本盾构下穿高铁桥梁工程涉及图3-1中的桩基类型为隧道侧边桩E和隧道洞间桩F。桩E位于隧道侧边，桩身下部结构位于弱扰动区，受盾构开挖施工的影响可以忽略，而桩身上部结构位于中等扰动区，受盾构开挖施工影响相对较大。由于桩基下部土体未受到施工扰动，因此桩底持力层相对稳定。但桩身上部受扰动较大，导致桩周土体沉降较明显。这种沉降会通过地层传递至桥梁桩基础，从而在一定程度上使桩E的桩身上部产生向下的侧摩阻力。与此同时，桩E桩身轴力也会随着盾构掘进而逐渐增大。
桩F位于两隧道之间，桩身依次穿越强烈扰动区、中等扰动区和弱扰动区。左、右线隧道开挖对桩F影响均较大。当盾构隧道覆土埋深较大时，左、右线隧道开挖形成的塌落拱范围较大，可能使塑性破坏区影响范围增大。当隧道覆土埋深较浅时，塑性破坏区可能贯穿至地表，导致桩基两侧土体在左、右线隧道开挖共同扰动下产生较大沉降，桩基也随之下沉。若桩身底部地层不在强烈扰动区而上部地层位于强扰动或中等扰动区时，桩身上部的沉降量相对较大，桩身上部将产生向下的负向摩阻力，导致桩身轴力增加。而桩身底部未受到强烈扰动，产生的沉降量较小，桩身下部将产生向上的正向摩阻力，从一定程度阻止桩基的下沉。
3.2 盾构下穿施工常用加固保护技术
为了尽量减小盾构隧道下穿施工对既有建筑物的不利影响，针对扰动媒介，通常采取的加固保护措施包括以冻结法、袖阀管注浆加固、MJS工法等为主的地层加固技术和以隔离桩为代表的地层变形隔阻技术。
3.2.1 冻结法
冻结法作为岩土工程中一种重要的加固保护技术，通过人工制冷技术，利用冻结管带走地层中的热量，使地层中的水结冰，将天然岩土变成冻土，形成具有较高强度和稳定性的冻土帷幕，达到增强土体强度和稳定性的目的。同时，冻结法形成的冻土帷幕能够隔离地下水与施工区域的联系，确保隧道和地下工程的安全开挖。
冻结法最早起源于英国，首次应用于1862年的南威尔士建筑基础施工中，通过人工制冷技术加固土壤。此后，德国、瑞典、法国以及苏联陆续开始探索冻结法在工程领域的应用。自1962年起，日本已经成功应用冻结法完成了数百项工程施工，包括地铁（含联络通道）、隧道、排水管道等。我国首次使用冻结法是在1955年的开滦煤矿竖井工程。随着城市地铁的不断修建，冻结法在北京、上海、广州、南京等城市得到了迅速发展。实践经验证明，人工冻结法具有以下优势：
（1）冻结孔布置方案灵活，适应性强，能灵活应对各种结构形状。
（2）防水性好，人工冻结帷幕能有效隔离地下水对工程施工的影响，保障施工安全。
（3）环境污染小，人工冻结帷幕作为一种临时支护结构，使用结束后融化即可，对土体影响小。
然而，由于冻结法某些自身的特殊性，如钻孔工序的必要性、冻土性质和冻土帷幕性状的变化性、土体冻胀融沉的自然性等，该方法在冻结孔钻孔、冻结、开挖以及冻土解冻过程中都可能发生事故。因此，冻结法是一种风险相对较高的工法，存在较多不可预见的风险，在重要穿越工程设计中通常不被推荐采用。
3.2.2 袖阀管注浆加固
袖阀管注浆加固技术最初由法国Soletanche基础工程公司自主研发，为保证注浆土体均匀改性而被提出，现已被广泛应用于地基加固、止水帷幕、控制建筑物沉降等工程中，以提高地层稳定性、承载能力和抗渗性。这种技术通过在地层中钻孔并安装套管（袖阀管），然后进行注浆。浆液在注浆泵的加压作用下，通过双向密封的注浆器注入单向袖阀管，并在注浆压力的作用下将包裹在袖阀管外的橡胶套开环，注浆中的浆材在外界压力的推动作用下迅速挤碎袖阀管外的壳料，注入受注的地层中，与土体充分结合，形成强度较高的固结体，从而改善地层的物理和力学性质。在袖阀管注浆加固过程中，注浆效果受套壳材料、浆液材料性能和注浆参数等因素影响较大。
