盾構隧道下穿高速鐵路橋梁樁基群施工影響預測分析

豆海濤 王賀敏

摘要：以盾構隧道穿越高速鐵路橋梁樁基群工程為案例，利用MIDAS/GTS建立三維有限元模型，考慮有無隔離樁保護措施兩種工況，預測并對比分析橋梁墩臺的沉降。計算結果表明：盾構施工將引起橋梁墩臺豎向、順橋向及橫橋向變形；設置隔離樁后，最大豎向位移和橫橋向位移均大幅度減小，且梁端水平折角也相對減小；計算結果驗證了隔離樁保護方案的有效性。研究成果為類似工程具有較好的指導意義。

關鍵詞：盾構隧道；橋梁樁基群；隔離樁；數(shù)值分析；墩臺沉降

1 引言

隨著城市化進程的加快，國內(nèi)各城市已規(guī)劃建設“縱橫線”與“環(huán)線”平面交叉的復雜地下軌道交通網(wǎng)，高速鐵路和市域鐵路等在城市內(nèi)多設置高架橋梁以減少對城市的切割，因此不可避免導致城市軌道交通隧道穿越該類橋梁樁基群。

盾構隧道施工是一項多因素共同作用的綜合工程，造成橋梁樁基群周邊區(qū)域地層應力擾動，引起地層變形，該變形又會引發(fā)鄰近橋梁樁基的沉降、側向位移及附加應力等一系列反應[1]，基礎受到的影響如通過墩柱、支座傳遞到上部橋跨結構，則將引發(fā)鐵路線路變形，加劇軌道的不平順，不僅加大了輪軌問的沖擊力、加速軌道架構和基床的破壞，對鐵路運營安全也將造成嚴重影響[2]。

對于盾構隧道穿越鄰近樁基的影響分析，業(yè)內(nèi)已進行了大量研究，成果具有一定的參考價值。郭院成等[3]基于鄭州地鐵1號線下穿鄭州青少年宮工程，在考慮盾構機刀盤施工擾動、土倉壓力、盾尾注漿作用等施工參數(shù)下，對盾構隧道動態(tài)施工中正上方樁基的承載性能進行了數(shù)值計算，結果顯示：盾構施工過程中，樁基承載力受影響程度與其施工前承受的荷載有關，且盾構施工對樁基沉降和承載力損失較大的區(qū)域主要集中在刀盤距樁軸線+6～-12m之間。周濟民[4]針對北京地鐵16號線盾構區(qū)間隧道下穿萬泉河高架橋樁基群工程案例，基于既有橋梁結構形式、周邊環(huán)境以及現(xiàn)場作業(yè)空間等因素，分析了盾構下穿施工對橋梁樁基的影響規(guī)律，得出橫斷面方向的差異沉降量和傾斜量明顯大于縱斷面方向；當一個樁基位于隧道正上方，而另一個位于遠離開挖隧道的位置時，差異沉降量值最大。佘才高，韓高孝[5]以南京地鐵6號線下穿高速鐵路橋梁為背景，對深埋地鐵盾構隧道于巖層中近距離下穿高速鐵路橋梁時的土倉壓力、注漿壓力等施工參數(shù)進行了研究，通過對現(xiàn)場施工參數(shù)及橋梁變形和地表變形的分析，驗證了文中提到的所采用的施工參數(shù)的合理性。

結合國內(nèi)外研究資料來看，在類似鄭州地區(qū)常見的粉土、粉質(zhì)黏土地層中，對盾構隧道穿越高鐵橋梁樁基開展的研究尚不多見。因此，本文基于鄭州軌道交通5號線鄭汴路站～經(jīng)北二路站區(qū)間隧道穿越石武高鐵聯(lián)絡線橋梁樁基群工程，利用MIDAS/GTS軟件，建立有限元分析模型，對施工期墩柱受隧道開挖影響產(chǎn)生的位移變化規(guī)律展開研究，并通過對比有無隔離樁保護措施的兩種工況，驗證隔離樁對減弱樁基、墩柱受隧道開挖的影響程度有效性，為類似工程具有較好的指導意義。

2 工程概況

鄭州市軌道交通5號線工程鄭汴路站～經(jīng)北二路站區(qū)間線路從鄭汴路站出發(fā)，在右DK18+920～右DK19+030里程段下穿石武高鐵聯(lián)絡線后到達經(jīng)北二路站。區(qū)間隧道線路全長約1776m，區(qū)間最小坡度2‰，最大坡度16.68‰，在下穿石武高鐵客運聯(lián)絡線時，覆土厚度約14～18m。

石武高鐵聯(lián)絡線4座橋梁設計時速均為160km/h，鐵路等級為I級。其中北上行聯(lián)絡線特大橋、北下行聯(lián)絡線特大橋、西南上行聯(lián)絡線特大橋均為簡支梁，西南下行聯(lián)絡線特大橋被穿越處為4跨連續(xù)梁（42m+2×72m+42m），區(qū)間左右線隧道從72m跨中部側穿樁基，均為有砟軌道。橋梁均采用鉆孔灌注樁基礎，下穿區(qū)域周圍樁基樁長42m-80m不等，上部墩柱高11.25m-31.35m不等。盾構隧道與橋梁相互關系和凈距如圖1和表1所示。

