盾构隧道侧穿高铁桥梁桩基影响现场试验

姜克寒， 岳志坤， 周中， 朱辉， 高东东， 王天梁

（1.中国水利水电第八工程局有限公司，长沙410004；2.中国电建集团铁路建设有限公司，北京100044；3.中南大学土木工程学院，长沙410075）

0 引 言

随着高速铁路与城市地铁的快速发展，城市交通网络在逐步完善的同时，地铁隧道不可避免的与高速铁路发生交叉穿越.当地铁隧道下穿桥梁时，地铁盾构施工导致地层损失引起隧道周围地层移动，其产生的自由土体位移场使得工作状态的桩基产生变形，对桩基的使用安全产生风险.桩基受到影响时，还会引起高铁桥上轨道结构的变形，加剧轨道的不平顺，加上轨道之间的冲击力，会加速桥上轨道结构破坏，从而影响到铁路运营的安全.可见，地铁盾构隧道近距离侧穿高铁桥梁桩基存在巨大施工风险，对高铁桥梁的结构及运行的客运列车构成极大的安全隐患.因此，盾构隧道侧穿高速铁路桥梁桩基础的影响已成为一个亟待研究和解决的问题.

目前国内外学者及工程技术人员在隧道穿越桩基方面的研究比较多，但盾构隧道穿越高铁桥梁桩基的影响控制研究比较少.王勇[1]与周济明[2]结合实际工程案例，通过数值模拟分析了盾构隧道近距离侧穿高架桥的影响，对盾构隧道施工引起桩基的变形进行风险分析与预测研究；Loganathan[3]通过离心模型试验模拟隧道近距离穿越桥梁桩基，分析了隧道施工对桥梁桩基的影响；Gordon[4]利用三维数值模拟研究隧道开挖对既有桩基的影响，发现桩的安全土阻力系数会显著降低，从而影响到桩基的安全性；吴晓腾等[5]建立了隧道、管片和桩基的三维模型，模拟结果发现地表最大变形量大于桩基顶部变形量；李松[6]和赵志峰等[7]利用数值模拟分析了盾构施工参数对桥梁桩基的影响；彭坤等[8]分析数值模拟的结果发现，桩基和承台的存在，能一定程度上控制地表沉降，承台周围的地表沉降明显小于没有承台时相应位置上的沉降，并且桩对其外侧的地表沉降也有一定的屏蔽作用.Mroueh[9]和Zhang[10]通过数值模拟的方法，研究盾构隧道施工对临近桩基的影响；沙原亭等[11]通过现场监测的方法对盾构隧道施工引起桥梁桩基变形进行研究；沈建文等[12]采用有限元数值计算方法对盾构隧道穿越临近桥桩的桩体沉降、桩体侧移、地表沉降进行了数值分析研究，结合现场监测成果，对数值计算结果和监测结果进行对比分析，表明采用的数值分析计算模型、参数取值对盾构隧道施工对临近桥桩影响的模拟是可靠的；凌同华等[13]通过改变注浆范围提出不进行注浆加固、原注浆加固以及优化后的注浆加固3种方案，探索研究不同的桩基加固措施控制盾构施工对其影响；王国富等[14]采用数值模拟预测了盾构下穿桥梁桩基时的应力及变形，并提出了相应的加固及监测方案.综上所述，现有研究大多集中为采用有限元数值模拟和现场监控量测方法分析盾构隧道施工对高架桥梁桩基的影响，而针对盾构侧穿在运营高铁桥梁桩基的系统控制研究成果缺乏，由于高铁运行对桥梁安全性要求较高，因此对这方面有必要进一步研究.

文中基于武汉地铁11号线侧穿武广高铁桥梁桩基实体工程，研究盾构侧穿对高速铁路桥梁桩基的影响.采用有限元分析软件建立三维数值模型，通过把整个施工过程详细的模拟出来，分析盾构侧穿施工的影响机理，并在现场进行实时监测，将数值模拟中设置的监测点处的数据与现场数据进行对比，相互验证结果的正确性.结合数值模拟与现场实测数据的研究成果，为其他类似工程提供参考.

