盾構隧道近距離下穿立交橋施工影響分析及控制

周群立 張有桔

(1. 合肥城市軌道交通有限公司， 230001, 合肥； 2. 安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司， 230088, 合肥/第一作者，高級工程師)

合肥市軌道交通1、2號線已經建成通車，目前還有4條線路在建。在建設過程中，盾構區間有多處近距離穿越橋梁情況。盾構施工會引起橋梁基礎沉降，從而對上部橋梁結構產生附加內力。

在已施工的合肥軌道交通1～3號線中，盾構區間穿越了長江西路高架橋、阜陽路高架橋、銅陵北路高架橋、南淝河橋、四里河橋、二十埠河橋等。針對這些穿越工程，雖然提出了一系列的沉降控制指標，但是這些指標往往類比外地經驗確定，缺乏針對合肥地質條件的嚴密的計算和論證[1-4]。

本文在總結已建工程經驗基礎上，結合合肥市軌道交通2號線青陽路站—西園路站區間穿越五里墩立交橋的工程實際，通過對該橋的檢測、計算分析預測，以及工后監測和計算分析綜合判斷，提出了相應的基礎差異沉降控制指標和穿越立交橋施工保護措施，以確保橋梁維持健康狀態，并為類似工程的設計、施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質和水文地質條件

區間主要穿越的地層〈10-3〉為中等風化泥質砂巖，浸水后手可掰開，其飽和極限抗壓強度一般為0.79～3.80 MPa，極大值為7.70 MPa，屬軟巖～極軟巖。區間上覆土層為〈10-2〉強風化泥質砂巖、〈10-1〉全風化泥質砂巖和〈3-2〉硬塑狀黏土。

地下水主要為第四系孔隙水及基巖裂隙水。第四系孔隙水主要賦存于人工填土中，以上層滯水為主；基巖富水性及透水性均較弱，裂隙水總體貧乏，地下水總體不發育。

1.2 五里墩立交橋概述

五里墩立交橋是安徽省第一座城市互通立交橋，1996 年建成投入使用，為合肥市重要交通樞紐橋梁。立交橋共有橋梁21座，地上三層、地下一層，分5個交叉道向四周輻射，解決了17 個流向的交通。其上部為多跨連續箱梁結構，跨徑20～25 m，支墩以單柱為主；下部采用直徑1.2～1.5 m人工挖孔樁。

該立交橋建成后分別于2009年7月、2014年1月經歷了兩次較大范圍的維修補強工作。經過維修補強后，橋梁總體檢測情況較好，使用狀況評定等級為B級。

2 設計方案優化

合肥市長江路為安徽省第一路，是貫穿合肥市中心城區的重要交通通道。合肥軌道交通2號線沿長江路以地下方式敷設，青陽路站—西園路站道路北側為解放軍一〇五醫院，南側為安徽省武警消防總隊、五里墩加油站及合肥市電信局等，經過反復論證，兩側地塊均不具備區間下穿條件。

通過優化線路線形和埋深，保證了隧道與立交橋樁基空間上凈距不小于6 m(1倍隧道直徑)。優化后2號線青陽路站—西園路站區間線路為出青陽路站后，向東偏北方向沿長江西路敷設，下穿五里墩立交橋后進入西園路站。區間長1 267.161 m，采用盾構法施工。平面上區間隧道主要側穿立交橋A3、A4匝道，部分穿越A1、A2、A6、B3、B4匝道樁基，共計142根。縱斷面上該穿越段區間隧道埋深約22.8～27.2 m，洞身均位于〈10-3〉中等風化泥質砂巖中；立交橋樁基底部埋深17.2～20.2 m，樁端亦位于〈10-3〉層(見圖1～2)。

圖1 區間與五里墩立交橋平面關系圖

該區間穿越如此大量樁基的案例全國罕見，尤其對東西走向的A3、A4匝道多處樁基接近正下穿，風險較高。

3 基礎差異沉降控制指標確定

通過前期資料調研，雖然國內外行業標準或地方規定對基礎差異沉降控制有建議指標，但五里墩立交橋結構復雜，運營時間長達20余年，為確保橋梁安全，對該橋進行了有針對性的詳細論證。

3.1 基礎差異沉降及全橋結構分析

本文結合工程實際，并參考類似工程案例的數值分析方法[5-6]，考慮隧道與橋樁凈距、橋梁基礎、橋梁上部結構形式和跨度的不同，首先選取6種典型工況(見表1)。每種工況按照3‰地層損失率(結合合肥地區盾構隧道施工經驗，在類似地層中推進時，地表沉降大約為2～5 mm，對應的地層損失率大約為3‰)計算盾構施工引起的樁基變形。典型樁基變形分析模型如圖3所示。

