某暗挖車站穿越橋梁的方案優化

邱術來

（中鐵隧道勘測設計院有限公司，北京 100073）

某暗挖車站穿越橋梁的方案優化

邱術來

（中鐵隧道勘測設計院有限公司，北京 100073）

車站主體暗挖大斷面穿越建構筑物時，會對建構筑物產生一定變形影響，能否合理控制建筑的水平位移及沉降至關重要，直接決定車站采用何種工法。論文以北京地鐵某車站為例，通過車站與橋梁的相互位置關系及地層等特點，提出洞柱法[1]施工和洞樁法[1]施工穿越橋梁的設計方案，并結合經驗及理論分析計算，得出在該種情況下洞柱法方案更具有優越性。該方案可大量推廣應用于類似的設計及施工。

洞柱法；洞樁法；橋樁；深孔注漿

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.072

1 引言

隨著我國城市化的飛速發展，城市交通受到嚴峻的挑戰，以地鐵為代表的公共交通的重要性日益顯現，各大城市掀起了大規模建設地鐵的熱潮。而地鐵新建的一個突出問題就是車站主體鄰近穿越橋樁的設計和施工，車站采取何種工法施工能滿足橋梁安全可靠及施工方便已成為目前地鐵設計界的重要研究課題之一。

目前，暗挖洞柱法和洞樁法已經廣泛用于城市地鐵基礎設施建設，這兩種工法施工不可避免的會遇到各種建構筑物。都有成功穿越橋梁等建構筑物的文獻，如文獻[2]。其中文獻[2]主要講述北京地鐵6號線花園橋站根據數值模擬及監測結果分析等注漿加固條件下4導洞法控制遠、近側樁基位移效果比5、6導洞法稍好，文獻[3]主要講敘北京地鐵10號線國貿站采用洞樁法施工對鄰近橋樁的影響，并提出了地鐵鄰近橋樁施工的控制措施。

馬甸站車站主體主要位于砂層和卵石層中，根據施工需要暗挖鄰近匝道橋橋樁。本文通過吸收以前成功經驗后，對馬甸站鄰近穿越匝道橋的洞柱法和洞樁法方案設計進行可行性比較分析，確定較優方案，并對其設計方案進行優化。

2 工程概況

北京地鐵12號線馬甸站車站位于馬甸橋與京藏高速Z2匝道橋相交東南象限下北三環中路路下，沿北三環中路東西向設置。車站為暗挖雙層雙跨島式車站，站前、后區間均采用礦山法施工。車站全長281.6m，站臺寬度12m，主體結構斷面尺寸1.3m× 16.5m，結構覆土約11.14m。

2.1 工程地質及水文地質

車站主體結構主要位于粉細砂④3層、卵石－圓礫⑦層及粉細砂⑦2層。

勘察報告顯示，擬建場地范圍內主要賦存有一層地下水，地下水類型為層間潛水（四），層間潛水（四）穩定水位標高為16.02m，水位埋深為32.30m，水位標高位于車站底板以下約4.2m。

2.2 匝道橋樁基概況

匝道位于北三環路，由東向西跨越三環路輔路、馬甸立交一條轉向匝道及京藏高速路東輔路，接至京藏高速路東主路。

上部結構：全橋共分4聯。第一聯：Z0~Z3號墩，為3跨預應力混凝土簡支T梁，跨徑24+24+24=72m。Z2-0墩:五樁承臺鉆孔灌注樁D=1200mm,樁底標高23.797m，23.737m；Z2-1～Z2-3墩均為兩樁承臺鉆孔灌注樁D=1200mm。第二聯：Z3~Z6號墩，為3跨預應力混凝土連續箱梁，跨徑26+28.5+26=90.5m。Z2-4墩為兩樁承臺鉆孔灌注樁D=1200mm。

