摘要：本文介绍了杭州至海宁城际铁路某区间盾构隧道下穿高铁桥梁工程的施工情况。由有限元建模分析和现场施工可得到结论：施工按照沉降控制和位移控制的要求，通过建立盾构试验段，设置隔离防护桩，掘进过程中结合现场监测数据，合理选择土压力、推进速度、同步注浆、二次补偿注浆等掘进参数，这一系列技术措施可有效保证地表沉降、桥墩位移处于可控范围，达到了预期的施工效果，为后续工程和类似工程提供参考。
关键词：盾构隧道;有限元分析;隔离桩;穿越施工;现场监测
Abstract:This paper introduces the construction of shield tunnel under the high-speed railway bridge project of hangzhou-haining intercity railway. Conclusions can be drawn from finite element modeling analysis and on-site construction, according to the requirements of settlement control and displacement control, a series of technical measures such as the shield test section is established, and the isolation guard pile is set. Combined with the in-situ monitoring data during the excavation process, the soil pressure, propulsion speed, synchronous grouting and secondary compensation grouting are reasonably selected，which ensure the surface settlement, the displacement of the pier is in a controllable range, and the expected construction effect is achieved.
Key words:shield tunnel; finite element analysis; isolation piles; crossing construction; in-situ monitoring
0引言
近年来随着城市轨道交通开发受到越来越广泛的关注[1-2]，盾构近距离穿越高铁桩基的问题就显得更为突出。杭州、无锡、南京等地的地铁施工都面临盾构超近距离穿越高铁桩基的情况，而高速铁路需严格控制变形，导致了盾构隧道下穿高铁工程施工的困难性、复杂性。而现在关于盾构超近距离穿越高铁桩基的工程经验相对较少，对于采用何种保护措施、怎样控制施工过程及效果如何等问题尚还处于探索阶段[3]。
本文结合杭州至海宁城际铁路(以下简称“杭海城际”)某区间盾构下穿高铁桩基的一个典型工程现场试验研究，先后进行有限元建模分析[4-5]，设置隔离防护桩，掘进过程中结合现场监测数据，合理选择盾构隧道掘进参数，最终完成该区段的施工，积累了处理该类型工程的经验，得出一些有意义的结论，可为高铁桩基周边盾构穿越施工行为的理论研究提供参考。
1工程概况
杭海城际是浙江省都市圈城际铁路网中的一条放射型线路，该铁路工程第四标段为海宁高铁站～长安镇站区间地下区间部分，其中穿越桐海特大桥段受影响桩基为575号、576号、577号共3根桥桩，运营里程DK129+461.518～DK129+526.918，区间隧道与桐海特大桥夹角约50°，下穿大桥段长约18m。每个桥墩由8根Φ1000钻孔桩支撑，桩长69～85m，左线盾构隧道距离桥桩最小距离为6.2m，右线盾构隧道距离桥桩最小距离为5.9m。杭海城际区间隧道与桐海特大桥相对位置关系如图1所示。
区段工程施工工法为盾构法，施工采用内径5500mm、外径6200mm、衬砌厚度350mm、环宽1200mm单圆盾构衬砌。衬砌环全环由六块组成，即一块小封顶块K、两块邻接块L和三块标准块B构成，环间采用错缝拼接方式，管片采用M30弯螺栓连接。盾构机选用德国海瑞克公司生产的S-997土压平衡盾构机，并配备同步注浆系统。
