徐州地鐵3#線下穿白云山特大橋橋墩加固方案優化探討

徐建廷 中國鐵路上海局集團有限公司安全監察室

1 概況

1.1 工程及地質概況

（1）工程概況。徐州軌道交通3號線盾構下穿既有鐵路京滬四線、東到線白云山特大橋第50#～51#墩間48 m鋼桁梁。同時，為緩解市政交通的壓力，徐州市計劃將響山路下穿立交橋向北擴孔增加一孔16 m框構橋，位置設在白云山特大橋第50#、51#間48 m鋼桁梁下部，軌道交通3號線盾構隧道的上方（見圖1）。由于盾構及擴孔下穿既有鐵路施工，對橋梁設備擾動帶來的安全隱患和風險，設計考慮對既有白云山特大橋第50#、51#進行加固處理。設計方案一是考慮對既有50#、51#共四個橋墩原柱式輕型墩加固，通過外包混凝土，增加截面尺寸為實體墩。二是對既有樁基礎進行補強，在既有樁基縱向，各墩均補充4φ1.25 m人工挖孔樁。擴大增高既有承臺橫截面尺寸，確保盾構及擴孔施工過程中既有橋梁設備安全。

圖1 地鐵3#線及16 m框構下穿京滬四線立面圖

（2）地質概況。據地質勘探報告，此處地質⑵4-2層約厚8.5 m，為全新統沖積砂性土，稍密，為中等液化土，強度一般，工程性質一般，局部夾可塑狀粉質粘土。橋墩樁基挖孔樁需穿越此土層。場區內潛水穩定水位埋深1.60 m～3.80 m，位于砂質粉土層。

1.2 白云山特大橋概況

白云山鐵路特大橋建于1990年，為兩座并行分離式單線鐵路橋，橋上鐵路分別為京滬四線和東到線，橋梁中心里程分別為K801+595、K1+091。橋墩編號為50#、51#墩間的梁跨均采用48 m單線簡支鋼桁梁，東側為京滬四線，西側為東到線。特大橋第50#、51#墩均采用三柱式輕型墩+鉆孔灌注樁基礎，墩身截面為1.6 m×0.6 m，墩柱間距2.2 m，墩身高分別為 8.5 m、5.6 m，承臺尺寸為縱×寬×厚=5 m×6.6 m×2 m，基礎采用6Φ0.8 m鉆孔樁，樁長分別為11.5 m、13 m（見圖2）。

圖2 白云山特大橋橋墩及線路相對位置圖

白云山特大橋第50#～51#跨位置復雜，在上跨徐州市響山路的同時，又上跨京滬鐵路下行線及小運轉線。其中，第51#橋墩承臺距小運轉線路中心最小最小距離僅1.87 m。且緊鄰響山路立交橋北側橋臺，由于位置特殊，加固施工過程中將對小運轉線的安全帶來較大影響，更增加了施工難度。

1.3 響山路下穿立交橋概況

徐州市響山路是一條東西走向城市道路，白云山立交橋為響山路下穿鐵路通道，由東向西分別下穿鐵路小運轉線、京滬下行線。兩側分別與復興北路和大慶路連接，交通十分繁忙。下穿立交橋為低高度梁式板橋，其北側橋臺緊鄰上跨白云山特大橋51#墩（見圖3）。

圖3 既有響山路立交橋橫斷面圖

2 既有橋墩加固方案

2.1 盾構穿越和立交擴孔對既有橋墩的影響

白云山特大橋橋址處為兩座分離式單線鐵路橋，錯墩布置，第50#、51#橋墩均采用三柱式輕型墩，墩身截面為1.6 m×0.6 m，墩柱間距2.2 m，墩身高分別為8.5 m、5.6 m，承臺尺寸為縱×寬×厚=5 m×6.6 m×2 m，基礎采用6Φ0.8 m 鉆孔樁，樁長分別為11.5 m、13 m，既有橋墩機構較為薄弱。

由于盾構、擴孔等下穿既有鐵路施工，對橋梁設備擾動帶來的安全隱患和風險要遠大于路基段，擾動后處理的困難程度橋梁也要大于路基。如果盾構穿越施工過程中壁后灌漿處理不到位，以及穿越點地質情況復雜等因素均會對橋梁樁側土體產生擾動，對既有橋梁安全造成影響，需在盾構施工前對既有橋進行加固。

2.2 針對盾構施工的加固方案

（1）橋墩加固方案

既有白云山特大橋第50#、51#加固設計方案。一是對既有50#、51#共四個橋墩原柱式輕型墩加固，通過外包混凝土，將既有每個橫截面尺寸為1.6 m×0.6 m的橋墩連接成截面尺寸為2.2 m×6.6 m的實體墩，增加橋墩剛度。二是對既有樁基礎進行補強，在既有樁基縱向，各墩均補充4φ1.25 m人工挖孔樁。既有承臺橫截面尺寸為6.6 m×5 m，高度為2 m，現增高至4.5 m，并對原承臺進行加寬。為保證新老承臺共同受力，減少混凝土開裂，增加安全儲備，在承臺中心施加縱向預應力，預應力索單層布置12束，采用17φ15.2 mm高強度低松弛鋼絞線（見圖 4）。

