重型天橋施工對地下既有隧道的影響與加固

鄭 偉 顧天熊 蔣凱臣 張羽翔

蘇州中固建筑科技股份有限公司 江蘇 蘇州 215152

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，在城市土地有限的情況下，開發(fā)利用既有隧道周圍的土地和空間是一種必然的選擇。在既有隧道周圍新建橋梁或道路，隧道受力狀態(tài)將發(fā)生變化，在附加應力作用下，隧道將產(chǎn)生二次變形，會對隧道的結(jié)構(gòu)安全和正常運營造成影響。隧道事故一旦發(fā)生，其損失是巨大的。開展隧道周圍新建橋梁結(jié)構(gòu)對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響研究具有重要的價值[1-2]。

1 工程概況

蘇州星港街隧道工程于2014年6月開工建設(shè)，包括星港街隧道（現(xiàn)代大道下立交）、軌道3號線東方之門站、星港街路東公共設(shè)施工程（公共停車場及景觀綠化）和星港街過街景觀天橋工程，是園區(qū)構(gòu)建南北向快速路網(wǎng)的重要舉措。星港街過街景觀天橋工程以蘇州中心商業(yè)裙樓3樓為起點，分為南橋和北橋，南橋跨星港街展開分支至路東湖濱公園，北橋跨星港街展開分支至香樟林（圖1、圖2）。

星港街隧道上方地面后期施工南北天橋，根據(jù)天橋施工單位提供荷載，經(jīng)驗算，部分區(qū)段隧道無法承受天橋的施工荷載，需在隧道內(nèi)部進行臨時加固，根據(jù)南北天橋施工單位提供的施工荷載并根據(jù)結(jié)構(gòu)荷載計算，設(shè)計了在隧道內(nèi)部增設(shè)鋼管支架、型鋼撐、型鋼立柱及混凝土牛腿的加固方案。加固區(qū)域分為地下2層和地下1層，雙層支架區(qū)域，先施工地下2層鋼管支架，后期施工地下1層鋼管支架。

圖1 隧道和過街天橋平面位置關(guān)系

圖2 隧道和匝道平面位置關(guān)系

2 重點、難點分析

1）臨時支撐荷載有限元分析是難點一。支撐作為隧道中間支座，其承擔約隧道跨度一半的天橋荷載，故支撐總軸力應接近上述分布寬度范圍內(nèi)的天橋總荷載。在“覆土荷載＋天橋荷載”作用下，設(shè)計支撐布置方案。支撐的設(shè)置后天橋可滿足附加荷載后承載力要求，為了便于施工，要對支撐數(shù)量和型鋼的斷面設(shè)計進行優(yōu)化。在覆土荷載和天橋荷載的作用下得到如下支撐布置方案：主線隧道東線下方單根鋼管支架最大軸力為35 kN；其余區(qū)域單根鋼管支架最大軸力為21 kN。E1匝道頂板上方覆土較薄，為保護已建隧道結(jié)構(gòu)，同時使天橋支架荷載均勻分散作用，須在上述區(qū)域路面鋪設(shè)路基箱；路基箱鋪設(shè)寬度超出隧道平面不小于2 m。單層路基箱高度不小于0.14 m。

2）交疊隧道內(nèi)支撐的植筋、測繪工藝是難點二。

3）結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測和預警，實時監(jiān)測隧道變形（豎向收斂）及裂縫（既有及新增裂縫）的發(fā)展、變化情況，并及時反饋給隧道設(shè)計單位，綜合判斷隧道結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài)，必要情況下需根據(jù)現(xiàn)場實際情況給隧道另行增設(shè)加固或保護措施是難點之三。

4）斜撐牛腿小空間自密實混凝土施工是難點之四。

2.1 支撐系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)軸力計算和穩(wěn)定性計算要求，最終選定400 mm× 400 mm型鋼作為豎向臨時支撐（圖3）。

圖3 支撐布置

星港街隧道底部經(jīng)歷長期雨天，隧道下部存在積水，這使得植筋施工無法開展，植筋膠遇水無法固結(jié)，且打孔后灰塵遇水會黏合在一起，無法將孔壁清理干凈，導致膠水與混凝土不能完全黏結(jié)，若不解決此項問題，斜剖撐牛腿施工將無法進行。隧道內(nèi)部型鋼支撐按照設(shè)計要求，型鋼立柱兩側(cè)各200 mm寬度范圍內(nèi)型鋼托架處應用千斤頂頂緊，若千斤頂頂升力值過大，原隧道混凝土板面受力會變形，所以如何控制好千斤頂頂升時原隧道混凝土板面不發(fā)生變形為此次加固工程的重點。

2.2 測繪技術(shù)

