城际铁路明挖隧道下穿病害桥梁加固技术

中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055

随着轨道交通事业的不断发展，公路、铁路、城轨等线路相互下穿及线路下穿既有其他建筑物的工程越来越多，下穿建筑物也成为隧道建设中的技术重点和难点。文章依托莞惠城际松山湖隧道明挖法下穿广深高速公路高架桥工程，针对病害桥梁提出了采用地表注浆+临时支架+桩基托换的加固体系，并通过数值模拟的手段，分析得出结论，表明上述加固方案是可行的，可确保桥梁安全。

1 工程概况

莞惠城际铁路松山湖隧道明挖段从广深高速公路东莞北特大桥N段旱桥13桥墩N76、N77之间穿过，两者斜交，交角为66°。高架桥N77-D1桩基局部侵入区间隧道主体结构约0.29m，其余N77桥墩下桩基以及N76桥墩下桩基均在隧道施工影响范围之内。隧道与桥梁的位置关系如图1所示。

图1 隧道与广深高速高架桥平面位置关系图

隧道穿越地层由上至下依次为人工填土，淤泥，粉砂，全、强、弱风化泥质粉砂岩。地下水位高，埋深仅0.2m，地层具有承载力较低、抗剪强度较低、透水性差、浸水易软化、溃散等特性。

2 桥梁概况

该隧道下穿的是广深高速白马河特大桥旱桥13的N76～N77号桥跨，跨径组合为28m×32.5m，总长90m。上部构造为预应力砼T梁，采用先简支后桥面连续的施工工艺；下部桥墩结构为方形双柱式，桩基础，人工挖孔桩。其中N76墩下基础采用直径为1500mm的单桩，N77墩下基础采用直径为1350mm的双桩。

由广东交通集团检测中心提供的检测报告《广深高速公路桥墩状况调查报告（第七期：东莞北特大桥L～N段）》可知，N76、N77桥墩基础桩基入岩深度均不满足设计要求，部分桩基存在桩底质量差、桩身不完整等病害情况。

3 隧道概况

该区间隧道为钢筋混凝土单层双跨矩形框架结构，采用明挖顺筑法施工，基坑围护结构采用Ф1000mm@1200mm的钻孔灌注桩+内支撑的支护方式，桩间采用Ф600mm旋喷桩止水。基坑宽15.4m，深约12.5～13.6m，竖向设两道内支撑，第一道采用钢筋砼支撑，下设一道钢管撑，基坑回筑过程中架设一道钢管倒撑。

4 加固方案

根据广东交通集团检测中心提供的检测报告《广深高速公路桥墩状况调查报告（第七期：东莞北特大桥L～N段）》可得出，既有桥桩存在部分病害桩，在施工过程中震动、基坑开挖、水土流失等均很难保证既有桥梁结构的安全，因此需采取合理的施工工序和强有力的措施来保证桥梁在施工期间的运营安全。

4.1 施工工序

具体施工工序如图2所示。

图2 施工工序图

（1）临时支架的架设。在施工前对既有桥梁进行临时支撑，临时支撑必须100%承担上部所有荷载，同时在施工临时支架过程中要保证桥桩不能发生不可控的沉降。临时支架架设分2步进行。①第一步：打设木桩→施工C30扩大基础→竖向贝雷梁→千斤顶→木垫块→水平钢箱梁→工字钢→施工工字钢与钢箱梁之间的木垫块。在不开挖前提下，初步架设起临时支撑体系。②第二步：在第一步支撑的保护下打设Φ1500mm临时支撑桩→预埋钢板→架设千斤顶→木垫片→调整千斤顶与钢箱梁紧贴密实→拆除竖向贝雷梁。通过第二步把临时支架的基础转换成嵌岩桩。在每根横向工字钢与纵向钢箱梁之间设置2个千斤顶，以便在后期施工过程中随时动态调整桥梁姿态。

（2）注浆。注浆管采用袖阀管，浆液为水泥浆，加固至既有桥桩底不小于1.5d（d为托换桩桩径），孔间距为0.8m，注浆压力为0.5～0.8MPa，先基础周边后中间，由外向内，隔孔交替注浆。

