徐州地铁3#线下穿白云山特大桥桥墩加固方案优化探讨

徐建廷 中国铁路上海局集团有限公司安全监察室

1 概况

1.1 工程及地质概况

（1）工程概况。徐州轨道交通3号线盾构下穿既有铁路京沪四线、东到线白云山特大桥第50#～51#墩间48 m钢桁梁。同时，为缓解市政交通的压力，徐州市计划将响山路下穿立交桥向北扩孔增加一孔16 m框构桥，位置设在白云山特大桥第50#、51#间48 m钢桁梁下部，轨道交通3号线盾构隧道的上方（见图1）。由于盾构及扩孔下穿既有铁路施工，对桥梁设备扰动带来的安全隐患和风险，设计考虑对既有白云山特大桥第50#、51#进行加固处理。设计方案一是考虑对既有50#、51#共四个桥墩原柱式轻型墩加固，通过外包混凝土，增加截面尺寸为实体墩。二是对既有桩基础进行补强，在既有桩基纵向，各墩均补充4φ1.25 m人工挖孔桩。扩大增高既有承台横截面尺寸，确保盾构及扩孔施工过程中既有桥梁设备安全。

图1 地铁3#线及16 m框构下穿京沪四线立面图

（2）地质概况。据地质勘探报告，此处地质⑵4-2层约厚8.5 m，为全新统冲积砂性土，稍密，为中等液化土，强度一般，工程性质一般，局部夹可塑状粉质粘土。桥墩桩基挖孔桩需穿越此土层。场区内潜水稳定水位埋深1.60 m～3.80 m，位于砂质粉土层。

1.2 白云山特大桥概况

白云山铁路特大桥建于1990年，为两座并行分离式单线铁路桥，桥上铁路分别为京沪四线和东到线，桥梁中心里程分别为K801+595、K1+091。桥墩编号为50#、51#墩间的梁跨均采用48 m单线简支钢桁梁，东侧为京沪四线，西侧为东到线。特大桥第50#、51#墩均采用三柱式轻型墩+钻孔灌注桩基础，墩身截面为1.6 m×0.6 m，墩柱间距2.2 m，墩身高分别为 8.5 m、5.6 m，承台尺寸为纵×宽×厚=5 m×6.6 m×2 m，基础采用6Φ0.8 m钻孔桩，桩长分别为11.5 m、13 m（见图2）。

图2 白云山特大桥桥墩及线路相对位置图

白云山特大桥第50#～51#跨位置复杂，在上跨徐州市响山路的同时，又上跨京沪铁路下行线及小运转线。其中，第51#桥墩承台距小运转线路中心最小最小距离仅1.87 m。且紧邻响山路立交桥北侧桥台，由于位置特殊，加固施工过程中将对小运转线的安全带来较大影响，更增加了施工难度。

1.3 响山路下穿立交桥概况

徐州市响山路是一条东西走向城市道路，白云山立交桥为响山路下穿铁路通道，由东向西分别下穿铁路小运转线、京沪下行线。两侧分别与复兴北路和大庆路连接，交通十分繁忙。下穿立交桥为低高度梁式板桥，其北侧桥台紧邻上跨白云山特大桥51#墩（见图3）。

图3 既有响山路立交桥横断面图

2 既有桥墩加固方案

2.1 盾构穿越和立交扩孔对既有桥墩的影响

白云山特大桥桥址处为两座分离式单线铁路桥，错墩布置，第50#、51#桥墩均采用三柱式轻型墩，墩身截面为1.6 m×0.6 m，墩柱间距2.2 m，墩身高分别为8.5 m、5.6 m，承台尺寸为纵×宽×厚=5 m×6.6 m×2 m，基础采用6Φ0.8 m 钻孔桩，桩长分别为11.5 m、13 m，既有桥墩机构较为薄弱。

由于盾构、扩孔等下穿既有铁路施工，对桥梁设备扰动带来的安全隐患和风险要远大于路基段，扰动后处理的困难程度桥梁也要大于路基。如果盾构穿越施工过程中壁后灌浆处理不到位，以及穿越点地质情况复杂等因素均会对桥梁桩侧土体产生扰动，对既有桥梁安全造成影响，需在盾构施工前对既有桥进行加固。

2.2 针对盾构施工的加固方案

（1）桥墩加固方案

既有白云山特大桥第50#、51#加固设计方案。一是对既有50#、51#共四个桥墩原柱式轻型墩加固，通过外包混凝土，将既有每个横截面尺寸为1.6 m×0.6 m的桥墩连接成截面尺寸为2.2 m×6.6 m的实体墩，增加桥墩刚度。二是对既有桩基础进行补强，在既有桩基纵向，各墩均补充4φ1.25 m人工挖孔桩。既有承台横截面尺寸为6.6 m×5 m，高度为2 m，现增高至4.5 m，并对原承台进行加宽。为保证新老承台共同受力，减少混凝土开裂，增加安全储备，在承台中心施加纵向预应力，预应力索单层布置12束，采用17φ15.2 mm高强度低松弛钢绞线（见图 4）。

