每個單線區間隧道兩側1 m的位置各施工一排隔離樁，樁徑1 250 mm，間距1 800 mm，樁長25 m，共4排88根。在樁頂部設置樁頂冠梁，截面尺寸為1 250 mm× 800 mm，樁頂冠梁間采用截面為700 mm×400 mm的混凝土支撐連系梁，將隔離樁連成整體。區間左線與右線采取相同的措施處理。隔離樁平面、斷面見圖2、圖3。

圖2 隔離樁施工平面示意(單位:m)

圖3 隔離樁加固保護斷面(尺寸單位:cm;高程單位:m)

3.2 隔離樁施工

隔離樁的成孔一般采用機械成孔或人工挖孔。鉆機施工過程中對地層擾動大，對樁基沉降變形影響大。橋下凈空約12 m，不滿足機械成孔施工要求。因此為減小對京滬高鐵橋墩、樁基的影響，降低沉降，選用人工挖孔施工。

盾構下穿京滬高鐵段，左右線兩側各設置27根樁，共108根，樁長25 m，樁徑1 250 mm、間距1 800 mm，灌注C25混凝土，鋼筋籠分段連接。

《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2008)規定，當樁凈距＜2.5 m時，應采用間隔開挖;相鄰排樁跳挖的最小施工凈距不得小于4.5 m［4］。為保證施工安全和質量，采用圖4的間隔兩孔挖孔順序進行跳孔施作可以保證樁間凈距要求。施工挖孔樁的順序為1，4，7，…;然后2，5，8…;最后3，6，9，…。任何相鄰樁孔不得連續施工。

圖4 隔離樁施工順序示意(單位:mm)

3.3 樁頂冠梁及支撐梁施工

為保證排樁的隔離效果，在2排樁頂各設置1條冠梁，冠梁截面尺寸為1 250 mm×800 mm。同時，為增強樁的整體性，在冠梁之間設置混凝土支撐梁，支撐梁高度700 mm，寬度400 mm，沿隧道縱向間距5 m，每條隧道上方布置7條。冠梁、混凝土支撐梁均采用C25現澆鋼筋混凝土。冠梁及混凝土支撐梁主筋凈保護層厚度均為35 mm。

3.4 盾構掘進參數控制

盾構穿越京滬高鐵段隧道埋深約15 m，穿越地層為砂卵石地層，掘進參數為:

1)上土壓力控制在0.06～0.07 MPa，盾構機千斤頂總推力控制在19 500～22 000 kN，刀盤馬達扭矩控制在總扭矩的25%～35%，盾構機掘進速度控制在35～45 mm/min，刀盤轉速為1.1～1.6 r/min，日掘進量控制在10環左右，保證盾構機平穩通過。

2)嚴密監控盾構機掘進的各項參數，嚴格控制土倉壓力在0.07 MPa左右，允許在適當范圍波動。出土量按計算開挖量控制。

3)在盾構機穿越過程中，同步注漿壓力會隨著掘進速度、地質情況不同而變化，要不斷調整，目標控制值應在0.3 MPa左右。為避免擊穿尾刷，壓力不宜過大，注漿量保持在每環4.2～5.8 m3。

4)盾構機穿越過程中，每環添加4.5～5.5 m3膨潤土漿對卵礫石土質進行改良，膨潤土漿液相對密度為1.1。

5)及時進行二次注漿，范圍控制在距離盾尾3環以后的管片，并根據掘進速度調整注漿進度和凝結時間，根據現場試驗結果調整合適的漿液配比，采用水泥水玻璃雙液漿。

6)通過試驗確定泡沫注入量，一般取0.2 m3/環。

4 監測控制指標

根據鐵路規范和《北京地鐵10號線二期草橋站—玉泉營站區間下穿京九鐵路及京滬高鐵工程設計說明》，制定了地鐵施工期間變形控制指標，見表3。地面沉降控制標準按盾構施工規范執行(+10，－30 mm)。

表3 地鐵施工期間變形控制標準

5 結語

盾構掘進階段，京滬高鐵及動車走行線等橋梁墩臺人工監測最大累計變形量為0.8 mm，自動化監測最大累計變形量為0.7 mm，最大沉降點均位于京滬動車聯絡線，數值在控制范圍內。

從整體數據上看，本次盾構穿越施工過程中，各監測項目的變形值均在控制范圍之內。可以看出，在盾構施工前，預先施作的隔離保護樁對京滬等高鐵的橋梁墩臺起到了關鍵的防護作用，使得橋梁墩臺受盾構施工影響較小，保障了線路及行車安全。

［1］項彥勇，賀少輝，張彌，等．導洞隔離樁墻結構對淺埋暗挖隧道周邊地層移動的限制作用［J］．巖石力學與工程學報，2004，23(10):3317-3323．

［2］中華人民共和國鐵道部．TB 10020—2009高速鐵路設計規范(試行)［S］．北京:中國鐵道出版社，2009．

［3］李建設，杜朋，鄒志利．隔離樁工作機理及在設計中的應用［J］．低溫建筑技術，1999(2):48-50．

［4］中華人民共和國建設部．JGJ 94—2008建筑樁基技術規范［S］．北京:中國建筑工業出版社，2008．

(責任審編李付軍)

U455.43

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．21

1003-1995(2015)03-0073-03

2014-09-20;

2014-11-25

賈大鵬(1978—)，男，黑龍江齊齊哈爾人，高級工程師，博士研究生。