盾构区间全区间处在淤泥质黏土和粉质黏土的软土地层中，其中下穿高铁区段埋深约5.5m，属于浅埋盾构软弱地层高标准下穿既有高铁桥梁施工，施工难度大技术要求高。且根据上海铁路局要求，施工期间高铁限速至200km/h，桥墩变化值控制在1mm以内，为全线的重难点工程之一。
图1杭海城际区间隧道与沪杭甬客运专线桥梁平面关系图
Fig.1 Plane relationship diagram between Hangzhou-Haining inter-city tunnel and Shanghai-Hangzhou-Ningbo passenger line
本区段工程隧道主要穿越土层为④1层淤泥质黏土（土层厚1.2～14.0m，流塑）、⑤1层粉质黏土(土层厚2.2～7.0m，硬塑)和⑤2层粉质黏土夹粉土(土层厚约2.7～5.6m，可塑)。本区间工程地表水属上塘河水系，地下水类型主要可分为第四系松散土类孔隙潜水和孔隙微承压水。根据周边环境调查情况显示，盾构区间除高铁桥梁及高速桥梁外无其他建构筑物，周边以农耕地及荒地为主。
2施工变形控制
2.1隔离桩加固施工
盾构施工将不可避免的造成地层损失和引起周边土体的扰动，从而盾构上方土体及地面将产生一定的沉降，对邻近铁路桥梁将产生一定的影响。本区间隧道已进入铁路保护影响范围，为保证盾构能够安全顺利通过且不影响既有高铁桥梁正常运营，使地铁盾构施工对沪杭高铁桥梁的影响降到最低，拟采用在盾构下穿前在洞外设置隔离桩的防护措施，王国富等研究了采用合理形式的隔离桩对变形控制效果的可操作性、适用性[6-7]。
图2区间隧道与桐海特大桥横断面关系图
Fig.2 Cross-sectional relationship between interval tunnel and bridge
首先采用大型通用岩土工程有限元软件Midas GTS NX，建立三维分析模型，分析施作隔离桩对于隧道开挖影响程度的效果。对比有无隔离桩的两种工况，有隔离桩工况盾构隧道开挖后，引起的最大土体附加位移为10.9mm；而无隔离桩工况引起的最大土体附加位移为11.6mm。有隔离桩工况中承台的最大附加沉降值为2.49mm，无隔离桩工况中承台的最大附加沉降值为3.77mm，两种工况均小于沉降控制标准，但有隔离桩工况承台的最大附加沉降值相比于无隔离桩要减小34%。
结合有限元分析结果，在盾构隧道下穿施工前就下穿范围内的桥墩进行隔离保护施工，即盾构隧道下穿沪杭高铁桐海特大桥前，在隧道与高铁桥梁桩基之间实施隔离桩防护措施。隔离桩采用∅800@1000钻孔灌注桩，左右线盾构隧道边缘距离隔离桩距0.7m。桩顶设置800x800冠梁，隧道两侧冠梁采用混凝土连系梁支撑，两排隔离桩之间对盾构上下各3m范围地层进行注浆加固，从而保证盾构施工时周边建构筑物的安全。隔离防护桩与盾构隧道的相对位置如图2所示。
2.2 盾构隧道穿越施工控制
该区间盾构下穿高铁施工分左、右线进行。左线盾构区间下穿高铁施工为第90环～155环，其中第100环～143环为穿越加固体施工，第一阶段为90环～99环，埋深为6.0～6.2m，主要穿越地层为淤泥质黏土；第二阶段为100环～143环，本段为盾构穿越加固区段，埋深为6.2～6.4m，主要穿越地层为淤泥质黏土、粉质黏土，前期进行了土体加固；第三阶段为144环～155环，埋深为6.4～6.5m，主要穿越地层为淤泥质黏土。
右线盾构区间下穿高铁施工围第60环~第126环，第一阶段为60环～70环，埋深为6.0～6.2m，主要穿越地层为淤泥质黏土；第二阶段为71环～114环，为盾构穿越加固区段，埋深为6.2～6.4m，主要穿越地层为淤泥质黏土、粉质黏土，前期进行了土体加固；第三阶段为115环～126环，埋深为6.4～6.5m，主要穿越地层为淤泥质黏土。
2.2.1 选定盾构机最佳掘进参数
以盾构隧道下穿高铁之前的100m区段作为盾构施工试验段，不断优化盾构推进参数控制地表变形，减少对铁路的影响。
盾构隧道穿越时，尤其严格控制切口平衡土压力，使得盾构切口处的地层有微小的隆起量来平衡盾构背土时的地层沉降量。同时紧密结合地表变形监测，结合施工经验和相关资料持续改进盾构推进参数，如刀盘转速、土仓压力、出土量、总推力、注浆压力以及掘进速度等[8]，将施工后地表变形量和对高铁的影响控制在最小范围内。施工过程中各阶段掘进参数值见表1。
表1各阶段掘进参数统计表
Table1 Tunneling parameters at each stage
