杨 洋，缪春远，李敬余，张 航，刘页龙，朱开新

（1.中铁九局集团第四工程有限公司，辽宁 沈阳 110013；2.辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁 阜新 123000）

沈阳地铁四号线第十七标段在RDK1+547—RDK1+670 里程位置有5 处隧道穿越铁路线路的工程，风险源等级均为二级。在盾构穿越铁路桥梁桩基过程中，保证盾构隧道安全顺利且能合理地控制铁路路基沉降和桥梁结构变形在合理的范围内是本工程拟解决的重点问题之一。盾构隧道掘进施工将引起地层土地反复扰动甚至造成累次叠加引起地表沉降变形[1]。在盾构连续穿越高铁桥梁桩基时更容易影响桩基的稳定性，甚至产生高铁路基沉降或者桥梁结构变形，威胁高铁运营安全[2-3]。潘红宝等[4]采用有限差分软件FLAC3D 对有、无隔离桩2 种工况下深基坑开挖施工进行了全过程动态数值模拟，研究了深基坑开挖对旁侧既有地铁隧道变形影响及隔离桩的控制效果；何晟亚等[5]采用MIDAS GTSNX 建模分析计算，研究了深圳地铁12号线和平站主体基坑下穿城际铁路时无防护措施、隔离桩、旋喷桩土体加固以及隔离桩与旋喷桩联合加固措施等4 种工况下地连墙与基坑两侧桥墩的水平位移变化规律，认为隔离桩与旋喷桩土体改良加固更适用于已有铁路高价下基坑开挖变形控制。

综上，国内外学者已经对复杂地质条件下盾构施工参数进行了分析与研究，在盾构下穿高铁桥梁桩基变形控制方面取得了丰硕的成果。但TB 10182—2017《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》[6]规定无砟轨道墩台位移限值为2 mm，变形控制难度极大，特别是沈阳地铁四号线第十七标段在RDK1+547—RDK1+670 里程位置曲线半径为300 m，且穿越地层以圆砾地层为主，面临施工参数难确定，施工质量难控制等技术难题。因此，以沈阳地铁四号线第十七合同段盾构区间为工程背景，基于盾构土仓压力理论计算、出土量、同步注浆能力及二次注浆能力及注浆量，分别计算了盾构最大压力值、盾构出土量、同步和二次注浆参数等。利用有限元分析软件MIDAS GTS 建立盾构连续下穿高铁桥梁桩基数值计算模型，研究了盾构穿越施工有无隔离桩时高架桥下地表沉降、桥墩承台沉降和地表沉降时程演化规律，为圆砾地层小半径曲线盾构施工提供了数据支撑，具有重要的现实意义和工程应用推广价值。

1 工程概况

沈阳地铁四号线第十七合同段停车场出入场线盾构区间入场线平面线路包括直线段，R=300 m、450 m和800 m 的不同半径的圆曲线段及缓和曲线段。左线包括直线段，R=1 200 m、300 m、450 m 和800 m 的圆曲线段及缓和曲线段。线路间距为11 m、13 m、20.94 m、33.75 m、15.66 m、9.7 m，如图1 所示。盾构上部覆土厚度为6.6～21.4 m，穿越土层主要为粗砂、砾砂、圆砾和粉质黏土层。盾构区间双线下穿动车入段线、沈丹客专、哈大客专、沈丹上行疏解线、动车出段线，其中入场线在里程RDK1+524.196 进入动车入段线20 m 影响范围，如图2 所示。

图1 工程平面示意图

图2 侧穿动车入段线21—23 号墩横断面图

2 圆砾地层连续下穿越既有高铁盾构参数

2.1 土仓压力

土仓压力按式（1）进行计算。

式（1）中：γw为水的容重，γw=10 kN/m3；h为地下水位高度，h=1.7 m（最浅处0.258 m）；K0为侧向土压力系数，K0=1-sinφ=0.34；γ为土的容重，γ=19.5 kN/m3。

经计算得，该段土仓最大压力值为Pmax=116 kPa=1.16 bar。

2.2 推进速度

根据经验[7]，圆砾地层穿越既有线路时推进速度v宜控制在40～60 mm/min。

2.3 出土量

每环理论出土量为LmD2π/4，其中，管片长度L=1.2 m；渣土改良、水、土体密度不均等的系数m=1.2；盾构外径D=6.28 m。将取值代入公式得：LmD2π/4=1.2×1.2×6.282×3.14/4=48 m3。

