地铁隧道穿越既有桥梁防洪评价分析

何书琴

(1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；2.广东省水安全科技协同创新中心，广东 广州 510635)

随着我国城市化进程的不断加快，城市地铁建设事业蓬勃发展。地铁施工中，盾构法因为其施工速度快、周围环境影响小等优势，在地铁施工中广泛应用，成为地铁施工的重要技术方法[1]。当前我国地铁工程周边环境条件日益复杂化，特别是珠三角地区，河网密布、涉河桥梁众多，导致城市地铁工程穿越既有桥梁和河流的施工安全风险显著增加。地铁盾构隧道在穿越桥梁、河流等复杂环境下，可能会对河道、堤防和桥梁基础产生不利影响，进而发生堤基沉降、桥体开裂、大范围塌陷、透水等事故。

因此，在地铁隧道穿越既有桥梁工程的过程中，为确保地铁盾构隧道施工能够安全顺利通过既有桥梁、河流和堤防，除应采取合理的安全风险分析评估及控制方法外[2-8]，根据《中华人民共和国水法》、《中华人民共和国防洪法》和《中华人民共和国河道管理条例》等有关规定，还应对河道管理范围内的地铁隧道工程和桥梁工程进行防洪评价，以保障河道行洪、排涝、防汛抢险、堤防安全稳定及地铁隧道自身的安全。本文以广州地铁某线路盾构隧道穿越既有桥梁为例进行防洪评价分析。

1 工程概况

1.1 基本情况

广州地铁某线路为南北走向，根据地铁线路走向和设计、施工图资料(见图1)，需穿越既有南江二路桥梁和二涌，受场地条件限制，地铁隧道只能布置在既有南江二路桥梁下。而位于盾构左线和右线范围内的既有桥梁16根φ1.2 m和8根φ1.3 m钻孔灌注桩已侵入即将建设的地铁隧道。为加快城市轨道交通建设，在征得桥梁管理部门同意后，拟对既有南江二路桥梁进行拆除，待地铁盾构隧道施工完毕后，再原址复建南江二路桥梁。

图1 拟建地铁隧道与既有桥梁工程关系示意

1.2 既有桥梁

既有南江二路桥梁为中型桥梁，修建于2009年，桥长为75 m、桥宽为34 m，为双向6车道+双向人行道。采用3跨25 m跨径跨越二涌，其中0#和3#桥台分别位于两岸堤顶，1#和2#桥墩布置在二涌河道内。上部结构采用3×25 m跨预制小箱梁结构，下部结构采用44根钻孔灌注桩。

位于二涌两岸堤顶的0#和3#桥台，基础采用16根φ1.2 m的钻孔灌注桩基，桩长55.8 m。位于二涌河道内的1#和2#桥墩采用圆柱墩，墩径为1.3 m，基础采用6根φ1.3 m的钻孔灌注桩基，桩长54.5 m。既有南江二路桥梁桥墩及桩基尺寸见表1。

表1 既有南江二路桥梁桥墩和桩基尺寸 m

1.3 地铁盾构隧道

地铁盾构隧道穿越轴线位于南江二路桥河段，隧道由南往北敷设，盾构隧道外径为8.5 m，内径为7.7 m。在河道管理范围内的地铁隧道全程均埋于地下，隧道顶高程为-9.35 m，隧道底高程为-17.85 m。

1.4 原址复建桥梁

原址复建桥梁方案采用与既有桥梁一致的桥型方案，桥长为75 m，桥面宽为34 m，与二涌两岸堤防平交，为节约复建工程造价，上部结构3×25 m跨预制小箱梁吊出重复利用，下部结构采用24根φ1.5 m钻孔灌注桩。复建桥梁主要方案为桩基托换，桩基跨越盾构断面，设置转换承台。

位于二涌两岸堤顶的0#和3#桥台，基础采用8根φ1.5 m的钻孔灌注桩基，桩长为60.0 m。位于二涌河道内的1#和2#桥墩采用圆柱墩，墩径为1.1 m，承台埋设于河床面以下，承台尺寸为2.5 m×3.5 m×15 m，基础采用4根φ1.3 m的钻孔灌注桩基，桩长54.0 m。原址复建桥梁桥墩及桩基尺寸见表2，桥梁平面和纵剖面布置见图2所示。

