何書琴

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省水安全科技協(xié)同創(chuàng)新中心，廣東 廣州 510635)

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，城市地鐵建設(shè)事業(yè)蓬勃發(fā)展。地鐵施工中，盾構(gòu)法因為其施工速度快、周圍環(huán)境影響小等優(yōu)勢，在地鐵施工中廣泛應(yīng)用，成為地鐵施工的重要技術(shù)方法[1]。當(dāng)前我國地鐵工程周邊環(huán)境條件日益復(fù)雜化，特別是珠三角地區(qū)，河網(wǎng)密布、涉河橋梁眾多，導(dǎo)致城市地鐵工程穿越既有橋梁和河流的施工安全風(fēng)險顯著增加。地鐵盾構(gòu)隧道在穿越橋梁、河流等復(fù)雜環(huán)境下，可能會對河道、堤防和橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而發(fā)生堤基沉降、橋體開裂、大范圍塌陷、透水等事故。

因此，在地鐵隧道穿越既有橋梁工程的過程中，為確保地鐵盾構(gòu)隧道施工能夠安全順利通過既有橋梁、河流和堤防，除應(yīng)采取合理的安全風(fēng)險分析評估及控制方法外[2-8]，根據(jù)《中華人民共和國水法》、《中華人民共和國防洪法》和《中華人民共和國河道管理條例》等有關(guān)規(guī)定，還應(yīng)對河道管理范圍內(nèi)的地鐵隧道工程和橋梁工程進(jìn)行防洪評價，以保障河道行洪、排澇、防汛搶險、堤防安全穩(wěn)定及地鐵隧道自身的安全。本文以廣州地鐵某線路盾構(gòu)隧道穿越既有橋梁為例進(jìn)行防洪評價分析。

1 工程概況

1.1 基本情況

廣州地鐵某線路為南北走向，根據(jù)地鐵線路走向和設(shè)計、施工圖資料(見圖1)，需穿越既有南江二路橋梁和二涌，受場地條件限制，地鐵隧道只能布置在既有南江二路橋梁下。而位于盾構(gòu)左線和右線范圍內(nèi)的既有橋梁16根φ1.2 m和8根φ1.3 m鉆孔灌注樁已侵入即將建設(shè)的地鐵隧道。為加快城市軌道交通建設(shè)，在征得橋梁管理部門同意后，擬對既有南江二路橋梁進(jìn)行拆除，待地鐵盾構(gòu)隧道施工完畢后，再原址復(fù)建南江二路橋梁。

圖1 擬建地鐵隧道與既有橋梁工程關(guān)系示意

1.2 既有橋梁

既有南江二路橋梁為中型橋梁，修建于2009年，橋長為75 m、橋?qū)挒?4 m，為雙向6車道+雙向人行道。采用3跨25 m跨徑跨越二涌，其中0#和3#橋臺分別位于兩岸堤頂，1#和2#橋墩布置在二涌河道內(nèi)。上部結(jié)構(gòu)采用3×25 m跨預(yù)制小箱梁結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)采用44根鉆孔灌注樁。

位于二涌兩岸堤頂?shù)?#和3#橋臺，基礎(chǔ)采用16根φ1.2 m的鉆孔灌注樁基，樁長55.8 m。位于二涌河道內(nèi)的1#和2#橋墩采用圓柱墩，墩徑為1.3 m，基礎(chǔ)采用6根φ1.3 m的鉆孔灌注樁基，樁長54.5 m。既有南江二路橋梁橋墩及樁基尺寸見表1。

表1 既有南江二路橋梁橋墩和樁基尺寸 m

1.3 地鐵盾構(gòu)隧道

地鐵盾構(gòu)隧道穿越軸線位于南江二路橋河段，隧道由南往北敷設(shè)，盾構(gòu)隧道外徑為8.5 m，內(nèi)徑為7.7 m。在河道管理范圍內(nèi)的地鐵隧道全程均埋于地下，隧道頂高程為-9.35 m，隧道底高程為-17.85 m。