3 工程地質(zhì)

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，盾構隧道下穿4座高鐵橋梁所處位置的地質(zhì)情況大致可分為以下12層，第①層素填土；第①1層雜填土；第②32層粉土；第②33D層細砂；第②35層粉土；第②51C層粉砂；第②52層細砂；第③23層粉質(zhì)黏土；第③24A層粉土；第③24層粉質(zhì)黏土；第④51層細砂；第④21層粉質(zhì)黏土。

4 設計保護方案

為減小盾構隧道施工對橋梁樁基及上部橋跨結構影響，對凈距小于1D（D為盾構隧道直徑）的區(qū)域采取隔離樁+洞內(nèi)保護措施，大于1D的區(qū)域采取洞內(nèi)保護措施。隔離樁按兩排、梅花型布置，規(guī)格為φ250@400， C30水下鋼筋砼，樁長25～26m，隔離樁距離盾構隧道為1m。

5 建立模型

結合四座特大橋梁相對位置及盾構隧道開挖影響范圍的相關經(jīng)驗，對下穿四座特大橋梁工程按兩個模型進行分析。模型一為盾構隧道下穿石武客專西南上行聯(lián)絡線特大橋模型，模型尺寸為X×Y×Z=200m×50m×70m。模型二為盾構隧道下穿石武客專北上行、北下行、西南下行聯(lián)絡線特大橋模型，模型尺寸為X×Y×Z=300m×200m×100m。

圍巖采用實體單元模擬；橋梁橋墩、承臺采用實體單元模擬，按線彈性材料考慮；盾構隧道管片采用二維結構單元模擬；橋樁與隔離樁均采用一維結構單元模擬；樁基承受的荷載包括橋梁、墩臺、軌枕、鐵軌及其他附屬設施的自重荷載，并應考慮列車荷載的作用。

6 結果分析

基于工況一（未采取隔離樁保護措施）和工況二（采取隔離樁保護措施）兩種工況進行計算，得到各橋梁墩臺及墩臺頂部對應橋面位移值，現(xiàn)以西南上行（簡支梁）和西南下行（連續(xù)梁）為例分析受盾構隧道開挖的影響。

6.1 西南上行聯(lián)絡線特大橋

計算結果：工況一橋面最大沉降4.21mm，相鄰墩臺最大沉降差3.25mm，最大橫橋向位移0.18mm，最大順橋向位移0.19mm，梁端水平折角最大為0.0081‰；工況二橋面最大沉降0.38mm，相鄰墩臺最大沉降差0.3mm，最大橫橋向位移0.0194mm，最大順橋向0.18mm，梁端水平折角最大為0.0007‰。

6.2 西南下行聯(lián)絡線特大橋

計算結果：工況一橋面最大沉降4.12mm，相鄰墩臺最大沉降差3.35mm，最大橫橋向位移0.28mm，最大順橋向位移0.4mm；工況二橋面最大沉降0.81mm，相鄰墩臺最大沉降差0.68mm，最大橫橋向位移0.035mm，最大順橋向位移0.23mm。

6.3 結果分析

經(jīng)對比分析，盾構隧道下穿在下穿橋梁之前施加隔離樁，橋面最大沉降值、最大沉降差、最大橫橋向位移均有大幅大減小，由此分析采用隔離樁的加固方式是非常有效的。

7 結語

本文基于盾構隧道穿越高鐵橋梁樁基群工程案例，通過三維有限元計算，對盾構隧道穿越過程中橋梁墩臺變形和施作隔離樁保護措施前后進行對比分析，得出如下結論：

（1）盾構隧道穿越施工將引起鐵路橋梁墩臺的位移，包括豎向、順橋向及橫橋向。

（2）設置隔離樁保護措施后，盾構隧道在下穿橋梁引起的橋面最大豎向位移和最大橫橋向位移均有大幅度減小；且對簡支梁橋，盾構隧道施工造成的梁端水平折角也相對減小。

（3）盾構隧道與橋梁樁基凈距小于1D（D為盾構隧道直徑）的區(qū)域采取隔離樁保護措施，數(shù)值分析結果驗證了隔離樁對減弱樁基、墩柱受隧道開挖的影響程度有效性，為以后類似工程實施具有較好的指導意義。

參考文獻：

[1] 周正宇. 地鐵鄰近既有橋梁施工影響分析及主動防護研究[D]. 北京：北京交通大學，2012.

[2] 徐干成， 李成學， 王后裕， 趙月， 胡萍. 地鐵盾構隧道下穿京津城際高速鐵路影響分析[J]. 巖土力學 2009， 30（2）： 269-272.

[3] 郭院成， 郜新軍， 郭孝坤， 李智. 盾構下穿施工對既有樁基承載性能的影響研究[J]. 公路， 2017（3）： 236-241.

[4] 周濟民. 盾構區(qū)間隧道下穿高架橋樁基群施工技術與環(huán)境影響預測[J]. 現(xiàn)代隧道技術， 2016， 53（1）： 165-172.

（作者單位：中鐵第四勘察設計院集團有限公司1

鄭州地鐵集團有限公司2）