表2 原址复建桥梁桥墩和桩基尺寸 m

图2 拟建地铁隧道与原址复建桥梁工程关系示意

1.5 施工方案

拟建地铁盾构隧道工程施工顺序为：既有南江二路桥梁拆除→盾构隧道施工→复建南江二路桥梁。

既有桥梁拆除施工方案为：桥面及附属物凿除(桥面铺装层凿除、湿接缝凿除及防撞护栏凿除)→预应力小箱梁拆除→吊出小箱梁(小箱梁存放再利用)→拆除盖梁和桥墩→全套管全回转钻机拔除全部桩基→清理碎渣。

复建桥梁的施工方案为：施工测量→放线定点→探明地下构筑物及管线情况→桩基施工→盾构通过→施工转换梁→施工桥墩、盖梁→箱梁架设→桥面装修层施工→扶栏施工→交通恢复。

2 防洪评价分析

由于地铁隧道的建设需要先拆除既有桥梁工程，再进行盾构隧道施工，最后在原址上复建桥梁工程，因此在河道管理范围内先后存在3个涉河建设项目，既有跨河建设项目，又有穿河建设项目。跨河建设项目和穿越建设项目的评价要点和技术审查要求又有所不同，跨河建设项目的审查重点包括桥梁跨度、工程布置与堤防的关系、堤顶净空等，穿河建设项目的审查重点包括埋深、穿河穿堤方案、复堤方案、堤防稳定性影响等[9]。因此需要对3个涉河建设项目分别进行防洪评价分析。

2.1 建设项目与河道堤防关系

1) 既有桥梁工程与河道堤防关系

既有南江二路桥梁工程与现有两岸堤防平交，其中0#桥台位于左岸堤顶上，桥台梁底标高为7.853 m；1#和2#桥墩位于二涌河道中；3#桥台位于右岸堤顶上，桥台梁底标高为7.746 m。跨河桥梁梁底标高高于河道设计水位6.20 m。既有桥梁工程与河道堤防关系见图3所示。

图3 既有桥梁工程与河道堤防关系示意

2) 地铁隧道工程与河道堤防关系

拟建地铁隧道穿越工程采用盾构法施工，隧道从河床以下穿越过河，全线均位于地下未出露地面，地铁盾构隧道工程在左岸堤下最小埋深为18.15 m；在右岸堤下最小埋深约为17.83 m，在河床面最小埋深约为12.47 m。地铁盾构隧道工程与两岸堤防及河床空间位置关系见表3和图4所示。

图4 拟建地铁隧道工程与河道堤防关系示意

表3 拟建地铁隧道工程与河道堤防关系统计 m

3) 原址复建桥梁工程与河道堤防关系

原址复建桥梁方案采用与原桥一致的桥型方案，原址复建桥梁工程与现有两岸堤防平交，其中0#桥台位于左岸堤顶上，桥台梁底标高为7.853 m；1#和2#桥墩位于二涌河道中；3#桥台位于右岸堤顶上，桥台梁底标高为7.746 m。跨河桥梁梁底标高高于河道设计水位6.20 m。原址复建桥梁工程与河道堤防关系见图5所示。

图5 原址复建桥梁工程与河道堤防关系示意

2.2 建设项目占用河道情况

1) 既有桥梁工程阻水情况

既有桥梁工程在河道内共布置有2个桥墩，1#和2#桥墩均为圆柱墩，墩径为1.3 m，河道设计水位为6.20 m，可求出50年一遇设计标准条件下，既有南江二路桥梁工程的阻水比为4.24%(见表4)。

表4 既有桥梁工程桥墩面积阻水比

2) 地铁隧道工程占用河道情况

拟建地铁盾构隧道从河床以下穿越过河，全程均位于地下未出露地面，不占用河道行洪过流面积。

3) 原址复建桥梁工程与河道堤防关系

原址复建桥梁工程与既有桥梁桥型方案基本一致，在河道内共布置有2个桥墩，1#和2#桥墩均为圆柱墩，墩径1.1 m，较既有桥梁工程桥墩墩径1.3 m减小了0.2 m。河道设计水位为6.20 m，可求出50年一遇设计标准条件下，由于桥墩墩径的减小，原址复建桥梁工程的阻水比较既有桥梁阻水比减小了0.64%，桥墩面积阻水比为3.60%(见表5)。

表5 原址复建桥梁工程桥墩面积阻水比

2.3 河道冲刷深度计算

地铁隧道埋设在河床以下，河道冲刷将危及地铁隧道的安全。因此，应将隧道敷设在稳定的地层内，并保证隧道的埋深应大于河道一般冲刷深度，以保证河道行洪安全和地铁隧道自身安全。

