隧道盾构穿越码头及防洪水工建筑物设计——以上海市轨道交通10号线二期穿越长航局锚地码头相关改造工程为例

王珏

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

隧道盾构穿越码头及防洪水工建筑物设计
——以上海市轨道交通10号线二期穿越长航局锚地码头相关改造工程为例

王珏

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

以上海市轨道交通10号线二期穿越长航局锚地码头相关改造工程为例，介绍了隧道盾构穿越码头及防洪水工建筑物的设计，通过方案对比分析，论证了改造方案的可靠性及经济性，总结了设计及施工过程中的要点，可为今后同类工程的设计及施工提供参考。

隧道盾构；高桩码头；防汛墙

0 引 言

20世纪90年代至21世纪的现在是中国城市轨道交通快速发展的新时期。随着经济的快速发展，城市综合规模的迅速扩大，中国城市化进程的加快，轨道交通的作用愈发突出。

根据《上海市城市快速轨道交通近期建设规划（2010-2020）》，至2020年上海市轨道交通总里程将达到800 km。

其中众多线路需穿越黄浦江，黄浦江作为长江汇入东海之前的最后一条支流，贯穿整个上海市区，并将上海分成浦西和浦东。黄浦江防汛标准为千年一遇，其防汛设施的安全可靠对于整个城市的安全影响重大；黄浦江航道等级为I级，可通行3 000～10 000吨级船只，沿线码头众多。

而轨道交通在穿越黄浦江的过程中不可避免会对影响范围内的防汛墙及码头产生较大影响，因此需在隧道盾构穿越前对其进行改造，改造方案需同时满足防汛安全、码头使用功能及隧道穿越要求。

1 工程背景

上海市轨道交通10号线（地铁M1线）是《上海市城市轨道交通系统规划方案》中规划的市区级轨道线网中的地铁类线路之一。二期工程由新江湾城站起始，在穿越黄浦江后延伸至外高桥，根据规划线位，需在黄浦江东岸穿越长航局锚地码头10#、11#泊位及后方防汛设施。

根据隧道纵断面布置，穿越码头处盾构底标高约为-19.20～-18.20（盾构直径为6.2 m），而原码头前排直桩桩底标高为-22.60 m，后两排斜桩桩底标高为-23.30 m，盾构侵入码头桩基～10.0 m。因此需对受到轨道交通十号线盾构穿越影响的部分老码头进行改造。另外根据《上海市跨、穿、沿河构筑物河道管理技术规定（试行）》[1]，还需对码头后方驳岸进行改造。

2 现状码头及防汛墙

2.1 现状码头

盾构穿越处的10#、11#泊位为固定式码头，码头结构为高桩梁板的型式。码头宽8.00 m，排架间距6.00 m。

横梁及靠船构件为整体预制，横梁高1.20 m，靠船构件高3.10 m，底宽0.60 m，顶宽1.20 m。预制横梁及靠船构件结构纵向宽0.70 m。

底部共三排桩基，第一排桩基为直桩，第二、三排桩基为斜桩，分别向外侧、内侧倾斜，坡度为1:3.0，形成一对叉桩。桩基均采用0.50×0.50 m的预制方桩，第一排方桩桩长26.00 m，桩底标高-22.60 m，第二、三排方桩桩长28.00 m，桩底标高-23.30 m。第一排桩基距码头前沿线1.75 m，第一、二排桩基间距4.05 m，第二、三排桩基间距0.90 m，第三排桩基距码头内边线1.30 m。现状结构见图1。

图1 码头及防汛墙现状断面图（单位：mm）

2.2 现状防汛墙

盾构穿越范围内防汛体系主要由前方驳岸（一级挡墙）及后方防汛墙（二级挡墙）组成。驳岸为抛石护坡的结构型式，坡比为1:1.7，自坡顶5.40 m标高放坡至3.40 m标高。护坡下设抛石镇脚，尺寸为1.20 m（宽）×0.50 m。镇脚下设抛石基床，基床高1.00 m，底宽～4.00 m，基床江侧坡比同护坡坡比为1:1.7，岸侧垂直。驳岸抛石基床底标高～2.00 m至码头后沿（泥面标高～0.60 m）之间土坡坡比约为1:10.0，码头后沿至码头前沿（泥面标高～-3.14 m）之间土坡坡比约为1:1.8。现状结构见图1。

防汛墙（二级挡墙）位于驳岸后方～100 m处，墙顶标高～7.30 m（满足防汛顶高程要求），结构为钢筋混凝土“L”型挡墙，墙身完好可暂不考虑改造，施工时防汛墙（二级挡墙）也可满足防汛要求，故在改造施工时也无需设置临时防汛墙。

