地鐵隧道穿越既有橋梁防洪評價分析

何書琴

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

隨著我國城市化進程的不斷加快，城市地鐵建設事業蓬勃發展。地鐵施工中，盾構法因為其施工速度快、周圍環境影響小等優勢，在地鐵施工中廣泛應用，成為地鐵施工的重要技術方法[1]。當前我國地鐵工程周邊環境條件日益復雜化，特別是珠三角地區，河網密布、涉河橋梁眾多，導致城市地鐵工程穿越既有橋梁和河流的施工安全風險顯著增加。地鐵盾構隧道在穿越橋梁、河流等復雜環境下，可能會對河道、堤防和橋梁基礎產生不利影響，進而發生堤基沉降、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，為確保地鐵盾構隧道施工能夠安全順利通過既有橋梁、河流和堤防，除應采取合理的安全風險分析評估及控制方法外[2-8]，根據《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》等有關規定，還應對河道管理范圍內的地鐵隧道工程和橋梁工程進行防洪評價，以保障河道行洪、排澇、防汛搶險、堤防安全穩定及地鐵隧道自身的安全。本文以廣州地鐵某線路盾構隧道穿越既有橋梁為例進行防洪評價分析。

1 工程概況

1.1 基本情況

廣州地鐵某線路為南北走向，根據地鐵線路走向和設計、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。而位于盾構左線和右線范圍內的既有橋梁16根φ1.2 m和8根φ1.3 m鉆孔灌注樁已侵入即將建設的地鐵隧道。為加快城市軌道交通建設，在征得橋梁管理部門同意后，擬對既有南江二路橋梁進行拆除，待地鐵盾構隧道施工完畢后，再原址復建南江二路橋梁。

圖1 擬建地鐵隧道與既有橋梁工程關系示意

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、橋寬為34 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。上部結構采用3×25 m跨預制小箱梁結構，下部結構采用44根鉆孔灌注樁。

位于二涌兩岸堤頂的0#和3#橋臺，基礎采用16根φ1.2 m的鉆孔灌注樁基，樁長55.8 m。位于二涌河道內的1#和2#橋墩采用圓柱墩，墩徑為1.3 m，基礎采用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 地鐵盾構隧道

地鐵盾構隧道穿越軸線位于南江二路橋河段，隧道由南往北敷設，盾構隧道外徑為8.5 m，內徑為7.7 m。在河道管理范圍內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 原址復建橋梁

原址復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，為節約復建工程造價，上部結構3×25 m跨預制小箱梁吊出重復利用，下部結構采用24根φ1.5 m鉆孔灌注樁。復建橋梁主要方案為樁基托換，樁基跨越盾構斷面，設置轉換承臺。

位于二涌兩岸堤頂的0#和3#橋臺，基礎采用8根φ1.5 m的鉆孔灌注樁基，樁長為60.0 m。位于二涌河道內的1#和2#橋墩采用圓柱墩，墩徑為1.1 m，承臺埋設于河床面以下，承臺尺寸為2.5 m×3.5 m×15 m，基礎采用4根φ1.3 m的鉆孔灌注樁基，樁長54.0 m。原址復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 原址復建橋梁橋墩和樁基尺寸 m

圖2 擬建地鐵隧道與原址復建橋梁工程關系示意

1.5 施工方案

擬建地鐵盾構隧道工程施工順序為：既有南江二路橋梁拆除→盾構隧道施工→復建南江二路橋梁。

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欄鑿除)→預應力小箱梁拆除→吊出小箱梁(小箱梁存放再利用)→拆除蓋梁和橋墩→全套管全回轉鉆機拔除全部樁基→清理碎渣。

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

2 防洪評價分析

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

2.1 建設項目與河道堤防關系

1) 既有橋梁工程與河道堤防關系

既有南江二路橋梁工程與現有兩岸堤防平交，其中0#橋臺位于左岸堤頂上，橋臺梁底標高為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，橋臺梁底標高為7.746 m。跨河橋梁梁底標高高于河道設計水位6.20 m。既有橋梁工程與河道堤防關系見圖3所示。

圖3 既有橋梁工程與河道堤防關系示意

2) 地鐵隧道工程與河道堤防關系

擬建地鐵隧道穿越工程采用盾構法施工，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。地鐵盾構隧道工程與兩岸堤防及河床空間位置關系見表3和圖4所示。