实际出土量按照理论出土量的95%，控制在46 m3，圆砾地层穿越既有线路时，每环出土量偏差不超过1 m3。

2.4 同步注浆量

盾构掘进1 环（1.2 m）环形间隙理论体积按式（2）进行计算。

式（2）中：Q1为环间隙理论体积，m3；R和r分别为掘进半径和设计半径，R=3.14 m、r=3.0 m。

注浆量为环形间隙理论体积的2 倍。则每环的注浆量Q2=2×3.24=6.48 m3；每环同步注浆时间应与掘进时间相同，则每环注浆时间t=l/v=1.2 m÷0.06 m/min=20 min。在盾构始发阶段该标段注浆压力控制在0.2～0.3 MPa，在施工过程中根据掘进情况调整注浆压力。

2.5 二次注浆

浆液为水泥、水玻璃双液浆，水泥浆的水灰比为0.8～1.0；水玻璃与水以1∶1.5 进行稀释；注入时，水泥浆∶水玻璃=1∶1，注浆压力P=0.3～0.5 MPa。

3 盾构连续下穿铁路数值仿真分析

3.1 数值模型建立

依据盾构隧道与动车入段线、哈大高铁、沈丹客专、沈丹上行疏解线和动车出段线的空间位置关系，利用有限元数值模拟软件Midas GTS 建立三维数值计算模型，如图3 所示。

图3 有限元数值计算模型

为消除边界效应的影响，模型范围取隧道结构外不小于5D长度范围。模型采用双线先后施工，先施工右线隧道，后施工左线隧道，施工方向均为由北向南掘进。双线分别为31 步施工完毕，每次施工步掌子面均推进2.4 m，下穿铁路段左右线施工时间上没有交叉。

3.2 模型参数

模型中圆砾地层采用Druck-Prager 理想塑性模型，粗砂和黏土层采用Mohr-Coulomb 模型。高铁路基钢轨、轨枕和铁路桥桩采用1D 结构单元；道床、路基、铁路桥梁、桥墩和承台均采用3D 实体单元；盾构管片选取3D 实体单元，管片混凝土弹性模量Esc=0.8E，其中E为混凝土的弹性模量。

3.3 模拟结果分析

3.3.1 高铁桥下地表沉降

图4 为有、无隔离桩2 种工况条件下盾构穿越高铁桥梁桩基施工完成后高铁桥梁下地表沉降曲线。从图4 可以看出，隧道施工完成后，无隔离桩时，地表最大沉降量为25.9 mm，出现在11#监测点位置，为盾构拱顶地表沉降监测点。设置隔离桩时，地表最大沉降量为9.97 mm，也出现在11#监测点位置。设置隔离桩后地表最大沉降减少159%。这说明采用隔离桩通过隔断土层破裂面的发展方向，减小了盾构推进对地表沉降的影响，隔离桩对减轻盾构对桥梁桩基的影响和减小地表沉降具有良好的控制作用。其后变形有一定的隆起，这是因为盾构穿越施工过程中采用同步注浆、二次注浆和多次补浆技术，当盾构穿越时，该测点会引起一定范围土体的下沉，其后由于注浆补液作用下沉部分土体会产生一定的回弹，所在盾构通过后，地表沉降会产生一定的反弹。施工完成后，无隔离桩时16 号桩基沉降值为6.6 mm，设置隔离桩时地表沉降为7.3 mm，二者相差10.6%。

图4 高铁桥下地表沉降

3.3.2 桥墩承台沉降

设置隔离桩时，在隧道施工完成后，现场监测和数值模拟计算得到的各桥墩承台的最大沉降量如图5所示。从图5 可以看出靠近盾构双线内侧的桥墩承台因为受双线的影响，其沉降量要大于盾构双线两侧桥墩承台的沉降。最大沉降量为0.89 mm，为11 号桥台，为沈丹上行疏解线对应的中间承台；最小沉降量为0.26 mm，为9 号桥台，为哈大高铁对应的左线外侧承台。其沉降值满足TB 10182—2017《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》中关于桥梁墩台顶部竖向位移不得超过2 mm 的规定。

图5 各桥墩承台最大沉降量对比

4 结论

以沈阳地铁第十七合同段停车场出入场线盾构区间入场线盾构区间为工程背景，采用盾构推进参数理论分析、有限元数值模拟、现场地表沉降和桥墩承台监测相结合的方法，研究了隔离桩布置、土压力、推进速度、出土量、同步和二次注浆压力和注浆量等参数，主要研究结论如下。

采用试验段理论计算出了土仓压力、推进速度、出土量、同步注浆能力和注浆量、二次注浆压力及注浆量和出渣口闸门防喷涌等盾构推进参数，给出了试验段盾构推进参数及控制措施。

利用有限元数值模拟软件MIDAS GTS 建立盾构隧道连续下穿高铁桥梁桩基数值计算模型，研究了有无隔离桩施工时高铁桥下地表和桥墩承台沉降规律。数值模拟结果表明：设置隔离桩后地表最大沉降减少159%，桥墩承台最大沉降量为0.89 mm，满足规范要求。