下部結構均采用單柱+承臺+樁基礎形式。匝道橋與車站位置關系（見表1）

表1 匝道橋與車站位置關系

3 制約因素及方案確定

3.1 制約因素

采取目前設計方案的原因如下：

1）避開橋樁無法實現

車站西端馬甸橋及京藏高速Z1匝道橋，馬甸橋等級為D級，車站及區間為避開這兩處橋樁，車站無法向西移或南移。

2）距離樁基距離不是很近

車站主體外皮距離匝道橋Z2-0#～Z2-4#墩柱橋樁水平距離8.86～10.94m，距離不是很近，在主觀上可以接受。

3）車站埋深受到限制

與車站主體垂直4.4m×2.8m的熱力溝埋深較深，車站軌面標高難以上抬，目前方案車站底板位于樁端附近。

3.2 設計方案的可行性

目前北京地區采用洞柱法及洞樁法穿越橋樁成功案例較多，具體采取何種工法根據橋樁位置關系及地層等各個因素而定：

1）當車站主體主要位于粉質土層中鄰近穿越橋樁一般采用洞樁法施工（如北京地鐵10號線國貿站穿越國貿橋區[4]）；

2）當車站主體主要位于卵石土層中鄰近穿越橋樁一般采用洞柱法施工（如北京地鐵6號線一期工程花園橋站穿越花園橋橋樁[3]）；

3）兩種工法均有成功的案例，這兩種工法在控制變形及沉降方面均具有優越性；同時對鄰近橋樁邊的小導洞拱部及側墻進行深孔注漿的措施，控制好小導洞開挖過程中的變形；在砂卵石地層中穿越橋樁這兩種工法是可行的。

4 存在的問題及對方案的優化

4.1 地層的特殊性及施工存在的問題

本車站主體穿越地層主要為砂卵石地層，砂卵石地層是一種典型的力學不穩定地層[5]，顆粒之間孔隙大，沒有粘聚力。在無水狀態下，顆粒之間點對點傳力，地層反應靈敏。在小導洞開挖、人工挖孔樁及鉆孔灌注樁開挖時，地層很容易破壞原來的相對穩定或平衡狀態而產生坍塌，引起較大的圍巖擾動。在小導洞及邊樁開挖施工過程中，對卵石的穩定性擾動較大，從而影響匝道橋橋樁的沉降及水平變形。

在小導洞內在砂卵石地層采用鉆孔灌注法施工邊樁，此方法在北京16號線普遍使用。在小導洞狹小空間內進行鉆孔灌注樁的作業條件比較惡劣，邊樁的成孔及作業時間較長；在砂卵石采用泥漿護壁成孔易造成踏孔的問題；在砂卵石地層進行人工挖孔也易造成坍塌，在孔洞內作業的通風條件較差。如果在鄰近橋區頻繁出現地層不穩坍塌及施工作業時間延誤較長的話，后果不堪設想。

4.2 方案的優化

目前的設計方案，邊樁及小導洞穿越橋梁樁基時，均位于卵石層或粉細砂層。鑒于施工風險較大，為減小施工風險，在穿越橋樁前后5m范圍內對小導洞鄰近橋樁側側壁及拱部開挖輪廓線以外1.5m區域土體進行深孔注漿加固；人工進行邊樁開挖施工，每節護壁的高度減小到0.5m，并隨挖、隨驗、隨灌注混凝土，及時處理好通風問題；通過調整泥漿濃度、機械優化及操作防止踏孔。以下針對洞柱法和洞樁設計方案進行力學分析對比。

5 力學模擬分析

5.1 模擬方法

使用專業巖土工程分析軟件——MIDAS/GTS建立模型。對洞柱法鄰近穿越橋樁及洞樁法鄰近穿越橋樁過程進行數值模擬分析，模擬盡可能做到與實際施工情況相符。通過模擬計算，得到施工過程中橋樁的水平位移及垂直沉降。

5.2 數值模型

5.2.1 本構模型

根據本工程實際情況，數值模型本構關系土體選用莫爾-庫倫準則，土體、橋樁及主體二襯等采用平面應變單元。

5.2.2 邊界條件

應力邊界條件為：豎直方向按土層自重應力，水平方向應力為0.6倍自重應力。位移邊界條件為：模型頂面自由，四周約束各邊界面的法向位移，底面完全約束。

5.2.3 地質條件

車站圍護結構參數邊樁取C30混凝土，導洞單元參數取C25混凝土，主體二襯結構參數取C40混凝土數。其中土體參數根據地質勘測資料，見表2。

表2 巖土物理力學指標

5.2.4 模型建立

根據現場情況，結合數值模擬的基本要求，建立二維模型分析車站主體施工工程中對橋樁的影響情況，模型全貌見下圖，寬62m，土層厚度45m，單元采用平面應變模型。見圖1、圖2。

圖1 洞柱法整體數值模型網格圖

圖2 洞樁法整體數值模型網格圖

5.3 數值模擬計算計算過程中車站施工按實際工況，先對土層深孔注漿加固，再依次開挖小導洞、邊樁、中柱及扣初支大拱，完成初期支護，最后澆筑二襯結構混凝土。

5.3.1 車站洞樁法施工鄰近穿越橋樁計算結果（見圖3、圖4）

圖3 洞樁法施工橋樁豎向位移圖

圖4 洞樁法施工橋樁水平位移圖

5.3.2 車站洞柱法施工鄰近穿越橋樁計算結果（見圖5，圖6）

圖5 洞柱法施工橋樁豎向位移圖

圖6 洞柱法施工橋樁水平位移圖

5.4 計算結果分析

通過數據分析的結果可以看出：采用洞樁法施工時，橋樁沉降值為1.34mm，水平位移為1.90mm；洞柱法施工時，橋樁沉降值為0.75mm，水平位移為1.00mm。從對結構變形量可以看出兩種工法對橋樁的變形的影響均不大，均能滿足橋梁結構安全變形的要求，但洞柱法對橋梁的影響較洞樁法小。

