段忠輝

中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 天津 300308

隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)和城鎮(zhèn)化融合發(fā)展的不斷深入，高速鐵路線路不可避免與既有市政橋梁交叉。盾構(gòu)隧道可以很好解決這種交叉帶來的問題。

學(xué)者們對(duì)盾構(gòu)隧道近距離穿越既有橋樁基礎(chǔ)的施工方法和加固措施進(jìn)行了持續(xù)研究。袁大軍等［1］針對(duì)南京長(zhǎng)江超大直徑泥水盾構(gòu)隧道施工對(duì)周邊土體的擾動(dòng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)土體應(yīng)力顯著擾動(dòng)區(qū)域約1 倍洞徑，進(jìn)一步修正了Peck 公式。吉艷雷等［2］依托廣佛城際鐵路下穿佛開高速鐵路橋樁基礎(chǔ)工程，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得出盾構(gòu)在硬巖地層中下穿既有橋樁，樁底距盾構(gòu)頂?shù)膸r層厚度達(dá)到1 倍開挖洞徑時(shí)，掘進(jìn)對(duì)樁基沉降及樁基承載力影響不大。黃新明、王立新等［3-4］通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，證明了鄭州地鐵1 號(hào)線和蘭州地鐵1 號(hào)線穿越橋樁基礎(chǔ)時(shí)，采取橋樁臨時(shí)頂托+樁周注漿加固的方案，可確保盾構(gòu)隧道施工安全。李建林等［5］采用有限元方法對(duì)大直徑盾構(gòu)穿越橋樁和箱涵時(shí)地表和既有結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行了模擬，得出橫向影響范圍為距盾構(gòu)機(jī)軸線40 m，隧道周邊樁身向隧道外側(cè)擠出，隧道上方樁身向隧道內(nèi)側(cè)傾斜。袁海平等［6］對(duì)合肥地鐵1 號(hào)線雙洞盾構(gòu)隧道先后側(cè)穿城市高架橋時(shí)橋樁力學(xué)行為進(jìn)行了理論分析和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)雙洞盾構(gòu)隧道依次掘進(jìn)時(shí)高架橋樁的力學(xué)響應(yīng)具有疊加效應(yīng)。付靜［7］通過天津地鐵2 號(hào)線工程實(shí)踐，得出區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越城市橋梁時(shí)不用加固土體僅控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)即可。彭華等［8］對(duì)北京地鐵14 號(hào)線盾構(gòu)隧道側(cè)穿既有機(jī)場(chǎng)快軌高架橋不同加固方案進(jìn)行了對(duì)比，得出復(fù)合錨桿樁加固方案較優(yōu)。任磊等［9］通過對(duì)比鄭州地鐵7 號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間超近距離側(cè)穿鐵路橋梁樁基時(shí)不同加固措施，得出盾構(gòu)通過范圍內(nèi)采用土體袖閥管注漿 + 承臺(tái)加固措施較優(yōu)。錢聚強(qiáng)［10］針對(duì)成都地鐵5 號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間近接側(cè)穿既有高架橋梁樁基施工，提出鋼管樁隔離 +袖閥管地表加固 + 洞內(nèi)注漿加固的綜合措施。

目前我國(guó)盾構(gòu)隧道近距離側(cè)穿或下穿既有橋梁樁基礎(chǔ)的工程案例較多，但基本只限于地鐵小直徑盾構(gòu)隧道穿越單樁或多樁橋梁基礎(chǔ)，或者是大直徑盾構(gòu)穿越多樁橋梁基礎(chǔ)，超大直徑泥水盾構(gòu)超近距離側(cè)穿獨(dú)樁橋梁基礎(chǔ)的工程案例相對(duì)較少。本文依托廣湛高速鐵路湛江灣海底隧道超近距離側(cè)穿湛江海灣大橋海濱路立交A 匝道橋墩臺(tái)獨(dú)樁基礎(chǔ)工程，通過理論分析和數(shù)值計(jì)算確定橋墩頂沉降控制值，提出變形控制方案，并通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證其效果。

1 工程概況

1.1 盾構(gòu)隧道

湛江灣海底隧道全長(zhǎng)9.64 km，設(shè)計(jì)速度250 km/h，其中盾構(gòu)段長(zhǎng)7.551 km。下穿水域段約2.5 km，陸域段較長(zhǎng)段落下穿城市道路。管片內(nèi)徑12.6 m，外徑13.8 m，開挖直徑14.33 m，環(huán)寬2 m，采用7 + 2 + 1 通用楔形管片環(huán)。盾構(gòu)隧道斷面見圖1。

