高速铁路大直径盾构隧道超近距离侧穿墩台独桩基础变形控制

段忠辉

中国铁路设计集团有限公司， 天津 300308

随着我国高速铁路建设和城镇化融合发展的不断深入，高速铁路线路不可避免与既有市政桥梁交叉。盾构隧道可以很好解决这种交叉带来的问题。

学者们对盾构隧道近距离穿越既有桥桩基础的施工方法和加固措施进行了持续研究。袁大军等［1］针对南京长江超大直径泥水盾构隧道施工对周边土体的扰动进行了试验研究，得出盾构推进对土体应力显著扰动区域约1 倍洞径，进一步修正了Peck 公式。吉艳雷等［2］依托广佛城际铁路下穿佛开高速铁路桥桩基础工程，通过数值模拟和现场实测，得出盾构在硬岩地层中下穿既有桥桩，桩底距盾构顶的岩层厚度达到1 倍开挖洞径时，掘进对桩基沉降及桩基承载力影响不大。黄新明、王立新等［3-4］通过数值模拟和现场实践，证明了郑州地铁1 号线和兰州地铁1 号线穿越桥桩基础时，采取桥桩临时顶托+桩周注浆加固的方案，可确保盾构隧道施工安全。李建林等［5］采用有限元方法对大直径盾构穿越桥桩和箱涵时地表和既有结构的变形进行了模拟，得出横向影响范围为距盾构机轴线40 m，隧道周边桩身向隧道外侧挤出，隧道上方桩身向隧道内侧倾斜。袁海平等［6］对合肥地铁1 号线双洞盾构隧道先后侧穿城市高架桥时桥桩力学行为进行了理论分析和计算，发现双洞盾构隧道依次掘进时高架桥桩的力学响应具有叠加效应。付静［7］通过天津地铁2 号线工程实践，得出区间盾构隧道穿越城市桥梁时不用加固土体仅控制盾构掘进参数即可。彭华等［8］对北京地铁14 号线盾构隧道侧穿既有机场快轨高架桥不同加固方案进行了对比，得出复合锚杆桩加固方案较优。任磊等［9］通过对比郑州地铁7 号线盾构区间超近距离侧穿铁路桥梁桩基时不同加固措施，得出盾构通过范围内采用土体袖阀管注浆 + 承台加固措施较优。钱聚强［10］针对成都地铁5 号线盾构区间近接侧穿既有高架桥梁桩基施工，提出钢管桩隔离 +袖阀管地表加固 + 洞内注浆加固的综合措施。

目前我国盾构隧道近距离侧穿或下穿既有桥梁桩基础的工程案例较多，但基本只限于地铁小直径盾构隧道穿越单桩或多桩桥梁基础，或者是大直径盾构穿越多桩桥梁基础，超大直径泥水盾构超近距离侧穿独桩桥梁基础的工程案例相对较少。本文依托广湛高速铁路湛江湾海底隧道超近距离侧穿湛江海湾大桥海滨路立交A 匝道桥墩台独桩基础工程，通过理论分析和数值计算确定桥墩顶沉降控制值，提出变形控制方案，并通过现场监测验证其效果。

1 工程概况

1.1 盾构隧道

湛江湾海底隧道全长9.64 km，设计速度250 km/h，其中盾构段长7.551 km。下穿水域段约2.5 km，陆域段较长段落下穿城市道路。管片内径12.6 m，外径13.8 m，开挖直径14.33 m，环宽2 m，采用7 + 2 + 1 通用楔形管片环。盾构隧道断面见图1。

图1 盾构隧道断面（单位：cm）

1.2 桥梁

A 匝道桥全长225.12 m，桥跨组合为4 × 28 m + 4 ×28 m预应力混凝土连续箱梁，箱梁中心高度为1.6 m，桥面宽度为8.5 m，曲线半径为200 m。下部结构为变截面薄壁墩台独桩基础，墩身厚度为100 cm 或120 cm，基础为直径1.8 m 的钻孔灌注摩擦桩。A3#桥墩高8.7 m，桩长61 m；A4#桥墩高7 m，桩长81.4 m。A 匝道桥横桥向断面见图2。

图2 A匝道桥横桥向断面（单位：cm）

1.3 桥梁与隧道的空间关系

盾构隧道穿越湛江湾海域进入匝道范围后，左线侧在DK412 + 762 处近接A3#桥墩桩基，盾构开挖轮廓与桩基最小净距1.1 m；右线侧在DK412 + 782.5 处近接A4#桥墩桩基，盾构开挖轮廓与桩基最小净距0.9 m。该段落隧道主要穿越粉质黏土和粗砂，隧顶埋深约24 m。盾构隧道与A 匝道桥的空间位置关系见图3，盾构隧道与A3#桥墩桩基的相对位置见图4。

