城際鐵路明挖隧道下穿病害橋梁加固技術(shù)

中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055

隨著軌道交通事業(yè)的不斷發(fā)展，公路、鐵路、城軌等線路相互下穿及線路下穿既有其他建筑物的工程越來越多，下穿建筑物也成為隧道建設(shè)中的技術(shù)重點和難點。文章依托莞惠城際松山湖隧道明挖法下穿廣深高速公路高架橋工程，針對病害橋梁提出了采用地表注漿+臨時支架+樁基托換的加固體系，并通過數(shù)值模擬的手段，分析得出結(jié)論，表明上述加固方案是可行的，可確保橋梁安全。

1 工程概況

莞惠城際鐵路松山湖隧道明挖段從廣深高速公路東莞北特大橋N段旱橋13橋墩N76、N77之間穿過，兩者斜交，交角為66°。高架橋N77-D1樁基局部侵入?yún)^(qū)間隧道主體結(jié)構(gòu)約0.29m，其余N77橋墩下樁基以及N76橋墩下樁基均在隧道施工影響范圍之內(nèi)。隧道與橋梁的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 隧道與廣深高速高架橋平面位置關(guān)系圖

隧道穿越地層由上至下依次為人工填土，淤泥，粉砂，全、強、弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。地下水位高，埋深僅0.2m，地層具有承載力較低、抗剪強度較低、透水性差、浸水易軟化、潰散等特性。

2 橋梁概況

該隧道下穿的是廣深高速白馬河特大橋旱橋13的N76～N77號橋跨，跨徑組合為28m×32.5m，總長90m。上部構(gòu)造為預(yù)應(yīng)力砼T梁，采用先簡支后橋面連續(xù)的施工工藝；下部橋墩結(jié)構(gòu)為方形雙柱式，樁基礎(chǔ)，人工挖孔樁。其中N76墩下基礎(chǔ)采用直徑為1500mm的單樁，N77墩下基礎(chǔ)采用直徑為1350mm的雙樁。

由廣東交通集團檢測中心提供的檢測報告《廣深高速公路橋墩狀況調(diào)查報告（第七期：東莞北特大橋L～N段）》可知，N76、N77橋墩基礎(chǔ)樁基入巖深度均不滿足設(shè)計要求，部分樁基存在樁底質(zhì)量差、樁身不完整等病害情況。

3 隧道概況

該區(qū)間隧道為鋼筋混凝土單層雙跨矩形框架結(jié)構(gòu)，采用明挖順筑法施工，基坑圍護結(jié)構(gòu)采用Ф1000mm@1200mm的鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐的支護方式，樁間采用Ф600mm旋噴樁止水?；訉?5.4m，深約12.5～13.6m，豎向設(shè)兩道內(nèi)支撐，第一道采用鋼筋砼支撐，下設(shè)一道鋼管撐，基坑回筑過程中架設(shè)一道鋼管倒撐。

4 加固方案

根據(jù)廣東交通集團檢測中心提供的檢測報告《廣深高速公路橋墩狀況調(diào)查報告（第七期：東莞北特大橋L～N段）》可得出，既有橋樁存在部分病害樁，在施工過程中震動、基坑開挖、水土流失等均很難保證既有橋梁結(jié)構(gòu)的安全，因此需采取合理的施工工序和強有力的措施來保證橋梁在施工期間的運營安全。

4.1 施工工序

具體施工工序如圖2所示。

圖2 施工工序圖

（1）臨時支架的架設(shè)。在施工前對既有橋梁進行臨時支撐，臨時支撐必須100%承擔上部所有荷載，同時在施工臨時支架過程中要保證橋樁不能發(fā)生不可控的沉降。臨時支架架設(shè)分2步進行。①第一步：打設(shè)木樁→施工C30擴大基礎(chǔ)→豎向貝雷梁→千斤頂→木墊塊→水平鋼箱梁→工字鋼→施工工字鋼與鋼箱梁之間的木墊塊。在不開挖前提下，初步架設(shè)起臨時支撐體系。②第二步：在第一步支撐的保護下打設(shè)Φ1500mm臨時支撐樁→預(yù)埋鋼板→架設(shè)千斤頂→木墊片→調(diào)整千斤頂與鋼箱梁緊貼密實→拆除豎向貝雷梁。通過第二步把臨時支架的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)換成嵌巖樁。在每根橫向工字鋼與縱向鋼箱梁之間設(shè)置2個千斤頂，以便在后期施工過程中隨時動態(tài)調(diào)整橋梁姿態(tài)。

（2）注漿。注漿管采用袖閥管，漿液為水泥漿，加固至既有橋樁底不小于1.5d（d為托換樁樁徑），孔間距為0.8m，注漿壓力為0.5～0.8MPa，先基礎(chǔ)周邊后中間，由外向內(nèi)，隔孔交替注漿。

（3）托換樁。采用鉆孔灌注樁，樁徑為Φ1500mm、Φ1200mm，材料為C45、P10鋼筋砼。樁端支承層為弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，嵌入弱風(fēng)化巖深度≥1.5d（d為托換樁樁徑），且超過隧道底≥1.0m。新增托換樁設(shè)計及計算考慮了基坑和圍護樁開挖過程中的影響，同時也考慮了后期城際列車運營期間的震動荷載。

