砂性土地层中盾构穿越高铁桥梁影响分析

舒畅，王英珺，王月中

(1.常州市轨道交通发展有限公司,江苏 常州 213000; 2.安徽理工大学土木建筑学院,安徽 淮南 232001)

0 引言

近年来随着高速铁路及城市轨道交通的大发展，出现了越来越多城市轨道交通下穿高速铁路桥梁的工程实例[1-2]。由于盾构施工会扰动高铁桥梁桩基础周围土层，引起土层位移和变形，造成桥桩及上部结构变形，影响铁路安全运营[3-5]。工程界对盾构侧穿高铁桥梁的影响研究已有较多案例，孙玉永等[6]研究了软土地区盾构掘进引起的土体深层位移，姚西平等[7]利用有限元方法研究了中风化泥质粉砂岩中盾构掘进引起的高铁桥桩位移规律。HUA Peng等[8]结合北京地铁侧穿京沪高铁的工程实地监测，研究了盾构推进对高铁桥桩变形的影响。LU Shengrong等[9]通过数值分析的方法研究了盾构隧道从高铁站房预留通道中穿越对高铁钻孔灌注桩的影响。

富承压水深厚砂土地层中，盾构侧穿引起的土层扰动以及承压水作用下引起的管涌、流沙等问题将严重影响高速铁路的正常运营，这方面的研究目前国内暂无系统分析。高铁桥梁对盾构施工引起的沉降及变形反应敏感，桥梁墩顶横向水平位移和墩台差异沉降控制严格，如何保证施工安全和既有桥梁的正常运营是重中之重。本文结合常州地铁1号线下穿京沪高铁的实例，通过有限元数值分析方法分析了富承压水砂性土地层中盾构侧穿高铁桥桩对墩台位移、桥桩桩身轴力及桩身侧摩阻力的影响，并结合分析结果提出合理的控制措施。

1 工程概况

常州地铁1号线拟下穿京沪高铁丹昆特大桥常州东桥段，该段高速铁路为正在运营高速铁路，设计时速350 km/h。桥上设2条正线，均为GRTS-Ⅱ型无砟轨道。盾构下穿处桥式为(40+56+40) m预应力混凝土连续梁桥中跨，基础形式为群桩基础，桩深约68 m，隧道在此处隧顶埋深约19.01 m，最近处水平净距8.06 m。盾构施工采用加泥式土压平衡盾构，隧道外径6 200 mm，内径5 500 mm，管片厚度350 mm，每环宽度1 200 mm。盾构穿越地层主要为⑤2粉砂层，该层土为中密～密实状态砂土，且渗透性较大，为第Ⅰ承压含水层，在动水力作用力下易产生流砂、管涌现象，在隧道运行阶段易产生渗水、流砂现象。盾构穿越平面如图1所示。

2 盾构隧道施工对高铁桥桩的影响分析

2.1 计算模型

本文采用大型通用有限差分分析软件 Flac3D 3.0进行计算，应力应变的本构理论采用Mohr-Coulomb线弹塑性模型，相关土层参数、承台和桩基础的模型计算参数选取如表1、表2所示。

计算过程分为如下几个步骤：①初始自重应力场平衡；②施加群桩基础的承台表面荷载；③指定隧道开挖位置，将盾构机后部隧道内的土体单元去除，衬砌位置采用混凝土材料代替；④隧道开挖的方式为同步开挖且及时注浆，通过设置10 cm厚的等代层来模拟浆体材料。衬砌的外半径为3.1 m，内半径为2.75 m。开挖过程中，对开挖表面施加均布荷载以模拟推进面土体上的压应力(模拟盾构机的推进力)。一般将盾构机的推进力设置为总推力的1/3，由于盾构机的推力正常值在10 000～13 000 kN，因而本次计算中对开挖土体表面施加均布荷载150 kPa模拟推进力。计算过程中盾构机向前推进的步长根据相应的网格划分情况而定，通过单元技术模拟土体开挖，每个开挖步将一个步长的土体挖掉，并增加衬砌和浆体。为了考察隧道开挖前后桩基础内力的变化，本次计算通过设置接触单元考虑桩土间的摩擦效应。

图1 盾构侧穿京沪高铁平面图

表1 土层参数

表2 计算参数

为分析盾构施工对群桩基础变形和内力的影响，考虑到代表性和受影响程度，选择了距离盾构隧道最近的桥承台2个角点以及角点最近处的桩基，桩基位置标号详见图1。桩顶的荷载见表3。三维有限元模型建立在局部坐标系(X，Y，Z)下，Y轴为盾构施工方向，Z轴正方向竖直向上。模型计算范围沿X轴向取200 m，沿Y轴向取70 m，垂直向取90 m，沿Z轴向100 m(从高程2 m到高程-98 m)。具体计算模型见图2。

