地鐵盾構下穿淺基礎太平北路石拱橋施工技術

趙立鋒，鄧劍峰，安 樂

(1.蘇州軌道交通有限公司建設分公司，江蘇蘇州 215000;2.常州軌道交通有限公司，江蘇蘇州 215000;3.中鐵三局華東公司，江蘇常州 213000)

0 引言

隨著城市地鐵的快速發(fā)展，地鐵盾構施工不可避免地要下穿一些市政建(構)筑物，特別是橋梁，這對地鐵盾構施工提出了很高的要求。目前，國內外對地鐵盾構下穿橋梁已有一定的研究。彭坤等［1］依托某地鐵盾構隧道下穿既有橋梁樁基工程，對盾構隧道順橋向穿越橋梁樁基的全過程進行了模擬，分析了2種不同的樁基加固方案條件下地表沉降和樁身變形規(guī)律。蘇東等［2］依托北京軌道交通機場線盾構法穿越三元橋工程，對穿越前盾構的準備、關鍵施工參數控制、土體改良、同步注漿、補充注漿、施工監(jiān)測和信息化管理進行了總結。許世偉等［3］依托沈陽地鐵2號線盾構下穿既有的黃河大街橋工程，采用FLAC 3D對盾構隧道臨近橋梁地段的施工過程進行數值模擬，定量預測施工對既有橋梁的影響程度。鄭世興［4］以上海軌道交通10號線某區(qū)間隧道穿越四平路上的沙涇港橋樁基為背景，詳細介紹了盾構工程穿越大流量通行橋梁基礎異形托換的施工工藝。上述研究主要是針對盾構下穿鋼筋混凝土橋，而對盾構下穿市政石拱橋的研究相對較少。本文依托南京地鐵3號線浮橋站－大行宮站區(qū)間工程，對盾構下穿太平北路橋(石拱橋)過程中的施工工藝進行分析研究，采取對橋梁進行內拱面加固和改良盾構掘進參數確保盾構順利通過石拱橋。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

太平北路橋(石拱橋)，沿太平北路南北向布置，主橋在太平北路主干道下。太平北路主干道為20 m寬，雙向6車道，輔橋在人行及非機動車道下，行人及非機動車道寬4 m。石拱橋為3孔橋，該橋建于20世紀50年代，90年代曾進行修繕。拱橋在修建時的橋梁基礎為條形基礎，并對基底進行了注漿加固，加固深度為1.4 m和1.8 m。南岸條形基礎下設置了1.5 m長木樁，盾構穿越石拱橋處地層為粉砂層、粉質黏土與粉砂互層。太平北路石拱橋現狀圖見圖1。

圖1 太平北路石拱橋現狀圖片Fig.1 Photo of Taiping North Road Stone Arch Bridge

1.2 地鐵區(qū)間線路與橋梁關系

南京地鐵3號線浮橋站－大行宮站區(qū)間設計起點站為浮橋站，出浮橋站后沿太平北路南下，依次下穿珠江路交叉口、內秦淮河、太平北路橋、長江路交叉口，在南京圖書館西側進入終點站大行宮站。區(qū)間隧道為圓形，采用外徑6.2 m，內徑 5.5 m，厚度0.35 m的C50混凝土管片襯砌，左、右線隧道線間距為13.1～16.2 m，最小曲線半徑為1 000 m，最大坡度為8.3‰。區(qū)間埋深 9.94 ～16.24 m，在里程 K21+990～K22+008下穿太平北路石拱橋，在石拱橋處最大埋深為5 m。太平北路石拱橋與隧道剖面位置關系圖見圖2。

2 石拱橋穩(wěn)定性分析及加固方案

2.1 石拱橋穩(wěn)定性分析

由于盾構沿著太平北路橋(石拱橋)下部通過，該橋建于20世紀50年代，時代久遠，材料存在一定的老化和腐蝕，這使得石拱橋對差異沉降十分敏感。石拱橋基礎底與隧道頂部垂直距離不到5.0 m，盾構過程中造成的地層擾動很容易使橋梁開裂甚至垮塌。同時，盾構隧道上方是粉砂地層，均屬透水性強地層，在盾構掘進過程中容易出現螺旋噴涌［5］、盾尾漏水等狀況，從而造成開挖面失穩(wěn)和地面下沉。為模擬盾構施工過程對既有石拱橋的影響，依據現場實際條件，從最不利角度考慮建立區(qū)間隧道下穿石拱橋時橋梁結構、墩臺基礎及管片采用實體單元模擬［6］，選用各向同性彈性本構模型［7］，根據現場掌握資料和擬采取的方案，主要考慮以下工況。

既有石拱橋在盾構隧道下穿時保持現有運營狀態(tài)。

圖2 太平北路石拱橋與隧道剖面位置關系圖(垂直穿越)Fig.2 Relationship between stone arch bridge and tunnel

