盾構(gòu)隧道下穿軟弱土層既有人行天橋樁基設(shè)計探討

徐樹斌，萬 送

（武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430023）

0 引 言

城市軌道交通是現(xiàn)代大都市交通的發(fā)展方向，發(fā)展軌道交通是解決大都市病的有效途徑，也是建設(shè)綠色城市、智能城市的有效途徑，城市軌道交通的大發(fā)展已成為趨勢。由于城市軌道交通工程在城市中建設(shè)，地表建（構(gòu)）筑物、地面交通、地下管線等周邊環(huán)境復(fù)雜，盾構(gòu)隧道因?qū)Φ孛姝h(huán)境影響小、受地面條件限制少、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于地鐵區(qū)間。地鐵盾構(gòu)隧道在建設(shè)過程中有時受條件限制，需穿越少量地下障礙物，比如人行天橋鋼筋混凝土樁基。盾構(gòu)隧道施工時，既要清除隧道范圍內(nèi)的樁基，又要確保人行天橋的正常使用，這就需要我們進(jìn)行設(shè)計創(chuàng)新，采取特殊的設(shè)計措施滿足工程需要。以下結(jié)合某地鐵盾構(gòu)區(qū)間對侵入盾構(gòu)范圍的鋼筋混凝土樁基的處理設(shè)計進(jìn)行闡述。

1 工程概況

1.1 區(qū)間概況

區(qū)間隧道長約1 434 雙線米，采用盾構(gòu)法施工，管片外徑為6.2 m，內(nèi)徑為5.5 m，管片厚度為0.35 m，采用C50 鋼筋混凝土。區(qū)間左線隧道在車站接收工作井外約70 m 處下穿一處人行天橋，人行天橋主跨中墩樁基侵入盾構(gòu)隧道范圍，盾構(gòu)隧道與樁基相互關(guān)系如圖1、圖2 所示。人行天橋主跨采用兩跨（24.0 m+23.0 m）鋼箱梁，人行天橋橋面凈寬4.0 m。主跨中墩采用樁柱式基礎(chǔ)，樁基為摩擦端承樁，樁直徑為1.0 m，采用C30 水下鋼筋混凝土，主筋采用18根25 鋼筋，中墩位于快速路中央分隔帶。

圖1 盾構(gòu)隧道與樁基關(guān)系平面圖（單位：m）

圖2 盾構(gòu)隧道與樁基關(guān)系剖面圖（單位：m）

人行天橋跨越的快速路為雙向六車道（主路）+三車道（輔路），地面車流量大，前期地鐵車站施工導(dǎo)致快速路在1.2 km 范圍內(nèi)僅有此一處過街通道。故此天橋需保持行人過街功能，不得拆除，且盡可能減小施工期間對快速路的影響。經(jīng)多次方案比選，采用地面擴(kuò)大基礎(chǔ)托換樁基+ 盾構(gòu)管片加強(qiáng)設(shè)計+ 盾構(gòu)切削樁基[1]+地面臨時托架的設(shè)計方案。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

場地為武漢市三級階地剝蝕堆積平原區(qū)向湖泊堆積平原過渡，從上往下依次為1-1 雜填土（Qml）、1-2 素填土（Qml）、黏土（Ql）、6-2 黏土（Qal+pl）、10-2黏土（Qal+pl2-3）、14 弱膠結(jié)黏土巖（N）。場地地下水主要為上層滯水、層間水、基巖裂隙水及巖溶水。

武漢地區(qū)的建筑抗震設(shè)防烈度為6 度，設(shè)計基本地震加速度值為0.05g，所屬設(shè)計地震分組為第一組。地震作用按6 度考慮，應(yīng)按7 度加強(qiáng)其抗震措施。

2 樁基托換設(shè)計

由于快速路僅允許臨時封閉兩股車道（雙向各一車道），為減小樁基托換施工時對快速路的影響，同時考慮施工條件、工期影響，經(jīng)方案比較后，天橋主跨中墩樁基采用擴(kuò)大基礎(chǔ)進(jìn)行被動托換，同時設(shè)置臨時頂升支架控制托換及盾構(gòu)施工中主梁沉降及傾斜。

地表以下6.5 m 范圍依次為1-1 雜填土、1-2 素填土、1-5 黏土，擴(kuò)大基礎(chǔ)底天然地基承載力不滿足要求，對擴(kuò)大基礎(chǔ)底部采用?150@550 松木樁進(jìn)行地基加固，如圖3、圖4 所示。

圖3 樁基托換橫剖面圖（單位：m）

圖4 樁基托換剖面圖（單位：m）

樁基托換施工過程如下：施工打圍，管線遷改→打入鋼板樁，基坑開挖施工→施工松木樁→架立臨時支架（用千斤頂向上頂升3 mm 并維持狀態(tài)恒定）→鑿除樁基表面的混凝土露出樁基主筋，將樁基主筋與擴(kuò)大基礎(chǔ)主筋牢靠焊接，綁扎承臺鋼筋，澆筑擴(kuò)大基礎(chǔ)混凝土→擴(kuò)大基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后，利用預(yù)埋的混凝土鋸切斷樁基與承臺連接→回填基坑，恢復(fù)路面，拆除臨時支撐，現(xiàn)場施工如圖5、圖6所示。