考慮到型鋼立柱的定位精度要求高及定位偏差過大可能造成后期天橋施工時隧道混凝土板面開裂，現(xiàn)場排除使用按照原結(jié)構(gòu)來進行定位放線的方法，經(jīng)討論最終應用閉合導線法對所有型鋼柱進行定位，設(shè)計院提供所有型鋼柱的坐標及所參考的坐標系。利用現(xiàn)場所存在的已知點坐標，及E1/E3匝道間的門洞，使測量路線構(gòu)成一個閉合回路。通過制作好的閉合導線，定出所有型鋼立柱的位置。

2.3 水下植筋技術(shù)

此次星港街隧道加固施工涉及的主要工序為型鋼立柱安裝、斜剖撐安裝、水平撐安裝及支撐排架。其中斜剖撐的施工質(zhì)量取決于支座牛腿鋼筋植筋施工質(zhì)量，但現(xiàn)場隧道內(nèi)部有積水，國產(chǎn)的植筋膠水無法適用于此種環(huán)境下的施工。為解決此項難題，引進了一種可適用于潮濕環(huán)境及開裂混凝土的新型材料Re500sd膠。施工前先清理隧道內(nèi)的積水及泥漿，在隧道混凝土底板上打孔，用毛刷清理干凈孔壁，注射Re500sd膠，注射深度為2/3孔深，鋼筋慢慢旋轉(zhuǎn)進入孔洞，直到膠水溢出為好，等待固化。

為檢驗Re500sd膠是否能在潮濕環(huán)境中起到良好效果，管理人員對植筋部位進行拉拔試驗，最終拉拔力達到55 kN，滿足設(shè)計要求。

2.4 型鋼立柱后加預應力施工

2.4.1 型鋼立柱安裝施工流程

AL梁底面平整度復測（AL梁底面高強環(huán)氧砂漿找平）→AL梁底面打孔，用透明板拓出孔的位置，并在梁上畫出透明板邊線→畫出預埋鋼板上孔位，用持力鉆開孔→頂板塞焊→型鋼立柱安裝→施加預應力→頂部埋板與型鋼柱焊接→底部型鋼鎖死裝置安裝→撤去千斤頂

2.4.2 型鋼立柱安裝施工工藝

1）復查AL梁底面平整度，對不平整部位進行混凝土表面鑿毛，后用高強砂漿找平。在AL梁底進行打孔，打孔深度為250 cm，孔徑16 mm，清理孔洞，保持孔洞干凈。植筋，等膠水固化后安裝開好孔的預埋板，進行塞焊施工。

2）型鋼立柱安裝，用小型叉車將型鋼柱移動至安裝位置就位，調(diào)整型鋼立柱垂直度，在型鋼柱兩側(cè)200 mm處安放千斤頂，將千斤頂加壓到25 MPa，相當于10 kN的力，2臺千斤頂要同時施加力，且不能夠一次性施加到25 MPa，要將其分為5個等級（5、10、15、20、25 MPa）逐步加壓，施加力的過程中要對AL梁進行變形觀測，防止混凝土開裂。

3）千斤頂施加力完成后，觀察上部是否貼緊，貼緊后上部進行型鋼柱與預埋板焊接，下部安放型鋼墊塊進行鎖死，型鋼墊塊與型鋼立柱進行焊接，最后撤去千斤頂。

3 變形監(jiān)測

鋼管支架布置區(qū)域，天橋施工前應在頂、底板臨空面上下對應位置布設(shè)豎向凈空收斂儀（每2～4 m一個斷面，每個斷面不少于2組測點，圖4）。

測量組在隧道AL梁、側(cè)墻斷面為K0＋525.0的斷面埋設(shè)監(jiān)控測量的3個點，其中拱頂1個點A，側(cè)墻2個點B、C。用JSS30A-01161收斂儀測量此斷面的沉降數(shù)據(jù)值并計算。附加荷載為30 kPa時，收斂儀沉降數(shù)值顯示，變形數(shù)值為0.34、0.88 mm，均小于1 mm的變形要求，隧道AL梁及側(cè)墻處于穩(wěn)定狀態(tài)，可正常施工。

圖4 斷面監(jiān)測點平面布置

4 結(jié)語

新建隧道、軌道交通下穿既有隧道和高架橋?qū)υ械某鞘械叵滤淼廊寒a(chǎn)生附加荷載時，可采用本技術(shù)對既有隧道結(jié)構(gòu)進行保護。

1）隧道內(nèi)部增設(shè)鋼管支架、型鋼撐、型鋼立柱及混凝土牛腿的加固方案，可以有效地減小既有隧道在附加荷載下的結(jié)構(gòu)變形。

2）理論分析數(shù)據(jù)E1匝道單孔箱涵理論變形為1 mm，加固后監(jiān)測數(shù)值小于理論模擬值，驗證了加固方案的合理性和可行性。

3）天橋附加荷載傳遞給既有的隧道，E1匝道頂板上方覆土較薄，為保護已建隧道結(jié)構(gòu)，同時使天橋支架荷載均勻分散作用，路面鋪設(shè)路基箱可有效地保證隧道安全。