通過數值分析計算，可得到基礎不均勻下沉值，以及相鄰基礎沉降差值(見表1)。由表1可知，拱橋橋臺不均勻沉降最大值為8.9 mm，發(fā)生在南側橋臺位置，其值超過5 mm，相鄰基礎沉降差最大值為7.1 mm，最大地表徑向位移為17 mm。鑒于石拱橋抗壓不抗拉，故盾構穿越該石拱橋存在較大的風險，需對石拱橋采取一定的加固措施［8］。

表1 分析模擬拱橋基礎沉降計算表Table 1 Settlement of foundation of stone arch bridge obtained by simulation analysis mm

2.2 石拱橋加固方案

橋梁建造年代相對較長，上部橋身為砌體結構，針對本工程的現實狀況和施工難度，采用增加鋼筋混凝土內拱圓箱形式托換處理［9］。在不破壞原有拱圈的基礎上，以鋼筋混凝土內拱來承擔原石拱橋拱圈(圈筋采用HRB335、D=12鋼筋，分布筋采用φ10@150，拉鉤筋為φ18@500)受力的方式，對內拱進行加強。內拱壁厚250 mm，同時每隔3 m，在內拱內加一道內拱暗梁(主筋上下各4根HRB335、D=20鋼筋，箍筋采用φ18@150)，內襯拱施工前，要在原石拱面上刷界面劑，以利于緊密結合達到共同受力目的。增加混凝土內拱圓箱型綁扎鋼筋照片見圖3。

圖3 增加混凝土內拱圓箱型綁扎鋼筋照片Fig.3 Steel bars of inner concrete arch

2.3 加固后過水斷面影響情況

2.3.1 加固前、后過水斷面比較

見表2。

表2 加固前后過水斷面統(tǒng)計圖Table 2 Cross-section of water before and after bridge reinforcement

2.3.2 標高7.0 m洪峰時過水斷面比較

見表3。

表3 標高7.0 m洪峰時加固前后過水斷面統(tǒng)計圖Table 3 Cross-section of water before and after bridge reinforcement at elevation 7.0 m flood peak

加固前拱頂標高9.2 m，加固后拱頂標高8.95 m，加固后洪峰水位標高7.25 m＜拱頂標高8.95 m。

經調查，臨近河道的規(guī)劃流量為23.6 m3/s，原有過水斷面為 33.86 m2，加固后有所降低(27.19 m2)。為補償減少的過水斷面面積，混凝土拱圈內側涂刷一層防水涂料(GS型)，并保證表面光滑，以減少流水阻力，提高流速。增加混凝土內拱圓箱型處理后石拱橋照片見圖4。

圖4 增加混凝土內拱圓箱型處理后石拱橋照片Fig.4 Photo of stone arch bridge with added inner concrete arch

3 盾構掘進參數的優(yōu)化

區(qū)間線路在通過橋段平面曲線為直線段，豎曲線為7.124‰上坡，通過石拱橋段地層為粉質黏土與粉砂互層、粉細砂層，盾構在距太平北路石拱橋南岸坡頂下15 m即里程K22+029.16(對應環(huán)號480)，對盾構的性能進行全面檢修，配置充足的盾構易損部件，特別是對盾構的密封性能進行檢查，確保盾構以良好的狀態(tài)完成過河及過橋段的掘進施工。盾構通過太平北路石拱橋對應里程示意見圖5。

圖5 盾構通過太平北路石拱橋對應里程示意圖Fig.5 Kilometerage of shield-bored tunnel running underneath stone arch bridge

盾構通過太平北路石拱橋段盾構掘進參數控制:過橋段主要優(yōu)化盾構掘進總推力、土艙壓力，同步注漿量、刀盤扭矩等參數，總推力比平常掘進大300～500 kN，土艙壓力比正常掘進段高 0.02 ～0.03 MPa，總推力控制在17 000～20 000 kN;上部土壓控制在0.19～0.21 MPa;同步注漿壓力控制在 0.25 ～ 0.35 MPa;同步注漿量控制在 5.5～6 m3;刀盤轉數控制在1.3 r/min;盾構掘進速度控制在 30～50 mm/min;刀盤扭矩控制在1 800～2 300 kN·m;理論掘進一環(huán)出土量38.7 m3，實際出土35 m3。盾構穿過橋梁過程中要嚴格控制出土量，盾構掘進過程中確保盾尾間隙均勻，盾構姿態(tài)良好，施工中嚴格控制盾構糾偏量，在確保地面及河底沉降控制良好的情況下，使盾構均衡快速通過，盾構姿態(tài)變化不可過大、過頻。

