盾构下穿高速铁路高架桥沉降变形控制技术

城市轨道交通和高速铁路的大规模建设必然会使两者的线路在特定位置产生交叉，地铁盾构下穿高速铁路工程会不断出现。高速铁路为满足高速、高平顺性、占地少等方面的要求，线路多采用高架形式，这样就会出现城市轨道交通盾构施工穿越高速铁路高架桥的情况。地铁盾构穿越既有高速铁路高架桥施工过程中，桩基会产生沉降引起桥梁变形进而产生轨道不平顺，影响了轨道结构的稳定性和列车的高速运行，地铁下穿对地表变形控制要求严格的铁路线就成为施工与运营中的重点与难点。
目前国内外对盾构下穿铁路的研究方法主要有经验公式法、模型试验法、实际监测法、数值分析法等，其中实际监测法和数值分析法是目前运用最为广泛和成熟的研究方法。L.T.Chen等将地层位移的解析解和简化边界元法相结合，分析了隧道施工引起临近桩基的水平和竖向位移，并提出了评价桩体最大反应的简化表。廖少明等以上海地铁近距离穿越工程为实例，运用边界单元法模拟分析了掘进过程中盾构对已建建筑的影响，并对施工参数进行了理论探讨。霍军帅等在苏州某地铁盾构下穿沪宁城际铁路施工时，结合原加固措施，采用板桩组合结构的形式对地基进行加固，并分析不同应力释放率下盾构施工引起的地表沉降规律。曹全等采用ANSYS模型模拟盾构穿越京津城际的施工过程，分析探讨不同工况下既有铁路路基及轨道结构的变形规律。刘银伟通过数值模拟与实测数据的对比分析，对盾构施工穿越既有铁路引起的地表沉降、深层土体位移以及应力分布规律进行了研究。朱小龙以某地铁盾构隧道下穿火车站多条铁路轨道为背景，通过数值模拟与实测数据对盾构施工时导致的铁路地表沉降进行分析，得出地表沉降的规律，并提出控制地表沉降的措施。冯义等结合深圳地铁5号线盾构隧道下穿广深铁路对地面沉降监测数据进行分析，探讨了盾构施工过程地表沉降规律及其影响范围和程度。从上述的相关研究中可以看出对盾构下穿铁路的研究主要是下穿加固施工技术和既有铁路及地表沉降变形规律等。


京沪高铁为时速300km的新开通线路，其运输要求线路具有较高的平顺性和稳定性，任何超出限差的变形都会危及行车安全。本工程下穿京沪高铁施工，会对既有铁路高架桥墩产生一定影响，引起铁路线路变形。
为确保下穿段京沪高铁运营安全，本文结合该工程实际，确定下穿施工方案，并采用ANSYS三维模型对下穿方案进行安全性分析，同时通过试验段掘进，确定盾构下穿施工参数;最后通过实测数据分析下穿中桥梁墩台结构和隔离桩的变形规律，以确保下穿施工过程安全可行。
1工程概况
北京地铁10号线2期草桥站—玉泉营站区间在左线K38+400—K38+500下穿既有铁路7条线路，由西向东分别为京九铁路、京沪动车右线、京沪高速正线(2条)、京沪动车左线及城际动车线。隧道与铁路平面位置如图1所示。盾构下穿高架桥时穿过地层主要为卵石层，岩土物理力学性质如表1所示。


京沪高铁、京沪动车线结构形式均为简支桥梁结构，基础为群桩基础，设承台。盾构下穿处桥梁孔距均为32.7m，桥墩号分别为42，43及44。京沪高铁42～44号墩之间桥高12.0m左右，桥墩采用圆端型实体桥墩，基础采用12根直径1.0m钻孔灌注桩基础，一层承台，尺寸为8.0m×11.0m×3.0m，设计桩长分别为25，25，24m，承台轴线扭转30°，与线路夹角为60°。42～44号墩立面布置如图2所示。区间距离新建铁路承台的水平净距6.5～11.0m，区间隧道顶距离铁路路基底净距14.9m。
2下穿高架桥施工方案的安全分析
采用数值模拟方法建立三维地层结构模型，分别对盾构施工时不采取防护方案和采取防护方案两种情况进行安全性分析。


2.1计算模型
采用ANSYS建立三维模型进行计算。对桩基的模拟计算中，考虑桩基承台、桩基础、隔离桩、管片二次补浆及支护间的相互作用，同时，考虑桥墩基础的实际位置及上覆荷载，按刚度等效方法用方桩代替圆桩，并对承台做了适当简化。计算时围岩、桥桩基础、桩基承台、隔离桩及盾构管片均采用实体单元模拟。围岩在开挖时考虑其塑性变形，采用莫尔库仑准则，桥桩基础、承台、隔离桩和盾构管片考虑其弹性工作，采用线弹性本构关系。计算模型在水平方向宽度取146m，在竖直方向上取40m，线路纵向取207m。模型四周约束为各面的法向位移约束，地表为自由面，底部设置竖向约束。
2.2不采取防护方案高架桥的沉降变形
对不采取防护方案下穿施工模拟分析可知，下穿完成后各桥42，43，44号墩桥桩承台距离地面不同深度的竖向位移值如表2所示。