2.2.2盾构纠偏控制
为减小地面沉降，在穿越施工过程中，只进行了少纠或不纠，避免了大量纠偏，控制左右区域千斤顶力差及相邻两区域千斤顶力差在较小的值，防止盾构蛇形推进或者出现“犁地走”的情况，以此保证减小对土体的扰动，达到减小地面沉降的最终目的。盾构均衡匀速施工，确保盾构姿态变化不过大、过频。在推进过程中每隔5环检查管片的超前量从而保证了隧道轴线和盾构轴线折角变化不超过0.4％。为避免盾构与管片间夹角过大造成土体损失，在推进时做到了不急纠、不猛纠，观察管片与盾壳的间隙，相对区域油压的变化量随出土箱数和千斤顶行程逐渐变化。
掘进过程中量测成型隧道轴线偏差，左线施工水平偏差最大值出现在第111环，为77mm，垂直偏差最大值出现在第105环，为79mm；右线施工水平偏差最大值出现在第102环，为74mm，垂直偏差最大值出现在第105环，为79mm，均小于允许值100mm，满足施工要求。
2.2.3管片拼装控制
在穿越过程中，为了提高拼装速度，严格控制管片拼装，尤其保证了正确选择K块管片定位从而维持管片及盾构机的姿态，并使拼装后管片不碎裂、不渗水，减小了错台量。拼装过程中为防止盾构后退，做到了尽可能少地回缩千斤顶，以满足管片拼装即可为标准。拼装结束之后，立即恢复推进，有效减少了土体沉降。
2.2.4严格控制同步注浆量和浆液质量控制
盾构穿越铁路施工期间同步注浆量填充率控制在300%～350%，为确保其建筑空隙得以及时和足量的充填，做到及时、均匀、足量地注浆，并根据实际地面沉降情况，及时采取了有效措施进行控制，对浆液配比进行调整。同步注浆过程中，为避免推进尚未结束而注浆停止情况的发生，保证每环压注过程中浆液匀速、均匀、连续的压注，将地面变形和管片偏移控制到最小。
2.2.5二次注浆辅以环箍注浆
为了确保地面沉降在控制范围内，穿越过程中，在同步注浆的基础上，进行跟踪二次注浆辅以环箍注浆，在脱出盾尾的第3环～第5环管片，采用双液浆每间隔5环打好环箍，使隧道纵向形成间断的止水隔离带，再在各环箍间进行二次注浆，注浆顺序由下至上，充分压注盾尾油脂，确保盾尾密封效果。
2.2.6地层损失量控制
在盾构掘进过程中根据地面深层监测点数据及时反映土层损失量（控制在0.5%以内），在推进过程中保持盾构切口处有微小隆起以抵消后期沉降，盾构掘进后通过同步注浆及二次注浆填充盾尾间隙，严格控制土层损失量，从而保证了将地层损失控制在0.5%范围内。
在盾构穿越期间，对铁路变形进行高频率地观测，及时、准确地通过监测数据了解施工现状和变形情况，从而在盾构推进面进行相应调整，确定新的施工参数和注浆量等信息和指令，最后再通过监测确定效果，从而反复循环、验证、完善，确保铁路安全和隧道施工质量。
3下穿工程有限元模拟及结果分析
在盾构穿越施工之前，先进行了近距离穿越桥墩的仿真数值模拟。根据区间隧道与既有沪杭高铁桐海特大桥的相对位置关系，采用有限元计算软件Plaxis 3D建立三维模型进行数值计算分析。
3.1模型建立与施工模拟
模型中土体采用土体硬化（HS）本构模型，土层计算参数结合本工程地质勘察报告和相关的工程经验进行取值。几何模型底部施加完全固定约束，两侧施加竖直滑动约束，模型表面为自由边界。结合土层特点、加固效果及施工经验，在数值计算中保守考虑采用0.8%的地层损失率来计算，以考察盾构隧道施工对沪杭高铁桐海特大桥的变形影响。
模型沿X、Y、Z三个方向的尺寸分别为70m、175m、100m，其中X为横桥方向，Y为顺桥方向，Z为竖向。模型见图3。
在Plaxis 3D有限元软件中通过冻结隧道范围内土体单元，激活管片单元，并进行断面收缩来模拟盾构掘进过程。施工过程模拟按照实际施工顺序分步进行，先施工左线隧道，再施工右线隧道。在有限元施工模拟开挖过程中划分具有特征性的9个工况[9]（图中隐藏注浆加固体）：
图3工程3D模型图
Fig.3 Three-dimensional model of the project
工况一：围护结构施作；
工况二：左线隧道盾构机刀盘到达575-576#承台左边缘位置；
工况三：左线隧道盾构机刀盘到达575-576#承台中心位置；
工况四：左线隧道盾构机刀盘到达575-576#承台右边缘位置；
工况五：左线隧道贯穿；
工况六：右线隧道盾构机刀盘到达576-577#承台左边缘位置；
工况七：右线隧道盾构机刀盘到达576-577#承台中心位置；