（3）托换桩。采用钻孔灌注桩，桩径为Φ1500mm、Φ1200mm，材料为C45、P10钢筋砼。桩端支承层为弱风化泥质粉砂岩，嵌入弱风化岩深度≥1.5d（d为托换桩桩径），且超过隧道底≥1.0m。新增托换桩设计及计算考虑了基坑和围护桩开挖过程中的影响，同时也考虑了后期城际列车运营期间的震动荷载。

（4）新增承台施工。新增承台高2.3m、宽2.8m，材料为C45、P10钢筋砼，同时需设置Φs15.2-5钢绞线，每根张拉力为931kN。承台钢筋较多，要进行分层浇筑，确保振捣质量。浇筑砼时，需在托换桩对应承台位置预留2根Φ108mm补浆管，后期桥桩与承台连接时作为灌浆使用。

（5）受力转换。桥桩托换采用主动托换法，承台与托换桩各自独立施工，待桩基预压完成后再组成刚性整体结构。受力转换时，在托换桩与托换承台之间设置自锁千斤顶加载，使上部结构的荷载转移到新增承台及托换桩上，同时使托换桩的大部分位移通过千斤顶分步分级顶升预压来抵消，从而通过主动加载使托换桩替代原桩受力。当顶力、顶程稳定后，2周内累计沉降量小于0.1mm，且托换桩沉降为收敛趋势，方可以封桩。在保持预顶力稳定不变的情况下，将承台、桩预留钢筋焊接好，对部分桩头进行凿毛、刷界面剂处理后，浇筑C45微膨胀砼封桩，填充托换承台与托换梁之间的空隙。在封桩砼终凝后，再灌注C45水泥砂浆填充承台底与封桩砼之间的空隙，同时通过承台预埋Φ108mm补浆管灌注C45水泥砂浆。

（6）基坑开挖。明挖隧道围护结构采用排桩支护，桩间施作旋喷桩止水，采用明挖顺筑法施工，开挖与基坑一致。

4.2 数值模拟

针对基坑开挖对桥梁桩基础的影响，通过建立三维有限元模型进行基坑施工过程模拟计算，计算中考虑了桥桩基础、土、围护结构及支撑系统的相互作用，同时考虑了桥墩基础的实际位置及上覆荷载。

（1）工况模拟。考虑实际施工过程，按照基坑开挖顺序共划分为7个施工工况（地面标高+3.12m），分别为初始应力平衡、桥桩基础加固及围护结构施工、基坑开挖、架设第一道支撑、基坑开挖、架设第二道支撑、开挖基坑至底部。以上各工况仅考虑施工全过程中最不利的几个阶段，其余隧道结构施作及回填工况不作计算。

（2）有限元模型。基坑施工过程模拟的三维有限元计算模型共划分单元86430个，节点84474个，其计算网格如图3所示。

图3 三维计算网格划分示意

（3）计算结果分析。桥桩基础竖向、水平位移最大值分布分别如图4、图5所示。由图4可知，桥桩基础顶面最大竖向位移随着基坑开挖逐步增大。整个施工阶段，N76号墩A号基础竖向位移最大，为-0.30mm；N77号墩D号基础竖向位移最大，为-0.54mm。由此可见，基坑开挖引起桥桩基础最大竖向位移发生在N77-D号基础顶面，为-0.54mm，其沉降量不足1mm。桥桩基础顶面最大水平位移变化规律与竖向位移相同，最大水平位移随着基坑开挖逐步增大。整个施工阶段，N76号墩A号基础水平位移最大，为-1.91mm；N77号墩D号基础水平位移最大，为4.27mm。由此可见，基坑开挖引起桥桩基础向洞内变形，比较而言，开挖引起桥桩基础的侧向变形大于竖向沉降。总体而言，基坑开挖对桥桩基础的影响较小，其竖向沉降最大值仅为0.54mm，水平位移最大值仅为4.27mm，基坑开挖能满足周边环境的安全要求。

图4 桥桩基础竖向位移最大值分布图

图5 桥桩基础水平位移最大值分布图

5 结束语

莞惠城际铁路松山湖隧道明挖法下穿广深高速高架桥，由于桥桩侵入隧道结构内，且部分桥桩存在病害，隧道的施工会给桩基的安全带来极大隐患。文章通过采用100%荷载的临时支撑体系→完成对邻近隧道高架桥段地基的注浆加固→桩基加固→进行隧道开挖加固体系，减小了隧道施工对桥梁群桩基础的影响，成功地解决了明挖隧道下穿病害桥梁的技术难题。