1.4 原址復(fù)建橋梁

原址復(fù)建橋梁方案采用與既有橋梁一致的橋型方案，橋長為75 m，橋面寬為34 m，與二涌兩岸堤防平交，為節(jié)約復(fù)建工程造價，上部結(jié)構(gòu)3×25 m跨預(yù)制小箱梁吊出重復(fù)利用，下部結(jié)構(gòu)采用24根φ1.5 m鉆孔灌注樁。復(fù)建橋梁主要方案為樁基托換，樁基跨越盾構(gòu)斷面，設(shè)置轉(zhuǎn)換承臺。

位于二涌兩岸堤頂?shù)?#和3#橋臺，基礎(chǔ)采用8根φ1.5 m的鉆孔灌注樁基，樁長為60.0 m。位于二涌河道內(nèi)的1#和2#橋墩采用圓柱墩，墩徑為1.1 m，承臺埋設(shè)于河床面以下，承臺尺寸為2.5 m×3.5 m×15 m，基礎(chǔ)采用4根φ1.3 m的鉆孔灌注樁基，樁長54.0 m。原址復(fù)建橋梁橋墩及樁基尺寸見表2，橋梁平面和縱剖面布置見圖2所示。

表2 原址復(fù)建橋梁橋墩和樁基尺寸 m

圖2 擬建地鐵隧道與原址復(fù)建橋梁工程關(guān)系示意

1.5 施工方案

擬建地鐵盾構(gòu)隧道工程施工順序為：既有南江二路橋梁拆除→盾構(gòu)隧道施工→復(fù)建南江二路橋梁。

既有橋梁拆除施工方案為：橋面及附屬物鑿除(橋面鋪裝層鑿除、濕接縫鑿除及防撞護(hù)欄鑿除)→預(yù)應(yīng)力小箱梁拆除→吊出小箱梁(小箱梁存放再利用)→拆除蓋梁和橋墩→全套管全回轉(zhuǎn)鉆機拔除全部樁基→清理碎渣。

復(fù)建橋梁的施工方案為：施工測量→放線定點→探明地下構(gòu)筑物及管線情況→樁基施工→盾構(gòu)通過→施工轉(zhuǎn)換梁→施工橋墩、蓋梁→箱梁架設(shè)→橋面裝修層施工→扶欄施工→交通恢復(fù)。

2 防洪評價分析

由于地鐵隧道的建設(shè)需要先拆除既有橋梁工程，再進(jìn)行盾構(gòu)隧道施工，最后在原址上復(fù)建橋梁工程，因此在河道管理范圍內(nèi)先后存在3個涉河建設(shè)項目，既有跨河建設(shè)項目，又有穿河建設(shè)項目?？绾咏ㄔO(shè)項目和穿越建設(shè)項目的評價要點和技術(shù)審查要求又有所不同，跨河建設(shè)項目的審查重點包括橋梁跨度、工程布置與堤防的關(guān)系、堤頂凈空等，穿河建設(shè)項目的審查重點包括埋深、穿河穿堤方案、復(fù)堤方案、堤防穩(wěn)定性影響等[9]。因此需要對3個涉河建設(shè)項目分別進(jìn)行防洪評價分析。

2.1 建設(shè)項目與河道堤防關(guān)系

1) 既有橋梁工程與河道堤防關(guān)系

既有南江二路橋梁工程與現(xiàn)有兩岸堤防平交，其中0#橋臺位于左岸堤頂上，橋臺梁底標(biāo)高為7.853 m；1#和2#橋墩位于二涌河道中；3#橋臺位于右岸堤頂上，橋臺梁底標(biāo)高為7.746 m?？绾訕蛄毫旱讟?biāo)高高于河道設(shè)計水位6.20 m。既有橋梁工程與河道堤防關(guān)系見圖3所示。

