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(gòu)施工不可避免地要下穿一些市政建(構(gòu))筑物，特別是橋梁，這對地鐵盾構(gòu)施工提出了很高的要求。目前，國內(nèi)外對地鐵盾構(gòu)下穿橋梁已有一定的研究。彭坤等［1］依托某地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有橋梁樁基工程，對盾構(gòu)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(gòu)法穿越三元橋工程，對穿越前盾構(gòu)的準備、關鍵施工參數(shù)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(jié)。許世偉等［3］依托沈陽地鐵2號線盾構(gòu)下穿既有的黃河大街橋工程，采用FLAC 3D對盾構(gòu)隧道臨近橋梁地段的施工過程進行數(shù)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(gòu)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(gòu)下穿鋼筋混凝土橋，而對盾構(gòu)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(gòu)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(nèi)拱面加固和改良盾構(gòu)掘進參數(shù)確保盾構(gòu)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(gòu)穿越石拱橋處地層為粉砂層、粉質(zhì)黏土與粉砂互層。太平北路石拱橋現(xiàn)狀圖見圖1。

圖1 太平北路石拱橋現(xiàn)狀圖片F(xiàn)ig.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(nèi)秦淮河、太平北路橋、長江路交叉口，在南京圖書館西側(cè)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(nèi)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(gòu)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?qū)Σ町惓两凳置舾?。石拱橋基礎底與隧道頂部垂直距離不到5.0 m，盾構(gòu)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(gòu)隧道上方是粉砂地層，均屬透水性強地層，在盾構(gòu)掘進過程中容易出現(xiàn)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(gòu)施工過程對既有石拱橋的影響，依據(jù)現(xiàn)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(jié)構(gòu)、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(gòu)模型［7］，根據(jù)現(xiàn)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(gòu)隧道下穿時保持現(xiàn)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(shù)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(cè)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(gòu)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(jié)構(gòu)，針對本工程的現(xiàn)實狀況和施工難度，采用增加鋼筋混凝土內(nèi)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(nèi)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(nèi)拱進行加強。內(nèi)拱壁厚250 mm，同時每隔3 m，在內(nèi)拱內(nèi)加一道內(nèi)拱暗梁(主筋上下各4根HRB335、D=20鋼筋，箍筋采用φ18@150)，內(nèi)襯拱施工前，要在原石拱面上刷界面劑，以利于緊密結(jié)合達到共同受力目的。增加混凝土內(nèi)拱圓箱型綁扎鋼筋照片見圖3。

圖3 增加混凝土內(nèi)拱圓箱型綁扎鋼筋照片F(xiàn)ig.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(jīng)調(diào)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(nèi)側(cè)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(nèi)拱圓箱型處理后石拱橋照片見圖4。

圖4 增加混凝土內(nèi)拱圓箱型處理后石拱橋照片F(xiàn)ig.4 Photo of stone arch bridge with added inner concrete arch

3 盾構(gòu)掘進參數(shù)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(zhì)黏土與粉砂互層、粉細砂層，盾構(gòu)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(gòu)的性能進行全面檢修，配置充足的盾構(gòu)易損部件，特別是對盾構(gòu)的密封性能進行檢查，確保盾構(gòu)以良好的狀態(tài)完成過河及過橋段的掘進施工。盾構(gòu)通過太平北路石拱橋?qū)锍淌疽庖妶D5。

圖5 盾構(gòu)通過太平北路石拱橋?qū)锍淌疽鈭DFig.5 Kilometerage of shield-bored tunnel running underneath stone arch bridge

盾構(gòu)通過太平北路石拱橋段盾構(gòu)掘進參數(shù)控制:過橋段主要優(yōu)化盾構(gòu)掘進總推力、土艙壓力，同步注漿量、刀盤扭矩等參數(shù)，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(zhuǎn)數(shù)控制在1.3 r/min;盾構(gòu)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(gòu)穿過橋梁過程中要嚴格控制出土量，盾構(gòu)掘進過程中確保盾尾間隙均勻，盾構(gòu)姿態(tài)良好，施工中嚴格控制盾構(gòu)糾偏量，在確保地面及河底沉降控制良好的情況下，使盾構(gòu)均衡快速通過，盾構(gòu)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(jīng)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(zhì)量、安全各方面保證了盾構(gòu)順利通過。盾構(gòu)通過石拱橋處嚴格按照實施方案，盾構(gòu)掘進過程中嚴格按照制定的穿越石拱橋段盾構(gòu)掘進參數(shù)，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(gòu)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(zhì)量良好，沒有滲漏水現(xiàn)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(gòu)過石拱橋處管片拼裝質(zhì)量及成型隧道質(zhì)量見圖6。

5 結(jié)論與建議

1)對橋梁進行增加內(nèi)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(gòu)穿越橋梁過程中對盾構(gòu)掘進參數(shù)進行優(yōu)化、改良，確保盾構(gòu)掘進施工質(zhì)量和管片施工質(zhì)量，對后續(xù)盾構(gòu)在類似工程環(huán)境中施工具有一定的借鑒意義。

圖6 盾構(gòu)過石拱橋處管片拼裝質(zhì)量及成型隧道質(zhì)量Fig.6 Photo of completed tunnel

3)在對橋梁進行內(nèi)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(nèi)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。

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