工况八：右线隧道盾构机刀盘到达576-577#承台右边缘位置。
工况九：右线隧道贯穿。
3.2计算结果分析
选取沪杭高铁桐海特大桥575#、576#、577#桥墩和承台作为研究对象，以桥墩顶中心作为观测点, 针对前述九个施工工况的计算数据，对沪杭高铁桐海特大桥575#、576#、577#桥墩和承台阶段位移及累加位移进行汇总、分析。
由铁路桥墩过程累加位移可知，施工过程中引起的铁路墩顶最大横桥向位移发生在工况9（右线隧道贯穿），位于577#墩，最大位移-0.259mm；铁路墩顶最大顺桥向位移发生在工况9（右线隧道贯穿），位于577#墩，最大位移0.734mm；铁路墩顶最大竖向位移发生在工况9（右线隧道贯穿），位于576#墩，最大位移-0.935mm。
由铁路承台过程累加位移可知，施工过程中引起的铁路承台顶最大横桥向位移发生在工况9（右线隧道贯穿），位于577#墩，最大位移-0.184mm；铁路承台顶最大顺桥向位移发生在工况9（右线隧道贯穿），位于577#墩，最大位移0.519mm；铁路承台顶最大竖向位移发生在工况9（右线隧道贯穿），位于576#墩，最大位移-0.860mm。均满足规范要求。
4安全监测及效果评估
鉴于盾构法施工的综合性和复杂性，作为一个重要的技术手段的施工监测，用实测的数据来判断工程结构与环境的安全稳定状况问题。将信息及时反馈到技术部门，用以对施工、设计做出优化与调整，实现“信息化”的施工过程[10]。
从施工隔离防护桩开始到隧道贯通后三个月，对杭海城际盾构下穿沪杭高铁桥梁纵向、横向位移及地表沉降进行监测，同时对盾构隧道的监测项目包括隧道拱顶沉降和管片衬砌变形等，了解施工对既有桥群墩身的影响，掌握该路段既有铁路桥梁纵横向位移及沉降长期变化规律和发展趋势，并与施工部门及时反馈，实施优化施工手段，确保铁路运营安全和盾构推进的安全性。沪杭高铁桥梁变形沉降标准、水平变形均按1mm控制。
墩身顶部设置水平位移测点，墩身底部设置竖向位移测点，并在穿越区域设置若干沉降监测位点。位移观测点的布置平面图如图4所示。
图4位移测点位置平面图
Fig.4 Location plan of displacement monitoring points
下穿高铁期间桥墩水平位移累计最大值为0.5mm，垂直位移累计最大值为0.5mm，地表沉降监测累计最大4.9mm，均在允许范围内。比较有限元模拟施工与现场施工的水平位移和垂直位移可见，前者得到的水平位移和垂直位移累计最大值都较后者大，即存在一定的安全余量，说明采用有限元建模分析方法的可靠性，且采取前文介绍的一系列施工措施如优化盾构机最佳掘进参数、控制盾构纠偏和管片拼装、同步注浆结合二次注浆、控制底层损失率等，可以有效达到保障施工质量、符合位移和沉降要求的目标。
5结语
通过对杭海城际铁路工程第四标段特定区间盾构隧道下穿高铁工程进行前期的有限元模拟，施工过程中紧密联系监测数据，实时进行掘进参数的优化，最终顺利地完成双线下穿沪杭高铁桐海特大桥施工，有效控制了地表沉降，取得了良好的施工效果，通过本工程的施工总结了一定的施工经验，为更好的完成剩余盾构施工打下了基础，同时对类似工程的施工能够提供有效的施工参数依据，同时得到以下结论：
（1）针对地下结构施工传统的简化计算方法的不足，采用有限元建模分析法，对各步骤施工进行模拟，适应性较强，计算结果更直观可见。在本工程中针对是否进行隔离桩施工和盾构掘进过程各施工阶段分别进行了有限元数值模拟，后期通过现场施工也证明了其模拟结果具备一定的安全余量，能够为盾构隧道的设计和施工提供较为可靠的参考。
（2）结合有限元模拟和现场施工验证了在本工程中使用隔离桩对下穿范围内的桥墩进行隔离保护的必要性和有效性。
（3）验证了本工程在施工过程中采取的一系列施工措施如有限元模拟分析，隔离桩隔离保护桥墩，盾构推进过程中采用“信息化”施工，不断优化最佳掘进参数、控制盾构纠偏和管片拼装、同步注浆结合二次注浆等，可以有效达到保障施工质量、符合位移和沉降标准的目标，为后续工程施工和类似穿越工程提供有益的借鉴。
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论文作者:卢雨田
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/17
标签：盾构论文; 隧道论文; 位移论文; 工况论文; 管片论文; 高铁论文; 桥墩论文; 《基层建设》2019年第13期论文;