袖阀管注浆加固技术具有注浆位置准确，注浆效果好，可以多次重复注浆，浆液可调试等优点。但注浆材料的有效渗透深度可能受到限制，无法深入到一些特定类型的地层，而且注浆速度较慢，化学注浆材料对环境有一定的影响。
3.2.3 MJS工法
MJS工法（MetroJetSystem）又称全方位高压喷射工法，是为解决传统旋喷工艺在深处排泥困难、加固效果和可靠性降低，以及施工会引起周围地表隆起等问题，在传统高压喷射注浆工艺的基础上进行改进和创新而成。MJS工法采用独特的多孔管和前端装置（通常称为Monitor），实现了孔内强制排浆和地层内压力监测。通过调整强制排浆量，可以控制地层内压力，有效解决了传统旋喷工艺在深处排泥困难和地层内压力控制方面的问题。这种方法确保了地层内压力的稳定，降低了施工过程中地表变形的可能性，极大地减少了对环境的影响。此外，控制地层内压力也进一步保障了成桩的直径，确保了工程质量。MJS工法工艺原理示意图如图3-2~图3-4所示。
MJS工法桩具有以下特点：
（1）可以“全方位”进行高压喷射注浆施工MJS工法可以进行水平、倾斜、垂直各方向、任意角度的施工。
（2）桩径大，桩身质量好MJS工法成桩直径较大，可达2~2.8m（砂土N<70，黏土C<50）。由于直接采用水泥浆液进行喷射，其桩身质量较好，强度指标大于5MPa。
（3）对周边环境影响小，超深施工有保证MJS工法通过地层内压力监测和强制排浆的手段，对地层内压力进行调控，可以大幅度减少施工对周边环境的扰动，并保证超深施工的效果。
（4）泥浆污染少
MJS工法采用专用排泥管进行排浆，有利于泥浆集中管理，施工场地干净。同时对地内压力的调控，也减少了泥浆“窜”入土壤、水体或是地下管道的风险。
（5）自动化程度高
MJS工法转速、提升、角度等关键参数均为提前设置，并实时记录施工数据，尽可能地减少了人为因素造成的质量问题。
（6）施工场地条件适宜
垂直与倾斜施工专用钻机的几何尺寸为高3.5m、长2.55m、宽1.85m，适合隧道内或净高3.5m以上场所施工。
3.2.4 隔离桩
隔离桩法是通过在隧道和建筑物之间设置密排钻孔灌注桩、高压旋喷桩或树根桩等措施，将隧道开挖引起的围岩应力通过桩体传递到下部持力层中，阻断隧道开挖卸荷位移和力的传播，进而达到降低隧洞开挖卸载对邻近建筑物地基造成不均匀沉降的目的。隔离桩的主要作用是承受隧道施工引起的侧向土压力以及土体差异沉降产生的负摩阻力，以减小建筑物靠近隧道侧的土体变形。作为一种有效的地层变形隔断手段，隔离桩被广泛应用于防止地层沉降的工程中。
钻孔灌注桩是目前地基处理、基础工程施工最常用的加固方法之一，被广泛应用于工业与民用建筑、公路、铁路、桥梁等工程领域。主要施工工法包括贝诺特法（液压全套管法）、反循环法、阿司特利法等三种。其中，贝诺特法，即液压全套管法，是国际上最为流行的钻孔灌注桩施工技术。自20世纪80年代中后期以来，我国在引进吸收的基础上，逐步发展了液压全套管灌注桩施工的国产设备，并已形成较完备的施工工艺和工法。钻孔灌注隔离桩加固后桩体强度高、刚度大、安全可靠，施工后桩身强度增长快，成桩施工对既有建筑物影响很小。其缺点是成本相对较高，而且由于场地限制只能选用小的设备作业，速度较慢。
