盾构隧道下穿对高铁CFG桩复合地基路基影响与控制技术研究
随着我国高铁与地铁的飞速发展，难以避免地出现了二者相接驳的工程，CFG桩复合地基在多个高铁软弱路基加固中得到了广泛应用。这些高铁线路中均未设置下穿区，因此盾构隧道下穿多在下卧层中进行，施工扰动会降低上部桩基承载力，增加轨道不平顺，而无砟轨道对于钢轨变形要求极高，若控制不当，会对高铁运行的稳定性与安全性造成严重影响。本文依托西安地铁某区间盾构隧道下穿徐兰高铁CFG桩复合地基路基工程，以安全施工为前提，采用案例调研、理论解析、模型试验、数值分析与现场实测等方法，系统性地研究了盾构隧道下穿对高铁CFG桩、路基、轨道板及钢轨的影响，旨在为类似工程提供参考。 （1）基于文献初步分析了盾构隧道下穿对上部群桩、路基、轨道板及钢轨的影响，确定了后续的研究重点，结果发现：盾构隧道近距下穿会对降低上方桩基承载力，高铁路基会产生沉降槽与发生表层开裂，轨道板与路基的刚度差异可能使二者间产生局部脱空区，钢轨主要产生中长波的高低不平顺。以变形准则为此次隧道下穿的安全判别准则，将影响分区分为三个区，统计了近年来盾构隧道下穿高铁路基及西安地区盾构施工案例，结合国内外相关规范，初步确定了安全下穿的高铁路基沉降阈值为10mm，轨道板沉降阈值为8mm，钢轨沉降阈值为6mm，同时需要对列车进行限速（120km/h以内）与加强监控量测（路基沉降与轨道板沉降等）。 （2）基于当层法理论将高铁路基-复合地基-下卧层概化为均质弹性地层并计算隧道等效埋深，建立了更全面的盾构施工三维受力模型，首先采用考虑隧道椭圆型非等量径向移动假定得到了地层损失引起的路基变形，再采用Mindlin基本解分别计算了盾构机开挖面附加推力、刀盘与地层间摩擦力、盾壳与地层间摩擦力、同步注浆附加压力等5种作用力引起的路基变形，将结果叠加从而得到高铁路基变形三维解。在不考虑路基与轨道板脱空情况下，采用两阶段法与Pasternak地基梁模型推导了轨道板变形与钢轨变形的计算公式；在考虑路基与轨道板局部脱空情况下，将脱空区域概化为简支梁模型，采用叠加法分别推导了自重作用下轨道板变形与钢轨变形计算公式。通过Matlab软件与Guass-Legendre五点求积公式计算高铁路基变形，与现场实测对比验证了路基变形三维解的有效性，并分析了盾构施工参数对路基变形的影响。 （3）根据相似理论配置了模型土，制作了模型桩，设计了隧道开挖模拟装置，包括动力系统及刀盘与机身，整体置于滑轨与支架上，进行了不同桩底与隧道间距工况的模型试验。结果发现：路基沉降基本符合高斯分布，随着桩底与隧道间距的增加而减小，amp;nbsp;沉降槽宽度随着桩底与隧道间距的增加而增大，试验结果与解析结果吻合度较高，证明隧道开挖装置能够模拟盾构施工过程中地层损失的影响；隧道开挖期间，开始时排土量较稳定，后来刀盘出现结泥饼现象，承担荷载逐渐增加，排土量逐渐线性减小，这对于顺利施工是极不利的；桩间土沉降随着埋深增加而增加，随着桩底与隧道间距增加而减小，与路基沉降变化规律类似，接近段，下穿段与下穿后沉降占比约为3：4：3；隧道土压力变化幅度随着桩底与隧道间距增加而增加，松动区上限距拱顶1.6D，距离拱腰两侧2.3D，距离拱底0.4D，土压力减小幅度依次为拱顶gt;拱肩gt;拱腰gt;拱脚gt;拱底，需要严格控制桩底与隧道间距，避免大部分桩身位于土体松动区中。 （4）采用ABAQUS软件建立精细化三维数值模型进行以上章节补充计算，分析后发现：隧道正上方桩基承载力损失最大，其随着距离隧道中轴线距离增加而减小，随着桩底与隧道间距增加而减小，当桩底与隧道间距小于0.5D时，最大桩基承载力损失仍小于25％，对上部结构安全影响较小；高铁上部结构沉降逐渐衰减，路基沉降gt;轨道板沉降gt;钢轨沉降，单线施工时，这些均满足高斯分布，双线施工时，相当于双沉降槽叠加，隧道间距1D时这些满足高斯分布，隧道间距大于2D时这些满足双峰高斯分布；高铁上部结构沉降随着桩底与隧道间距增加而减小，影响范围随着下穿角度增加而减小，叠加效应随着隧道间距增加而减弱；轨道板最大主应力随着最大变形增加而线性增加，当轨道板变形满足控制标准要求时，轨道板受力是满足强度要求的，同时支承层弯矩大于道床板弯矩。结合计算结果，建议桩底与隧道间距不小于0.5D，隧道下穿角度不小于45°，隧道间距不小于2D；修正了高铁上部结构变形控制标准，路基沉降按照8mm控制，轨道板沉降按照7mm控制，钢轨沉降按照6mm控制。 （5）通过方案对比后选取了合适的控制措施为地层深孔注浆与管幕注浆，当钢轨变形过大时选择特殊大调整量扣件方法或线路抬升注浆方法，以及各种不同损伤时轨道整修方法；采用数值分析研究了不同控制措施的效果，发现深孔注浆与管幕注浆均能使得路基沉降，轨道板沉降及钢轨沉降在控制标准内，其中深孔注浆效果更好，因此本案例选取了深孔注浆作为地层加固方法；施工方案中首先选用复合土压平衡式盾构机，然后采用了两个开挖试验段进行盾构施工参数调整，再加强同步注浆及盾尾密封，增设注浆孔及加强深孔注浆；提前制定了对应的监控方案与预警反馈机制，监测结果表明最终结构沉降小于数值计算结果且均满足控制标准要求。
盾构施工;高铁路基;CFG桩复合地基;轨道结构;控制技术
长安大学
博士
桥梁与隧道工程
赖金星
2022
中文
U455.43
2023-07-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）