圖1 盾構(gòu)隧道斷面（單位：cm）

1.2 橋梁

A 匝道橋全長(zhǎng)225.12 m，橋跨組合為4 × 28 m + 4 ×28 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，箱梁中心高度為1.6 m，橋面寬度為8.5 m，曲線半徑為200 m。下部結(jié)構(gòu)為變截面薄壁墩臺(tái)獨(dú)樁基礎(chǔ)，墩身厚度為100 cm 或120 cm，基礎(chǔ)為直徑1.8 m 的鉆孔灌注摩擦樁。A3#橋墩高8.7 m，樁長(zhǎng)61 m；A4#橋墩高7 m，樁長(zhǎng)81.4 m。A 匝道橋橫橋向斷面見圖2。

圖2 A匝道橋橫橋向斷面（單位：cm）

1.3 橋梁與隧道的空間關(guān)系

盾構(gòu)隧道穿越湛江灣海域進(jìn)入匝道范圍后，左線側(cè)在DK412 + 762 處近接A3#橋墩樁基，盾構(gòu)開挖輪廓與樁基最小凈距1.1 m；右線側(cè)在DK412 + 782.5 處近接A4#橋墩樁基，盾構(gòu)開挖輪廓與樁基最小凈距0.9 m。該段落隧道主要穿越粉質(zhì)黏土和粗砂，隧頂埋深約24 m。盾構(gòu)隧道與A 匝道橋的空間位置關(guān)系見圖3，盾構(gòu)隧道與A3#橋墩樁基的相對(duì)位置見圖4。

圖3 盾構(gòu)隧道與A匝道橋的空間位置關(guān)系

1.4 工程與水文地質(zhì)

隧址區(qū)上覆厚約200 m 的第四系地層，自上而下分別為：全新統(tǒng)人工填土和雜填土；全新統(tǒng)淤泥質(zhì)黏土、軟土、粉質(zhì)黏土、中砂和粗砂；更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、黏土、中砂和粗砂。地表水主要為海水，水位受潮水漲落而變化。地下水有潛水 ～ 微承壓水、中層承壓水。地下水主要以地下潛流的方式向湛江海灣流動(dòng)。

2 盾構(gòu)側(cè)穿橋樁變形控制方案

新建盾構(gòu)隧道距既有橋樁較近，且橋樁處于城市公園區(qū)域，周邊交通繁忙，遍布各種地下管線。為最大限度減少對(duì)城市運(yùn)營(yíng)的影響，經(jīng)多方討論采用全方位高壓旋噴（Metro Jet System，MJS）樁對(duì)穿越段既有樁基周圍和盾構(gòu)隧道周圍土體進(jìn)行加固，輔以洞內(nèi)注漿和布置臨時(shí)支墩的方式，確保穿越期間匝道結(jié)構(gòu)安全。

2.1 既有橋梁安全性驗(yàn)算

根據(jù)JTG D60—2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，對(duì)既有A 匝道橋建立有限元模型，計(jì)算得到樁基14 m深度以下鉆孔樁截面彎矩為0，盾構(gòu)隧道側(cè)穿橋樁高度范圍內(nèi)樁基只承受軸向力。因此，僅需對(duì)施工過程中樁基軸向承載力進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果見表1?？芍?，A3#、A4#橋墩樁基的單樁承載力均大于樁頂軸力，單樁承載力滿足要求。

表1 單樁承載力驗(yàn)算結(jié)果

經(jīng)與原設(shè)計(jì)單位確認(rèn)，將A3#、A4#橋墩頂沉降控制值均設(shè)定為10 mm。

采用數(shù)值模擬方法，分三種工況對(duì)主梁安全性進(jìn)行驗(yàn)算。驗(yàn)算內(nèi)容為：①短期效應(yīng)組合工況的抗裂驗(yàn)算和主拉應(yīng)力驗(yàn)算；②長(zhǎng)期效應(yīng)組合工況的抗裂驗(yàn)算；③標(biāo)準(zhǔn)組合工況的壓應(yīng)力和主壓應(yīng)力驗(yàn)算。

由模擬計(jì)算結(jié)果得到：①短期效應(yīng)組合工況主梁下緣出現(xiàn)0.3 MPa 拉應(yīng)力，小于規(guī)范限值0.7ftk（ftk為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，C50 混凝土的ftk=2.65 MPa） ；主梁最大主拉應(yīng)力1.316 MPa，小于規(guī)范限值0.5ftk。②長(zhǎng)期效應(yīng)組合工況主梁上下緣均未出現(xiàn)拉應(yīng)力。③標(biāo)準(zhǔn)組合工況主梁上緣、下緣最大壓應(yīng)力分別為10.8、12.7 MPa，小于規(guī)范限值0.5fck（fck為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，C50混凝土的fck= 32.4 MPa）；主梁最大主壓應(yīng)力12.8 MPa，小于規(guī)范限值0.6fck。