3 码头改造方案

3.1 盾构穿越安全控制距离

隧道盾构设计方对盾构穿越的安全控制距离及相关要求为：

（1）10号线二期新建码头桩基距离隧道结构外边线的最小水平及垂直净距原则上应大于3 m，位于隧道上、下行线间的桩基与隧道的水平净距可按2.5 m控制

（2）码头改建工程设计时，应考虑盾构推进对其可能产生的变形、沉降影响，也要考虑自身的后期沉降对区间隧道的影响，应控制其基础沉降量不大于10 mm

（3）原则上隧道结构外边线水平净距6 m范围不应进行任何地下构筑物建造（含围护结构）。

3.2 拔桩及拆除工程

为满足盾构的顺利推进，需将盾构范围内的长航局锚地码头10#泊位的14#～17#排架以及11#泊位的18#、19#排架桩基拔除，并拆除10#泊位的13#排架至11#泊位的20#排架（约38.35 m）间上部结构及相应附属设施。

3.3 方案一（斜桩+高桩墩台方案）

方案一采用高桩码头的型式，共设置三榀排架，其中轨道交通十号线盾构左右线外侧的1#、3#排架桩基上部采用墩台结构，轨道左右线中间的2#排架桩基上部采用倒T型横梁结构。

1#、3#排架墩台采用C30钢筋混凝土现浇结构，其中1#墩台下墩台宽4.10 m，高1.00 m、上墩台宽3.60 m，高1.43 m；3#墩台下墩台宽4.90 m，高1.00 m、上墩台宽4.40 m，高1.43 m。纵断面见图2。

纵梁采用C30钢筋混凝土预制梁，预制部分长11.30 m，高1.43 m。边纵梁采用C30钢筋混凝土预制倒“L”型梁，中间纵梁采用C30钢筋混凝土预制“T”型梁。

图2 码头改造方案一纵断面图（单位：mm）

3.4 方案二（全直桩+高桩倒T型横梁方案）

方案二同为高桩码头的型式，共设置五榀排架，其中轨道交通十号线盾构左右线外侧各设置两榀排架，分别为1#、2#及4#、5#排架，轨道左右线中间设置一榀排架，为3#排架。排架桩基上部均采用倒T型结构。

1#与2#排架，4#与5#排架采用C30钢筋混凝土预制面板连接。2#与3#排架，3#与4#排架采用预制纵梁连接。

3.5 方案比选

方案二为全直桩，由于直桩抗水平力较差，因此需直径较大的钻孔灌注桩。钻孔灌注桩承载能力不如打入桩（PHC桩、钢管桩），桩长也需相应加长。且钻孔灌注桩的造价也较高。

方案一设斜桩可有效抵抗船舶横向荷载，且打入桩造价也较低。

因此推荐更为可靠，造价也较低的方案一。

4 防汛墙改造方案

盾构上方新建结构为低桩承台结构，墙身采用L型钢筋混凝土挡墙，桩基采用前后共两排Φ600钻孔灌注桩，前排桩纵向间距均为0.8 m（密排），后排桩纵向间距均为1.40 m。考虑到盾构顶标高为-13.00～-12.00 m，盾构范围内新建驳岸桩长取11.50 m，桩底标高为-9.05 m，可确保桩底标高至盾构顶标高有～3.00 m的净距。

盾构左右线外侧前排各设三排长桩，后排各设两排长桩，盾构线中间设一排长桩，桩长18.5 m，直径取Φ800，桩底标高-16.05 m。驳岸结构中间不设伸缩缝，通长形成骑跨式整体结构跨于盾构上方以满足整体稳定要求。

盾构两侧桩基采用前后共两排Φ600钻孔灌注桩，前排采用密排钻孔灌注桩，桩基纵向间距0.8 m，后排钻孔灌注桩纵向间距2.1 m，桩长18.50 m，桩底标高-16.05 m。具体桩位见图3。

5 结构计算[2,3]

码头纵梁按弹性支承连续梁的计算模型进行内力分析；排架按平面杆系结构计算，采用假想嵌固点法，横梁简化为弹性支撑连续梁进行计算。纵梁计算结果见表1，横梁计算结果见表2。横梁及墩台竖向位移满足隧道盾构不大于10 mm要求。

防汛墙整体稳定及桩基结构计算结果分别见表3～表5。

经计算整体稳定、桩基承载力及结构位移均满足规范及隧道盾构要求。

6 施工关键技术要求

6.1 PHC管桩及钢管桩沉桩要求

（1）采用打桩船沉桩作业；打桩船应根据水下地形测量资料进行选型，保证现状水深能够满足打桩船施打桩基要求；在进行靠近保留老结构位置桩基沉桩时应采取打桩船侧移、增加挑龙口距离等措施以保证施工安全，见图4。