4 實施效果分析

太平北路石拱橋采用合理、經濟的方案進行加固后，橋梁孔洞過水斷面滿足汛期最高水量的要求，橋梁加固在工期、質量、安全各方面保證了盾構順利通過。盾構通過石拱橋處嚴格按照實施方案，盾構掘進過程中嚴格按照制定的穿越石拱橋段盾構掘進參數，穿越過程中平均每天10環(huán)管片(12 m)，共計2 d順利通過石拱橋處，盾構通過石拱橋過程中地面沉降最大3 mm，過石拱橋段管片拼裝質量良好，沒有滲漏水現象，管片錯臺環(huán)向5 mm，縱向7 mm，均滿足成型隧道規(guī)范及設計要求。盾構過石拱橋處管片拼裝質量及成型隧道質量見圖6。

5 結論與建議

1)對橋梁進行增加內拱圓箱加固，在城市繁華路段不受地面交通及場地限制，可以節(jié)約施工成本。

2)盾構穿越橋梁過程中對盾構掘進參數進行優(yōu)化、改良，確保盾構掘進施工質量和管片施工質量，對后續(xù)盾構在類似工程環(huán)境中施工具有一定的借鑒意義。

圖6 盾構過石拱橋處管片拼裝質量及成型隧道質量Fig.6 Photo of completed tunnel

3)在對橋梁進行內拱圓箱加固過程中，澆筑拱圈頂部的混凝土不能達到密實(拱圈部位是微膨脹混凝土)，需要提前預埋注漿管后續(xù)注漿處理。

建議對以后類似工程概況的橋梁加固采用可預制拼裝的二次襯砌內拱圓箱，這樣可以有效避免拱頂澆筑不密實的問題，同時可以節(jié)約加固工期。

［1］ 彭坤，陶連金，高玉春，等.盾構隧道下穿橋梁引起樁基變位的數值分析［J］.地下空間與工程學報，2012，8(3):485 －489.(PENGKun，TAOLianjin，GAOYuchun，et al.Numerical analysis of the change of pile foundation caused by shield tunnel under［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2012，8(3):485 － 489.(in Chinese))

［2］ 蘇東，王德勝，幸智軍，等.機場線盾構隧道下穿橋梁接近施工沉降控制［J］.施工技術，2008，37(9):67 －68，78.(SU Dong，WANG Desheng，XING Zhijun，et al.Settlement control of tunnel construction down-traversing adjacent bridge［J］.Construction Technology，2008，37(9):67 － 68，78.(in Chinese))

［3］ 許世偉，楊慧林.盾構隧道施工對臨近市政橋梁影響的數值分析［J］.鐵道標準設計，2009(10):54－56.(XU Shiwei，YANG Huilin.Numerical analysis of the influence of shield tunnel construction on adjacent municipal bridge［J］.Railway Standard Design，2009(10):54 －56.(in Chinese))

［4］ 鄭世興.盾構法隧道穿越在用橋梁樁基礎施工技術［J］.地下空間與工程學報，2009，5(增刊2):1619－1623.(ZHENG Shixing.Construction technique of shield tunnel beneath the bridge pile foundation［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2009，5(S2):1619－1623.(in Chinese))

［5］ 趙立鋒.土壓平衡盾構到達鋼套筒輔助施工接收技術［J］.鐵道標準設計，2013(8):89 －93.(ZHAO Lifeng.Auxiliary construction technology with steel sleeve used for the arrival of soil pressure balance shield［J］.Railway Standard Design，2013(8):89－93.(in Chinese))

［6］ 李幸發(fā).廣州地鐵廣佛線盾構隧道穿越橋梁樁基施工技術［J］.隧道建設，2013，33(9):791－800.(LI Xingfa.A case study on how to deal with existing bridge piles in shield tunneling［J］.Tunnel Construction，2013，33(9):791 －800.(in Chinese))

［7］ 李春林.盾構穿越淺埋石拱橋施工技術［J］.四川建材，2013，39(5):199 － 201.(LI Chunlin.The construction technology of shield tunneling machine passing through shallow stone arch bridge［J］.Sichuan Building Materials，2013，39(5):199 －201.(in Chinese))

［8］ 邵翔宇.地鐵隧道穿越市政橋梁動態(tài)主動保護施工技術［J］.建筑技術，2012，43(10):907 －912.(SHAOXiangyu.Construction technique for dynamic active protection of subway tunnel passing through municipal bridge［J］.Architecture Technology，2012，43(10):907 －912.(in Chinese))

［9］ 徐前衛(wèi)，朱合華，馬險峰，等.地鐵盾構隧道穿越橋梁下方群樁基礎的托換與除樁技術研究［J］.巖土工程學報，2012，34(7):1217 －1226.(XU Qianwei，ZHU Hehua，MA Xianfeng，et al.Pile underpining and removing technology of shield tunnels crossing through group pile foundations of road bridges［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2012，34(7):1217 －1226.(in Chinese))