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盾构下穿桥梁不托换结构应用研究陈龙宇

发表时间：2020/6/15 来源：《基层建设》2020年第4期作者：陈龙宇

[导读] 摘要：针对杭州地铁6号线盾构隧道下穿既有桥梁，因受工程场地周边环境及桥下空间狭小等条件限制，无条件托换桥梁下部结构的特点，通过改造桥梁下部结构，在较大程度降低截断桩基桩顶荷载的同时，使管片、截留桩基共同参与桥梁结构受力。并通过设置完善的结构监测、检测体系，确保桥梁受力体系转换过程中各结构的安全。

        中铁上海设计院集团有限公司杭州院杭州 310006
        摘要：针对杭州地铁6号线盾构隧道下穿既有桥梁，因受工程场地周边环境及桥下空间狭小等条件限制，无条件托换桥梁下部结构的特点，通过改造桥梁下部结构，在较大程度降低截断桩基桩顶荷载的同时，使管片、截留桩基共同参与桥梁结构受力。并通过设置完善的结构监测、检测体系，确保桥梁受力体系转换过程中各结构的安全。
        关键词：盾构隧道；下穿；不托换
        1 研究背景
        随着城市轨道交通的持续建设和网络完善，施工环境日益复杂，受空间和环境上的限制，盾构掘进过程中不可避免的需穿越一些既有建（构）筑物。
        当地铁隧道下穿既有桥梁，必须切断桥桩时，考虑到工期、造价、社会影响等因素，常见方案是通过托换桩基[1]或整个下部结构[2]来完成桥梁的受力转换。但托换方案对桥下空间要求较高，当桥梁周边环境复杂，无条件托换下部结构时，则只能考虑将桥梁部分荷载传递给管片，让管片、截留桩基共同参与桥梁结构受力。
        本文以杭州地铁6号线盾构下穿卫星浦桥为工程案例，系统介绍了该桥下部结构改造的实例应用，以期为类似工程的设计、施工提供新思路和参考。
        2 工程概况
        既有卫星浦桥临近袁浦路与科海路交叉口，为跨卫星浦河而设，与河道交角为90°，河道宽度为35m。上部结构采用10m+16m+10m简支预应力空心板梁，下部结构采用桩柱式墩台，钻孔灌注桩基础。因桥下既有110kV电力管线位置偏差，后将东幅桥墩台改为预应力承台跨越管位区域。卫星浦桥与管线位置关系纵断面、横断面如图1、图2所示。桥台桩底标高为-19.5m，桥墩桩底标高为-21.5m。

        3 桥梁结构改造重难点
        由于卫星浦桥预应力承台、110kV电力管线、地铁隧道三者复杂的空间位置关系，使得在原本就狭小的桥下空间里施工更加困难。
        3.1 桥梁整体结构改造难点
        1）桥梁临近袁浦路与科海路交叉口，截断盖梁压缩车道数量没有条件。
        2）该桥2013年建成运营，采用拆除半幅桥，新建大跨桥梁一跨跨越卫星浦河的方案，工程投资及社会影响均较大。
        3.2 桥梁下部结构改造难点
        1）盖梁底净空仅1.2m，盖梁、桩基常规托换方案实施困难。
        2）110kV电力管线距离承台底较近，且管线不中断运营，承台范围开挖施工困难，切断桩基改扩大基础或切断盖梁、承台补桩等方案均无条件实施。
        3）新建桩基、盖梁不满足桩间距及阻水率要求。

        4 结构改造
        4.1 桥梁下部结构改造方案
        综合考虑桥梁周边条件，对盾构下穿范围内的东幅桥下部结构进行改造，利用既有桩基将桥梁部分荷载传递给盾构管片，让管片、壁后同步注浆体和周围土体共同形成新的桩端持力层。以2#墩为例，桥台处盖梁对应位置改造方案类似，改造步骤如下：
        步骤一：吊离非机动车道及1个机动车道下方的板梁，保留1~3#墩柱上方盖梁，切除4~6#墩柱上方盖梁，将既有钢筋混凝土盖梁一分为二。
        步骤二：切除4~6#墩柱，于4#墩柱处植筋新建7#墩柱，柱径1.5m。
        步骤三：于盾构2m范围外新建8#桩柱，桩径1.2m，7、8#墩柱上方新建1.8m预应力盖梁，一跨跨越盾构隧道拟建位置。
        步骤四：对盾构隧道顶部及周围注浆加固，盾构下穿桥梁，桩基作用处管片内部增加20mm厚钢内撑。原位恢复拆离的板梁。
        以0#桥台及2#桥墩处为例（1#桥墩、3#桥台近似），改造后的墩台下部结构如图3、图4所示。
        4.2 体系转换后结构受力分析
        1）桥梁结构：拆除部分盖梁，新建分离式盖梁后，桥梁下部结构受力体系改变，内力重分配。结构改造前后有限元模型如图5所示。