（2）桩基设计顶标高处允许偏差：直桩±5 mm、斜桩±10 mm。

图3 防汛墙改造桩位图（单位：m）

表1 纵梁计算结果汇总表

表2 中间横梁及两侧墩台计算结果汇总表

表3 桩基计算结果汇总表

（3）沉桩以达到设计标高作为控制标准，只有当桩端达不到设计高程时，采用贯入度作为停锤控制标准，即最后3阵锤击（每阵连续10击）要求贯入度控制在5 cm以内。

（4）钢管桩钢材采用Q345b镇静钢，钢管桩采用螺旋焊缝。

（5）PHC桩采用先张法预应力混凝土管桩，上管节长度不小于25 m，采用碗形接头，C型桩。

表4 整体稳定计算成果表

表5 桩基内力、变形计算成果

图4 打桩船施打斜桩

6.2 拔桩技术要求

（1）主要工序施工方法如下：全回转设备就位、固定→钢套管钻进→拔桩→桩孔回填，见图5。

图5 减摩后履带吊拔出桩基

（2）在钢套管钻到桩底以下1 m，且高压水减摩后方可开始拔桩。

（3）桩孔填充采用水泥土回填（水泥掺量可在6%～10%），填充材料凝固后既要有一定的强度，也不能太高，隧道穿越区一般要求28 d无侧限抗压强度为0.6 MPa。

（4）桩孔回填后，可按照隧道施工作业的要求，对拔桩区域进行三重管旋喷加固，加固深度达到隧道顶标高2 m以上，水泥掺量控制在20%左右。

（5）新建码头桩基桩位与拔桩桩位有重叠处进行水泥土回填即可。

7 结 语

（1）为满足隧道盾构穿越，一般需扩大码头排架间距，从而使码头分段跨数及受力排架减少，分配到大跨度排架处的水平力较大，因此一般不宜采用全直桩结构。若采用全直桩则需使用直径、刚度较大的钻孔桩，费用较高，故从结构可靠及节省造价的角度出发，应尽可能采用斜桩。

（2）斜桩在陆上无法施工，需由打桩船进行沉桩，本工程由于现状滩面可满足打桩船作业要求，因此无需进行疏浚。但若码头改造范围泥面较高，则需对滩面进行疏浚，以满足打桩船进出及沉桩吃水要求，故防汛墙改造设计时，泥面线应按更为不利的疏浚泥面线选取。另外，对于底部无桩基或桩基较差的防汛墙，由于其整体抗滑稳定性较差，施工时应先行对防汛墙进行改造，方可对泥面进行疏挖，以防疏挖过程中导致现状防汛墙破坏，影响防汛安全。

（3）拔桩过程中需对桩孔进行填充，桩孔填充质量的好坏将直接影响到周边土体后期的沉降情况防汛墙的安全。对于底部无桩基或桩基较差的防汛墙，由于其结构可靠性较差，考虑工程安全，拔桩作业也需在防汛墙底部桩基施打完成后方可实施，以免回填不及时造成土体流失后，引起防汛墙坍塌、失稳。

（4）一般需采用施打较为便利的桩基，如钢管桩、PHC桩或设桩靴，以免在沉桩过程中产生较大偏位，从而影响隧道盾构穿越；

（5）若隧道盾构直径更大造成码头跨度加大，则对于纵梁还可采用预应力空心板梁、预应力“T”型梁、钢箱梁等以满足隧道盾构穿越。

（6）隧道盾构穿越过程中对周边土体扰动较大，因此为安全起见不宜考虑穿越范围内土体侧摩阻作用。

（7）盾构穿越期间应提出工程监测要求，具体为：在盾构推进至防汛墙及码头前50 m，测量好测点初始值，正常情况下每天2次。在盾构推进至防汛墙及码头前20 m为每天4次。盾构穿越防汛墙及码头期间，每推进一环测量一次。盾构穿越防汛墙及码头后可逐渐降低频次：从每天4次、每天1次、三天1次、一周1次，最后直到每月1次，直至防汛墙及码头变形稳定为止。

[1]上海市水务局.上海市跨、穿、沿河构筑物河道管理技术规定[S].2007.

[2]上海市堤防（泵闸）设施管理处.上海市黄浦江防汛墙工程设计技术规定（试行）[S].2010.

[3]JTS167-1-2010,高桩码头设计与施工规范[S].

U656.1+13

B

1009-7716（2017）03-0142-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.039

2016-12-20

王珏（1985-），男，上海人，工程师，从事水利及水运工程设计。