濱海軟土地層盾構(gòu)下穿高鐵變形規(guī)律分析

周 勝， 熊田芳

（中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300133）

近年來隨著城市軌道交通建設(shè)發(fā)展，城軌線網(wǎng)與鐵路線網(wǎng)交叉越來越多；地鐵施工鄰近或下穿相關(guān)建構(gòu)筑物風(fēng)險控制成為工程的重中之重[1]。盾構(gòu)法是目前隧道施工中常用方法之一，施工過程中不可避免的會產(chǎn)生土體擾動，引起地層損失和隧道周圍地層土體剪切破壞。

目前，針對其他地區(qū)盾構(gòu)下穿高鐵加固防護措施及變形規(guī)律的研究主要是優(yōu)選風(fēng)險加固措施及分析墩柱整體變形規(guī)律[2～5]。天津濱海地層為典型的軟土地層，淤泥質(zhì)土層較厚且濱海軌道交通B1線為該區(qū)域內(nèi)第一條地鐵線，下穿高鐵可參考經(jīng)驗少。本文依托B1線某區(qū)間下穿某高鐵工程實例，采用理論分析與數(shù)值模擬的方法，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，對天津軟土地層盾構(gòu)下穿某高鐵變形規(guī)律進行分析，總結(jié)變形控制措施，以期能夠指導(dǎo)盾構(gòu)下穿高鐵的設(shè)計與施工。

1 工程概況及變形控制標(biāo)準(zhǔn)

1.1 工程概況

天津濱海B1線某區(qū)間長1 399.814 m。盾構(gòu)區(qū)間右線從某高鐵116#～117#墩間下穿，右線貫通后盾構(gòu)機轉(zhuǎn)機從115#～116#墩間下穿，區(qū)間與某高鐵的交角約為71°，下穿位置區(qū)間覆土大約為5.20 m。

區(qū)間結(jié)構(gòu)外輪廓距高鐵橋樁水平凈距8.26～9.07 m，每個墩柱下設(shè)置8 根直徑1 m 鉆孔灌注樁，樁長54 m，為摩擦樁+端承樁。見圖1。

圖1 區(qū)間與既有某高鐵關(guān)系

1.2 工程地質(zhì)條件

工程所在場地為軟弱土，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（⑥2-4）在建設(shè)地段內(nèi)分布且在整個線路內(nèi)厚度較大。見表1。

淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（⑥2-4）屬典型的濱海軟土，具有高含水量、高壓縮性、高靈敏度、大孔隙比、低滲透、低強度等特點。

1.3 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

本段高鐵線路為無砟軌道，按照《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》（鐵運[2012]83號）要求的線路軌道靜態(tài)和動態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值作為控制標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合既有設(shè)計施工經(jīng)驗制定高鐵路基、軌道控制指標(biāo)，見表2。

表2 線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值

根據(jù)TB 10182—2017《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》對墩臺頂位移進行限值要求，見表3。

表3 墩臺頂位移限值 mm

2 施工方案

2.1 隔離樁保護

為確保高鐵運營安全的前提下盾構(gòu)區(qū)間順利下穿，施工前對高鐵采取預(yù)支護保護措施。采用?1 000 mm@1 200 mm 隔離樁，距離管片結(jié)構(gòu)凈距1.0 m，樁頂做1 000 mm×800 mm混凝土冠梁、400 mm厚混凝土蓋板，樁長17.22 m，伸入隧道5 m，縱向范圍為沿隧道線路方向超出承臺2.5倍洞徑。

2.2 三維計算模型

為了研究盾構(gòu)掘進對鄰近墩柱的影響及隔離樁對各方向變形的限制效果，采用MIDAS-GTS軟件建立三維地層結(jié)構(gòu)模型，模擬盾構(gòu)掘進在有隔離樁和無隔離樁工況下對鄰近墩柱變形的影響。模型中除有無隔離樁外，其余如地層參數(shù)、材料參數(shù)等因素均不變。