高压旋喷隔离桩的优点是施工设备灵巧，速度快，施工中对建筑物影响小，成本比钻孔灌注桩低，但其强度较低，施工后桩身强度成长慢。树根隔离桩优点是成本低，施工设备小，施工后对原有建筑物影响小，但由于桩小，隔断效果较差。
值得注意的是隔断桩施工也是邻近施工，需要注意控制隔离桩自身施工对周围土体或建筑物的影响。
3.3 下穿运营高铁桥梁的地层加固可行性方案
3.3.1 可行性方案的选择
盾构穿越运营高铁桥桩，当处于结构不稳定的松散堆积层、易发生流沙的含水砂层以及扰动后强度降低明显的软弱地层时，隧道施工对高铁桥梁墩顶位移影响较大。若要在不采取特殊工程措施的条件下满足桥墩位移限值标准，隧道与桩基之间的最小安全距离一般应超过3倍隧道宽度。本盾构下穿高铁桥梁工程中，隧道开挖边缘与桥桩最小净距为7.655m，仅约0.58倍隧道宽度，其施工对高铁桥墩将造成较大影响，需要采取工程加固措施。
在盾构下穿施工过程中，受影响范围内的土体会向隧道侧发生水平位移和向下的沉降，如果设置隔离桩，可以起到挡土、隔断的作用，并承担土体因沉降传递过来的摩擦力，从而限制桩外土体及桥桩的水平位移和竖向沉降。而且，隔离桩能够阻挡盾构掘进过程中同步注浆及二次注浆（或者穿越前的其他注浆加固措施）的浆液，确保注浆效果，同时也能减少注浆作业对桥桩的影响。因此，在盾构隧道两侧设置隔离桩是一种可行且有效的手段。
为了增强隔离桩在盾构下穿施工过程中的稳定性和隔离效能，可在隔离桩桩顶设置纵向冠梁，同时在两排隔离桩之间设置横向混凝土支撑，实现纵、横梁相接，并与隔离桩形成一个整体加固体系，从而提高隔离桩加固体系的整体刚度，确保施工期间的安全性和可靠性。
考虑到盾构施工对周边地层的影响程度与盾构直径近似呈平方增加关系（本工程为13.25m的大直径盾构），而且在下穿高铁桥梁处，盾构隧道穿越的地层上半部主要为粉砂层，地下水位高，处于饱和状态，容易产生流砂。为确保高铁桥梁墩台顺桥向、横桥向及竖向三个方向的变形不超过2mm的控制标准，可能还需要对隔离桩内土体进行加固处理，以提高土体的稳定性。鉴于上述MJS工法的诸多优点，拟采用MJS工法注浆加固技术。
经总结国内外相关工程案例，针对本工程提出隔离桩防护、MJS法、隔离桩+纵横梁、隔离桩+MJS法、隔离桩+MJS法+纵横梁等5种可行性加固保护方案。
3.3.2 加固方案的初步布置设计
3.3.2.1 隔离桩的布设
隔离桩的布设应满足《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》（TB10182—2017）的相关要求：
3.0.11条：下穿工程采用钻孔桩时，其与高速铁路桥梁基桩的中心距应符合下列规定：1.软黏土及饱和粉、细砂土层等不良土层，不宜小于6倍下穿工程桩径；2.其他良好土层，不宜小于4倍下穿工程桩径。
8.0.9条：隔离桩宜采用钻孔桩，其与高速铁路桥梁基桩的距离应满足本规程3.0.11条的要求，与隧道结构间的净距不应小于0.5m。
8.0.10条：隔离桩沿隧道线路方向的设置范围应超出高速铁路桥梁承台两端各1.5倍隧道宽度。
结合盾构下穿的实际情况，隔离桩拟采取的布设方案为：在高铁桥梁承台两端20m范围内设置隔离桩，大于1.5D（D为隧道外径，其值为13.25m）。隔离桩布置于盾构隧道两侧，桩径100cm，间距120cm，桩长30m。隔离桩与隧道净距为0.5m，距离高铁桥桩最小中心距为6.115m，大于6d（d为新建钻孔桩直径）。
