盾构隧道小净距交叠下穿高铁桥控制技术研究

随着城市轨道交通的快速发展，盾构隧道穿越复杂环境的情况越发频繁，其盾构下穿施工加固控制技术是保障盾构隧道安全施工的关键。以济南轨道交通1号线、2号线盾构隧道小净距、交叠下穿京沪高铁桥为工程背景，制订了折线型隔离桩+桩间旋喷止水的控制技术，通过数值模拟确定了多区间下穿高铁桥的最佳施工顺序，分析了下穿施工过程高铁桥桩基的变形规律和内力分布，并通过现场实测数据验证了该控制技术的变形控制效果，研究成果对复杂环境盾构穿越施工具有重要参考指导意义。1 工程概况济南轨道交通1号线、2号线盾构区间以小净距交叠下穿京沪高铁桥工程。1号线盾构区间左、右线均由104号与105号桥墩间斜穿桥跨。盾构左、右线下穿段隧道覆土厚度分别为28.35m、19.22m，下穿段左、右线为上下交叠。盾构左线距104号桥墩桩基最小净距为10.45m；右线距105号桥墩桩基最小净距为10.84m。2号线盾构区间左、右线均由104号与105号桥墩间正穿桥跨，盾构左、右线下穿段隧道覆土厚度均为7.57m。下穿段左、右线距104号、105号桥墩桩基最小净距为15.81m、18.79m。盾构下穿段京沪高铁桥为预应力连续梁桥，桥跨64m，运行时速为300km/h，桥下为低承台群桩基础，圆形桩基直径1.5m，104号桥墩桩长45m，105号桥墩桩长42m。高铁桥桩基变形控制标准为1.0mm、相邻墩台差异沉降控制为1.0mm。下穿段地貌为山前冲洪积平原地貌，第四系覆盖层厚度大于50m，成因以冲洪积为主。1号线盾构下穿段地层自上而下主要为杂填土、黄土、粉质粘土、粘土层、细砂层和卵石层。2号线盾构下穿段地层主要为杂填土、黄土、粉质粘土、细砂层。地下水埋藏形式为潜水，水位埋深11.20~17.80m，主要接受大气降水补给和山区地下水径流补给，以侧向径流、人工开采方式排泄。图1 盾构下穿高铁桥相对位置平面示意图2 盾构下穿高铁桥相对位置剖面示意2 盾构下穿隔离控制技术为减少盾构掘进施工对高铁桥墩的影响，在盾构下穿前1个月预先在穿越段区间隧道两侧各打设1排直径 800 @1000钻孔灌注桩和1排直径 600 @450旋喷桩加固，深度均为38m，纵向范围长度超过桥墩外15m；为适应4条区间隧道与桥墩的相对位置关系，采用隔离桩折线型布局形式，以取得最佳加固效果和经济性，隔离措施防护设计平面布置如图3所示。盾构隧道左、右线施工时采取同步注浆、二次补强注浆等措施加固邻近桥桩周围地层。图3 隔离桩折线型布局加固示意3 盾构下穿高铁桥施工数值分析3.1 建立高精度数值模型结合1号、2号线盾构隧道相对位置关系，采用有限元ABAQUS软件建立盾构小净距交叠下穿高铁桥数值模型，模型尺寸为120m(长)×120m(宽)×70m(高)。隧道周围土层采用Mohr–Coulomb弹塑性模型，采用实体结构单元模拟承台、墩身及钻孔灌注桩，采用壳单位模拟隔离桩。模型地层数从上至下主要为杂填土、粉质粘土、细砂层、粘土层及卵石层。建立数值模型如图4所示。图4 数值计算模型3.2 盾构施工过程模拟按照交叠隧道设计施工顺序进行盾构掘进施工过程模拟，具体如下。盾构隧道开挖一环宽度为1.2m的土体；进行一定围岩应力释放；进行该环管片的支护，并提高管片外侧土体参数模拟盾尾注浆层；隧道开挖面施加一定推力模拟盾构顶推；按上述顺序依次进行隧道左、右线施工模拟，直至开挖完成。3.3 盾构下穿施工变形分析通过数值模拟分析了4条盾构隧道下穿高铁桥施工的桩基水平变形情况。R1号线右线穿越施工引起高铁桥104号与105号桥墩桩基最大水平变形分别为1.06mm、0.52mm，左线穿越施工引起最大水平变形分别为1.27mm、0.89mm；R2号线右线施工引起高铁桥104号与105号桥墩桩基最大水平变形分别为1.79mm、1.73mm，左线穿越施工引起最大水平变形分别为2.87mm、2.33mm。该4条区间施工变形表明，随各条盾构隧道的掘进，高铁桥桩基变形逐渐积累增大，桩基最大水平变形达到2.87mm，最大竖向变形达到0.34mm，满足变形控制要求。3.4 盾构下穿施工桩基受力分析通过数值模型对盾构下穿高铁桥桩基内力进行分析，得到弯矩最不利工况的桩基为104号桥墩邻近隧道的角点桩基，不同施工过程的桩基弯矩分布情况如图5所示（隧道侧受拉为正，受压为负）。图5 不同施工过程的桩基弯矩分布由图5可知，折线型隔离桩施工时，104号桥桩的最大弯矩增量值为–30.1kN，R1号左线、右线盾构穿越时，最大弯矩增量值分别为–173.5kN·m、–215.4kN·m；R2号右线、左线盾构穿越时，最大弯矩增量值分别为–200.3kN·m、–344.6kN·m；桩身最大弯矩出现在桩顶以下27m处，即隧道交叠区的下方两条隧道中心位置，说明隔离桩刚度与下方隧道的盾尾注浆填充性对加固控制效果具有重要影响。4 盾构下穿施工实测分析应用AMS全自动变形监测系统对1号线、2号线盾构隧道下穿京沪高铁桥工程进行施工监测分析，其桩基变形实测曲线如图6所示。满足高铁桥变形控制标准1mm的要求，说明本项目制订的折线型隔离桩+桩间旋喷止水的控制技术取得了良好的变形控制效果，确保了4条盾构隧道小净距交叠下穿高铁桥的施工安全。（a）（b）图6 盾构下穿高铁桥的桥墩累计变形曲线（a）1号线下穿施工桥墩沉降；（b）2号线下穿施工桥墩5 结束语为减少4线小净距交叠隧道施工对高铁桥影响，制订了折线型隔离桩+桩间旋喷止水的控制技术，取得了良好的变形控制效果。数