卢裕杰，王伟，刘彦文，贾萱
中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600
摘要：以苏州桐泾路北延工程大直径盾构隧道穿越沪宁高速铁路（上海—南京）桥梁桩基为工程背景，对隔离桩+MJS（Metro Jet System）注浆加固综合地层处置措施进行了数值模拟，并对穿越过程的施工控制措施进行了实践检验。结果表明：综合地层处置措施能有效控制桥梁墩台的变形，可降低至不采取措施时的6%~10%，并满足不超过2mm控制值；结合控制盾构掘进参数、同步注入克泥效等施工主动控制措施，盾构左线、右线穿越期间桥梁墩台变形稳定，其各方向实测最大位移均未超过0.5mm。隔离桩+MJS注浆加固综合地层处置措施有效，可为类似工程提供借鉴。
高速铁路在缩短空间距离的同时增加了城市道路穿越的建设难度。TB10182—2017《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》规定，穿越工程施工引起的高铁桥梁墩台变形，无砟轨道不得超过2mm，有砟轨道不得超过3mm。
新建隧道穿越运营高铁的关键在于控制高铁轨道的变形。史渊、陈辉等［1-2］分别对地铁盾构隧道下穿既有高铁桥桩工程进行了研究，发现设置隔离桩可减少盾构掘进对桥桩的影响。徐干成等［3］对北京地铁14号线盾构隧道下穿京津城际高铁路基段的施工过程进行了数值模拟，发现对下穿段一定范围内的土体进行注浆加固可以有效控制既有铁路纵向、横向沉降及不均匀沉降。杨俊龙等［4］对杭州环北地下快速路盾构隧道下穿沪杭高铁桥涵工程地层加固措施进行了研究，发现采用旋喷桩、地层注浆加固和盾构施工主动控制可确保工程安全。
在上述已有研究及应用案例中，除杭州环北地下快速路盾构隧道穿越工程外，其他穿越工程的盾构主要是ϕ 6m量级的地铁盾构隧道，且对于穿越高铁桥桩工程，主要变形控制措施为打设隔离桩。随着城市交通需求的增加，盾构直径不断增大，对地层的扰动更加显著，隔离桩的效果有待检验，加之缺乏类似经验，容易导致穿越过程中高铁桥梁墩台变形超标，危及行车安全。
本文依托苏州桐泾路北延工程，对大直径盾构隧道穿越运营高铁桥梁的关键技术进行研究。
1工程概况
苏州桐泾路北延工程是苏州市“七纵”主干路之一，双向六车道，设计速度60km/h。穿越高铁段长490m，采用地下隧道形式，盾构法施工。盾构隧道外径13.25m，管片厚0.6m，环宽2.0m。采用一台泥水平衡盾构先施工左线，在接收井吊出后返回始发井进行二次始发，施工右线。隧道从沪宁高铁苏州西特大桥140#、141#、142#墩桩之间穿过。左线、右线与桥梁的平面交角分别为89.6°、88.4°。隧道覆土约10.22m，外轮廓线距桩基中心7.655m。穿越段地层主要为黏土、粉土、粉砂及粉质黏土。
沪宁高铁设计时速350km，盾构穿越区段为32m简支梁桥，桥上铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道。梁底距地面最小距离约2.95m。采用双线流线形圆端实体桥墩，桥墩基础均采用8根ϕ 1.0m的钻孔桩，桩长均为50.5m。
盾构隧道与沪宁高铁桩基位置关系见图1。
由文献［5］可知，盾构施工所引起的地层沉降曲线服从正态分布，呈高斯曲线状，即最大竖向变形与直径的二次方成正比。ϕ 13.25m盾构施工所引起的地层最大竖向变形约是地铁盾构（ϕ 6.2m）施工引起的4.6倍。大直径盾构施工所引起的地层变形将远大于地铁隧道，可能导致沪宁高铁桥墩变形超过2mm的控制值，因此有必要对其穿越桩基时地层处置措施进行研究。
2地层处置措施
2.1数值模拟
利用MIDAS GTS/NX建立三维有限元数值模型，对有、无地层处置措施下盾构穿越过程中高铁桥梁墩台的变形进行分析。考虑到打设隔离桩、MJS注浆加固［6-7］是盾构穿越工程中常见的地层处置措施，本文分析了三种工况，分别为无地层处置措施（工况1）、打设隔离桩（工况2）、隔离桩+MJS注浆（工况3）。
2.1.1模型建立及参数确定
根据盾构隧道与高铁桥梁的位置关系，并考虑边界效应的影响，模型长、宽、高分别为150、120、100m，见图2。
模型采用位移边界条件，实体单元。土体服从Mohr⁃coulomb屈服准则。土层物理力学参数依据工程地质勘察报告［8］取值，见表1。
数值模拟的施工顺序主要包括：初始地应力平衡，高铁桥梁施工且土层位移清零，施加地层处置措施，盾构左线、右线分步掘进。
2.1.2不同工况下高铁桥梁墩台位移对比
不同工况下高铁桥梁墩台最大位移见图3。其中，竖向位移以隆起为正，横桥向位移以朝向盾构掘进方向为正，顺桥向位移以朝向小墩号方向为正。
由图3可知：工况1墩台各方向位移均超过2mm控制值；工况2墩台各方向位移约占工况1的39%~42%，墩台竖向位移仍不满足安全要求；工况3墩台位移的控制效果最好，各方向位移约占工况1的6%~10%，均未超过2mm控制值。这说明隔离桩+MJS注浆综合地层处置措施对确保高铁桥梁安全运营有效。