3.3.2.2 纵、横梁的布设
为增强隔离桩的整体性，拟在桩顶设置120cm×80cm纵横梁，其中横梁间隔两个桩设置一处，纵梁桩顶面贯通设置。纵、横梁采用C30钢筋混凝土，钢筋与钻孔灌注桩桩头钢筋连接。
由于穿越处高铁桥梁下部可利用最大净空仅3.6~4.1m，因此，位于梁底以下部分的72根隔离桩采用常规设备无法施工，需要采用能够满足作业净空不超过3.6m、成孔深度不小于30m技术要求的低净空全套管灌注桩装备进行施工。灌注桩采用钢套管护壁，壁厚20mm，每节长2.2m，各节间采用焊接连接。由于盾构与隔离桩最小距离只有0.5m，要求隔离桩的垂直度允许偏差小于3‰。
3.3.2.3 隔离桩内土体的MJS法加固布设
为更好地控制沉降，提高土体抗渗性，确保施工期间盾构不失水，拟采用MJS工法加固隔离桩内土体。MJS加固长度与隔离桩加固长度一致，加固范围为盾构隧道以外上、下各5.0m，同时在盾构隧道周边预留0.4m的施工误差。根据工程类比，设计的MJS桩桩径为1.2m，间距1.6m，跳桩施工。
根据《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》（TB10182—2017）第8.0.11条，隧道施工应在隔离桩及桩内土体加固达到设计强度要求后实施。MJS桩验收采用钻芯取样法，要求桩体单轴抗压强度为1~3MPa，渗透系数不大于10-7cm/s。
3.4 不同加固方案对高铁桥梁变形的控制效果分析
为了评价隔离桩防护、MJS法加固及增设地表纵、横梁等土层加固措施对本下穿工程中高铁桥梁保护和变形的控制效果，基于第2章加固前的计算结果，分别针对前文提出的5种可行性加固保护方案建立数值计算模型，对比分析加固前和不同加固方案后，盾构下穿施工引起的高铁桥梁内力与变形的变化情况，为确定合理的加固方案提供依据。
3.4.1 计算模型与参数建模方法
与加固前的一样，详见2.4节。土层、盾壳、管片、桩基、等代层、纵横梁及MJS加固体均采用实体单元模拟，土层、等代层和结构物理力学参数取值见表2-9和表2-10。MJS加固体、隔离桩和纵横梁的物理力学参数取值见表3-1和表3-2。建立的隔离桩+MJS法+纵横梁加固方案的三维计算模型如图3-5所示。计算区域主要根据盾构与高铁桥梁的位置关系，并考虑加固范围、边界效应等因素。本次计算模型整体尺寸为150m（x）×120m（y）×100m（z）。
3.4.2 不同加固措施对桩基的保护效果分析
根据2.4节的计算结果，在无任何土体加固措施的施工条件下，当左、右线盾构隧道开挖完成后，邻近桩基最大竖向变形、最大侧向变形分别出现在141号c2桩和142号c2桩，最大附加轴力、最大附加弯矩分别出现在141号c2桩和140号a2桩。因此，本节将以141号c2桩竖向变形、142号c2桩侧向变形、141号c2桩附加轴力和140号a2桩附加弯矩为例，对比分析隔离桩、MJS法、隔离桩+纵横梁、隔离桩+MJS法、隔离桩+纵横梁+MJS法5种土体加固措施对桩基附加变形和附加内力的控制效果。
3.4.2.1 不同加固措施对桩基附加变形的控制
在6种不同的盾构隧道施工条件下，当两隧道均开挖完成后，141号c2桩竖向变形曲线和142号c2桩侧向变形曲线如图3-6所示，对应的最大附加位移值见表3-3。
141号c2桩竖向变形曲线和142号c2桩侧向变形曲线表明：
