摘要：文章依托巖溶地區(qū)地鐵隧道盾構(gòu)下穿既有高鐵橋梁的工程實例，通過數(shù)值仿真計算分析了高鐵橋梁沉降控制的影響因素，得到如下結(jié)論：（1）不處理溶洞時，在橋墩與隧道間增加隔離樁，可對橋墩沉降控制起一定的影響，但總沉降仍不滿足要求；（2）對兩橋墩范圍內(nèi)的溶洞進(jìn)行注漿處理，既能滿足控制高鐵橋梁沉降的要求，也能合理控制施工成本；（3）綜合考慮施工難度、成本及高鐵橋梁沉降控制量，以盾構(gòu)施工注漿壓力為0.5 MPa、土倉壓力為0.13 MPa最為合理。

關(guān)鍵詞：高鐵橋梁；盾構(gòu)隧道；下穿；沉降控制

中圖分類號：U455

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，以及城市交通網(wǎng)規(guī)劃的日益復(fù)雜化，不可避免地會出現(xiàn)隧道下穿橋梁的工程狀況。而隧道開挖對周邊地層存在較大的擾動，會引起地層變形，甚至導(dǎo)致地表既有橋梁的變形，給其安全運營埋下一定的隱患。

對此，已有諸多學(xué)者進(jìn)行了研究。蔣小銳等［1］基于某實際工程，探討了明挖隧道下穿既有高鐵橋梁時的控制標(biāo)準(zhǔn)和施工控制措施，并利用有限元軟件進(jìn)行分析。孫武鵬［2］依托甬金高速公路改擴建工程，分析了明挖深埋隧道下穿施工對既有高鐵橋梁的影響，提出相應(yīng)的支撐體系，經(jīng)數(shù)值模擬驗證了該施工方案的可行性。陳俊林等［3］依托北京某盾構(gòu)隧道下穿既有高鐵橋梁的工程實例，利用FLAC 3D軟件分析了隧道施工對高鐵橋梁的影響，認(rèn)為設(shè)置隔離樁對橋梁變形有較好的控制作用。呂昌懷等［4］依托實際工程，通過數(shù)值模擬研究了明挖隧道和盾構(gòu)隧道施工對高鐵橋梁變形的影響，并通過設(shè)置隔離樁的方法有效控制了高鐵橋梁的變形。吳華州等［5］依托北京地鐵某工程，利用數(shù)值模擬分析盾構(gòu)隧道施工對地表既有橋梁的影響，結(jié)果表明，二次補漿可以有效控制既有橋梁沉降變形。張秀山等［6］通過Midas GTS軟件分析了樁底小凈距盾構(gòu)下穿橋梁時，注漿加固對橋梁變形控制的影響。本文依托廣東某城市巖溶地區(qū)盾構(gòu)隧道下穿既有高鐵的實際工程，通過數(shù)值仿真計算對既有橋梁變形控制的影響因素進(jìn)行研究，可為后續(xù)類似工程提供一定的工程經(jīng)驗。

1 工程概況

本文所依托工程位于廣東某發(fā)達(dá)城市，考慮到城市發(fā)展的要求，規(guī)劃以盾構(gòu)法施工的地鐵，需在兩橋墩間下穿高鐵橋梁。橋墩D1承臺高為3 m，承臺下為12根樁徑為1.5 m、樁長為12.3 m的端承鉆孔樁；橋墩D2承臺高3 m，承臺下為12根樁徑為1.5 m、樁長為36.6 m的端承鉆孔樁。下穿區(qū)域存在溶洞發(fā)育、裂隙溶蝕等巖溶現(xiàn)象，據(jù)探明兩橋墩之間存在4處溶洞，內(nèi)部填充軟塑性黏土，夾雜部分砂土、卵石和可塑狀黏土，其具體特征如表1所示。

溶洞R1和R2的規(guī)模比較龐大，上覆土體深厚，加固效果對隧道盾構(gòu)掘進(jìn)和高鐵橋梁安全均有較大影響；而溶洞R3和R4規(guī)模相對較小，但是其位置臨近橋墩D1的樁基底部，對其進(jìn)行加固時，可能對高鐵橋梁產(chǎn)生一定的影響。為減小溶洞處理和隧道盾構(gòu)施工對高鐵橋梁變形的影響，在隧道和高鐵橋梁樁基間按照樁徑為0.6 m、樁間距為1 m，設(shè)置一排總長度為34 m的隔離樁，其左右線隔離樁樁長分別為23.27 m、22.15 m，深至隧道底板地下1 m，頂部設(shè)置尺寸為0.8 m×1 m的冠梁，并將樁頂錨入其中。溶洞、隔離樁的平面分布與剖面分布如圖1所示。