穿越断面的冲刷应当包括河床自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷。拟建地铁隧道工程由于采用盾构隧道方案穿越二涌，在河床以上未布置阻水建筑物，可以不考虑由于工程建设而导致的局部冲刷，但要考虑河床本身的自然演变冲刷和发生较大洪水时河床的冲刷深度。复建桥梁兴建后，桥墩阻水使水流产生绕流，引起局部水流流速和流态的变化，桥墩附近，因墩壁的阻力与桥墩附近的绕流会产生局部淘刷，因此要考虑桥墩局部冲刷。

1) 隧道一般冲刷深度

地铁隧道穿越断面为粘性淤泥河床，根据《公路工程水文勘测设计规范》(JTG C30—2015)粘性土河床河槽部分的一般冲刷公式(8.3.2-1)进行河床一般冲刷深度计算。

二涌50年一遇河槽设计洪水流量为64.5 m3/s，将断面相关数据代入公式计算得：在50 年一遇设计标准条件下，地铁盾构隧道穿越断面河床的一般冲刷深度为0.59 m，而拟建盾构隧道在穿越河段最小埋深为12.47 m，大于地铁盾构隧道穿越断面河床一般冲刷深度，满足规范要求。

2) 复建桥梁局部冲刷深度

复建桥梁所在断面为粘性淤泥河床，根据《公路工程水文勘测设计规范》(JTG C30—2015)粘性土河床桥墩局部冲刷公式(8.4.2-1)进行局部冲刷深度计算。

二涌50年一遇河槽设计洪水流量为64.5 m3/s，将断面相关数据代入公式计算得：在50 年一遇设计标准条件下，复建桥梁桥墩局部冲刷深度为0.86 m，而复建桥梁桥墩在穿越河段最小埋深大于复建桥梁桥墩局部冲刷深度，满足规范要求。

2.4 工程对堤防抗滑稳定的影响

地铁盾构隧道穿越工程施工中难免会对堤防工程基础土层产生扰动，降低土体的抗剪强度，造成地基承载力不足而滑动失稳。因此，应对堤防抗滑稳定进行计算分析。

1) 计算工况

堤防抗滑稳定计算采用《堤防工程设计规范》[5]推荐的瑞典圆弧法分析。选取堤防正常运用情况条件下的两种不利工况进行堤防抗滑稳定分析计算：

① 50年一遇设计水位6.2 m条件下，堤坡形成稳定渗流后的背水侧堤坡；

② 50年一遇设计水位6.2 m骤降至预降水位4.5 m高程，堤坡形成稳定渗流后的临水侧堤坡。

地铁盾构隧道工程两岸堤防背水侧与堤顶基本齐平，根据堤防现状、河道水位条件及工程建设情况，本文仅对临水侧堤坡进行堤防抗滑稳定计算。

2) 计算参数

根据建设单位提供的地质资料，确定各土层物理力学参数指标。

3) 计算成果分析

地铁盾构隧道穿越工程两岸堤防规划防洪标准为50年一遇，堤防级别为2级。参照《堤防工程设计规范》，两岸堤防在正常运用条件下的最小抗滑稳定安全系数分别为1.25。地铁隧道工程施工完成后，两岸堤防的抗滑稳定安全系数变化不大，50年一遇设计水位6.2 m骤降至预降水位4.5 m高程，堤坡形成稳定渗流后计算工况下的抗滑安全系数均大于规范规定的允许安全系数，满足《堤防工程设计规范》要求。堤身抗滑稳定计算成果见表6。

表6 堤身抗滑稳定计算成果

3 结语

由于城市地铁建设的复杂性，在地铁施工建设过程中，不可避免的会有穿越桥梁和河流等情况出现。本文以广州地铁某线路盾构隧道穿越既有桥梁为例，说明了在河道管理范围内存在多个涉河建设项目时，应把握不同涉河建设项目的评价要求，进行有侧重点的分析评价。重点分析建设项目与河道堤防关系、建设项目占用河道情况、河道一般冲刷深度、工程对堤防抗滑稳定的影响等，以此综合评价地铁盾构隧道工程和原址复建桥梁对河道行洪、河势稳定、堤防安全、防汛抢险等方面的影响，并提出安全可靠的防治补救措施[10]，为类似工程的设计、施工和水行政主管部门的技术审查提供参考和借鉴。