隔离桩墙和盾构施工对高铁桥墩影响分析

伍伟林，邹 育

（1佛山市铁路投资建设集团有限公司 广东 佛山 528000；2、中铁二院工程集团有限责任公司 成都 610031）

0 引言

中国已运营的高铁里程位列世界第一，铁路桥梁作为高铁线路的重要部分，其对变形非常敏感。近些年随着我国城市轨道交通的发展，地铁下穿高铁桥梁的工程也逐渐增加［1-2］。为了减少盾构隧道施工过程对高铁桥梁的影响，目前采用的措施较多［3-4］，最常用的方法为隔离保护法。霍军帅［5］采用Plaxis 有限元软件分析了板+桩组合结构加固的地基在盾构隧道下穿过程中的安全性；王国富［6］研究分别采用框架结构、三轴搅拌桩结构及隔离墙结构主动预支护技术情况下，盾构下穿高架桥过程中地表沉降、桥桩变形以及管片应力；赵晓勇［7］研究了隔离桩措施可降低施工对群桩的影响，并得到了隔离桩的最优设置范围。但这些研究较少涉及隔离桩施工过程对现有桥桩变形的影响，同时在实际工程中受到施工净空的限制，刚性隔离桩的钢筋笼需要分节下料，增大了塌孔的风险。

随着涉铁项目越来越多，权属单位对涉铁项目的管控越来越严，方案审批中更侧重于盾构施工过程对铁路的影响，而忽略了保护措施本身施工的影响。本文依托地铁盾构隧道侧穿高铁桥梁桩基础工程实例，结合三维有限元模拟结果，分析柔性隔离墙在盾构施工过程和旋喷桩加固过程对高铁桥梁变形的影响。

1 工程概况

某地铁区间隧道采用土压平衡盾构机施工，隧道管片外径为6.2 m，其左右线和出入场线共4条盾构隧道斜下穿城际铁路高架桥。隧道与城际铁路夹角为59°～64°，与铁路桥桩平面最小净距为6.23 m，下穿铁路段盾构隧道主要位于黏性土和强中风化粉砂质泥岩中，隧道埋深15.0～18.6 m，相互关系如图1 所示。高铁桥梁为简支桥、跨度32.6 m，桥梁净高约5.6 m，19#、20#、21#、22#、23#桥墩墩长7.5 m，承载为6 桩群桩基础，桩径1.25 m，桩长32～36 m，桩底进入中风化泥质粉砂岩大于15 m。整个施工过程，铁路桥墩水平位移、竖向沉降的变形控制值为2 mm。

图1 地铁隧道与铁路平面和剖面关系Fig.1 Plane and Sectional Relationship between Subway Tunnel and Railway

本工程中，地铁四线盾构侧穿城际铁路高架桥，隧道与桥桩平面最小净距约1倍洞径。鉴于桥下净空仅5.6 m，常规的刚性隔离桩难以实施，以下针对旋喷桩柔性隔离墙进行分析。

2 模型和地层参数

2.1 模型建立

有限元模型尺寸为长×宽×高=100 m×60 m×50 m，模型边界距离桥梁墩身桩基距离均超过20 m，模型底部距离桩基底部最小距离14 m。除桥梁桩基采用一维桩单元+界面单元、桩端单元外，其他结构均采用实体单元。

旋喷桩柔性隔离墙按沿隧道线路方向超出桥梁承台两端各9.3 m（1.5 倍洞径）设计，与隧道净距为1.0 m，进入强风化泥岩中不小于1.0 m。根据旋喷桩施工后隔离效果，将旋喷桩等效为1 条0.6 m×30 m 长条形隔离墙。

2.2 地层参数

土体采用弹塑性模型，强度准则采用Mohr-Cou⁃lomb 准则，计算时对较薄的夹层土进行简化，各土层参数如表1所示。

表1 土层计算参数Tab.1 Calculation Parameters of Soil Layer

3 计算结果

3.1 未设置旋喷桩隔离墙时隧道施工对铁路桥墩的影响分析

3.1.1 桥墩变形云图

在4 条隧道先后开挖过程中，铁路桥墩受影响最大的为入场线左侧的22#桥墩桩基，最大变形Y向（顺桥向）0.839 mm，最大竖向位移0.837 mm，均小于2 mm，满足铁路桥墩变形控制要求，如图2所示。