图3 盾构隧道与A匝道桥的空间位置关系

1.4 工程与水文地质

隧址区上覆厚约200 m 的第四系地层，自上而下分别为：全新统人工填土和杂填土；全新统淤泥质黏土、软土、粉质黏土、中砂和粗砂；更新统粉质黏土、黏土、中砂和粗砂。地表水主要为海水，水位受潮水涨落而变化。地下水有潜水 ～ 微承压水、中层承压水。地下水主要以地下潜流的方式向湛江海湾流动。

2 盾构侧穿桥桩变形控制方案

新建盾构隧道距既有桥桩较近，且桥桩处于城市公园区域，周边交通繁忙，遍布各种地下管线。为最大限度减少对城市运营的影响，经多方讨论采用全方位高压旋喷（Metro Jet System，MJS）桩对穿越段既有桩基周围和盾构隧道周围土体进行加固，辅以洞内注浆和布置临时支墩的方式，确保穿越期间匝道结构安全。

2.1 既有桥梁安全性验算

根据JTG D60—2004《公路桥涵设计通用规范》，对既有A 匝道桥建立有限元模型，计算得到桩基14 m深度以下钻孔桩截面弯矩为0，盾构隧道侧穿桥桩高度范围内桩基只承受轴向力。因此，仅需对施工过程中桩基轴向承载力进行验算，结果见表1。可知，A3#、A4#桥墩桩基的单桩承载力均大于桩顶轴力，单桩承载力满足要求。

表1 单桩承载力验算结果

经与原设计单位确认，将A3#、A4#桥墩顶沉降控制值均设定为10 mm。

采用数值模拟方法，分三种工况对主梁安全性进行验算。验算内容为：①短期效应组合工况的抗裂验算和主拉应力验算；②长期效应组合工况的抗裂验算；③标准组合工况的压应力和主压应力验算。

由模拟计算结果得到：①短期效应组合工况主梁下缘出现0.3 MPa 拉应力，小于规范限值0.7ftk（ftk为混凝土轴心抗拉强度标准值，C50 混凝土的ftk=2.65 MPa） ；主梁最大主拉应力1.316 MPa，小于规范限值0.5ftk。②长期效应组合工况主梁上下缘均未出现拉应力。③标准组合工况主梁上缘、下缘最大压应力分别为10.8、12.7 MPa，小于规范限值0.5fck（fck为混凝土轴心抗压强度标准值，C50混凝土的fck= 32.4 MPa）；主梁最大主压应力12.8 MPa，小于规范限值0.6fck。

上述各项指标均满足原设计采用的JTJ 023—85《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》A类预应力构件正常使用极限状态要求。因此，将10 mm作为桥墩顶沉降控制值，能够保证匝道结构安全。

2.2 MJS桩加固设计

1）桩周土体加固

由于盾构隧道开挖时桩周土体卸荷，在隧道开挖影响范围内桩土摩擦力减少。对该范围内桩周土体加固，以达到提高桩土摩擦力的作用。

首先采用直径2.4 m 的MJS 桩，与桥梁桩基咬合，然后在桥桩周边设置直径2.0 m MJS 桩将桩周土体加固。加固范围为隧道拱顶以上3 m至拱底以下6 m，加固总高度为23 m。A3#桥墩桩基周边加固情况见图5。其中：圆圈内数字为实桩桩长，单位为m。

图5 A3#桥墩桩基周边加固情况（单位：cm）

2）隧周加固

盾构掘进注浆不可避免对周边地层有渗透扰动作用，考虑到盾构开挖过程中地层损失，对盾构隧道顶部进行加固。同时为弥补桥桩侧隧道开挖、管片拼装后桥桩与盾构间土体损失，限制桥桩横向位移，采用直径2.0 m、间距1.6 m 的MJS 桩，对盾构隧道中线至邻近桥桩侧三角区域土体进行加固。加固范围为盾构隧道水平投影面内桩基前后各5 m，从隧顶外轮廓到上方3 m，参见图5。

MJS 桩水泥掺量30%，桩身28 d 龄期无侧限抗压强度不小于2 MPa。根据现场试桩结果，MJS 桩不同部位和深度芯样的28 d 无侧限抗压强度为2.67 ～3.01 MPa，满足要求。

2.3 洞内加固

为控制盾构推进时所引起的第三阶段沉降，辅助控制第四阶段沉降［11］，掘进过程中采用克泥效填充盾构与土体间的空隙。克泥效加固范围为盾构到达A3#桥墩桩基前提前10 环开始注入，直到盾构离开A4#桥墩桩基10环停止。加固长度沿盾构掘进方向共60 m。

