随着城市轨道交通与高速路桥的并行发展，城市地铁盾构隧道小曲线近距离下穿高铁桥工程成为城市三维立体交通建设所面临的难题，尤其是两者对各自运行环境均具有极为苛刻的控制要求，受高铁桥列车动荷载、盾构小曲线掘进地层损失加剧、小净距叠落穿越桥桩易引起不均匀沉降等因素影响 ^[1]，在设计与施工控制中稍有不慎将造成严重施工风险与安全事故。

　　 目前，盾构隧道小曲线半径施工控制 ^[2,3,4,5]与盾构近距离下穿施工控制技术 ^[6,7,8,9]方面已经积累了较为丰富的工程经验和技术依据，但两者结合形成的盾构隧道小曲线叠落下穿高铁桥施工控制技术尚属匮乏，亟待形成相应的施工防控对策。

　　 本文以济南轨道交通R1线、R2线盾构隧道小曲线半径、小净距、叠落下穿京沪高铁桥为工程背景，提出多区间交叠隧道下穿施工主动控制技术体系，并通过现场监测进行分析验证，旨在为类似工程的设计施工及灾变防控提供工程经验与技术指导。

　　 济南市轨道交通R1线王府庄站—大杨站区间隧道在里程K29+283.029—K29+538.744段以曲率半径为300m叠落下穿京沪高铁连续梁桥，左右区间最小间距4.33m;且该桥跨同时有地铁R2线正穿京沪高铁桥，在R1线上方5.25m，左右区间净距5.6m，其相对位置分布如图1所示。下穿段各结构空间距离及地质情况如表1所示。

　　 R1线与R2线隧道均采用主动铰接土压平衡盾构机掘进，刀盘外径为6.68m，管片采用单层钢筋混凝土装配式结构，外径6.4m，内径5.8m，厚度0.3m，环宽1.2m，管片环分为6块，由1块封顶块K、2块邻接块B、3块标准块A构成，错缝拼装。京沪高铁桥为64m桥跨预应力连续梁桥，设计最高速度380km/h，当前运营速度为300km/h，桥下采用低承台群桩基础，承台尺寸11m×26.6m，承台下方布置21根直径为1.5m的圆桩构成群桩基础，104号桥墩桩长45m,105号桥墩桩长42m。

　　 R1线与R2线小曲线半径叠落下穿京沪高铁桥的独特性及重难点主要表现为以下方面。

　　 小半径是指R1线盾构隧道左、右线分别以曲率半径300,310m下穿京沪高铁桥，受小曲线盾构掘进刀盘内侧超挖、盾壳挤压内壁土体、千斤顶不平衡力推进、盾尾间隙增大等因素的影响，容易造成周围土体损失加剧、地层不均匀沉陷、高铁桥桩基变形或偏移超标等安全隐患。

　　 长距离是指R1线盾构区间由东西走向的刘长山路穿经高铁桥转至南北走向的党杨路，曲线转弯段达1/4圆弧，如此长距离连续曲线盾构在国内外尚属少见，其长距离掘进过程对地层的叠加扰动及高铁桥累计变形成为工程重难点。

　　 如表1所示，R1线左、右线距104,105号桥墩桩基最小净距仅为10.45m和10.84m。R2线左、右线距104,105号桥墩桩基最小净距为15.81m和18.79m。盾构近距离穿越桥桩会打破桩基周围土体应力状态，其施工地层损失将引起桩周土体松弛，桩基摩阻力下降，导致高铁桥桩发生较大沉降。

　　 R1线左、右线隧道为上下叠落，净距仅为4.33m,R1线右线与R2线左线垂直净距仅为5.25m，均属于小净距隧道，其后期隧道掘进会对前期既有隧道产生再次扰动影响，对支护加固与施工控制技术有严格要求。

　　 下穿区域土层类型包括第四系土、新黄土、细砂、粉质黏土、中砂、黏土、粗圆砾土、泥灰岩、石灰岩等，第四系覆盖层成因以冲洪积为主，且厚度>50m，形成了济南典型的厚冲洪积层地质特征，黏聚力较大，一般为c=40～52kPa，内摩擦角φ=20°～28°，对盾构掘进控制提出挑战。

　　 京沪高铁是南北客运大动脉，当前运营速度为300km/h，盾构隧道下穿施工不能中断上部高铁运行，高铁与地铁均对各自的运行环境要求极为苛刻，两者交互影响，稍有不慎将造成严重的安全事故。因此，本工程制定了严格的变形控制标准:高铁桥墩桩基水平及沉降控制限值为1.0mm、相邻墩台差异沉降限值为1.0mm;盾构穿越施工地表沉降控制标准为20mm。