2 計算模型

考慮到隧道開挖后的影響范圍約為隧道直徑的3～5倍，故模型以橋墩D1和橋墩D2連線中點為原點，左右各取60 m，前后各取60 m，深度取50 m，即模型總體尺寸為120 m×120 m×50 m。為簡化計算過程，故作如下假定：（1）簡化地層，設(shè)定其從地表至下分別為水平層狀分布的填土、粉砂、粉質(zhì)黏土和微風(fēng)化碎屑灰?guī)r，各層土體均質(zhì)且各向同性；（2）初始地應(yīng)力只考慮重力影響；（3）設(shè)定土體均為摩爾-庫倫模型，隧道圍巖為彈塑性體；（4）不考慮地下水及土體蠕變；（5）設(shè)定隧道為直線，不考慮曲率和坡度影響。

根據(jù)上述假設(shè)和空間關(guān)系建立三維仿真模型如圖2所示，其中，隧道襯砌采用殼單元模擬，隔離樁采用樁單元模擬，冠梁采用梁單元模擬，其余均采用實體單元模擬。在橋墩D1、橋墩D2監(jiān)測點頂部和中部分別設(shè)置兩個監(jiān)測點，其編號及位置如圖2所示。根據(jù)實際施工，設(shè)定左線隧道先開挖，左線開挖完成后開挖右線隧道。

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)勘察資料設(shè)置模型土體參數(shù)如表2所示。

3 溶洞處理的必要性分析

為分析對溶洞進(jìn)行注漿加固的必要性，先針對不處理溶洞不加隔離樁、不處理溶洞加隔離樁這兩種工況進(jìn)行分析。以橋墩沉降＜10 mm作為判斷高鐵橋梁變形的控制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知，不處理溶洞不加隔離樁工況下，橋墩D1在兩隧道掘進(jìn)完成后的總沉降為19.8 mm，超過了10 mm的控制標(biāo)準(zhǔn)，不符合要求；不處理溶洞加隔離樁工況下，橋墩D1在兩隧道掘進(jìn)完成后的總沉降為13.5 mm，超過了10 mm的控制標(biāo)準(zhǔn)。由此可知，隔離樁雖然能起到控制沉降的效果，但依然不符合要求。故對溶洞進(jìn)行處理是十分必要的。

溶洞的存在會造成許多問題，溶洞一般不會單獨存在，而是以溶洞群的方式存在，大小溶洞相互串聯(lián)，當(dāng)隧道盾構(gòu)施工時，極易導(dǎo)致溶洞因地下水和填充物損失而發(fā)生垮塌，從而引起地層發(fā)生較大的不均勻沉降；其次，溶洞受到施工擾動的影響，易造成其頂蓋脫離，進(jìn)一步引發(fā)地層沉降；更重要的是，溶洞的處理較為困難，處理不當(dāng)易導(dǎo)致工后沉降過大，不利于其上結(jié)構(gòu)物的安全。因此，為保障隧道施工安全，控制高鐵橋梁變形，確保既有高鐵和新建地鐵的運營安全，選用通過地表注漿的方式加固溶洞，在數(shù)值模擬中通過改變相應(yīng)部位土體的力學(xué)參數(shù)實現(xiàn)。進(jìn)行仿真計算時，設(shè)置隧道開挖步長為6 m，共計算40步。