在盾构掘进过程中需加强管片脱出盾尾后的同步注浆。加强同步注浆范围与克泥效填充长度一致，注浆率按180%控制，以起到控制第四阶段沉降的作用。

2.4 布置临时支墩

为保证MJS桩施工及盾构穿越期间A匝道桥的安全，在既有A3#、A4#桥墩周边布置临时支墩，对桥梁上部结构预支撑。当监测到墩顶沉降达到10 mm 限值时，启动应急千斤顶对梁体进行顶托。

3 监控量测

2022 年12 月6 日完成MJS 桩地表加固。2023 年1 月17 日—1 月24 日停机检修，为侧穿桥桩做准备，自1 月24 日开始侧穿掘进施工。盾构机于2023 年1月27 日23：13 到达A3#桥墩，28 日00：56 盾尾脱出；2023 年1 月29 日03：55 到达A4#桥墩，05：38 盾尾脱出。

在桥墩墩身和周边地面布置墩顶竖向位移和地表沉降测点，见图6。从盾构掘进开始监测，持续至测点变形基本稳定后停止。盾构穿越期间地表测点累计竖向位移见图7。可知：地表测点大部分表现为隆起，满足小于10 mm 的设计要求。测点D3-7（对应铁路里程DK412 + 770）累计竖向位移（隆起）最大，其值为8.60 mm。这是掘进期间为防止地表沉降，盾构机刀盘切口压力调大后产生的较大顶推力所致。

图6 监测点布置平面示意

图7 地表测点累计竖向位移

盾构侧穿过程中桥墩测点的累计竖向位移见图8。监测时间为每日20：00。

图8 桥墩测点累计竖向位移曲线

由图8可见：

1）在盾构刀盘临近桥墩的过程中，盾构对前方地层有顶推作用，MJS 桩加固后将桥桩和周边地层固结为一体，使得桥墩隆起。

2）与盾构隧道净距越小桥墩隆起越明显。A3#、A4#桥墩桩基与盾构隧道净距分别为1.1、0.9 m，盾构临近时A3#、A4#桥墩累计隆起最大值分别为0.72、0.71 mm。两桥墩与盾构隧道净距接近，桥墩最大隆起也基本相同。A2#、A5#桥墩桩基与盾构隧道净距均大于1倍洞径，桥墩最大隆起比A3#、A4#桥墩要小。这说明桥桩与盾构的净距对桥墩隆起的影响较大。

3）A3#、A4#桥墩顶达到最大隆起后随即开始沉降，且桥墩沉降开始时间在盾构刀盘通过之前，因此施工过程中需及时采取克泥效填充、同步注浆等措施控制周边地层沉降。

4）盾构刀盘通过桥桩后，由于盾构开挖导致周边地层损失，表现为桥墩沉降。A4#桥墩沉降最大，其值为0.71 mm，A4#桥墩与盾构的净距远小于A5#桥墩，其沉降却与未加固的A5#墩基本相同，说明MJS 桩加固可以减小地层沉降，进而控制桥墩沉降。

5）盾构穿越前后，A3#、A4#桥墩最大沉降均小于1 mm，小于10 mm的墩顶沉降控制值。

盾构在安全平稳通过湛江海湾大桥海滨路立交A匝道桥后，经持续监测地表和桥墩位移，各项数据稳定，所采用的变形控制方案有效。

4 结论

针对广湛高速铁路湛江湾海底大直径盾构隧道超近距离连续侧穿湛江海湾大桥海滨路立交A 匝道桥墩台独桩基础工程，提出了MJS 桩加固 + 洞内注浆+ 布置临时支墩的变形控制方案。经现场实施和变形监测，证明该方案的可行性。主要结论如下：

1）经检算A 匝道桥A3#、A4#桥墩分别沉降10 mm时桥梁结构各项指标均满足规范要求。将10 mm 作为墩顶沉降控制值，能够保证既有结构安全。

2）盾构通过A3#、A4#桥墩时，桥墩先隆起，达到最大隆起后随即开始沉降，且沉降起始时间在盾构刀盘通过之前。施工中应注意合理控制切口压力，及时采取措施控制周边地层沉降。

3）采用MJS 桩加固后，桥桩与周边地层固结为一体，减小了地层沉降，进而控制了桥墩的沉降。

4）经现场监测，桥墩累计沉降最大值为0.71 mm，满足变形控制要求。盾构隧道侧穿墩台独桩基础施工，采用该变形控制方案切实可行。