上述各項(xiàng)指標(biāo)均滿足原設(shè)計(jì)采用的JTJ 023—85《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件正常使用極限狀態(tài)要求。因此，將10 mm作為橋墩頂沉降控制值，能夠保證匝道結(jié)構(gòu)安全。

2.2 MJS樁加固設(shè)計(jì)

1）樁周土體加固

由于盾構(gòu)隧道開挖時(shí)樁周土體卸荷，在隧道開挖影響范圍內(nèi)樁土摩擦力減少。對(duì)該范圍內(nèi)樁周土體加固，以達(dá)到提高樁土摩擦力的作用。

首先采用直徑2.4 m 的MJS 樁，與橋梁樁基咬合，然后在橋樁周邊設(shè)置直徑2.0 m MJS 樁將樁周土體加固。加固范圍為隧道拱頂以上3 m至拱底以下6 m，加固總高度為23 m。A3#橋墩樁基周邊加固情況見圖5。其中：圓圈內(nèi)數(shù)字為實(shí)樁樁長(zhǎng)，單位為m。

圖5 A3#橋墩樁基周邊加固情況（單位：cm）

2）隧周加固

盾構(gòu)掘進(jìn)注漿不可避免對(duì)周邊地層有滲透擾動(dòng)作用，考慮到盾構(gòu)開挖過程中地層損失，對(duì)盾構(gòu)隧道頂部進(jìn)行加固。同時(shí)為彌補(bǔ)橋樁側(cè)隧道開挖、管片拼裝后橋樁與盾構(gòu)間土體損失，限制橋樁橫向位移，采用直徑2.0 m、間距1.6 m 的MJS 樁，對(duì)盾構(gòu)隧道中線至鄰近橋樁側(cè)三角區(qū)域土體進(jìn)行加固。加固范圍為盾構(gòu)隧道水平投影面內(nèi)樁基前后各5 m，從隧頂外輪廓到上方3 m，參見圖5。

MJS 樁水泥摻量30%，樁身28 d 齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于2 MPa。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試樁結(jié)果，MJS 樁不同部位和深度芯樣的28 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.67 ～3.01 MPa，滿足要求。

2.3 洞內(nèi)加固

為控制盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)所引起的第三階段沉降，輔助控制第四階段沉降［11］，掘進(jìn)過程中采用克泥效填充盾構(gòu)與土體間的空隙?？四嘈Ъ庸谭秶鸀槎軜?gòu)到達(dá)A3#橋墩樁基前提前10 環(huán)開始注入，直到盾構(gòu)離開A4#橋墩樁基10環(huán)停止。加固長(zhǎng)度沿盾構(gòu)掘進(jìn)方向共60 m。

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中需加強(qiáng)管片脫出盾尾后的同步注漿。加強(qiáng)同步注漿范圍與克泥效填充長(zhǎng)度一致，注漿率按180%控制，以起到控制第四階段沉降的作用。

2.4 布置臨時(shí)支墩

為保證MJS樁施工及盾構(gòu)穿越期間A匝道橋的安全，在既有A3#、A4#橋墩周邊布置臨時(shí)支墩，對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)預(yù)支撐。當(dāng)監(jiān)測(cè)到墩頂沉降達(dá)到10 mm 限值時(shí)，啟動(dòng)應(yīng)急千斤頂對(duì)梁體進(jìn)行頂托。

3 監(jiān)控量測(cè)

2022 年12 月6 日完成MJS 樁地表加固。2023 年1 月17 日—1 月24 日停機(jī)檢修，為側(cè)穿橋樁做準(zhǔn)備，自1 月24 日開始側(cè)穿掘進(jìn)施工。盾構(gòu)機(jī)于2023 年1月27 日23：13 到達(dá)A3#橋墩，28 日00：56 盾尾脫出；2023 年1 月29 日03：55 到達(dá)A4#橋墩，05：38 盾尾脫出。