图2 22#桥墩位移云图（未设置旋喷桩隔离墙时）Fig.2 22# Nephogram of Displacement of Pier（When the Separation Wall of Rotary Jet Piles is not Set）

3.1.2 桥墩变形趋势

当隧道距离桥墩较远时，盾构施工对铁路桥墩的影响较小，可以忽略盾构施工对桥梁变形的影响；当盾构刀盘掘进到铁路桥墩范围时，桥墩变形迅速增大，此时盾构施工对铁路桥墩变形影响最大；当隧道盾尾远离桥墩时，盾构施工对桥墩的影响逐渐变弱，桥墩变形趋于稳定，如图3所示。

图3 22#桥墩顶部中点位移随隧道开挖的变形曲线（未设置旋喷桩隔离墙时）Fig.3 Deformation Curve of 22# Pier Top Midpoint Displacement with Tunnel Excavation（When the Separation Wall of Rotary Jet Piles is not Set）

3.2 设置旋喷桩隔离墙时隧道施工对铁路桥墩的影响分析

3.2.1 桥墩变形云图

如图4 所示，设置旋喷桩隔离桩后，4 条隧道先后开挖过程中变形最大的仍为入场线左侧22#桥墩桩基，最大变形Y向（顺桥向）0.342 mm，最大竖向位移0.45 mm。

图4 22#桥墩位移云图（设置旋喷桩隔离墙时）Fig.4 22# Nephogram of Displacement of Pier（When Setting the Separation Wall of Rotary Jet Piles）

相对于未采用隔离保护措施，桥墩水平变形量减少60%，桥墩竖向变形量减少46%，证明柔性隔离墙能够起到控制桥墩变形的作用。

3.2.2 桥墩变形

设置旋喷桩隔离桩后，盾构隧道施工对铁路桥墩变形的影响规律与未采用隔离保护措施情况类似，在盾构刀盘靠近桥墩时，桥墩的变形加快，但变形速率和变形量急剧减少（见图5）。

图5 22#桥墩顶部中点位移随隧道开挖的变形曲线（设置旋喷桩隔离墙时）Fig.5 Deformation Curve of 22# Pier Top Midpoint Displacement with Tunnel Excavation（When Setting the Separation Wall of Rotary Jet Piles）

4 旋喷桩施工对桥桩的影响计算

4.1 旋喷桩的模拟

由于整体模型尺寸较大，为方便计算，将模型简化为单个桥墩两侧的旋喷桩施工，选择22#桥墩，两侧设置4 根旋喷桩，与桥桩净距分别为5.3 m 和4.6 m。旋喷桩采用实体单元，通过改变桩径范围内的土体属性模拟成桩过程。旋喷桩注浆施工将近似地简化为在旋喷桩相应的位置，直径为0.6 m 的半圆柱面上施加朝向桩基的压力。

当喷嘴出口压力为10～30 MPa 时，在喷射流轴线上离喷嘴不同距离的压力水头用下式表示：

式中：H1为距离喷嘴出口为L时的轴流压力水头（m）；H0为喷嘴出口的压力水头（m）；d为喷嘴直径（mm）；L为离喷嘴出口的距离，L段为（50～300）d（m）。

旋喷桩施工注浆压力控制在20 MPa 时，旋喷注浆对土体的压力近似取215 kPa。

4.2 旋喷桩施工计算影响分析

桥墩的变形与旋喷桩的施工压力有较大关系，通过设置不同的旋喷桩施工压力，可得到桥墩变形与旋喷桩施工压力之间的关系，随着旋喷桩的压力增大，桥墩变形也逐渐变大，如图6所示。

图6 桥墩变形与旋喷桩施工压力的关系Fig.6 Relationship between Pier Deformation and Construction Pressure of Jet Grouting Pile

当注浆压力在20 MPa 时，桥墩变形达到1.6 mm；当注浆压力在30 MPa 时，桥墩变形达到4.5 mm，超过高铁桥梁变形控制值。

旋喷桩为了达到加固的效果，旋喷桩的压力需要达到20～30 MPa，此时旋喷桩施工过程引起的桥墩变形已经大于盾构施工引起的桥墩变形量，为此采用旋喷桩作为高铁桥墩的隔离桩不合适。

5 盾构隧道下穿铁路控制措施

当不采取主动隔离保护措施时，铁路桥梁的变形全部依靠盾构自身施工管理［8］。鉴于工期安排，左右线盾构隧道计划晚出入线2 年施工，本文施工管理仅讨论出入线施工对铁路的影响。