　　 R1线与R2线以小半径、小净距、交叠穿越运行京沪高铁桥是济南地铁建设中的特级风险点，为确保隧道结构本身及近接高铁桥的整体稳定与严格变形控制要求，提出了多盾构隧道小曲线、小净距、交叠下穿高架桥主动控制技术体系，包含:(1)盾构叠落下穿施工顺序优选原则;(2)主动隔离控制技术;(3)管片结构加强技术;(4)交叠区洞内加固控制技术;(5)下穿高铁桥减隔振控制。

　　 为尽量减小R1线、R2线4条隧道叠落下穿对运行京沪高铁桥结构变形的影响，通过建立高精度数值模型(见图2)，对4条隧道不同顺序下穿施工引起的结构变形进行比选分析，得到对周边环境影响最小的下穿施工顺序。

　　 如图2所示，通过进行R1线、R2线区间共8种下穿顺序施工工况的数值模拟分析，得到对104号与105号桥墩沉降变形最小的下穿施工顺序为:R1线左线→R1线右线→R2线右线→R2线左线。

　　 结合图1中的R1线、R2线空间位置分布，得到盾构小净距、叠落下穿高架桥的施工顺序优选原则为:叠落盾构隧道按自下而上顺序施工，同一平面盾构隧道按与既有隧道由远而近顺序施工。

　　 为避免4条盾构隧道近距离下穿京沪高铁桥施工对桥墩结构的叠加损伤及桥桩附加变形，提出了在下穿施工前预先施做隔离桩的主动控制措施，主动改变地层原始连续力学性能，起到主动隔离、预控风险的作用 ^[10]。

　　 在盾构下穿高铁桥前1个月完成隔离桩施工，在隧道与高铁桥桩间打设800@1 000的钻孔灌注桩，防护范围长出桥墩外15m，桩底达到盾构管片结构底以下4.0m，以限制盾构掘进引起的桥桩水平变形，尽量阻断盾构施工的应力传递及变形扩展。经过前期研究比选 ^[8]，隔离桩布设采用折线形综合应用效果最佳，如图3所示。

　　 钻孔灌注桩采用磨盘正循环钻机成孔，泥浆护壁效果好，适用于卵石地层施工，钻机高6m，满足高架桥下施工空间，最不利位置距梁底3.4m。其施工流程如图4所示。

　　 钻孔灌注桩施工要点如下。

　　 1)为减小钻孔灌注桩施工对高铁桥桩的影响，采用跳桩施工，跳2孔钻1孔，且保证“钻一孔，注一孔”，并保证对称钻孔。邻近桩灌注时间不宜小于24h。

　　 2)为避免隔离桩塌孔对高铁桥桩基水平变形影响，钻孔灌注桩施工采用钢护筒跟进与泥水护壁。若出现塌孔，应立即停止周围钻孔施工，查明塌孔原因，并加强对桥梁结构监测。补桩时，应在原桩位进行钻孔灌注。

　　 3)磨盘正循环钻机钻进时先轻压、低转速、慢钻进，进入正常状态后，逐渐加大转速和钻进速度。全程控制钻进参数、钻速;在换层钻进时，适当地减慢转速和减轻钻压，防止造成钻孔倾斜;成孔完毕至开始灌注混凝土的时间间隔控制在16h内，每根桩灌注时间控制在4～6h内。

　　 4)由于施工场地高架桥高度限制，钢筋笼分8节制作，单节长度5m左右，采用磨盘钻机的卷扬设备进行钢筋笼吊装工作。

　　 考虑地下水对桥梁沉降的影响及降低盾构施工难度，对隔离桩间中、细砂层及卵石层采取袖阀管注浆处理。采用直径40mm刚性袖阀管后退式分段注浆，出浆孔眼直径约6mm，梅花形布孔，孔眼间距20cm，并用橡胶皮封住外管。管径注浆间距1.2m，充填影响半径0.8m。其施工工艺流程如图5所示。