圖4 橋墩及承臺抱箍加固方案圖

（2）基坑圍護和線路加固方案

一是新建承臺基坑圍護方案采用拉森IV型鋼板樁進行支護，施工后不拔除，為避免便梁對鋼板樁施工的影響，先施作鋼板樁，再架設便梁防護，然后開挖承臺基坑。考慮基坑穩定問題，開挖至鋼管內支撐作業面時，及時施作鋼管內支撐，再進行開挖至基坑底，內支撐為φ609鋼管。

二是加固第51#A、B墩時，由于承臺基坑開挖距離線路較近，需對小運轉線線路進行防護，防護方案采用D16 m便梁對線路進行加固。

（3）針對擴孔框構工作坑的支護方案

該處盾構上方增加的一孔16m框構橋，其設計的框構橋工作坑采用挖孔樁、高壓旋噴樁結合蓋梁進行支護。

3 原方案存在的問題及難點

（1）由于原橋墩基坑圍護中采用的拉森鋼板樁未進行全封閉設計，而新增16根挖孔樁都需要穿越砂質粉土層，且該土層地下水豐富，不進行降水或隔離，挖孔樁施工將很難實施。

（2）如果將拉森鋼板樁支護改成高壓旋噴樁樁支護，雖然解決了粉質砂土的止水問題。但由于高壓旋噴樁抗剪能力差，特別是與后續擴孔框構工作坑支護間空間狹小，勢必影響支護效果及后續框構橋的施工（見圖5）。

圖5 基坑圍護方案

（3）即使采用拉森鋼板樁全封閉設置，由于白云山特大橋橋下作業空間僅5 m-6 m，而設計9m的拉森鋼板樁需分段栓接打入無法保證止水效果。且由于橋墩加固完成后，原設計支護用的拉森鋼板樁不進行拔除，不進行結合設計將影響后續框構擴孔施工。

（4）原設計中基坑圍護鋼板樁施作鋼管內支撐，內支撐為φ609鋼管，而第51#墩由于處在響山路下穿立交非機動車道上，橋墩路基一側填土高度4 m，而另一側非機動車道上承臺入土僅0.5 m，鋼管內支撐支護設置設計不明確，

（5）設計新增16根樁基礎采用挖孔樁施工，止水設計及現場作業環境和地質條件均不能滿足挖孔樁施工條件，而擬采用的深井降水在缺少止水措施情況下，無法保證鄰近的京滬下行線和小運轉線路基安全穩定。

4 采取的措施

在既有橋墩加固支護措施與后續擴孔框構工作坑支護間空間狹小的情況下，如何既能解決挖孔樁支護問題，同時也解決了粉質砂土的止水問題，是在盾構施工前進行完成既有橋墩加固和盾構頂進結束后順利進行立交擴孔施工必須要解決的問題。為此，通過多次研究論證，擬采取以下措施：

一是根據現場施工環境和地下水豐富止水困難實際，結合同濟大學盾構穿越對鐵路設備影響的評估報告，優化新增16根樁基施工設計，利用高度滿足現場需要的鉆孔樁機施工，取代原挖孔樁施工設計，對51#墩8根新增樁基平面位置進行優化，以滿足鉆孔樁機施工條件。

二是為了滿足承臺加固基坑開挖時周邊土體特別是51#墩小運轉線一側路基穩定和施工需要，減少擠占后續立交橋擴孔工作坑支護作業空間，既有白云山橋橋墩承臺基坑支護仍然采用Ⅳ拉森鋼板樁。但要優化51#墩橫向鋼支撐布置設計。

三是為了解決盾構對51#墩加固拉森鋼板樁支護和后續立交橋擴孔工作坑支護之間空間不足的問題，采取拉森鋼板樁支護和立交橋擴孔工作坑支護進行有效結合，既解決了空間狹小的問題，也提高了立交橋擴孔工作坑側橋墩加固支護的穩定性。

四是充分考慮盾構加固51#墩便梁防護小運轉線南端支墩與響山路北側橋臺的困難條件，以及后續擴孔頂進框架距離南端便梁支墩較近的風險，做好對響山路北側橋臺和頂進框架南端便梁支墩的保護。

五是針對橋墩加固和擴孔頂進工作坑支護空間狹小施工時及盾構穿越過程中對既有鐵路設備穩定安全風險大的實際，做好對既有橋墩和加固體系穩定的第三方監測。

5 優化方案的效果

通過優化修改后的白云山山特大橋橋墩加固和響山路白云山立交橋擴孔加固方案得到了相關專家及設計、監理和建設主管單位的一致認可，特別是解決了挖孔樁施工止水困難威脅京滬線路基穩定的風險。