滨海软土地层盾构下穿高铁变形规律分析

周 胜， 熊田芳

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300133）

近年来随着城市轨道交通建设发展，城轨线网与铁路线网交叉越来越多；
地铁施工邻近或下穿相关建构筑物风险控制成为工程的重中之重[1]。盾构法是目前隧道施工中常用方法之一，施工过程中不可避免的会产生土体扰动，引起地层损失和隧道周围地层土体剪切破坏。

目前，针对其他地区盾构下穿高铁加固防护措施及变形规律的研究主要是优选风险加固措施及分析墩柱整体变形规律[2～5]。天津滨海地层为典型的软土地层，淤泥质土层较厚且滨海轨道交通B1线为该区域内第一条地铁线，下穿高铁可参考经验少。本文依托B1线某区间下穿某高铁工程实例，采用理论分析与数值模拟的方法，结合现场监测结果，对天津软土地层盾构下穿某高铁变形规律进行分析，总结变形控制措施，以期能够指导盾构下穿高铁的设计与施工。

1.1 工程概况

天津滨海B1线某区间长1 399.814 m。盾构区间右线从某高铁116#～117#墩间下穿，右线贯通后盾构机转机从115#～116#墩间下穿，区间与某高铁的交角约为71°，下穿位置区间覆土大约为5.20 m。

区间结构外轮廓距高铁桥桩水平净距8.26～9.07 m，每个墩柱下设置8 根直径1 m 钻孔灌注桩，桩长54 m，为摩擦桩+端承桩。见图1。

图1 区间与既有某高铁关系

1.2 工程地质条件

工程所在场地为软弱土，淤泥质粉质黏土（⑥2-4）在建设地段内分布且在整个线路内厚度较大。见表1。

淤泥质粉质黏土（⑥2-4）属典型的滨海软土，具有高含水量、高压缩性、高灵敏度、大孔隙比、低渗透、低强度等特点。

1.3 变形控制标准

本段高铁线路为无砟轨道，按照《高速铁路无砟轨道线路维修规则》（铁运[2012]83号）要求的线路轨道静态和动态几何尺寸容许偏差管理值作为控制标准，结合既有设计施工经验制定高铁路基、轨道控制指标，见表2。

表2 线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值

根据TB 10182—2017《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》对墩台顶位移进行限值要求，见表3。

表3 墩台顶位移限值 mm

2.1 隔离桩保护

为确保高铁运营安全的前提下盾构区间顺利下穿，施工前对高铁采取预支护保护措施。采用ϕ1 000 mm@1 200 mm 隔离桩，距离管片结构净距1.0 m，桩顶做1 000 mm×800 mm混凝土冠梁、400 mm厚混凝土盖板，桩长17.22 m，伸入隧道5 m，纵向范围为沿隧道线路方向超出承台2.5倍洞径。

2.2 三维计算模型

为了研究盾构掘进对邻近墩柱的影响及隔离桩对各方向变形的限制效果，采用MIDAS-GTS软件建立三维地层结构模型，模拟盾构掘进在有隔离桩和无隔离桩工况下对邻近墩柱变形的影响。模型中除有无隔离桩外，其余如地层参数、材料参数等因素均不变。

各土层采用以莫尔-库伦屈服条件为破坏准则的理想弹塑性模型实体单元，土层计算参数取自工程勘察报告；
将隧道衬砌简化为线弹性的连续管，采用各向同性壳单元模拟；
采用刚度迁移法对盾构隧道掘进全过程进行开挖模拟；
高铁桩基、承台及墩柱采用各向同性的实体单元并在模拟过程中考虑高铁运营荷载的最不利影响，以均布荷载施加墩柱超载，混凝土重度均取25 kN/m3，弹性模量为3.0×107kPa，泊松比均取0.2。见图2。

图2 三维数值模型

3.1 数值模拟

采用三维数值模型对有无隔离桩工况分别进行计算，提取不同施工阶段结果进行分析。以高铁墩柱位置为零点，随着盾构掘进方向，掌子面距离墩柱由负到正为横坐标轴，提取变形最大墩柱（116#）在不同施工阶段的X、Y、Z方向变形结果。见图3。

图3 有无隔离桩工况下墩柱变形曲线

由图3可知，盾构下穿整个过程中，墩柱产生较大横向变形。

1）未采用隔离桩，墩柱最大横向变形为4.18 mm、纵向变形为-2.70 mm、竖向变形为-2.68 mm。盾构掌子面距离墩柱12 m左右时，发生最大横向变形及较大纵向、竖向变形；
随着掌子面远离，横向变形基本趋于稳定，纵向变形减小，竖向变形增大。

2）采用隔离桩时，隔离桩有效的限制土体各方向的变形，整个施工过程中墩柱发生最大横向变形为1.64 mm，纵向变形为-1.42 m，竖向变形为-1.93 mm。隔离桩的作用使得桩外侧土体应力重分布较内侧滞后，墩柱横向及纵向变形滞后，明显限制了墩柱各方向变形速率，其变形趋势与未采用隔离桩基本一致。

