濱海軟土地層盾構下穿高鐵變形規律分析

周 勝， 熊田芳

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300133）

近年來隨著城市軌道交通建設發展，城軌線網與鐵路線網交叉越來越多；地鐵施工鄰近或下穿相關建構筑物風險控制成為工程的重中之重[1]。盾構法是目前隧道施工中常用方法之一，施工過程中不可避免的會產生土體擾動，引起地層損失和隧道周圍地層土體剪切破壞。

目前，針對其他地區盾構下穿高鐵加固防護措施及變形規律的研究主要是優選風險加固措施及分析墩柱整體變形規律[2～5]。天津濱海地層為典型的軟土地層，淤泥質土層較厚且濱海軌道交通B1線為該區域內第一條地鐵線，下穿高鐵可參考經驗少。本文依托B1線某區間下穿某高鐵工程實例，采用理論分析與數值模擬的方法，結合現場監測結果，對天津軟土地層盾構下穿某高鐵變形規律進行分析，總結變形控制措施，以期能夠指導盾構下穿高鐵的設計與施工。

1 工程概況及變形控制標準

1.1 工程概況

天津濱海B1線某區間長1 399.814 m。盾構區間右線從某高鐵116#～117#墩間下穿，右線貫通后盾構機轉機從115#～116#墩間下穿，區間與某高鐵的交角約為71°，下穿位置區間覆土大約為5.20 m。

區間結構外輪廓距高鐵橋樁水平凈距8.26～9.07 m，每個墩柱下設置8 根直徑1 m 鉆孔灌注樁，樁長54 m，為摩擦樁+端承樁。見圖1。

圖1 區間與既有某高鐵關系

1.2 工程地質條件

工程所在場地為軟弱土，淤泥質粉質黏土（⑥2-4）在建設地段內分布且在整個線路內厚度較大。見表1。

淤泥質粉質黏土（⑥2-4）屬典型的濱海軟土，具有高含水量、高壓縮性、高靈敏度、大孔隙比、低滲透、低強度等特點。

1.3 變形控制標準

本段高鐵線路為無砟軌道，按照《高速鐵路無砟軌道線路維修規則》（鐵運[2012]83號）要求的線路軌道靜態和動態幾何尺寸容許偏差管理值作為控制標準，結合既有設計施工經驗制定高鐵路基、軌道控制指標，見表2。

表2 線路軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值

根據TB 10182—2017《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》對墩臺頂位移進行限值要求，見表3。

表3 墩臺頂位移限值 mm

2 施工方案

2.1 隔離樁保護

為確保高鐵運營安全的前提下盾構區間順利下穿，施工前對高鐵采取預支護保護措施。采用?1 000 mm@1 200 mm 隔離樁，距離管片結構凈距1.0 m，樁頂做1 000 mm×800 mm混凝土冠梁、400 mm厚混凝土蓋板，樁長17.22 m，伸入隧道5 m，縱向范圍為沿隧道線路方向超出承臺2.5倍洞徑。

2.2 三維計算模型

為了研究盾構掘進對鄰近墩柱的影響及隔離樁對各方向變形的限制效果，采用MIDAS-GTS軟件建立三維地層結構模型，模擬盾構掘進在有隔離樁和無隔離樁工況下對鄰近墩柱變形的影響。模型中除有無隔離樁外，其余如地層參數、材料參數等因素均不變。

各土層采用以莫爾-庫倫屈服條件為破壞準則的理想彈塑性模型實體單元，土層計算參數取自工程勘察報告；將隧道襯砌簡化為線彈性的連續管，采用各向同性殼單元模擬；采用剛度遷移法對盾構隧道掘進全過程進行開挖模擬；高鐵樁基、承臺及墩柱采用各向同性的實體單元并在模擬過程中考慮高鐵運營荷載的最不利影響，以均布荷載施加墩柱超載，混凝土重度均取25 kN/m3，彈性模量為3.0×107kPa，泊松比均取0.2。見圖2。

圖2 三維數值模型

3 隔離樁對變形規律的影響分析

3.1 數值模擬

采用三維數值模型對有無隔離樁工況分別進行計算，提取不同施工階段結果進行分析。以高鐵墩柱位置為零點，隨著盾構掘進方向，掌子面距離墩柱由負到正為橫坐標軸，提取變形最大墩柱（116#）在不同施工階段的X、Y、Z方向變形結果。見圖3。

圖3 有無隔離樁工況下墩柱變形曲線

由圖3可知，盾構下穿整個過程中，墩柱產生較大橫向變形。

1）未采用隔離樁，墩柱最大橫向變形為4.18 mm、縱向變形為-2.70 mm、豎向變形為-2.68 mm。盾構掌子面距離墩柱12 m左右時，發生最大橫向變形及較大縱向、豎向變形；隨著掌子面遠離，橫向變形基本趨于穩定，縱向變形減小，豎向變形增大。

2）采用隔離樁時，隔離樁有效的限制土體各方向的變形，整個施工過程中墩柱發生最大橫向變形為1.64 mm，縱向變形為-1.42 m，豎向變形為-1.93 mm。隔離樁的作用使得樁外側土體應力重分布較內側滯后，墩柱橫向及縱向變形滯后，明顯限制了墩柱各方向變形速率，其變形趨勢與未采用隔離樁基本一致。