1 工程概况

武汉市轨道交通11号线隧道区间于里程右DK43+353～DK43+366范围内侧穿武广高铁高架桥上行线和下行线（如图1、图2所示）.区间穿越的地层为中风化泥岩，采用盾构法施工，盾构机选用土压复合式平衡盾构机.盾构机外径6.440 m，隧道采用通用型管片错缝拼装而成，用M 30弯螺栓连接，管片环宽 1.5 m，外径 6.2 m，内径 5.5 m，厚度0.35m.

武广高铁高架桥桩基桩顶距地面约2.5 m，6#～8#桥墩每个墩台由8根直径1m的钻孔桩组成，桩长分别为18m、18.5 m和19 m，隧道底部分别低于桥桩1.504 m、0.975 m和0.473 m.侧穿段隧道顶覆土约15.06m，与桥桩结构水平最小净距8.12m.

图1 区间盾构穿越高铁桥梁鸟瞰图

图2 盾构侧穿武广高铁桥梁桩基位置关系剖面图

表1 模型计算参数

2 盾构隧道侧穿引起地层及高铁桥梁桩基变形数值模拟分析

2.1 三维计算模型及参数选取

针对地铁盾构侧穿高铁桥梁桩基施工，采用有限元分析软件Midas GTSNX，建立三维数值模型进行不同工况下盾构施工对高铁桥桩变形的影响分析.取高铁桥为计算模型的X方向，选取左线隧道419～559环与高铁桥5#～9#墩结构建立计算模型.盾构隧道侧穿高铁桥梁桩基整体计算模型如图3和图4.

根据实际地质提供的物理力学指标结合经验确定模型参数，计算地层进行适当简化处理，土体采用摩尔库伦本构模型，管片、桥墩和桥桩的材料相同，天然密度为24.5 kN/m3，压缩模量为31.5GPa，泊松比为0.2，桩土接触面采用剪切节理来模拟桩土相互接触作用，模型计算参数如表1所示.

2.2 数值模拟结果分析

盾构隧道左线掘进至450环处，穿越试验段布设深层岩土体变形联合测试管.

1）试验断面深层岩土体位移

根据现场埋设的深层岩土体位移联合测试管布设情况，每根联合测试管中竖向沉降磁环设计间隔为2m，土体水平位移测试间隔为0.5 m.结合盾构推进进度，选取有代表性的测点1-4（隧道正上方12m联合测试管，可以测试6个不同深层岩土体的Z向变形和水平X、Y方向各24个变形）进行分析，其竖向沉降和水平位移-掘进时序曲线如图5～图8所示，其中L表示开挖面到测点断面的距离，当开挖面位于测点的断面正下方时L=0，当开挖面未到达测点断面时 L＜0，反之 L＞0.

图4 盾构侧穿高铁桥梁桩基位置关系

图3 盾构隧道侧穿高铁桥梁桩基整体计算模型

图5 试验断面联合测试管1-4沉降磁环Z轴向位移云图（单位：mm）

图6 试验段1-4测点各沉降磁环变形-盾构掘进时序

图7 试验断面联合测试管1-4测点X轴向位移云图（单位：mm）

从图6中可知，当盾构开挖面距离测量断面-9m（6环）左右时，随着盾构的掘进深层土体开始逐渐隆起，最低部12m深测点隆起最大值为0.17mm；随着盾构的不断掘进，深层土体开始沉降，直至盾构开挖面穿越测量断面并距离其3 m左右时，沉降停止并有缓慢的回弹至沉降稳定，最低部12m深测点沉降最大值为-1.31mm.

图8 试验段1-4测点水平X轴方向变形-盾构掘进时序

从图8中可知，试验断面隧道正上方12m联合测试管测点水平X轴方向的位移在盾构开挖面距其-9m以后开始逐渐变大，由于在此断面盾构向右有微小的偏向，所有的点位均向盾构掘进方向右侧偏移；当盾构掘进并穿越测量断面至3m左右时，变形逐步稳定.测管从地表至2.5 m深度均向X轴方向偏移0.06 mm，随着深度的增加，偏移量逐步的变大，测管底部12 m处的变形量最大为0.18mm.