圖3 既有橋梁工程與河道堤防關(guān)系示意

2) 地鐵隧道工程與河道堤防關(guān)系

擬建地鐵隧道穿越工程采用盾構(gòu)法施工，隧道從河床以下穿越過河，全線均位于地下未出露地面，地鐵盾構(gòu)隧道工程在左岸堤下最小埋深為18.15 m；在右岸堤下最小埋深約為17.83 m，在河床面最小埋深約為12.47 m。地鐵盾構(gòu)隧道工程與兩岸堤防及河床空間位置關(guān)系見表3和圖4所示。

圖4 擬建地鐵隧道工程與河道堤防關(guān)系示意

表3 擬建地鐵隧道工程與河道堤防關(guān)系統(tǒng)計 m

3) 原址復(fù)建橋梁工程與河道堤防關(guān)系

原址復(fù)建橋梁方案采用與原橋一致的橋型方案，原址復(fù)建橋梁工程與現(xiàn)有兩岸堤防平交，其中0#橋臺位于左岸堤頂上，橋臺梁底標(biāo)高為7.853 m；1#和2#橋墩位于二涌河道中；3#橋臺位于右岸堤頂上，橋臺梁底標(biāo)高為7.746 m。跨河橋梁梁底標(biāo)高高于河道設(shè)計水位6.20 m。原址復(fù)建橋梁工程與河道堤防關(guān)系見圖5所示。

圖5 原址復(fù)建橋梁工程與河道堤防關(guān)系示意

2.2 建設(shè)項目占用河道情況

1) 既有橋梁工程阻水情況

既有橋梁工程在河道內(nèi)共布置有2個橋墩，1#和2#橋墩均為圓柱墩，墩徑為1.3 m，河道設(shè)計水位為6.20 m，可求出50年一遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)條件下，既有南江二路橋梁工程的阻水比為4.24%(見表4)。

表4 既有橋梁工程橋墩面積阻水比

2) 地鐵隧道工程占用河道情況

擬建地鐵盾構(gòu)隧道從河床以下穿越過河，全程均位于地下未出露地面，不占用河道行洪過流面積。

3) 原址復(fù)建橋梁工程與河道堤防關(guān)系

原址復(fù)建橋梁工程與既有橋梁橋型方案基本一致，在河道內(nèi)共布置有2個橋墩，1#和2#橋墩均為圓柱墩，墩徑1.1 m，較既有橋梁工程橋墩墩徑1.3 m減小了0.2 m。河道設(shè)計水位為6.20 m，可求出50年一遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)條件下，由于橋墩墩徑的減小，原址復(fù)建橋梁工程的阻水比較既有橋梁阻水比減小了0.64%，橋墩面積阻水比為3.60%(見表5)。

表5 原址復(fù)建橋梁工程橋墩面積阻水比

2.3 河道沖刷深度計算

地鐵隧道埋設(shè)在河床以下，河道沖刷將危及地鐵隧道的安全。因此，應(yīng)將隧道敷設(shè)在穩(wěn)定的地層內(nèi)，并保證隧道的埋深應(yīng)大于河道一般沖刷深度，以保證河道行洪安全和地鐵隧道自身安全。

穿越斷面的沖刷應(yīng)當(dāng)包括河床自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷。擬建地鐵隧道工程由于采用盾構(gòu)隧道方案穿越二涌，在河床以上未布置阻水建筑物，可以不考慮由于工程建設(shè)而導(dǎo)致的局部沖刷，但要考慮河床本身的自然演變沖刷和發(fā)生較大洪水時河床的沖刷深度。復(fù)建橋梁興建后，橋墩阻水使水流產(chǎn)生繞流，引起局部水流流速和流態(tài)的變化，橋墩附近，因墩壁的阻力與橋墩附近的繞流會產(chǎn)生局部淘刷，因此要考慮橋墩局部沖刷。

1) 隧道一般沖刷深度

地鐵隧道穿越斷面為粘性淤泥河床，根據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》(JTG C30—2015)粘性土河床河槽部分的一般沖刷公式(8.3.2-1)進(jìn)行河床一般沖刷深度計算。