圖5 現(xiàn)場臨時支架圖

圖6 擴(kuò)大基礎(chǔ)鋼筋施工圖

2.1 擴(kuò)大基礎(chǔ)設(shè)計

根據(jù)計算結(jié)果，擴(kuò)大基礎(chǔ)豎向荷載設(shè)計值為1 132.3 kN。結(jié)合人行天橋荷載、擴(kuò)大基礎(chǔ)底土層條件、地面施工場地等，擴(kuò)大基礎(chǔ)采用C30 鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)平面尺寸為2.6 m×6.0 m，厚1.5 m，埋深約2.2 m。基礎(chǔ)底部設(shè)置30 cm 厚碎石+20 cm厚C20 素混凝土墊層。擴(kuò)大基礎(chǔ)基坑深度約3.0 m，采用Ⅳ型拉森鋼板樁支護(hù)，由于天橋主梁底凈高僅5.1 m，鋼板樁按3 m 一截打設(shè)，采用魚尾鋼板連接。擴(kuò)大基礎(chǔ)通過設(shè)置放射性抗剪鋼筋與樁基鋼筋連接，增強(qiáng)抗剪。擴(kuò)大基礎(chǔ)設(shè)計如圖7、圖8 所示。

圖7 擴(kuò)大基礎(chǔ)剖面圖（單位：m）

圖8 擴(kuò)大基礎(chǔ)抗剪鋼筋布置圖（單位：m）

2.2 擴(kuò)大基礎(chǔ)基底處理

擴(kuò)大基礎(chǔ)底位于1-2 黏土，天然地基不滿足要求，需對基底進(jìn)行加固處理。由于橋底凈高5.1 m，且地面施工場地狹小，經(jīng)研究、比較，采用松木樁復(fù)合地基。?150@550 松木樁，正三角形布置，有效樁長4.8 m。

3 管片設(shè)計

根據(jù)詳勘報告，該區(qū)間天橋段位于長江三級階段，隧道洞身覆土約10.02 m，判定為淺埋隧道。

3.1 天橋托換擴(kuò)大基礎(chǔ)附加荷載計算

文秀街天橋托換擴(kuò)大基礎(chǔ)平面尺寸為2.6 m×6.0 m，采用C30 鋼筋混凝土基礎(chǔ)，擴(kuò)大基礎(chǔ)底部采用0.5 m 墊層（0.2 mC20 素混凝土+0.3 m 碎石），基底采用?150@550 松木樁進(jìn)行加固，松木樁進(jìn)入6-2 黏土層，樁長4.8 m（不含樁尖），參照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）第5.4.1 條[2]，基底的附加應(yīng)力為153.1 kPa（擴(kuò)大基礎(chǔ)頂?shù)呢Q向荷載設(shè)計值為1 130 kN，彎矩為544.4 kN·m）。

盾構(gòu)下穿前，原有樁基已與擴(kuò)大基礎(chǔ)斷開（通過預(yù)埋混凝土鋸，將原樁基鋸斷），橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)底的附加荷載分為兩種工況：

工況1：擴(kuò)大基礎(chǔ)僅承受豎向荷載（無橋墩彎矩），擴(kuò)大基底附加荷載為矩形布置，附加荷載為80.0 kPa，換算為管片頂附加荷載為46.8 kPa。

工況2：擴(kuò)大基礎(chǔ)承受豎向荷載及橋墩彎矩作用，擴(kuò)大基底附加荷載為三角形布置，最大附加荷載為153.1 kPa；換算為管片頂最大附加荷載為89.78 kPa。

3.2 水土壓力及地表活載計算

淺埋隧道垂直土壓按全土柱高度取值，水土合算計算荷載，取無水最不利工況計算。

3.3 管片內(nèi)力計算結(jié)果及配筋

盾構(gòu)隧道采用修正慣用計算法進(jìn)行計算[4]，地層彈簧設(shè)置為只受壓彈簧，剛度按詳勘報告選取。管片的剛度折減系數(shù)η=0.75，管片錯縫拼裝的彎矩增大系數(shù)ζ=0.3。

盾構(gòu)管片采用C50 混凝土，外徑為6.2 m，壁厚0.35 m，均分6 塊，錯縫拼裝，計算模型如圖9 所示。

圖9 計算模型

采用SAP84 進(jìn)行有限元計算，內(nèi)力結(jié)果見表1。

表1 管片內(nèi)力值表

3.4 螺栓選用

經(jīng)核算管片縱、環(huán)向連接螺栓采用8.8 級普通螺栓不能滿足受拉要求，采用機(jī)械性能等級10.9 級高強(qiáng)螺栓替代8.8 級普通螺栓。

4 結(jié) 論

（1）在軟弱土層中采用擴(kuò)大基礎(chǔ)對人行天橋樁基進(jìn)行被動托換，通過對基底土層進(jìn)行預(yù)加固（松木樁加固）后，能滿足天橋的承載力及變形的要求。

（2）采用適當(dāng)增大配筋的管片及10.9 級高強(qiáng)度螺栓，可提高管片的承載力，替代鋼管片。

（3）盾構(gòu)穿越樁基時，應(yīng)將樁基與擴(kuò)大基礎(chǔ)提前斷開；盾構(gòu)慢速推進(jìn)時(推進(jìn)時速不大于5 mm/min），可切削人行天橋樁基中25 鋼筋。

（4）目前隧道已經(jīng)貫通，人行天橋及管片監(jiān)測均滿足正常，后期在運(yùn)營期間仍需加強(qiáng)監(jiān)測。

（5）人行天橋多采用樁柱式基礎(chǔ)，對地下空間應(yīng)用的影響較大，建議人行天橋多采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，減少對地下空間的占用。

地鐵盾構(gòu)隧道下穿軟弱土層既有人行天橋鋼筋混凝土樁基，可通過擴(kuò)大基礎(chǔ)進(jìn)行被動托換，但需做好擴(kuò)大基礎(chǔ)沉降、盾構(gòu)管片受力、盾構(gòu)施工控制、地面臨時支架等措施。目前盾構(gòu)管片較少采用10.9 級高強(qiáng)螺栓，仍需在今后的工程設(shè)計中不斷地總結(jié)。