同理，试验断面隧道正上方12m联合测试管测点水平Y轴方向的位移在盾构开挖面距其9 m以后开始逐渐变化；当盾构掘进距测量断面至-3m左右时，土体向开挖方向变形，深层土体随着深度的变大形变越大；随着盾构掘进，浅层土体向掘进反方向变形；随着盾构掘进及注浆，土体整体逐渐随掘进方向变形，测管最上面点在盾构距测点断面6 m时变形最大为0.21 mm，最终测管底部12 m处的变形量最大稳定为0.29mm.

2）侧穿断面深层岩土体位移

盾构正式侧穿高铁桥梁桩基断面时,同理选取有代表性的测点2-4，选取测点的沉降与水平位移如图9～图12所示.

从图10中可知，当盾构开挖面距测量断面-15m（10环）左右时，随着盾构的掘进深层土体开始逐渐隆起，最低部12m深测点隆起最大值为0.11mm；随着盾构的不断掘进，深层土体开始沉降，直至盾构开挖面穿越测量断面并距离其12 m左右时，沉降停止并有缓慢的回弹至沉降稳定，最顶部2m深测点沉降最大值为-1.55 mm，最低部12m深测点沉降最大值为-1.77mm.

图9 侧穿断面联合测试管2-4沉降磁环Z轴向位移云图（单位：mm）

图10 侧穿段2-4测点各沉降磁环变形-盾构掘进时序

图11 侧穿断面联合测试管2-4测点X轴向位移云图（单位：mm）

图12 侧穿段2-4测点水平X轴方向变形-盾构掘进时序

从图12中可知，隧道正上方12m联合测试管测点水平X轴方向的变形在盾构开挖面距其-15m以后开始逐渐变大，而且土体均向7#桥墩方向变形；接着当盾构掘进至测量断面正下方期间，表层至深度为8.5 m之间的土体逐步往盾构掘进反向变形，表层最大变形-0.04 mm，底部12 m处为0.05mm；随着盾构的掘进穿越测量断面，表层至深度为8.5m之间的土体逐步往盾构掘进方向变形，而8.5m以下的往X反方向偏移，最终浅层几乎恢复原状，测管底部12m处的变形量最大为0.01mm，总体上测管沿隧道横向的变形很小.

同理，侧穿桥梁桩基断面隧道正上方12m联合测试管测点水平Y轴方向的位移在盾构开挖面距其15m以后开始逐渐变化；当盾构掘进距测量断面至-12m左右时，土体向开挖方向变形，深层土体随着深度的变大形变越大；随着盾构掘进至测量断面正下方期间，表层至深度为8.5m之间的土体逐步往盾构掘进反向变形，8.5m下面土体往掘进方向变形，并持续到盾构穿越离开9.0m左右时，表层位移恢复至0.04mm，测管11.5mm处变形最大为0.32mm；随着盾构掘进及二次注浆，土体整体逐渐恢复部分变形，最终测管最上面点变形最小为0.04mm，测管底部11.5m处的变形量最大稳定为0.12mm.

3 盾构掘进施工动态监测及位移影响分析

3.1 侧穿高铁桥梁桩基断面监测结果及分析

1）盾构侧穿过程中深层土体分层沉降分析

本次监测断面在左线514环 （里程左CK43+349）正上方的土层中共布设六个分层沉降监测点，孔间距4.5m，隧道正上方孔深12m（共6个磁环，间距约2 m），其余孔深22 m（共11个磁环，间距约2 m），分别标号SC2-1～SC2-6.对代表性测点SC2-4进行分析，其位于隧道正上方，孔深12 m，共安装6个分层沉降测量磁环，各沉降磁环的初始埋深如表2所示，现场测量如图13所示.

表2 测点SC2-4各沉降磁环初始埋深统计

图13 水平位移现场测量

图14 测点SC2-4土体分层累计沉降时序曲线

通过试验断面（里程左CK43+349）正上方深层土体分层沉降监测点的结果（图14）可知，在盾构达到前，由于盾构开挖面的推力导致土体会不断地隆起，当盾构处于监测点正下方时，位于隧道正上方最下面的土层沉降最明显隆起达到最大值为3.0 mm；盾构继续掘进过程中，地层又开始随着盾构的离开而下沉，由于期间的注浆会使地层沉降有所波动，随着盾构的离开不断下沉，最后趋于稳定，位于隧道正上方靠近地表的土层沉降最明显，累计沉降达到-2.4mm.各监测点的累计沉降均未超过变形允许安全值.