由表2可知，施工引起的结构位移变形量较大，桥桩及承台最大竖向变形为2.02mm，由桥桩承台沉降及水平位移控制值1mm可知，不采取防护方案下穿施工时高架桥梁结构变形超过了预测变形范围，不满足要求。对原桥梁基础进行检算，在桩根数不变的情况下，桩长需要≥66m，不满足规范要求。因此需采取一定的防护措施以保证线路运营和地铁工程安全。
2.3采取防护方案高架桥的沉降变形
2.3.1隔离防护桩施工
隔离桩采用直径1.25m，间距1.8m的人工挖孔桩，桩深25m，共有4排88根。桩顶为1.25m×0.8m冠梁，冠梁间采用0.4m厚钢筋混凝土板进行支撑。隔离桩设置在盾构区间两侧，与盾构管片净距1m，隔离桩加固在盾构下穿施工前完成。隔离桩立面如图2所示，平面如图3所示。


2.3.2隔离桩防护方案高架桥的沉降分析
对采取防护方案下穿施工模拟分析可知，下穿完成后各桥42，43，44号墩桥桩承台距离地面不同深度的竖向位移值如表3所示。


由表3可知，采取防护方案后，桥桩及承台最大竖向变形为0.12mm，施工引起的结构位移变形量较小。由桥桩承台沉降控制值1mm可知，隔离桩防护方案下穿施工时高架桥梁结构在预测变形范围内，是安全的。地铁盾构施工时引起局部桩侧土扰动，但由于施工时采取了防护方案，经检算各项桥梁指标满足规范要求。因此盾构下穿桥梁前，提前进行隔离桩施工，能够降低盾构穿越给桥梁带来的风险。
3盾构施工参数控制现场试验
为确保盾构一次性成功下穿铁路，在穿越前要做试验段掘进，在此期间，盾构在通过试验段的过程中采集推进数据，根据试验段掘进参数和地表沉降数据反馈，确定盾构穿越京沪高铁的施工参数。试验段盾构掘进参数及盾构下穿京沪高铁高架桥施工参数如表4所示，由现场监测可知试验段地表沉降时程曲线如图4所示。






通过对试验段掘进参数及沉降数据分析可知:
1)合理控制上土压及出土量是沉降受控的关键。第1试验段上土压控制在0.05～0.06MPa，其他试验段由于隧道埋深变大，上土压控制在0.06～0.07MPa。出土量控制在每环42.4～44.9m3。从刀盘到达前沉降数据的分析发现，合理控制土压及出土量能够有效控制前期地表沉降。
2)通过同步注浆的改良，盾尾处地表沉降得到有效控制。在试验段调节同步注浆的配合比，调节后的同步注浆浆液初凝时间控制在20～30s，二次补浆浆液采用水泥水玻璃双液浆，在合理控制浆液配合比、注浆量及注浆压力的情况下，很好地填充了开挖空隙，使地表沉降得到控制。
3)注浆量控制合理。由图4可知，注浆量不同，各试验段沉降量不同，且沉降值随注浆量增大而减少。因此加大注浆量能够减少地表沉降。
4)在第4试验段中沉降量比第3试验段有所减少，最大沉降量约减小0.5mm。这是因为在第4试验段中增加每3环进行一次二次补浆措施。
5)分析总结试验段掘进过程，可知盾构下穿铁路施工参数为:上土压力:0.06～0.07MPa，刀盘转速:1.5r/min，推力:19500～22000kN，掘进速度:35～45mm/min，同步注浆量为每环3.9～4.2m3，每环添加4.5～5.5m3膨润土浆对砂卵石土质进行改良，泡沫注入量为0.2m3/环，拖出盾尾每3环进行一次二次补浆。
4下穿施工过程的现场监测分析
在盾构掘进施工阶段，盾构机左、右线同时掘进，相距10m，依次穿越京九铁路上下行、京沪动车右线、京沪高铁、京沪动车左线。在施工期间，对京沪高铁桥梁墩台进行自动化监测和人工监测，得到桥梁墩台的沉降变形曲线如图5所示。


由图5可知，由于隔离桩的加固防护作用，使得沉降变形很小，盾构通过后，桥梁墩台自动化监测和人工监测最大沉降值均为0.8mm，波动范围较小，并且随着盾构的通过逐渐趋于稳定。


对隔离桩桩体水平位移进行监测分析，可知隔离桩的变形曲线如图6所示。由隔离桩变形曲线可知，盾构施工使隔离桩产生一定变形，但变形值较小。施工时隔离桩朝隧道方向变形，在隧道埋深处变形较大，最大水平位移为3.15mm。
5结语
1)数值模拟分析表明，不采取防护方案时，施工引起的结构位移变形量较大，桥桩及承台最大竖向变形为2.02mm，大于控制值1mm，超过了预测变形范围，不满足要求;采取防护方案时，施工引起的结构位移变形量较小，桥桩及承台最大竖向变形为0.12mm，在预测变形范围内，满足要求。因此，隔离桩防护下穿施工方案安全可行。
2)上土压力、出土量、浆液配合比、注浆量及注浆压力等施工参数能够有效控制地表沉降。通过试验段掘进参数优化确定盾构下穿时施工参数:上土压力:0.06～0.07MPa;刀盘转速:1.5r/min;推力:19500～22000kN;掘进速度:35～45mm/min;同步注浆量:3.9～4.2m3/环;膨润土浆液注入量:4.5～5.5m3/环;泡沫注入量:0.2m/环。
3)现场监测表明，在盾构施工阶段，桥梁墩台最大沉降值为0.8mm，施工结束后变形均趋于稳定;盾构施工时隔离桩朝隧道方向变形，在隧道埋深处变形较大，最大水平位移为3.15mm。