（1）未采用任何土体加固时，141号c2桩最大竖向位移为-7.6mm，142号c2桩最大侧向位移为7.1mm。分别采用隔离桩、MJS法、隔离桩+纵横梁、隔离桩+MJS法、隔离桩+纵横梁+MJS法5种土体加固措施后，141号c2桩最大竖向位移变为-1.8mm，142号c2桩最大侧向位移变为-1.9mm。可见，这5种土体加固措施对邻近桩基附加变形具有明显的控制作用，可显著降低桩基因盾构隧道施工产生的竖向变形和侧向变形。
（2）单独采用隔离桩加固时，141号c2桩最大竖向位移减小为-1.2mm，142号c2桩最大侧向位移减小为1.4mm，比单独采用MJS法加固的控制效果更好。因此，为更好地控制邻近桩基产生的附加变形，宜优先选用隔离桩加固。
（3）采用隔离桩、MJS法、隔离桩+纵横梁、隔离桩+MJS法、隔离桩+纵横梁+MJS法5种土体加固措施，均能有效地控制邻近桩基因盾构隧道施工产生的附加变形。但与仅采用隔离桩或MJS单一加固措施相比，采用隔离桩+纵横梁、隔离桩+MJS法、隔离桩+纵横梁+MJS法等联合加固措施对桥桩变形的控制效果更显著，其中隔离桩+纵横梁+MJS法的控制效果最好。
3.4.2.2 不同加固措施对桩基附加内力的控制
在6种不同的盾构隧道施工条件下，当两隧道均开挖完成后，141号c2桩附加轴力曲线和140号a2桩附加弯矩曲线如图3-7所示，对应的最大附加内力值见表3-4。
141号c2桩附加轴力曲线和140号a2桩附加弯矩曲线表明：
（1）未采用任何土体加固时，141号c2桩最大附加轴力为-1833kN，140号a2桩最大附加弯矩为248kN·m。分别采用隔离桩、MJS法、隔离桩+纵横梁、隔离桩+MJS法、隔离桩+纵横梁+MJS法5种土体加固措施后，141号c2桩最大附加轴力减小为-270kN，140号a2桩最大附加弯矩减小为109kN·m。可见，这5种土体加固措施对邻近桩基附加内力均具有明显的控制作用，可显著降低桩基因盾构隧道施工产生的附加轴力和附加弯矩。
（2）单独采用隔离桩加固时，141号c2桩最大附加轴力-110kN，140号a2桩最大附加弯矩为62kN·m，比单独采用MJS法加固的控制效果更好。因此，为更好地控制邻近桩基产生的附加内力，宜优先选用隔离桩加固。
（3）采用隔离桩、MJS法、隔离桩+纵横梁、隔离桩+MJS法、隔离桩+纵横梁+MJS法这5种土体加固措施，均能有效控制邻近桩基因盾构隧道施工产生的附加内力。但与隔离桩单一加固措施相比，联合加固措施在控制桥桩附加内力方面并不具有显著优势。
综上，采用①隔离桩、②MJS法、③隔离桩+纵横梁、④隔离桩+MJS法、⑤隔离桩+纵横梁+MJS法5种土体加固方案均能有效地控制邻近桩基因盾构隧道施工产生的附加变形和附加内力，可将桥梁竖向沉降和侧向位移控制在2mm以内。在控制效果上，方案⑤>方案④>方案③>方案①>方案②，其中⑤隔离桩+MJS+纵横梁整体加固方案对于桥桩变形和附加内力控制效果最佳。但采用①隔离桩或②MJS单一加固方案或③隔离桩+纵横梁方案，桥桩位移均超过了1mm，尤其采用②MJS单一加固方案时，桥桩侧向位移几乎接近2mm。考虑到实际施工过程中有些不确定因素无法在计算模型中体现，加之大直径盾构下穿运营高铁桥梁风险等级高，对变形控制严苛。因此，为确保盾构下穿施工期间高铁列车运营的绝对安全，可考虑将桥墩顶纵向位移和沉降控制在±1mm以内，建议采用⑤隔离桩+MJS+纵横梁的整体加固方案。
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