各土層采用以莫爾-庫倫屈服條件為破壞準(zhǔn)則的理想彈塑性模型實體單元，土層計算參數(shù)取自工程勘察報告；將隧道襯砌簡化為線彈性的連續(xù)管，采用各向同性殼單元模擬；采用剛度遷移法對盾構(gòu)隧道掘進全過程進行開挖模擬；高鐵樁基、承臺及墩柱采用各向同性的實體單元并在模擬過程中考慮高鐵運營荷載的最不利影響，以均布荷載施加墩柱超載，混凝土重度均取25 kN/m3，彈性模量為3.0×107kPa，泊松比均取0.2。見圖2。

圖2 三維數(shù)值模型

3 隔離樁對變形規(guī)律的影響分析

3.1 數(shù)值模擬

采用三維數(shù)值模型對有無隔離樁工況分別進行計算，提取不同施工階段結(jié)果進行分析。以高鐵墩柱位置為零點，隨著盾構(gòu)掘進方向，掌子面距離墩柱由負到正為橫坐標(biāo)軸，提取變形最大墩柱（116#）在不同施工階段的X、Y、Z方向變形結(jié)果。見圖3。

圖3 有無隔離樁工況下墩柱變形曲線

由圖3可知，盾構(gòu)下穿整個過程中，墩柱產(chǎn)生較大橫向變形。

1）未采用隔離樁，墩柱最大橫向變形為4.18 mm、縱向變形為-2.70 mm、豎向變形為-2.68 mm。盾構(gòu)掌子面距離墩柱12 m左右時，發(fā)生最大橫向變形及較大縱向、豎向變形；隨著掌子面遠離，橫向變形基本趨于穩(wěn)定，縱向變形減小，豎向變形增大。

2）采用隔離樁時，隔離樁有效的限制土體各方向的變形，整個施工過程中墩柱發(fā)生最大橫向變形為1.64 mm，縱向變形為-1.42 m，豎向變形為-1.93 mm。隔離樁的作用使得樁外側(cè)土體應(yīng)力重分布較內(nèi)側(cè)滯后，墩柱橫向及縱向變形滯后，明顯限制了墩柱各方向變形速率，其變形趨勢與未采用隔離樁基本一致。

3）隔離樁的作用有效限制了土體的橫向及縱向位移，最大橫向變形減小了2.54 mm，最大縱向位移減小了1.28 mm，最大豎向位移減小了0.75 mm。

3.2 現(xiàn)場監(jiān)測變形分析

3.2.1 現(xiàn)場監(jiān)測

選取影響范圍外112#、113#、119#、120#墩作為水平位移基準(zhǔn)點，113#墩作為靜力水準(zhǔn)基準(zhǔn)點，從隔離樁施工前到盾構(gòu)左線掌子面遠離橋墩影響范圍對114#～118#墩累計水平及豎向位移進行實時監(jiān)測。見圖4。

圖4 橋墩監(jiān)測點布設(shè)

3.2.2 監(jiān)測結(jié)果

隔離樁施工開始即對高鐵墩柱進行自動化監(jiān)測。隨著盾構(gòu)掘進，由于土體擾動作用，鄰近側(cè)墩柱樁基擾動較大，產(chǎn)生較大的負摩阻力，遠離側(cè)擾動較小，產(chǎn)生相對較小的負摩阻力，導(dǎo)致承臺及墩柱下穿之前變形較大，下穿之后變形較小。見圖5-圖7。

圖5 墩柱橫向變形

圖6 墩柱縱向變形

圖7 墩柱豎向變形

左右線盾構(gòu)均對墩柱產(chǎn)生不同程度影響，由于隔離樁加固防護作用，造成的變形較小。

1）橫向變形最大為-1.11 mm。右線掘進時，橫向變形基本趨于穩(wěn)定，變化幅度較小，變形最大僅為0.71 mm；由于土體一次擾動后，短時間內(nèi)固結(jié)和蠕變還未完成，左線掘進墩柱土體產(chǎn)生二次擾動，相對右線對墩柱產(chǎn)生較大影響。穿越一段距離后，隨著盾構(gòu)管片拼裝及盾尾二次壓漿的完成，盾尾空隙填充，墩柱的橫向變形減小，基本趨于穩(wěn)定。