二涌50年一遇河槽設(shè)計洪水流量為64.5 m3/s，將斷面相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式計算得：在50 年一遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)條件下，地鐵盾構(gòu)隧道穿越斷面河床的一般沖刷深度為0.59 m，而擬建盾構(gòu)隧道在穿越河段最小埋深為12.47 m，大于地鐵盾構(gòu)隧道穿越斷面河床一般沖刷深度，滿足規(guī)范要求。

2) 復(fù)建橋梁局部沖刷深度

復(fù)建橋梁所在斷面為粘性淤泥河床，根據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》(JTG C30—2015)粘性土河床橋墩局部沖刷公式(8.4.2-1)進(jìn)行局部沖刷深度計算。

二涌50年一遇河槽設(shè)計洪水流量為64.5 m3/s，將斷面相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式計算得：在50 年一遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)條件下，復(fù)建橋梁橋墩局部沖刷深度為0.86 m，而復(fù)建橋梁橋墩在穿越河段最小埋深大于復(fù)建橋梁橋墩局部沖刷深度，滿足規(guī)范要求。

2.4 工程對堤防抗滑穩(wěn)定的影響

地鐵盾構(gòu)隧道穿越工程施工中難免會對堤防工程基礎(chǔ)土層產(chǎn)生擾動，降低土體的抗剪強度，造成地基承載力不足而滑動失穩(wěn)。因此，應(yīng)對堤防抗滑穩(wěn)定進(jìn)行計算分析。

1) 計算工況

堤防抗滑穩(wěn)定計算采用《堤防工程設(shè)計規(guī)范》[5]推薦的瑞典圓弧法分析。選取堤防正常運用情況條件下的兩種不利工況進(jìn)行堤防抗滑穩(wěn)定分析計算：

① 50年一遇設(shè)計水位6.2 m條件下，堤坡形成穩(wěn)定滲流后的背水側(cè)堤坡；

② 50年一遇設(shè)計水位6.2 m驟降至預(yù)降水位4.5 m高程，堤坡形成穩(wěn)定滲流后的臨水側(cè)堤坡。

地鐵盾構(gòu)隧道工程兩岸堤防背水側(cè)與堤頂基本齊平，根據(jù)堤防現(xiàn)狀、河道水位條件及工程建設(shè)情況，本文僅對臨水側(cè)堤坡進(jìn)行堤防抗滑穩(wěn)定計算。

2) 計算參數(shù)

根據(jù)建設(shè)單位提供的地質(zhì)資料，確定各土層物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)。

3) 計算成果分析

地鐵盾構(gòu)隧道穿越工程兩岸堤防規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，堤防級別為2級。參照《堤防工程設(shè)計規(guī)范》，兩岸堤防在正常運用條件下的最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.25。地鐵隧道工程施工完成后，兩岸堤防的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)變化不大，50年一遇設(shè)計水位6.2 m驟降至預(yù)降水位4.5 m高程，堤坡形成穩(wěn)定滲流后計算工況下的抗滑安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的允許安全系數(shù)，滿足《堤防工程設(shè)計規(guī)范》要求。堤身抗滑穩(wěn)定計算成果見表6。

表6 堤身抗滑穩(wěn)定計算成果

3 結(jié)語

由于城市地鐵建設(shè)的復(fù)雜性，在地鐵施工建設(shè)過程中，不可避免的會有穿越橋梁和河流等情況出現(xiàn)。本文以廣州地鐵某線路盾構(gòu)隧道穿越既有橋梁為例，說明了在河道管理范圍內(nèi)存在多個涉河建設(shè)項目時，應(yīng)把握不同涉河建設(shè)項目的評價要求，進(jìn)行有側(cè)重點的分析評價。重點分析建設(shè)項目與河道堤防關(guān)系、建設(shè)項目占用河道情況、河道一般沖刷深度、工程對堤防抗滑穩(wěn)定的影響等，以此綜合評價地鐵盾構(gòu)隧道工程和原址復(fù)建橋梁對河道行洪、河勢穩(wěn)定、堤防安全、防汛搶險等方面的影響，并提出安全可靠的防治補救措施[10]，為類似工程的設(shè)計、施工和水行政主管部門的技術(shù)審查提供參考和借鑒。