　　 袖阀管注浆施工要点如下。

　　 1)袖阀管钻孔采用引孔钻机，钻孔直径为90mm，孔深需达设计要求。注浆局部加固作业空间受限处，可通过调整注浆管角度、加密注浆孔布置等措施调整。

　　 2)注浆材料为水泥、水玻璃双液浆，体积比为1∶1，水玻璃浓度为35°Bé，注浆压力控制在0.5～1.0MPa，配合比及注浆终压需经现场试验确定。

　　 3)采用间隔跳孔、逐步约束、先下后上的注浆方法。钻孔顺序为先钻周边孔，由外向内逐步钻孔。注浆顺序为由外向内进行，先对加固范围线上钻孔进行注浆，阻断浆液漏失通道后，再逐步加密注浆孔，进行区域中部注浆压密。

　　 4)对高富水强渗透的卵石层袖阀管注浆加固应做现场专项试验，通过加强注浆口封堵、注入水泥-水玻璃双液浆、加注AB化学浆液、加注聚氨酯浆液等措施解决传统袖阀管注浆在此类地层中易塌孔、浆液易流失、注浆致密性不足的问题。

　　 对盾构下穿京沪高铁桥段的管片采取加强措施，以满足强度、耐久性及防水等要求。

　　 1)在盾构下穿高铁桥叠落段，对管片主筋和分布筋均进行加强，采用直径为25mm的HRB400钢筋为加强型管片。

　　 2)提高管片纵向螺栓等级，连接螺栓采用B级M27，性能8.8级，增加隧道纵向刚度。

　　 3)提高管片结构防水性能，采用抗渗等级为P12混凝土，管片接缝设置1道多孔型三元乙丙弹性密封垫、管片环缝及纵缝设置丁腈软木橡胶垫、管片慢环采用柔性聚氨酯密封胶嵌缝、仰拱范围出现水湿渍采用聚合物防水砂浆、所有螺栓孔均采用遇水膨胀橡胶圈进行密封处理、手孔采用塑料保护罩封堵。

　　 在盾构下穿高铁桥交叠区域，R1左线盾构掘进容易对左、右线间夹层土体产生扰动，改变土体原有结构，对右线盾构施工造成不利影响;同时，R1右线与后期R2线盾构掘进会对下部既有隧道产生附加应力和叠加变形。

　　 因此，为减小后施工盾构隧道对先成型隧道结构的劣化影响，同时减少上行隧道运营期工后沉降，对管片增设预留注浆孔，对该交叠区域夹层土体进行洞内注浆预加固处理，如图6,7所示。

　　 如图7所示，在R1线右线施工前，利用左线洞内增设的预留注浆孔向夹层土体进行二次或多次注浆预加固;右线施工后，通过右线预留注浆孔向夹层土体进行补偿注浆。

　　 注浆管采用直径42mm,t=3.5mm钢花管，打设角度均沿隧道径向，纵向间距为2.4m，左、右线交错布设。左线注浆管长度L=3.5m，右线L=3.0m;加固范围为右线底部120°，加固厚度3m。注浆液采用水泥浆，水灰比1∶1，间隔钻孔注浆。注浆压力控制在0.5～1.0MPa，现场根据注浆试验进行优化。加固后土体需具有良好的自立性、密封性及强度，无侧限抗压强度>0.8MPa。

　　 由于R1线两区间施工仅间隔100m，上行R1右线施工时，下方左线隧道周围土体未完全固结，会对隧道管片产生纵向不均匀沉降。因此，在上行盾构掘进期间，对下方隧道架设台车支撑体系以加强先建隧道的整体纵向刚度，防止隧道出现局部较大变形，如图8所示。

　　 台车支撑段长度需根据盾构机长度选择，台车可在钢轨上行进，每道支撑由9点、11点、12点、1点和3点位共计5个轮式支撑组成，台车在外推力的作用下，可不卸力实现沿纵向向前移动。台车设计时应根据支撑可能承受的最大内力及隧道不均匀变形允许值，事先估算钢支撑的最小刚度，支撑应具备预应力调节的功能。R1右线盾构机必须与移动台车随时保持联系，保持两者同步行进。

　　 1)采用隔离桩减弱振动传播

　　 轨道交通隧道与高铁桥梁之间的隔离桩布设如3.2小节所述。

　　 2)设置地铁轨道减振措施

　　 分析得到高铁桥梁的振动主频为3～10Hz及60～70频段，因此，地铁轨道采用设置改良的橡胶(聚氨酯)浮置板减振轨道(一阶自振频率为10～20Hz)，从而既可避免与高铁桥梁发生共振，又能降低地铁列车的振动能量。