2）縱向變形最大為-1.14 mm。墩柱距離盾構(gòu)掌子面-2.5D～2.5D外（D為盾構(gòu)直徑）時，墩柱縱向變形基本趨于穩(wěn)定，變形較?。划?dāng)在-2.5D～2.5D內(nèi)時，縱向變形較大，出現(xiàn)明顯的影響范圍；由于土體一次擾動后，短時間內(nèi)固結(jié)和蠕變還未完成，左線掘進墩柱土體產(chǎn)生二次擾動，相對右線掘進對墩柱產(chǎn)生較大影響。盾構(gòu)掘進時前方土壓力松弛，下穿前產(chǎn)生負向變形；當(dāng)盾構(gòu)機向前掘進時，勢必推動周邊土體向前移動，這種移動表現(xiàn)為盾構(gòu)掘進機附近的土體發(fā)生側(cè)移，而導(dǎo)致開挖面后方土體松弛漏空，下穿一段距離后產(chǎn)生正向變形；隨著盾構(gòu)管片的二次壓漿完成，盾尾空隙填充，墩柱的縱向變形減小，基本趨于穩(wěn)定。

3）豎向變形最大為-1.18 mm。墩柱距離盾構(gòu)掌子面-2.5D～2.5D外時，墩柱豎向變形基本趨于穩(wěn)定，變形較?。划?dāng)在-2.5D～2.5D內(nèi)時，豎向變形較大，出現(xiàn)明顯的影響范圍；由于土體一次擾動后，短時間內(nèi)固結(jié)和蠕變還未完成，盾構(gòu)左線掘進墩柱土體產(chǎn)生二次擾動，相對于右線掘進對墩柱產(chǎn)生較大的影響。盾構(gòu)掘進時前方土壓力松弛，下穿前產(chǎn)生負向變形；當(dāng)盾構(gòu)機向前掘進時，勢必推動周邊的土體向前移動，這種移動表現(xiàn)在盾構(gòu)掘進機附近的土體發(fā)生側(cè)移，而導(dǎo)致開挖面后方土體松弛漏空，下穿一段距離后產(chǎn)生正向變形；隨著盾構(gòu)管片的二次壓漿完成，盾尾空隙填充，墩柱的豎向變形減小，基本趨于穩(wěn)定。

3.3 數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測對比分析

1）未采用隔離樁時，數(shù)值模擬盾構(gòu)掘進過程中墩柱最大橫向變形為4.18 mm，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果為1.11 mm，隔離樁限制了墩柱73.4%的橫向變形；數(shù)值模擬盾構(gòu)掘進過程中墩柱最大縱向變形為-2.70 mm，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果為-1.14 mm，隔離樁限制了墩柱57.8%的縱向變形；數(shù)值模擬盾構(gòu)掘進過程中導(dǎo)致墩柱發(fā)生最大豎向變形為-2.68 mm，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果為-1.18 mm，隔離樁限制了墩柱56.0%的豎向變形。

2）有隔離樁時，數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測盾構(gòu)施工對高鐵墩柱影響變形規(guī)律基本一致。

4 結(jié)論與建議

1）采用隔離樁能有效限制高鐵墩柱發(fā)生較大變形。

2）距離高鐵墩柱-2.5D～2.5D范圍內(nèi)，隨著盾構(gòu)接近墩柱，對其產(chǎn)生越來越大影響；-2.5D～2.5D范圍外時，墩柱豎向變形基本趨于穩(wěn)定。因此，針對天津濱海軟土地層來看，隔離樁縱向范圍宜為-2.5D～2.5D。

3）天津濱海軟土具有高含水量、高壓縮性、高靈敏度、大孔隙比、低滲透、低強度等特點，土體本身抗擾動能力差，地層經(jīng)過一次擾動后，引起地層損失和隧道周圍地層土體剪切破壞，發(fā)生較大的變形，土體應(yīng)力在短時間內(nèi)很難完成重分布再固結(jié)，發(fā)生二次擾動后，產(chǎn)生較為明顯的變形。

4）針對濱海軟土地層的特殊性，實際工程中應(yīng)綜合分析土體改良、隔離樁等措施的優(yōu)缺點，擇優(yōu)采用。