表1 工況統計表

由于五里墩立交為合肥市主城區內重要的交通樞紐，盾構穿越施工期間只能采取分期封閉方案。通過對全橋結構在有交通通行和無交通通行兩種工況的受力和變形分析，以裂縫寬度和正截面抗彎承載能力作為控制指標，確定樁基能夠承受不均勻沉降量。

圖3 典型樁基變形分析模型(A4、A6匝道)

全橋分析中采用3條假定：① 將6 cm的混凝土橋面鋪裝當作結構層參與結構共同受力，不考慮植入鋼筋的作用；② 將箱梁底板粘貼的鋼板的一半轉化為鋼筋考慮；③ 在盾構施工前，橋梁基礎已產生3 mm的不均勻沉降。計算結果見圖4。

a) 全橋結構模型

b) 抗彎承載力極限狀態最大彎矩及對應抗力

c) 箱梁頂板裂縫寬度計算結果

3.2 基礎差異沉降量控制指標

通過對各匝道橋跨結構受力現狀分析可知，不封閉匝道交通情況下，施工影響范圍內匝道上部結構承載力有一定富余量，但部分匝道主梁裂縫寬度接近或超出規范要求。因此，盾構穿越施工期間采取分期封閉交通措施，控制上部結構裂縫寬度在0.2 mm以內，以保證橋梁安全。

通過對各匝道基礎沉降量的分析，提出各匝道在封閉交通情況下基礎沉降量的控制指標，如表2所示。

表2 封閉交通情況下匝道不均勻沉降控制指標mm

4 穿越立交橋施工保護措施

施工期間，合理控制盾構掘進參數，并采取以下保護措施：

(1) 盾構施工過程中采取實時監控措施，信息化施工，并根據監測結果指導施工，合理調整盾構推進參數，確保橋梁基礎各項控制指標在限值范圍內。

(2) 穿越前對盾構機械進行檢修，避免中間停機、漏漿或注漿系統堵管等情況發生，保證盾構能夠連續勻速推進。

(3) 盾構穿越五里墩立交之前，先試推進200 m試驗段，以確定盾構穿越時各項施工參數：① 采用0.10～0.11 MPa的小土壓進行掘進，在掘進完成后，采用0.13～0.15 MPa的大土壓進行保壓，有效加快施工進度，控制地層損失率；② 增加膨潤土和水泥摻入量，提高同步注漿漿液凝固后的強度，增加漿液的潤滑度，有效減少注漿管路堵塞的次數；③ 將二次注漿點選在隧道頂部，快速填實管片上部間隙，有效抑制管片上浮；④ 做好跟蹤測量，堅持每環測量法面和盾尾間隙，每日測一次倒九環管片上浮量，每20環進行一次管片斷面測量，確保盾構姿態處于可控狀態，盾構按設計軸線平穩掘進。

(4) 在盾構穿越立交樁基段，除確保同步注漿外，在脫出盾尾的第4～6環起，通過管片中部的注漿孔進行二次補注漿，且對于距離較小的匝道，采用每隔一環增設注漿孔的管片，有效控制土體的工后沉降。

(5) 墩柱穿越區域均安排在晚間掘進，采取夜間分階段封閉方案，盡可能減小施工期間荷載并降低對交通通行的影響，盾構掘進至距離影響的樁基約20環時先進行限流管控，掘進至相應橋墩時進行匝道臨時封閉施工。

(6) 對于部分風險較大的橋墩，采取在支座處安裝頂升設備(見圖5)、加墊鋼板的方式；對不具備安放千斤頂的墩柱，在墩柱兩側安裝鋼管支架，支架頂端安裝型鋼工作平臺，控制上部結構不均勻沉降差值，進而改善上部結構的受力狀態。

圖5 支座下預先安裝頂升設備

5 穿越后實測數據分析

盾構穿越施工結束后，橋墩樁基穩定的沉降監測數據及橋梁結構狀態如表3所示。

表3 匝道橋墩最終沉降實測數據

對比第3.2節提出的控制指標可知，盾構穿越施工引起的橋墩不均勻沉降均在可控范圍內。通過全橋結構驗算，橋梁結構處于健康狀態，滿足現行規范相關要求。

6 結論

本工程的順利實施為合肥市軌道交通建設積累了寶貴經驗，將更好地指導后續線路中盾構區間穿越類似橋梁工程的設計與施工。主要結論如下：

(1) 根據三維數值分析所提出的盾構推進過程中地層損失率的控制指標和五里墩立交橋基礎差異沉降控制指標是滿足實際施工和橋梁安全要求的。

(2) 本文的分析思路，采用的計算模型、參數、工況基本符合盾構施工實際情況，可用來指導設計和施工。

(3) 所提出的一系列施工保護和控制措施是有效的，成功保證了盾構穿越立交橋的施工。