圖4 擬建地鐵隧道工程與河道堤防關系示意

表3 擬建地鐵隧道工程與河道堤防關系統計 m

3) 原址復建橋梁工程與河道堤防關系

原址復建橋梁方案采用與原橋一致的橋型方案，原址復建橋梁工程與現有兩岸堤防平交，其中0#橋臺位于左岸堤頂上，橋臺梁底標高為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，橋臺梁底標高為7.746 m。跨河橋梁梁底標高高于河道設計水位6.20 m。原址復建橋梁工程與河道堤防關系見圖5所示。

圖5 原址復建橋梁工程與河道堤防關系示意

2.2 建設項目占用河道情況

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，河道設計水位為6.20 m，可求出50年一遇設計標準條件下，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) 原址復建橋梁工程與河道堤防關系

原址復建橋梁工程與既有橋梁橋型方案基本一致，在河道內共布置有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。河道設計水位為6.20 m，可求出50年一遇設計標準條件下，由于橋墩墩徑的減小，原址復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

地鐵隧道埋設在河床以下，河道沖刷將危及地鐵隧道的安全。因此，應將隧道敷設在穩定的地層內，并保證隧道的埋深應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。

穿越斷面的沖刷應當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而導致的局部沖刷，但要考慮河床本身的自然演變沖刷和發生較大洪水時河床的沖刷深度。復建橋梁興建后，橋墩阻水使水流產生繞流，引起局部水流流速和流態的變化，橋墩附近，因墩壁的阻力與橋墩附近的繞流會產生局部淘刷，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《公路工程水文勘測設計規范》(JTG C30—2015)粘性土河床河槽部分的一般沖刷公式(8.3.2-1)進行河床一般沖刷深度計算。

二涌50年一遇河槽設計洪水流量為64.5 m3/s，將斷面相關數據代入公式計算得：在50 年一遇設計標準條件下，地鐵盾構隧道穿越斷面河床的一般沖刷深度為0.59 m，而擬建盾構隧道在穿越河段最小埋深為12.47 m，大于地鐵盾構隧道穿越斷面河床一般沖刷深度，滿足規范要求。

2) 復建橋梁局部沖刷深度

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

二涌50年一遇河槽設計洪水流量為64.5 m3/s，將斷面相關數據代入公式計算得：在50 年一遇設計標準條件下，復建橋梁橋墩局部沖刷深度為0.86 m，而復建橋梁橋墩在穿越河段最小埋深大于復建橋梁橋墩局部沖刷深度，滿足規范要求。

2.4 工程對堤防抗滑穩定的影響

地鐵盾構隧道穿越工程施工中難免會對堤防工程基礎土層產生擾動，降低土體的抗剪強度，造成地基承載力不足而滑動失穩。因此，應對堤防抗滑穩定進行計算分析。

1) 計算工況

堤防抗滑穩定計算采用《堤防工程設計規范》[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行堤防抗滑穩定分析計算：

① 50年一遇設計水位6.2 m條件下，堤坡形成穩定滲流后的背水側堤坡；

② 50年一遇設計水位6.2 m驟降至預降水位4.5 m高程，堤坡形成穩定滲流后的臨水側堤坡。

地鐵盾構隧道工程兩岸堤防背水側與堤頂基本齊平，根據堤防現狀、河道水位條件及工程建設情況，本文僅對臨水側堤坡進行堤防抗滑穩定計算。

2) 計算參數

根據建設單位提供的地質資料，確定各土層物理力學參數指標。

3) 計算成果分析

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

表6 堤身抗滑穩定計算成果

3 結語

由于城市地鐵建設的復雜性，在地鐵施工建設過程中，不可避免的會有穿越橋梁和河流等情況出現。本文以廣州地鐵某線路盾構隧道穿越既有橋梁為例，說明了在河道管理范圍內存在多個涉河建設項目時，應把握不同涉河建設項目的評價要求，進行有側重點的分析評價。重點分析建設項目與河道堤防關系、建設項目占用河道情況、河道一般沖刷深度、工程對堤防抗滑穩定的影響等，以此綜合評價地鐵盾構隧道工程和原址復建橋梁對河道行洪、河勢穩定、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]，為類似工程的設計、施工和水行政主管部門的技術審查提供參考和借鑒。