盾构隧道下穿对高铁桥梁的影响研究

彭江

（中国华西工程设计建设有限公司 广州分公司，广州510600）

1 引言

近年来，各大城市轨道交通建设速度加快，轨道交通多采用盾构法施工，盾构隧道不可避免地穿越既有铁路桥梁等建筑物。当盾构隧道下穿既有铁路桥梁施工时，盾构开挖产生的扰动传递会引起桩基变形造成其承载力降低，进而引起轨道变位超过限值，影响行车安全【1】。目前，已有不少学者和工程技术人员对盾构隧道下穿铁路桥梁进行了较深入的研究，胡德华、段景川【2】通过有限元软件分析了不同掘进姿态在盾构施工过程中对近接桩基的影响，刘记【3】采用三维有限元数值软件分析了地铁盾构区间下穿广深港高铁桥梁先掘进左线和先掘进右线2种工况，得出在左线隧道覆土厚度较大且距桥桩距离较远时，先掘进左线对铁路桥影响较小的结论。本文采用三维有限元软件，研究盾构隧道埋深较大且穿越地层较好，盾构双洞隧道同时下穿铁路同一桥孔时对桥梁的影响，探讨采取防护措施的必要性。

2 工程概述

某地铁区间采用盾构法施工，双洞单线隧道，盾构隧道管片外径为6.7m，内径6.0m，管片厚度为350mm，采用C50钢筋混凝土。区间隧道下穿某高速铁路桥梁，隧道与铁路平面交叉角约为35°，被穿越桥面宽度约为12.78m，左右线线间距约为14.5m。隧道覆土约22.92m，路基下方覆土主要为素填土、砂质黏性土、全风化花岗岩、强风化（土状）花岗岩、中等风化花岗岩、微风化花岗岩等，隧道洞身穿越微风化花岗岩地层中，如图1、图2所示。

图1盾构隧道下穿高速铁路桥梁平面位置关系图

3 有限元分析

采用MIDAS/GTS通用有限元计算软件对方案进行数值计算。MIDAS/GTS是一款针对岩土领域的通用有限元分析软件，可以考虑填土、开挖及其他不同材料特性进行施工阶段分析，在地下工程数值计算领域应用广泛。

3.1 数值模型

各岩土层均采用弹塑性模型，三维实体单元，屈服准则采用修正Mohr-Coulomb准则；盾构隧道管片采用弹性模型。模型尺寸：108m（长）×86m（宽）×60m（高）。模型的边界条件如下：模型顶面为自由面，无约束；模型底面每个方向均约束；模型4个侧面均只约束法向，其余方向自由无约束。对模型划分网格，网格为六面体和四面体混合网格。如图3所示。

盾构隧道的开挖为由远到近逐步开挖，在实际数值模拟过程中需要对隧道开挖过程进行分步分阶段处理，模拟循环开挖进尺与现场盾构管片施工相符合，通过激活盾构管片单元模拟管片施工。在完成每次开挖步后，进行收敛计算来模拟这步开挖过程的应力释放过程，然后才进入下一个开挖步计算。

图3盾构隧道下穿高速铁路桥梁计算模型

3.2 模型地质参数

根据详细勘察阶段岩土工程勘察报告提供的岩土体及结构物理力学指标建议值，结合工程实际情况及与其他工程类比，对计算中所用到的岩土体与结构物理力学参数进行取值（见表1）。其中，盾构管片弹性模量考虑管片连接对管片刚度的折减效应，取0.8的折减系数。支护结构物理力学参数，C50钢筋混凝土重度25kN/m3，弹性模量E=27.6GPa，泊松比μ=0.20。

表1岩土体物理力学参数

3.3 计算结果及分析

左线区间施工纵向步距根据盾构管片的环宽按照1.50m进行开挖施工，计算结果如图4、图5所示。

根据有限元计算结果，地铁区间施工期间，高铁桥墩向区间开挖方向发生水平位移与沉降，地表以上355、356号桥墩发生最大沉降，沉降值为0.96mm，355、356号桥墩发生最大水平位移，位移值约0.3mm。

根据计算结果，盾构区间地表沉降最大值为0.52mm，盾构管片结构拱顶沉降最大值为2.5mm，管片结构净空收敛最大值为0.1%D（D为管片外径）。

经过施工阶段数值模拟分析，高铁桥桩结构变形及盾构区间变形满足相关控制标准。

4 结论

图4厦深铁路桥桩水平位移云图

图5厦深铁路桥桩竖向位移云图

1）搜集类似工程数据及深圳地区相似地层的盾构施工参数、实际沉降数据等，综合考虑铁路范围内工程地质条件、覆土厚度的变化及列车运行所造成的动荷载效应，制定科学合理的盾构掘进参数，编制切实可行的施工、监测方案，提前组织专家对施工方案进行论证，确保各项方案合理可行。

2）优化盾构机刀具配置、技术参数，刀盘配置应以切刀为主，占刀具总数的60%～70%，滚刀、齿刀为辅，占刀具的30%～40%。为保证盾构机在超挖少、对周边土体干扰小的条件下，实现曲线推进和顺利转弯及纠偏，应设置仿形刀（超挖刀）。

3）在盾构掘进过程中，要及时进行管片背后注浆，同步注浆采用水泥砂浆，注浆压力=地层阻力+（0.1～0.2MPa），并结合地层情况调整，建议控制在0.2～0.4MPa，注浆量5.4～6.0m3/m；二次压浆在管片出盾尾5环后进行，注浆压力控制在0.3～0.5MPa，注浆量约1.62～1.8m3/m。

4）盾构下穿铁路施工前，在同类地质条件下设计盾构掘进试验段，模拟盾构下穿铁路的施工过程，以试验掘进段的实测情况确定盾构正式下穿的各种参数。