图4 桥墩及承台抱箍加固方案图

（2）基坑围护和线路加固方案

一是新建承台基坑围护方案采用拉森IV型钢板桩进行支护，施工后不拔除，为避免便梁对钢板桩施工的影响，先施作钢板桩，再架设便梁防护，然后开挖承台基坑。考虑基坑稳定问题，开挖至钢管内支撑作业面时，及时施作钢管内支撑，再进行开挖至基坑底，内支撑为φ609钢管。

二是加固第51#A、B墩时，由于承台基坑开挖距离线路较近，需对小运转线线路进行防护，防护方案采用D16 m便梁对线路进行加固。

（3）针对扩孔框构工作坑的支护方案

该处盾构上方增加的一孔16m框构桥，其设计的框构桥工作坑采用挖孔桩、高压旋喷桩结合盖梁进行支护。

3 原方案存在的问题及难点

（1）由于原桥墩基坑围护中采用的拉森钢板桩未进行全封闭设计，而新增16根挖孔桩都需要穿越砂质粉土层，且该土层地下水丰富，不进行降水或隔离，挖孔桩施工将很难实施。

（2）如果将拉森钢板桩支护改成高压旋喷桩桩支护，虽然解决了粉质砂土的止水问题。但由于高压旋喷桩抗剪能力差，特别是与后续扩孔框构工作坑支护间空间狭小，势必影响支护效果及后续框构桥的施工（见图5）。

图5 基坑围护方案

（3）即使采用拉森钢板桩全封闭设置，由于白云山特大桥桥下作业空间仅5 m-6 m，而设计9m的拉森钢板桩需分段栓接打入无法保证止水效果。且由于桥墩加固完成后，原设计支护用的拉森钢板桩不进行拔除，不进行结合设计将影响后续框构扩孔施工。

（4）原设计中基坑围护钢板桩施作钢管内支撑，内支撑为φ609钢管，而第51#墩由于处在响山路下穿立交非机动车道上，桥墩路基一侧填土高度4 m，而另一侧非机动车道上承台入土仅0.5 m，钢管内支撑支护设置设计不明确，

（5）设计新增16根桩基础采用挖孔桩施工，止水设计及现场作业环境和地质条件均不能满足挖孔桩施工条件，而拟采用的深井降水在缺少止水措施情况下，无法保证邻近的京沪下行线和小运转线路基安全稳定。

4 采取的措施

在既有桥墩加固支护措施与后续扩孔框构工作坑支护间空间狭小的情况下，如何既能解决挖孔桩支护问题，同时也解决了粉质砂土的止水问题，是在盾构施工前进行完成既有桥墩加固和盾构顶进结束后顺利进行立交扩孔施工必须要解决的问题。为此，通过多次研究论证，拟采取以下措施：

一是根据现场施工环境和地下水丰富止水困难实际，结合同济大学盾构穿越对铁路设备影响的评估报告，优化新增16根桩基施工设计，利用高度满足现场需要的钻孔桩机施工，取代原挖孔桩施工设计，对51#墩8根新增桩基平面位置进行优化，以满足钻孔桩机施工条件。

二是为了满足承台加固基坑开挖时周边土体特别是51#墩小运转线一侧路基稳定和施工需要，减少挤占后续立交桥扩孔工作坑支护作业空间，既有白云山桥桥墩承台基坑支护仍然采用Ⅳ拉森钢板桩。但要优化51#墩横向钢支撑布置设计。

三是为了解决盾构对51#墩加固拉森钢板桩支护和后续立交桥扩孔工作坑支护之间空间不足的问题，采取拉森钢板桩支护和立交桥扩孔工作坑支护进行有效结合，既解决了空间狭小的问题，也提高了立交桥扩孔工作坑侧桥墩加固支护的稳定性。

四是充分考虑盾构加固51#墩便梁防护小运转线南端支墩与响山路北侧桥台的困难条件，以及后续扩孔顶进框架距离南端便梁支墩较近的风险，做好对响山路北侧桥台和顶进框架南端便梁支墩的保护。

五是针对桥墩加固和扩孔顶进工作坑支护空间狭小施工时及盾构穿越过程中对既有铁路设备稳定安全风险大的实际，做好对既有桥墩和加固体系稳定的第三方监测。

5 优化方案的效果

通过优化修改后的白云山山特大桥桥墩加固和响山路白云山立交桥扩孔加固方案得到了相关专家及设计、监理和建设主管单位的一致认可，特别是解决了挖孔桩施工止水困难威胁京沪线路基稳定的风险。