4 結(jié)果分析

4.1 不同溶洞處理方式

溶洞處理工況1：僅對兩排隔離樁之間的溶洞R1進(jìn)行注漿處理，并加隔離樁，得到各測點的豎向位移如圖3所示。

由圖3（a）可知，當(dāng)左側(cè)隧道開始施工時，其左側(cè)橋墩D2頂部兩監(jiān)測點沉降逐漸增大，并在第8個開挖步（Z8）時出現(xiàn)突增，究其原因是第8個開挖步時，左線隧道正好施工到橋墩D2附近。而當(dāng)左線隧道施工完成，右線隧道開始施工時，左側(cè)橋墩D2沉降值變化較小，趨于穩(wěn)定。對于右側(cè)橋墩D1而言，當(dāng)右側(cè)隧道掘進(jìn)至第4個施工步（Y4）時，其頂部兩監(jiān)測點沉降發(fā)生突變，這主要是因為隧道施工靠近右側(cè)橋墩D 而橋墩D1附近存在兩溶洞R3和R4。而后隧道施工逐漸遠(yuǎn)離右側(cè)橋墩D 其頂部監(jiān)測點沉降值也逐漸趨于穩(wěn)定。僅處理隔離樁內(nèi)側(cè)溶洞工況下，橋墩頂部最大沉降在右側(cè)橋墩D1處，沉降值為10.6 mm，超過了10 mm控制值，不符合要求，需進(jìn)行更多處理。由圖3（b）可知，橋墩中部監(jiān)測點沉降值變化規(guī)律與墩頂類似，其沉降最大在右側(cè)橋墩D1處，沉降值為10.4 mm。

溶洞處理工況2：橋墩D1與橋墩D2之間存在3個溶洞，分別為半填充溶洞R1和無填充溶洞R3、R4，對其進(jìn)行注漿處理，并加隔離樁，計算得到各監(jiān)測點的沉降值。兩橋墩各監(jiān)測點變化規(guī)律與溶洞處理工況1類似，左側(cè)橋墩D2各監(jiān)測點沉降值在左側(cè)隧道掘進(jìn)至第8個施工步（Z8）時出現(xiàn)突增，隨著開挖隧道遠(yuǎn)離而逐漸趨于穩(wěn)定；右側(cè)橋墩D1各監(jiān)測點在右側(cè)隧道掘進(jìn)至第4個施工步（Y4）時出現(xiàn)突增，隨著開挖隧道的遠(yuǎn)離而逐漸趨于穩(wěn)定。在隧道開挖施工全過程中，兩橋墩頂部監(jiān)測點最大沉降值為6.6 mm，中部監(jiān)測點最大沉降值為6.3 mm，符合要求。

溶洞處理工況3：對施工周邊探明的4個溶洞均進(jìn)行注漿處理，并計算得到各監(jiān)測點的沉降值。兩橋墩各監(jiān)測點變化規(guī)律與上述兩種工況類似，故不再贅述，在隧道開挖全過程中，兩橋墩頂部監(jiān)測點最大沉降值為5.7 mm，中部監(jiān)測點最大沉降值為5.5 mm，符合要求。

對比不處理溶洞加隔離樁工況與3種溶洞處理工況下，左側(cè)橋墩D2頂部監(jiān)測點ZS2的沉降值和右側(cè)橋墩D1頂部監(jiān)測點YS2的沉降值如圖4所示。

由圖4可知，不處理溶洞加隔離樁工況下，兩橋墩頂部監(jiān)測點的沉降值最大；溶洞處理工況1相較于不處理溶洞情況下，沉降值有明顯的降低；對比3種處理溶洞的工況可知，處理溶洞數(shù)量越多，則兩橋墩頂部的沉降值越??；左側(cè)橋墩D2在左側(cè)隧道開挖臨近時，沉降變化速率急劇增大，后逐漸趨于穩(wěn)定；右側(cè)橋墩D1[JP5]在左側(cè)隧道開挖時變化較小，在右側(cè)隧道開挖臨近時，其沉降變化速率急劇增大，后逐漸趨于穩(wěn)定。

綜上可知，通過溶洞處理可以較好地控制橋墩變形，起到一定的穩(wěn)定作用。其中，溶洞處理工況2：對半填充溶洞R1和無填充溶洞R3、R4進(jìn)行注漿處理，在加隔離樁的情況下，橋墩各監(jiān)測點沉降值均在變形控制量范圍內(nèi)，且與溶洞處理工況3的差異較小。故綜合安全性和經(jīng)濟性而言，工況2為溶洞處理最優(yōu)方案。