3）隔离桩的作用有效限制了土体的横向及纵向位移，最大横向变形减小了2.54 mm，最大纵向位移减小了1.28 mm，最大竖向位移减小了0.75 mm。

3.2 现场监测变形分析

3.2.1 现场监测

选取影响范围外112#、113#、119#、120#墩作为水平位移基准点，113#墩作为静力水准基准点，从隔离桩施工前到盾构左线掌子面远离桥墩影响范围对114#～118#墩累计水平及竖向位移进行实时监测。见图4。

图4 桥墩监测点布设

3.2.2 监测结果

隔离桩施工开始即对高铁墩柱进行自动化监测。随着盾构掘进，由于土体扰动作用，邻近侧墩柱桩基扰动较大，产生较大的负摩阻力，远离侧扰动较小，产生相对较小的负摩阻力，导致承台及墩柱下穿之前变形较大，下穿之后变形较小。见图5-图7。

图5 墩柱横向变形

图6 墩柱纵向变形

图7 墩柱竖向变形

左右线盾构均对墩柱产生不同程度影响，由于隔离桩加固防护作用，造成的变形较小。

1）横向变形最大为-1.11 mm。右线掘进时，横向变形基本趋于稳定，变化幅度较小，变形最大仅为0.71 mm；
由于土体一次扰动后，短时间内固结和蠕变还未完成，左线掘进墩柱土体产生二次扰动，相对右线对墩柱产生较大影响。穿越一段距离后，随着盾构管片拼装及盾尾二次压浆的完成，盾尾空隙填充，墩柱的横向变形减小，基本趋于稳定。

2）纵向变形最大为-1.14 mm。墩柱距离盾构掌子面-2.5D～2.5D外（D为盾构直径）时，墩柱纵向变形基本趋于稳定，变形较小；
当在-2.5D～2.5D内时，纵向变形较大，出现明显的影响范围；
由于土体一次扰动后，短时间内固结和蠕变还未完成，左线掘进墩柱土体产生二次扰动，相对右线掘进对墩柱产生较大影响。盾构掘进时前方土压力松弛，下穿前产生负向变形；
当盾构机向前掘进时，势必推动周边土体向前移动，这种移动表现为盾构掘进机附近的土体发生侧移，而导致开挖面后方土体松弛漏空，下穿一段距离后产生正向变形；
随着盾构管片的二次压浆完成，盾尾空隙填充，墩柱的纵向变形减小，基本趋于稳定。

3）竖向变形最大为-1.18 mm。墩柱距离盾构掌子面-2.5D～2.5D外时，墩柱竖向变形基本趋于稳定，变形较小；
当在-2.5D～2.5D内时，竖向变形较大，出现明显的影响范围；
由于土体一次扰动后，短时间内固结和蠕变还未完成，盾构左线掘进墩柱土体产生二次扰动，相对于右线掘进对墩柱产生较大的影响。盾构掘进时前方土压力松弛，下穿前产生负向变形；
当盾构机向前掘进时，势必推动周边的土体向前移动，这种移动表现在盾构掘进机附近的土体发生侧移，而导致开挖面后方土体松弛漏空，下穿一段距离后产生正向变形；
随着盾构管片的二次压浆完成，盾尾空隙填充，墩柱的竖向变形减小，基本趋于稳定。

3.3 数值模拟与现场监测对比分析

1）未采用隔离桩时，数值模拟盾构掘进过程中墩柱最大横向变形为4.18 mm，现场监测结果为1.11 mm，隔离桩限制了墩柱73.4%的横向变形；
数值模拟盾构掘进过程中墩柱最大纵向变形为-2.70 mm，现场监测结果为-1.14 mm，隔离桩限制了墩柱57.8%的纵向变形；
数值模拟盾构掘进过程中导致墩柱发生最大竖向变形为-2.68 mm，现场监测结果为-1.18 mm，隔离桩限制了墩柱56.0%的竖向变形。

2）有隔离桩时，数值模拟与现场监测盾构施工对高铁墩柱影响变形规律基本一致。

1）采用隔离桩能有效限制高铁墩柱发生较大变形。

2）距离高铁墩柱-2.5D～2.5D范围内，随着盾构接近墩柱，对其产生越来越大影响；
-2.5D～2.5D范围外时，墩柱竖向变形基本趋于稳定。因此，针对天津滨海软土地层来看，隔离桩纵向范围宜为-2.5D～2.5D。

3）天津滨海软土具有高含水量、高压缩性、高灵敏度、大孔隙比、低渗透、低强度等特点，土体本身抗扰动能力差，地层经过一次扰动后，引起地层损失和隧道周围地层土体剪切破坏，发生较大的变形，土体应力在短时间内很难完成重分布再固结，发生二次扰动后，产生较为明显的变形。

4）针对滨海软土地层的特殊性，实际工程中应综合分析土体改良、隔离桩等措施的优缺点，择优采用。