在橋墩墩身和周邊地面布置墩頂豎向位移和地表沉降測(cè)點(diǎn)，見圖6。從盾構(gòu)掘進(jìn)開始監(jiān)測(cè)，持續(xù)至測(cè)點(diǎn)變形基本穩(wěn)定后停止。盾構(gòu)穿越期間地表測(cè)點(diǎn)累計(jì)豎向位移見圖7?？芍旱乇頊y(cè)點(diǎn)大部分表現(xiàn)為隆起，滿足小于10 mm 的設(shè)計(jì)要求。測(cè)點(diǎn)D3-7（對(duì)應(yīng)鐵路里程DK412 + 770）累計(jì)豎向位移（隆起）最大，其值為8.60 mm。這是掘進(jìn)期間為防止地表沉降，盾構(gòu)機(jī)刀盤切口壓力調(diào)大后產(chǎn)生的較大頂推力所致。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置平面示意

圖7 地表測(cè)點(diǎn)累計(jì)豎向位移

盾構(gòu)側(cè)穿過程中橋墩測(cè)點(diǎn)的累計(jì)豎向位移見圖8。監(jiān)測(cè)時(shí)間為每日20：00。

圖8 橋墩測(cè)點(diǎn)累計(jì)豎向位移曲線

由圖8可見：

1）在盾構(gòu)刀盤臨近橋墩的過程中，盾構(gòu)對(duì)前方地層有頂推作用，MJS 樁加固后將橋樁和周邊地層固結(jié)為一體，使得橋墩隆起。

2）與盾構(gòu)隧道凈距越小橋墩隆起越明顯。A3#、A4#橋墩樁基與盾構(gòu)隧道凈距分別為1.1、0.9 m，盾構(gòu)臨近時(shí)A3#、A4#橋墩累計(jì)隆起最大值分別為0.72、0.71 mm。兩橋墩與盾構(gòu)隧道凈距接近，橋墩最大隆起也基本相同。A2#、A5#橋墩樁基與盾構(gòu)隧道凈距均大于1倍洞徑，橋墩最大隆起比A3#、A4#橋墩要小。這說明橋樁與盾構(gòu)的凈距對(duì)橋墩隆起的影響較大。

3）A3#、A4#橋墩頂達(dá)到最大隆起后隨即開始沉降，且橋墩沉降開始時(shí)間在盾構(gòu)刀盤通過之前，因此施工過程中需及時(shí)采取克泥效填充、同步注漿等措施控制周邊地層沉降。

4）盾構(gòu)刀盤通過橋樁后，由于盾構(gòu)開挖導(dǎo)致周邊地層損失，表現(xiàn)為橋墩沉降。A4#橋墩沉降最大，其值為0.71 mm，A4#橋墩與盾構(gòu)的凈距遠(yuǎn)小于A5#橋墩，其沉降卻與未加固的A5#墩基本相同，說明MJS 樁加固可以減小地層沉降，進(jìn)而控制橋墩沉降。

5）盾構(gòu)穿越前后，A3#、A4#橋墩最大沉降均小于1 mm，小于10 mm的墩頂沉降控制值。

盾構(gòu)在安全平穩(wěn)通過湛江海灣大橋海濱路立交A匝道橋后，經(jīng)持續(xù)監(jiān)測(cè)地表和橋墩位移，各項(xiàng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，所采用的變形控制方案有效。

4 結(jié)論

針對(duì)廣湛高速鐵路湛江灣海底大直徑盾構(gòu)隧道超近距離連續(xù)側(cè)穿湛江海灣大橋海濱路立交A 匝道橋墩臺(tái)獨(dú)樁基礎(chǔ)工程，提出了MJS 樁加固 + 洞內(nèi)注漿+ 布置臨時(shí)支墩的變形控制方案。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施和變形監(jiān)測(cè)，證明該方案的可行性。主要結(jié)論如下：

1）經(jīng)檢算A 匝道橋A3#、A4#橋墩分別沉降10 mm時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。將10 mm 作為墩頂沉降控制值，能夠保證既有結(jié)構(gòu)安全。

2）盾構(gòu)通過A3#、A4#橋墩時(shí)，橋墩先隆起，達(dá)到最大隆起后隨即開始沉降，且沉降起始時(shí)間在盾構(gòu)刀盤通過之前。施工中應(yīng)注意合理控制切口壓力，及時(shí)采取措施控制周邊地層沉降。

3）采用MJS 樁加固后，橋樁與周邊地層固結(jié)為一體，減小了地層沉降，進(jìn)而控制了橋墩的沉降。

4）經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，橋墩累計(jì)沉降最大值為0.71 mm，滿足變形控制要求。盾構(gòu)隧道側(cè)穿墩臺(tái)獨(dú)樁基礎(chǔ)施工，采用該變形控制方案切實(shí)可行。