3）隔離樁的作用有效限制了土體的橫向及縱向位移，最大橫向變形減小了2.54 mm，最大縱向位移減小了1.28 mm，最大豎向位移減小了0.75 mm。

3.2 現場監測變形分析

3.2.1 現場監測

選取影響范圍外112#、113#、119#、120#墩作為水平位移基準點，113#墩作為靜力水準基準點，從隔離樁施工前到盾構左線掌子面遠離橋墩影響范圍對114#～118#墩累計水平及豎向位移進行實時監測。見圖4。

圖4 橋墩監測點布設

3.2.2 監測結果

隔離樁施工開始即對高鐵墩柱進行自動化監測。隨著盾構掘進，由于土體擾動作用，鄰近側墩柱樁基擾動較大，產生較大的負摩阻力，遠離側擾動較小，產生相對較小的負摩阻力，導致承臺及墩柱下穿之前變形較大，下穿之后變形較小。見圖5-圖7。

圖5 墩柱橫向變形

圖6 墩柱縱向變形

圖7 墩柱豎向變形

左右線盾構均對墩柱產生不同程度影響，由于隔離樁加固防護作用，造成的變形較小。

1）橫向變形最大為-1.11 mm。右線掘進時，橫向變形基本趨于穩定，變化幅度較小，變形最大僅為0.71 mm；由于土體一次擾動后，短時間內固結和蠕變還未完成，左線掘進墩柱土體產生二次擾動，相對右線對墩柱產生較大影響。穿越一段距離后，隨著盾構管片拼裝及盾尾二次壓漿的完成，盾尾空隙填充，墩柱的橫向變形減小，基本趨于穩定。

2）縱向變形最大為-1.14 mm。墩柱距離盾構掌子面-2.5D～2.5D外（D為盾構直徑）時，墩柱縱向變形基本趨于穩定，變形較小；當在-2.5D～2.5D內時，縱向變形較大，出現明顯的影響范圍；由于土體一次擾動后，短時間內固結和蠕變還未完成，左線掘進墩柱土體產生二次擾動，相對右線掘進對墩柱產生較大影響。盾構掘進時前方土壓力松弛，下穿前產生負向變形；當盾構機向前掘進時，勢必推動周邊土體向前移動，這種移動表現為盾構掘進機附近的土體發生側移，而導致開挖面后方土體松弛漏空，下穿一段距離后產生正向變形；隨著盾構管片的二次壓漿完成，盾尾空隙填充，墩柱的縱向變形減小，基本趨于穩定。

3）豎向變形最大為-1.18 mm。墩柱距離盾構掌子面-2.5D～2.5D外時，墩柱豎向變形基本趨于穩定，變形較小；當在-2.5D～2.5D內時，豎向變形較大，出現明顯的影響范圍；由于土體一次擾動后，短時間內固結和蠕變還未完成，盾構左線掘進墩柱土體產生二次擾動，相對于右線掘進對墩柱產生較大的影響。盾構掘進時前方土壓力松弛，下穿前產生負向變形；當盾構機向前掘進時，勢必推動周邊的土體向前移動，這種移動表現在盾構掘進機附近的土體發生側移，而導致開挖面后方土體松弛漏空，下穿一段距離后產生正向變形；隨著盾構管片的二次壓漿完成，盾尾空隙填充，墩柱的豎向變形減小，基本趨于穩定。

3.3 數值模擬與現場監測對比分析

1）未采用隔離樁時，數值模擬盾構掘進過程中墩柱最大橫向變形為4.18 mm，現場監測結果為1.11 mm，隔離樁限制了墩柱73.4%的橫向變形；數值模擬盾構掘進過程中墩柱最大縱向變形為-2.70 mm，現場監測結果為-1.14 mm，隔離樁限制了墩柱57.8%的縱向變形；數值模擬盾構掘進過程中導致墩柱發生最大豎向變形為-2.68 mm，現場監測結果為-1.18 mm，隔離樁限制了墩柱56.0%的豎向變形。

2）有隔離樁時，數值模擬與現場監測盾構施工對高鐵墩柱影響變形規律基本一致。

4 結論與建議

1）采用隔離樁能有效限制高鐵墩柱發生較大變形。

2）距離高鐵墩柱-2.5D～2.5D范圍內，隨著盾構接近墩柱，對其產生越來越大影響；-2.5D～2.5D范圍外時，墩柱豎向變形基本趨于穩定。因此，針對天津濱海軟土地層來看，隔離樁縱向范圍宜為-2.5D～2.5D。

3）天津濱海軟土具有高含水量、高壓縮性、高靈敏度、大孔隙比、低滲透、低強度等特點，土體本身抗擾動能力差，地層經過一次擾動后，引起地層損失和隧道周圍地層土體剪切破壞，發生較大的變形，土體應力在短時間內很難完成重分布再固結，發生二次擾動后，產生較為明顯的變形。

4）針對濱海軟土地層的特殊性，實際工程中應綜合分析土體改良、隔離樁等措施的優缺點，擇優采用。