　　 1)盾构下穿高铁桥前，要建立盾构掘进试验段，根据实测数据优化调整各掘进参数，确定合理的参数控制范围。

　　 2)在盾构距离高铁桥桩基30m界限前，应检查刀具磨损情况，若有磨损应立即更换滚刀;确保管片防水和拼装质量;选用质量优良盾尾油脂。

　　 1)盾构推进顺序采用2台土压平衡盾构机相继始发，掘进顺序为:R1线左线→R1线右线→R2线右线→R2线左线。左、右线盾构始发间隔1个月或间距达100m以上。

　　 2)盾构掘进速度穿越过程要控制盾构连续均衡匀速推进，在满足掘进土压力及同步注浆的同时尽量提高掘进速度会减小对桥桩影响。

　　 3)增加刀盘转速，控制油缸推进力，减小盾构推进过程中对侧边土体剪切挤压作用;加大开挖面泡沫注入量，改善开挖面土体和易性，防止结泥饼，减少对前方土体挤压作用。

　　 1)同步注浆采用水泥砂浆，胶凝时间3～10h，对于强透水地层和软弱地层，通过现场试验调整配合比、加入促凝剂及早强剂，缩短胶凝时间，固结体1d强度≥0.2MPa,28d强度≥2.5MPa。

　　 根据济南地区盾构施工经验及成果 ^[11]，同步注浆量一般取盾尾建筑空隙的130%～174%。同步注浆速度应与掘进速度相匹配。

　　 2)二次注浆以注浆压力和注浆量双控，应遵循“多点、低压、多次”注浆原则。注浆压力一般为0.3～0.4MPa，浆液配合比为水泥∶水玻璃=1∶1(体积比);水泥浆水灰比=1∶1(质量比)。一般在盾尾脱出5～10环后进行二次(或多次)注浆，用于弥补同步压浆的不足。

　　 1)下穿过程要严控盾构轴线与姿态调整，不要向上抬头，严禁超量纠偏与蛇行摆动。在铁路下纠偏坡度控制在±1‰之内，平面偏差15mm内，一次纠偏量不超过5mm。

　　 2)通过控制掘进速度和出土量来控制土舱压力，保证土舱压力与开挖面压力平衡，减少盾构超挖和欠挖 ^[12]。

　　 3)施工过程中做好渣土改良，添加发泡剂降低渣土渗透性，减少掌子面失水;采用优良盾尾油脂，确保盾构掘进地下水位不发生变化。

　　 该下穿施工区域采用AMS全自动变形监测系统进行实时监测分析。远程计算机通过因特网控制远程GPRS模块，可远程监视和控制监测系统运行。系统在无操作人员条件下实现自动观测、记录、处理、存储、变形报表编制和变形趋势显示等功能。采用精度为±0.5″的全自动全站仪，将监测点布置好、运行仪器后，监测人员不再进入施工现场，在室内即可完成数据采集和输出，实现全天候实时数据分析与信息化控制。

　　 根据R1线、R2线盾构隧道下穿京沪高铁桥的桥墩变形实测曲线可知:R1线盾构下穿高铁桥的桥墩累计最大沉降值为0.3mm,R2线下穿施工后的累计最大沉降值为0.4mm，整个施工过程均未达到控制指标1mm，说明提出的多盾构隧道小净距、叠落下穿高架桥主动控制技术体系具有极佳的变形控制效果，基本实现了4条区间小净距交叠穿越运行高铁桥的施工“零沉降”控制。

　　 1)济南地铁隧道下穿京沪高铁桥工程具有小曲线长距离掘进、近距离穿越桥桩、盾构小净距交叠施工、砂黏冲积地层特色鲜明、地铁与高铁运行环境严苛等特点，研究其主动控制措施与盾构掘进技术对类似工程设计及灾害防控意义重大。

　　 2)提出了多盾构隧道小曲线、小净距、交叠下穿高架桥的主动控制技术体系:盾构叠落下穿施工顺序优选、主动隔离控制、管片结构加强、交叠区洞内加固控制、下穿高铁桥减隔振控制共5项技术。

　　 3)盾构下穿施工掘进控制措施主要包含:做好盾构下穿前准备工作、合理安排盾构推进顺序及速度、动态调整注浆控制、严控盾构下穿施工姿态。

　　 4)AMS全自动变形监测分析系统是盾构小曲线叠落下穿高铁桥施工的信息化保障，4条盾构区间穿越施工的桥墩最大沉降量仅为0.4mm，实现了“零沉降”控制，验证了该主动控制技术体系的极佳变形控制效果。