盾构隧道下穿高速铁路桥梁桩基群施工影响预测分析

豆海涛 王贺敏

摘要：以盾构隧道穿越高速铁路桥梁桩基群工程为案例，利用MIDAS/GTS建立三维有限元模型，考虑有无隔离桩保护措施两种工况，预测并对比分析桥梁墩台的沉降。计算结果表明：盾构施工将引起桥梁墩台竖向、顺桥向及横桥向变形；设置隔离桩后，最大竖向位移和横桥向位移均大幅度减小，且梁端水平折角也相对减小；计算结果验证了隔离桩保护方案的有效性。研究成果为类似工程具有较好的指导意义。

关键词：盾构隧道；桥梁桩基群；隔离桩；数值分析；墩台沉降

1 引言

随着城市化进程的加快，国内各城市已规划建设“纵横线”与“环线”平面交叉的复杂地下轨道交通网，高速铁路和市域铁路等在城市内多设置高架桥梁以减少对城市的切割，因此不可避免导致城市轨道交通隧道穿越该类桥梁桩基群。

盾构隧道施工是一项多因素共同作用的综合工程，造成桥梁桩基群周边区域地层应力扰动，引起地层变形，该变形又会引发邻近桥梁桩基的沉降、侧向位移及附加应力等一系列反应[1]，基础受到的影响如通过墩柱、支座传递到上部桥跨结构，则将引发铁路线路变形，加剧轨道的不平顺，不仅加大了轮轨问的冲击力、加速轨道架构和基床的破坏，对铁路运营安全也将造成严重影响[2]。

对于盾构隧道穿越邻近桩基的影响分析，业内已进行了大量研究，成果具有一定的参考价值。郭院成等[3]基于郑州地铁1号线下穿郑州青少年宫工程，在考虑盾构机刀盘施工扰动、土仓压力、盾尾注浆作用等施工参数下，对盾构隧道动态施工中正上方桩基的承载性能进行了数值计算，结果显示：盾构施工过程中，桩基承载力受影响程度与其施工前承受的荷载有关，且盾构施工对桩基沉降和承载力损失较大的区域主要集中在刀盘距桩轴线+6～-12m之间。周济民[4]针对北京地铁16号线盾构区间隧道下穿万泉河高架桥桩基群工程案例，基于既有桥梁结构形式、周边环境以及现场作业空间等因素，分析了盾构下穿施工对桥梁桩基的影响规律，得出横断面方向的差异沉降量和倾斜量明显大于纵断面方向；当一个桩基位于隧道正上方，而另一个位于远离开挖隧道的位置时，差异沉降量值最大。佘才高，韩高孝[5]以南京地铁6号线下穿高速铁路桥梁为背景，对深埋地铁盾构隧道于岩层中近距离下穿高速铁路桥梁时的土仓压力、注浆压力等施工参数进行了研究，通过对现场施工参数及桥梁变形和地表变形的分析，验证了文中提到的所采用的施工参数的合理性。

结合国内外研究资料来看，在类似郑州地区常见的粉土、粉质黏土地层中，对盾构隧道穿越高铁桥梁桩基开展的研究尚不多见。因此，本文基于郑州轨道交通5号线郑汴路站～经北二路站区间隧道穿越石武高铁联络线桥梁桩基群工程，利用MIDAS/GTS软件，建立有限元分析模型，对施工期墩柱受隧道开挖影响产生的位移变化规律展开研究，并通过对比有无隔离桩保护措施的两种工况，验证隔离桩对减弱桩基、墩柱受隧道开挖的影响程度有效性，为类似工程具有较好的指导意义。

2 工程概况

郑州市轨道交通5号线工程郑汴路站～经北二路站区间线路从郑汴路站出发，在右DK18+920～右DK19+030里程段下穿石武高铁联络线后到达经北二路站。区间隧道线路全长约1776m，区间最小坡度2‰，最大坡度16.68‰，在下穿石武高铁客运联络线时，覆土厚度约14～18m。

石武高铁联络线4座桥梁设计时速均为160km/h，铁路等级为I级。其中北上行联络线特大桥、北下行联络线特大桥、西南上行联络线特大桥均为简支梁，西南下行联络线特大桥被穿越处为4跨连续梁（42m+2×72m+42m），区间左右线隧道从72m跨中部侧穿桩基，均为有砟轨道。桥梁均采用钻孔灌注桩基础，下穿区域周围桩基桩长42m-80m不等，上部墩柱高11.25m-31.35m不等。盾构隧道与桥梁相互关系和净距如图1和表1所示。