2）盾构侧穿过程中深层土体水平位移分析

隧道正上方孔CX2-4沿隧道轴线方向的横向水平位移如图15所示（累计位移为“+”代表偏向隧道方向，“-”代表偏离隧道方向）.

通过侧穿断面（里程左CK43+349）正上方深层土体沿隧道轴线方向的横向水平位移监测点的结果可知，在盾构到达前后，土层变形不明显，累计水平位移达到+0.51 mm.各监测点的累计沉降均未超过变形允许安全值.

3.2 高铁桥梁桩基模拟与实测对比及分析

结合数值模拟和现场监测分析，盾构掘进过程中对位于左右线之间的高铁桥梁7#桩基影响最为明显.通过施工前期的有限元模拟和掘进期间的现场实测结果进行分析，现场监测如图16所示，高铁桥梁7#桥墩墩台4个角监测点竖向位移如图17～图19所示（其中负值表示沉降，正值表示隆起），其中 L表示开挖面到桥梁桩基中线断面（左线514环）的距离，当开挖面位于中线断面正下方时L=0，当开挖面未到达中线断面时L＜0，反之 L＞0.

图15 测点CX2-4沿隧道轴线方向的横向水平位移时序曲线

图16 桥台沉降实测

图17 高铁桥梁7#桩基四个角位置竖向位移云图（单位：mm）

图18 高铁桥梁7#桩基四个角位置竖向预测沉降-掘进时序

图19 高铁桥梁7#桩基四个角位置竖向实测沉降-掘进时序

从图19中可知，当盾构开挖面距离桥梁中线-15 m左右时，随着盾构的掘进穿越远离12m左右逐步变形稳定，桥台1#JD最大模拟和实测隆起值为0.61 mm和0.63mm，桥台2#JD最大模拟和实测隆起值为0.38 mm和0.37 mm，桥台3#JD最大模拟和实测隆起值均为0.28 mm，桥台4#JD最大模拟和实测隆起值均为0.49mm；7#桥梁墩台的模拟和实测差异沉降值分别为0.34mm和0.36mm，各点变形均控制在安全范围±1.00mm之内，而且数值模拟的数据变化趋势与实测的数据变化趋势基本一致，可以验证数值模拟的正确性.

随着盾构开挖面的推进，邻近的桥梁桩基由于岩土体的变形相应的会有微小的上浮，而且后续的注浆导致其变化速率有所加快，累计位移不断地变大.在L=12m时，即此时整个盾体将离开桥梁正下方，桩基位移变化趋于稳定.

对比数值模拟结果和现场实测数据，总体分布规律基本一致，只是在数值大小方面有所差别，分析原因主要是桩土之间关系未能真实模拟出来，虽然提出来多种计算模型，但是并不能准确表达出桩土之间准确的关系，此次模拟采用了剪切节理来模拟桩土之间关系，从模拟结果来看，较为合理，能够很好的预测隧道建设所引起的对桩基的影响，为施工提供依据.

4 结 论

1）根据数值模拟得到的结果发现盾构下穿高铁桥梁对桥梁桩基的影响不容忽视，在施工时要重点关注，进行对应的施工方案调整.对开挖面周边岩层提前做好注浆密封，避免发生盾构漏气漏浆现象，在盾构正式侧穿掘进期间，全程加强对周围岩层、地表及临近高铁桥梁变形安全监控，通过监测信息反馈及时调整盾构掘进参数，严控对高铁桥梁桩基的扰动变形.

2）监测数据规律与三维数值模拟所得的数据规律基本一致，而且桥台的沉降和水平位移均未超过安全限值.

3）通过有限元模拟进行工前风险评估及变形分析，并在侧穿段布设监测点进行盾构掘进动态监测，结合监测数据和模拟结果进行掘进参数优化，同时建议调整高铁列车运行速度工后评估变形稳定恢复高铁列车的正常运行.