        采用比较成熟的η-ζ法进行计算，选用较先进的错缝双环弹簧模型进行校核。以2#桥墩为例，将桩底887kN荷载（桩顶691kN）按照集中力施加至管片上，建立SAP有限元模型，计算管片内力[4-5]。
        计算结果表明盾构单环管片最大弯矩为276.0kN•m，对应轴力为780.0kN，按超深埋管片配筋4E28+4E28，满足承载力要求；裂缝计算宽度为0.13mm，满足使用要求。管片间螺栓剪应力为302.8MPa，小于其抗剪强度设计值320MPa。
        根据最不利情况检算，管片抗弯、抗剪强度及裂缝宽度均满足要求。为保证盾构隧道长期运营安全，在桩基下方管片内部增加20mm厚钢内衬，进一步提高管片设计安全度。
        4.3 盾构下穿后结构状态
        虽然盾构施工技术已经较为成熟,但其掘进过程中不可避免地会引起地层损失和土体扰动，对周边环境造成影响，此外，还需考虑桥梁结构改造后既有西侧桩基荷载增幅较大，以及盾构“磨桩”过程中对桥梁结构造成的影响，因此，必须对盾构穿越前后的地表沉降、既有建筑物变形等进行实时监测，以控制盾构穿越的风险[6]。
        1）沉降监测结果
        在盾构隧道下穿桥梁9个月后，桥梁恢复运营的情况下，对新建桥梁下部结构及盾构隧道持续沉降监测结果显示：
        ①桥梁新建盖梁西侧端最大累计沉降量为1.96mm，东侧端最大累计沉降量为2.07mm，沉降量均控制在3mm内[7]，且满足结构安全及使用要求。
        ②盾构隧道内竖向最大累计沉降量为2.87mm，竖向最大收敛累计变量为1.4mm，横向最大收敛累计变量为1.3mm。隧道成型后沉降量与桥梁下部结构沉降量基本吻合，说明注浆效果是较理想的。
        2）桥梁结构检测结果
        由于卫星浦桥桩基被盾构切断，根据《城市桥梁养护技术标准》（CJJ 99-2017）第4.5.9条的规定，本桥应当被认定为D级桥梁，需要进行结构检测。
        为了确定桥梁结构在地铁施工中受到的影响，对卫星浦东幅桥结构状态进行了检测，根据卫星浦桥各部件的技术状况评定结果对全桥进行了评定，卫星浦桥的技术状况为A级，桥梁整体上处于完好状态，盾构施工切断东幅桥桩基对于桥梁结构未带来明显影响，评定结果见表2。

        5 结论
        通过本工程理论设计及实际施工应用，证明将管片通过桩基与桥梁结构结合形成空间受力体系的方法是可行的。
        当地铁下穿既有桥梁，必须切断桥桩时，除了选择托换下部结构完成桥梁的受力转换方法外，还可以将桥梁部分荷载通过桩基传递给管片，由盾构管片、壁后同步注浆体和周围土体共同形成新的桩端持力层。
        参考文献：
        [1] 周海军，陈炜昀，王志华.南京地铁5号线盾构隧道穿越桥梁桩基托换技术与施工[J].施工技术，2019（22）.
        [2] 吴文亮，王建军，孙凡皓.二次托换技术在福州地铁紫五区间桩基托换中的应用[J].隧道建设（中英文），2018.
        [3] 中交公路规划设计院有限公司.公路桥涵地基与基础设计规范：JTG D63-2007[S].北京：人民交通出版社，2007.
        [4] 小泉淳(日)　主编，官林星　译.盾构隧道管片设计: 从容许应力设计法到极限状态设计法[M].背景：中国建筑工业出版社，2012.
        [5] 中华人民共和国建设部.混凝土结构设计规范：GB 50010-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
        [6] 李丹.地铁盾构穿越桥梁桩基加固措施和变形监测研究[J].智能城市，2019，5(22) .
        [7] 李长山，岳鹏飞，杨有海.深圳地铁大轴力桩基托换变形分析[J].路基工程，2010（5）.
        作者简介；陈龙宇，男，硕士研究生。