3 工程地质

根据工程地质勘察报告，盾构隧道下穿4座高铁桥梁所处位置的地质情况大致可分为以下12层，第①层素填土；第①1层杂填土；第②32层粉土；第②33D层细砂；第②35层粉土；第②51C层粉砂；第②52层细砂；第③23层粉质黏土；第③24A层粉土；第③24层粉质黏土；第④51层细砂；第④21层粉质黏土。

4 设计保护方案

为减小盾构隧道施工对桥梁桩基及上部桥跨结构影响，对净距小于1D（D为盾构隧道直径）的区域采取隔离桩+洞内保护措施，大于1D的区域采取洞内保护措施。隔离桩按两排、梅花型布置，规格为φ250@400， C30水下钢筋砼，桩长25～26m，隔离桩距离盾构隧道为1m。

5 建立模型

结合四座特大桥梁相对位置及盾构隧道开挖影响范围的相关经验，对下穿四座特大桥梁工程按两个模型进行分析。模型一为盾构隧道下穿石武客专西南上行联络线特大桥模型，模型尺寸为X×Y×Z=200m×50m×70m。模型二为盾构隧道下穿石武客专北上行、北下行、西南下行联络线特大桥模型，模型尺寸为X×Y×Z=300m×200m×100m。

围岩采用实体单元模拟；桥梁桥墩、承台采用实体单元模拟，按线弹性材料考虑；盾构隧道管片采用二维结构单元模拟；桥桩与隔离桩均采用一维结构单元模拟；桩基承受的荷载包括桥梁、墩台、轨枕、铁轨及其他附属设施的自重荷载，并应考虑列车荷载的作用。

6 结果分析

基于工况一（未采取隔离桩保护措施）和工况二（采取隔离桩保护措施）两种工况进行计算，得到各桥梁墩臺及墩台顶部对应桥面位移值，现以西南上行（简支梁）和西南下行（连续梁）为例分析受盾构隧道开挖的影响。

6.1 西南上行联络线特大桥

计算结果：工况一桥面最大沉降4.21mm，相邻墩台最大沉降差3.25mm，最大横桥向位移0.18mm，最大顺桥向位移0.19mm，梁端水平折角最大为0.0081‰；工况二桥面最大沉降0.38mm，相邻墩台最大沉降差0.3mm，最大横桥向位移0.0194mm，最大顺桥向0.18mm，梁端水平折角最大为0.0007‰。

6.2 西南下行联络线特大桥

计算结果：工况一桥面最大沉降4.12mm，相邻墩台最大沉降差3.35mm，最大横桥向位移0.28mm，最大顺桥向位移0.4mm；工况二桥面最大沉降0.81mm，相邻墩台最大沉降差0.68mm，最大横桥向位移0.035mm，最大顺桥向位移0.23mm。

6.3 结果分析

经对比分析，盾构隧道下穿在下穿桥梁之前施加隔离桩，桥面最大沉降值、最大沉降差、最大横桥向位移均有大幅大减小，由此分析采用隔离桩的加固方式是非常有效的。

7 结语

本文基于盾构隧道穿越高铁桥梁桩基群工程案例，通过三维有限元计算，对盾构隧道穿越过程中桥梁墩台变形和施作隔离桩保护措施前后进行对比分析，得出如下结论：

（1）盾构隧道穿越施工将引起铁路桥梁墩台的位移，包括竖向、顺桥向及横桥向。

（2）设置隔离桩保护措施后，盾构隧道在下穿桥梁引起的桥面最大竖向位移和最大横桥向位移均有大幅度减小；且对简支梁桥，盾构隧道施工造成的梁端水平折角也相对减小。

（3）盾构隧道与桥梁桩基净距小于1D（D为盾构隧道直径）的区域采取隔离桩保护措施，数值分析结果验证了隔离桩对减弱桩基、墩柱受隧道开挖的影响程度有效性，为以后类似工程实施具有较好的指导意义。

参考文献：

[1] 周正宇. 地铁邻近既有桥梁施工影响分析及主动防护研究[D]. 北京：北京交通大学，2012.

[2] 徐干成， 李成学， 王后裕， 赵月， 胡萍. 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（2）： 269-272.

[3] 郭院成， 郜新军， 郭孝坤， 李智. 盾构下穿施工对既有桩基承载性能的影响研究[J]. 公路， 2017（3）： 236-241.

[4] 周济民. 盾构区间隧道下穿高架桥桩基群施工技术与环境影响预测[J]. 现代隧道技术， 2016， 53（1）： 165-172.

（作者单位：中铁第四勘察设计院集团有限公司1

郑州地铁集团有限公司2）