2.1.3高铁桥梁墩台位移分析
为进一步分析施工过程中墩台位移的变化情况，提取工况3各施工步骤下墩台位移，见表2、图4。其中，施工步骤①—③分别表示隔离桩+MJS注浆、盾构左线掘进、盾构右线掘进。142#墩台顺桥向位移方向在施工步骤③中有变化，导致累计位移变小，为客观反映各施工步骤位移变化情况，位移占累计位移的百分比（占比）按照不考虑方向的累计位移进行计算。
由表2、图4可知：施工步骤①对墩台竖向位移的影响较大，而横桥向、顺桥向位移则主要受盾构掘进过程的影响较大；140#、142#墩台各方向的位移均随着施工进展而逐渐增大；141#墩台横桥向位移、竖向位移均随着施工进展而逐渐增大，由于受盾构左线、右线先后掘进的影响其顺桥向位移方向有变化，导致累计位移的数值先增加后减小。墩台各方向的最大位移均未超过2mm的控制值，这说明在盾构穿越沪宁高铁过程中，采用隔离桩+MJS注浆的综合地层处置措施可保证高铁桥梁安全。
2.2综合地层处置措施具体方案
结合盾构穿越实际情况及TB10182—2017要求，隔离桩+MJS注浆加固综合地层处置措施见图5。
在盾构隧道两侧打设隔离桩，打设范围为横向与盾构隧道净距为1.0m，纵向沿高铁桥梁承台两端各20.0m。隔离桩采用钻孔灌注桩，桩径、桩间距、桩长分别为1.0、1.2、30.0m。隔离桩与桥桩的最小中心距为6.155m，满足TB 10182—2017规定的大于6d要求，d为隔离桩桩径。
由于桥梁下净空仅2.95m，位于梁底下的72根隔离桩无法采用常规设备施工，因此专门研制低净空钻机［9-10］来施作钢套管灌注桩。钢护筒护壁厚20mm，每节长2.2m，各节间焊接。
隔离桩顶设置钢筋混凝土纵、横梁，尺寸为1.2m（宽）×0.8m（高）。每间隔两根隔离桩设置一条横梁，以增强隔离结构的整体性。
MJS桩桩径、桩间距分别为2.0、1.6m，在隔离桩间施工。MJS注浆加固平面范围与隔离桩加固范围一致，竖向范围为盾构隧道上、下各5.0m，并在盾构隧道周边预留0.4m的施工误差。
3盾构施工主动控制
3.1掘进参数
在盾构掘进至距加固区域前30~50m设置试验段，以确定最优掘进参数。施工中应避免对土体产生大的扰动，防止超挖、欠挖，减少纠偏，确保盾构连续平稳通过。根据试验结果，确定主要掘进参数为：推进速度15~20mm/min，刀盘转速0.8r/min，切口压力20kPa，平均扭矩6000kN·m。
3.2同步注浆及二次注浆
同步注浆采用水泥砂浆，凝结时间3~10h，压力0.2~0.3MPa。注浆采用双指标控制，即注浆压力或注浆量达到设计标准即停止注入。根据监测调整注浆参数。
同步注浆完成后3d进行二次注浆。在盾尾倒数第4环管片以后采用多点位注浆，避免浆液流向盾构机，造成盾尾堵死。浆液采用水泥-水玻璃双液浆，注入速率20~30L/min，注入压力0.4~0.8MPa。采用注浆压力进行控制，并以监测数据为指导。
3.3同步注入克泥效
考虑到同步注浆浆液凝固期间，管片背后空隙所导致的地层变形依然可能对桩基产生较大的影响。为确保运营安全，在盾体中部通过注浆泵同步注入可承压的克泥效。该材料凝结时间快，黏稠度高，具有较高的抗沉陷性，能及时填充管片背后空隙，对控制地层变形有效［11］。
自盾构掘进至综合地层处置区前15环管片位置时开始向地层中注入克泥效，盾构通过综合地层处置区后10环管片范围继续注入。通过径向孔在盾构上部180°范围内多点注入克泥效。
注入克泥效过程中对地表沉降进行实时监测，监测频率为每2~3h 1次。监测范围自盾构前方5环至盾尾后方10环。通过实时反馈数据及时对施工参数进行调整。
4实施效果
在采取了隔离桩+MJS注浆的综合地层处置以及盾构施工主动控制措施后，盾构左线、右线分别于2021年1月、7月成功穿越沪宁高铁。目前，桥梁结构安全，列车运营正常。
穿越期间，采用自动化监测仪器对墩顶位移进行实时监测，测点布置见图6。141#⁃1测点位移曲线见图7。可知：盾构掘进过程中，141#墩顶竖向、横桥向、顺桥向位移较小，轻微震荡变化。
墩台位移监测数据结果见表3。可知：盾构穿越阶段各测点最大位移均不超过0.5mm，说明采取综合地层处置以及盾构施工主动控制措施有效。
5结论
采用隔离桩+MJS注浆加固的综合地层处置措施，结合盾构施工主动控制措施，实现了大直径盾构成功穿越运营高铁桥桩。主要结论如下：
1）采用隔离桩+MJS注浆加固的综合地层处置措施可将穿越过程中墩台位移降低至不采取措施时的6%~10%，对墩台变形控制效果显著。
2）合理的盾构施工主动控制措施，对于大直径盾构安全穿越有着重要的作用。向地层同步注入克泥效可以减少同步注浆浆液凝固期间的地层变形，进一步降低高铁桥梁的变形。
3）通过监测发现，在综合地层处置及盾构施工主动控制措施下，墩台各方向的位移均未超过0.5mm，远低于2mm的控制值。
4）隔离桩+MJS注浆加固的综合地层处置措施可操作性强、对地层的适应性高、控制桥梁变形的效果好，可在同类穿越工程中推广应用。
转载文献来源：中国知网-铁道建筑