4.2 注漿壓力的影響

盾構(gòu)機在掘進(jìn)過程中，會采用盾尾同步注漿的方式控制地表沉降，因此不可避免地需要施加一定的注漿壓力，而注漿壓力可能對橋墩變形產(chǎn)生一定的影響，因此需要通過數(shù)值模擬進(jìn)行分析。在上文溶洞處理工況2（不施加注漿壓力工況）的基礎(chǔ)上，分別進(jìn)行注漿壓力為0.3 MPa、0.5 MPa和0.7 MPa工況的數(shù)值仿真計算，假定注漿壓力均勻分布于隧道周圍巖體上，可得到橋墩沉降最大的監(jiān)測點ZS2和YS2的監(jiān)測值變化規(guī)律如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)不進(jìn)行注漿處理時，橋墩頂部監(jiān)測點沉降值最大；施加0.3 MPa注漿的注漿壓力時，橋墩頂部監(jiān)測點沉降值有所減?。皇┘?.5 MPa注漿的注漿壓力時，橋墩頂部監(jiān)測點沉降值有明顯減少；施加0.7 MPa注漿的注漿壓力時，橋墩頂部由向下沉降變?yōu)橄蛏下∑?。分析其原因是注漿壓力過大，對土體產(chǎn)生一個壓力，進(jìn)一步導(dǎo)致橋墩測點向上隆起。故分析可知，四種工況中，注漿壓力0.5 MPa工況對橋墩變形的控制效果最佳。

4.3 土倉壓力的影響

盾構(gòu)機掘進(jìn)過程中，增大土倉壓力可以顯著提高隧道施工速度，但是也增大了施工難度，而且可能對橋墩變形產(chǎn)生一定的影響；而土倉壓力過小則導(dǎo)致施工速度過慢，延長工期，因此需要對土倉壓力的合理性進(jìn)行研究。在上文溶洞處理工況2和注漿壓力0.5 MPa的基礎(chǔ)上，分別設(shè)置土倉壓力為0.08 MPa、0.13 MPa、0.18 MPa3種工況，假定土倉壓力均勻分布于掌子面上，通過數(shù)值仿真計算得到橋墩沉降值最大的監(jiān)測點ZS2和YS2的監(jiān)測值變化規(guī)律如圖6所示。

由圖6可知，當(dāng)土倉壓力為0.08 MPa時，兩橋墩頂部監(jiān)測點沉降值最大，分別為2.8 mm和3.1 mm；當(dāng)土倉壓力增大至0.13 MPa時，兩橋墩頂部監(jiān)測點沉降值有明顯減??；而隨著土倉壓力進(jìn)一步增大，兩橋墩頂部監(jiān)測點沉降值變化較小。故綜合考慮，認(rèn)為設(shè)置土倉壓力為0.13 MPa時最佳。

5 結(jié)語

地鐵隧道施工不可避免會對地層造成擾動，引發(fā)地表沉降，從而對地面既有建筑物的穩(wěn)定性造成一定影響。本文依托南方某城市巖溶地區(qū)地鐵隧道盾構(gòu)施工下穿高鐵橋梁的工程實例，通過數(shù)值仿真計算，研究了加隔離樁及溶洞注漿處理的必要性，并對溶洞注漿處理范圍、盾構(gòu)機注漿壓力、盾構(gòu)機土倉壓力等影響因素進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

（1）在開挖隧道與橋墩之間增加一排隔離樁對控制臨近橋墩的沉降變形有一定影響，但由于溶洞的存在，依然會導(dǎo)致橋墩變形超過控制量，故需要進(jìn)行進(jìn)一步處理。

（2）分析不同溶洞處理的工況可知，處理溶洞數(shù)量越多，橋墩沉降變形越小，而處理兩橋墩內(nèi)側(cè)3個溶洞和處理全部溶洞工況下，橋墩沉降值相差較小，且均在控制量以內(nèi)，故綜合經(jīng)濟性和安全性而言，處理兩橋墩內(nèi)側(cè)溶洞最為合理。

（3）對盾構(gòu)施工不同注漿壓力的影響進(jìn)行分析可知，隨著注漿壓力的增大，兩橋墩沉降值逐漸減??；當(dāng)注漿壓力過大時，橋墩向上隆起，綜合考慮施工難度和安全性，認(rèn)為0.5 MPa的注漿壓力最為合理。

（4）對盾構(gòu)施工不同土倉壓力的影響進(jìn)行的分析可知，隨著土倉壓力的增大，兩橋墩沉降值逐漸減??；當(dāng)土倉壓力為0.13 MPa和土倉壓力為0.18 MPa時，橋墩沉降值的變化相對較小，均在控制量范圍內(nèi)，故認(rèn)為土倉壓力為0.13 MPa時最優(yōu)。

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收稿日期：2023-10-16

作者簡介：莫利軍（1989—），工程師，主要從事項目生產(chǎn)經(jīng)營管理工作。