表3 桩顶不利荷载组合

图2 计算模型

2.2 计算结果

2.2.1 墩顶位移

图3为不同开挖步时墩顶X向位移分布，随着隧道的开挖，两墩顶X向变形逐渐增大，且朝着靠近隧道的方向变形。

图3 墩顶中心X向位移随施工步分布

图4为不同开挖步时墩顶Y向位移分布，在盾构隧道掘进施工过程中，Y方向的变形较小。

图4 墩顶中心Y向位移随施工步分布

图5为不同开挖步时墩顶Z向位移分布，施工过程中，Z向变形发生回弹且回弹值逐渐变大。

图5 墩顶中心Z向位移随施工步分布

2.2.2 桩侧摩阻及轴力计算分析

图6分别为不同施工步时45号墩a号桩的桩身轴力。45号墩a号桩的最大轴力值位于桩顶以下20.0 m处，最大值为325.9 kN。

图7分别为不同施工步下45号墩a号桩的桩身侧摩阻力，整个施工过程中，桩身侧摩阻力变化不大。侧摩阻力最大值在桩顶以下61.9 m处，无隔离桩时桩身的侧摩阻力最大值为1.86 kPa。图8分别为不同施工步时46号墩b号桩的桩身轴力。46号墩b号桩的轴力最大值位于桩顶以下20.0 m处，为373.5 kN。

图9为不同施工步下46号墩b号桩的桩身侧摩阻力，整个施工过程中，桩身侧摩阻变化不大。侧摩阻最大值在桩顶以下61.9 m处，最大值为2.12 kPa。

图6 45号墩a号桩桩身轴力分布

图7 45号墩a号桩桩身侧摩阻力变化

图8 46号墩b号桩桩身轴力变化

图9 46号墩b号桩桩身侧摩阻力变化

3 结论

1)盾构推进过程中，墩顶Y向和Z向位移值较小，X向位移值较大，即开挖隧道时，桥墩主要向靠近隧道侧变形。

2)盾构上部土体受到盾构施工扰动，土体侧摩阻力减小，导致桩身轴力增大，其影响最大处基本为盾构顶以上1～2倍盾构直径范围。

3)在深厚砂性土地层中盾构施工对土层的扰动范围较广，盾构上部土层会有向下的变形，造成上部桩身侧摩阻力减小；盾构下部土体由于深厚砂土的超固结性，会向上隆起造成下部桩身侧摩阻力增大。

4)对于盾构侧穿高速铁路桥桩，建议采取下列措施：①在盾构隧道与高铁桥桩间施作隔离桩，减小桥墩朝向隧道侧的变形；②在盾构隧道上下加固部分土体，减小盾构施工对上下土体的扰动，加固范围宜在1倍盾构直径内。

[1]刘丽.盾构掘进过程中邻近桩基的反应分析研究[D].青岛：山东科技大学，2006.

[2]徐干成，李成学，王后裕，等.地铁盾构隧道下穿京津城际高速铁路影响分析[J].岩土力学，2009,30(S2)：269-272,276.

[3]雷震宇，周顺华，许恺.铁路下穿式结构施工受轮轨作用力的影响[J].中国铁道科学,2003,24(6):70-73.

[4]许恺.地铁车站施工与铁路干线运营的相互影响[D].上海：同济大学，2006.

[5]吕培林，周顺华.软土地区盾构隧道下穿铁路干线引起的线路沉降规律分析[J].中国铁道科学，2007,28(2):12-16.

[6]孙玉永，周顺华，宫全美，等.软土地区盾构掘进引起的深层位移场分布规律[J].岩石力学与工程学报，2009(3):500-506.

[7]姚西平，宫全美，陈长江，等.盾构隧道侧穿高铁桥梁桩基的影响分析与措施[J].隧道建设,2014(34):159-165.

[8]HUA Peng,JIA Chongwei,BIN Zhang.Settlement control and impact analysis of the subway shield under-passing Beijing-Shanghai high speed railway bridge[J].Applied Mechanics and Materials，2012，226-228：1655-1660.

[9]LU Shengrong,GONG Quanmei,JIA Yu.Analysis on influence of shield tunnel crossing under intercity high-speed railway station[J].Applied Mechanics and Materials,2011,90-93:1904-1910.