（4）新增承臺施工。新增承臺高2.3m、寬2.8m，材料為C45、P10鋼筋砼，同時需設(shè)置Φs15.2-5鋼絞線，每根張拉力為931kN。承臺鋼筋較多，要進行分層澆筑，確保振搗質(zhì)量。澆筑砼時，需在托換樁對應(yīng)承臺位置預(yù)留2根Φ108mm補漿管，后期橋樁與承臺連接時作為灌漿使用。

（5）受力轉(zhuǎn)換。橋樁托換采用主動托換法，承臺與托換樁各自獨立施工，待樁基預(yù)壓完成后再組成剛性整體結(jié)構(gòu)。受力轉(zhuǎn)換時，在托換樁與托換承臺之間設(shè)置自鎖千斤頂加載，使上部結(jié)構(gòu)的荷載轉(zhuǎn)移到新增承臺及托換樁上，同時使托換樁的大部分位移通過千斤頂分步分級頂升預(yù)壓來抵消，從而通過主動加載使托換樁替代原樁受力。當頂力、頂程穩(wěn)定后，2周內(nèi)累計沉降量小于0.1mm，且托換樁沉降為收斂趨勢，方可以封樁。在保持預(yù)頂力穩(wěn)定不變的情況下，將承臺、樁預(yù)留鋼筋焊接好，對部分樁頭進行鑿毛、刷界面劑處理后，澆筑C45微膨脹砼封樁，填充托換承臺與托換梁之間的空隙。在封樁砼終凝后，再灌注C45水泥砂漿填充承臺底與封樁砼之間的空隙，同時通過承臺預(yù)埋Φ108mm補漿管灌注C45水泥砂漿。

（6）基坑開挖。明挖隧道圍護結(jié)構(gòu)采用排樁支護，樁間施作旋噴樁止水，采用明挖順筑法施工，開挖與基坑一致。

4.2 數(shù)值模擬

針對基坑開挖對橋梁樁基礎(chǔ)的影響，通過建立三維有限元模型進行基坑施工過程模擬計算，計算中考慮了橋樁基礎(chǔ)、土、圍護結(jié)構(gòu)及支撐系統(tǒng)的相互作用，同時考慮了橋墩基礎(chǔ)的實際位置及上覆荷載。

（1）工況模擬?？紤]實際施工過程，按照基坑開挖順序共劃分為7個施工工況（地面標高+3.12m），分別為初始應(yīng)力平衡、橋樁基礎(chǔ)加固及圍護結(jié)構(gòu)施工、基坑開挖、架設(shè)第一道支撐、基坑開挖、架設(shè)第二道支撐、開挖基坑至底部。以上各工況僅考慮施工全過程中最不利的幾個階段，其余隧道結(jié)構(gòu)施作及回填工況不作計算。

（2）有限元模型。基坑施工過程模擬的三維有限元計算模型共劃分單元86430個，節(jié)點84474個，其計算網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 三維計算網(wǎng)格劃分示意

（3）計算結(jié)果分析。橋樁基礎(chǔ)豎向、水平位移最大值分布分別如圖4、圖5所示。由圖4可知，橋樁基礎(chǔ)頂面最大豎向位移隨著基坑開挖逐步增大。整個施工階段，N76號墩A號基礎(chǔ)豎向位移最大，為-0.30mm；N77號墩D號基礎(chǔ)豎向位移最大，為-0.54mm。由此可見，基坑開挖引起橋樁基礎(chǔ)最大豎向位移發(fā)生在N77-D號基礎(chǔ)頂面，為-0.54mm，其沉降量不足1mm。橋樁基礎(chǔ)頂面最大水平位移變化規(guī)律與豎向位移相同，最大水平位移隨著基坑開挖逐步增大。整個施工階段，N76號墩A號基礎(chǔ)水平位移最大，為-1.91mm；N77號墩D號基礎(chǔ)水平位移最大，為4.27mm。由此可見，基坑開挖引起橋樁基礎(chǔ)向洞內(nèi)變形，比較而言，開挖引起橋樁基礎(chǔ)的側(cè)向變形大于豎向沉降?？傮w而言，基坑開挖對橋樁基礎(chǔ)的影響較小，其豎向沉降最大值僅為0.54mm，水平位移最大值僅為4.27mm，基坑開挖能滿足周邊環(huán)境的安全要求。

圖4 橋樁基礎(chǔ)豎向位移最大值分布圖

圖5 橋樁基礎(chǔ)水平位移最大值分布圖

5 結(jié)束語

莞惠城際鐵路松山湖隧道明挖法下穿廣深高速高架橋，由于橋樁侵入隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)，且部分橋樁存在病害，隧道的施工會給樁基的安全帶來極大隱患。文章通過采用100%荷載的臨時支撐體系→完成對鄰近隧道高架橋段地基的注漿加固→樁基加固→進行隧道開挖加固體系，減小了隧道施工對橋梁群樁基礎(chǔ)的影響，成功地解決了明挖隧道下穿病害橋梁的技術(shù)難題。