5.1 盾构施工管理

⑴ 出入线隧道先后下穿高铁，前后间距要求大于100 m，避免两条隧道同时施工对高铁桥梁产生叠加的影响。

⑵对盾构机进行全面检修，确保盾构机的性能，保持良好的盾尾密封效果，保证盾构匀速连续掘进，避免下穿过程中停机。

⑶ 盾构穿越铁路桥孔前，应以下穿铁路前方100 m 作为试验段，建立地面沉降与盾构掘进参数之间的关系，为下穿铁路时盾构掘进参数的准确设定提供最直接的依据。

⑷盾构管片增设注浆孔，盾构掘进5 环后及时进行二次注浆，减少地层沉降。

⑸在施工的全过程进行系统的量测监控，并在铁路桥涵两侧布置视频点，采用自动化监测和信息化施工。

⑹建立与铁路运营主管单位的联络机制和应急保护措施，一旦监测变形超限或盾构掘进参数异常，迅速通知参建各方、铁路运营主管单位及相关部门。

⑺施工期间对高速铁路进行限速，下穿点前后1 km范围内的列车运营时速由200 km∕h降低为80 km∕h。

5.2 盾构参数控制

结合试验段盾构参数，盾构机推进时速度控制在15～30 mm∕min，推力控制在1 100～1 600 t，土仓压力控制在1.3～2.0 bar，刀盘转速控制在1.0～2.0 rpm，同时扭矩控制在2 500～3 500 kN·m，泡沫用量30～50 L；同步注浆理论方量4.8 m3，实际注浆量控制在6～8 m3，注浆压力0.2～0.3 MPa；二次注浆根据地面沉降监测情况及时补浆，注浆压力0.2～0.3 MPa。

5.3 桥墩测点变形分析

出线盾构先施工，在3 月22 日进入铁路桥墩影响范围内，3 月25 日正下穿铁路桥梁，在3 月28 日通过铁路安全影响区；入线盾构后施工，在3 月29 日进入铁路桥墩影响范围内，4 月1 日正下穿铁路桥梁，在4月4日通过铁路安全影响区。

盾构施工过程，桥墩的水平位移和竖向位移如图7所示，其中右侧水平位移为正。

图7 盾构下穿铁路期间桥墩位移变形趋势Fig.7 Displacement and Deformation Trend of Pier during Shield Tunneling through Railway

由于实际地层差异和盾构掘进参数的波动，高桥墩最大水平位移为1.23 mm，最大竖向沉降为1.05 mm，大于理论计算值，但都小于《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程：TB 10182—2017》［9］控制值2 mm。

盾构施工引起土体应力释放，桥墩会朝着盾构一侧发生偏移。由图7⒜可见，当两线盾构隧道同时位于桥墩一侧时，盾构施工对铁路桥边的水平位移产生叠加的影响，水平位移逐渐增大；当两线隧道位于桥墩两侧时，后施工的盾构有利于减缓先施工盾构引起的桥墩水平位移值，如21#桥墩随着入线盾构靠近，桥墩的水平位移逐渐变小，因此盾构隧道从铁路桥墩两跨穿越更有利于水平位移的控制。

由图7⒝可见，盾构施工过程中，桥墩的沉降值逐渐变大，当盾构距离桥墩越来越近时，桥墩的沉降值逐渐变大；当盾构距离桥墩越来越远时，桥墩的沉降值逐渐减少，为此盾构隧道距离桥墩越远越有利于桥墩的沉降控制。

6 结语

本文结合盾构下穿高铁桥梁的工程实例，通过对柔性隔离墙在盾构施工过程和旋喷桩加固过程对高铁桥梁变形的影响，得到以下结论：

⑴柔性隔离墙能有效减少盾构施工过程对铁路桥墩变形的影响。

⑵旋喷桩喷射压力较大，旋喷桩隔离墙施工过程引起的铁路桥墩变形超过文献［9］要求，不宜采用旋喷桩对铁路进行隔离保护。

⑶由于实际地层的差异和盾构施工参数的不断变化，施过程引起的桥墩变形会比数值模拟大，方案设计时应考虑该部分的偏差。

⑷当盾构所处地层较好，且距离铁路桥桩较远时，可通过采用合理的盾构掘进参数和施工管理能控制盾构施工引起的铁路桥墩变形，保证铁路的安全。