根據以往倫理和數值分析及現場監測數值，在控制地面沉降方面洞樁法施工較洞柱施工有利，而本工程在控制橋梁變形方面，顯然是洞柱法施工較優。其主要原因：砂卵石地層中通過對下小導洞拱部及側墻進行深孔注漿加固，其土層穩定性及強度得到加強；人工挖孔樁在砂卵石地層采取縮小開挖節深度及加強護壁支護，土層的穩定得到保障，施工作業簡便、靈活、快捷；鉆孔灌注樁在卵石地層作業，其地層穩定性受到工人對機械操作水平影響較大，作業空間狹小，施工進度受到制約；洞柱法車站底板施做橫向條基，對其控制車站周圍土體及橋樁水平位移有利，而施做橫向條基的導洞開挖斷面較小，且距離橋樁較遠，對橋樁的影響較小。

6 結語

本文基于實際工程為背景，借鑒類似工程的經驗對車站不同工法鄰近穿越橋樁進行分析，后通過理論模擬計算對兩種設計方案進行比較分析并優化，得出以下結論：

1）在砂卵石地層中車站洞柱法及洞樁法施工鄰近穿越橋樁可滿足橋梁結構安全，在初期支護過程中砂卵石地層穩定尤為重要。

2）通過對洞柱方案進行進一步優化，其在砂卵石地層中控制橋樁變形、施工作業環境及施工進度等方面更有利。

【1】DB11/995-2013城市軌道交通工程設計規范[S].

【2】何海建.地鐵洞樁法施工對鄰近橋樁的影響與控制[S].

【3】韋京，王芳，孫明志.PBA工法地鐵車站下穿橋梁方案優化研究[S].

【4】孫勝臣.國貿站地鐵工程中對既有橋梁的綜合保護技術[M].

【5】王泰典，劉世桐，陳麗華，等．礫巖地層濱海公路隧道選線與規劃案例探討[C]//第六屆海峽兩岸隧道與地下工程學術及技術研討會論文集．2007.

圖1 周邊縫修復圖

3.2 面板水平裂縫和高趾墻裂縫處理

先將縫面用鋼刷清洗干凈，并烘干；然后在縫面粘貼SG305-C1液體橡膠或PSI-TAPE快速修補帶,涂刷PSI-200水泥基滲透結晶型防水涂料，寬度不小0.4m。

3.3 墊層料填充處理根據墊層料的級配分析，小于5mm的顆粒僅14.4%,少于設計的40%。為此,擬采用灌漿進行填充。每塊面板設3排孔，排距3m，孔距3m，呈梅花狀布置。孔深20～40m，可根據現場情況進行調整。灌漿材料可采水泥；為增強可灌性，可加入粉煤灰，水泥和粉煤灰各50%；對于強透水層，可摻入細砂，細砂比例根據現場情況確定，但不宜超過1/3。灌漿方法宜采用套管灌漿法。灌漿壓力0.3～1.5MPa,并保證面板不被掀起。每排一般采用三序灌漿，孔距先稀再逐漸加密。

4 結語

2016年5月，我們對該項目進行回訪，通過查閱監測資料，表明處理效果良好。混凝土面板堆石壩周邊縫止水破壞及修復，在國內少見，故總結經驗，以供參考。

【參考文獻】

【1】王偉.淺談環氧樹脂混凝土配合比的設計與應用[J].科技信息,2010 (17)：10-11.

【2】曹克明,汪易森,徐建軍,劉斯宏.混凝土面板堆石壩[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

【收稿日期】2016-6-27

Optimization Scheme on A Mining Station Across a Bridge

QIUShu-lai
（ChinaRailwayTunnelSurveyDesignInstituteCo.Ltd.,Beijing100073，China）

The large cross section of station main structure through the buildings makes a certain deformation on architectural structures,and whether can reasonably control architecture is very important for the horizontal displacement and settlement, determining directly which method to use. Taking Beijing subwaystationasanexample,throughmutual positionrelationandstratigraphiccharacteristicsofstationandbridge,thisarticleputsforwardbridgeconstruction design scheme of hole column method[1]and hole pile construction method[1],through analysis and calculation, combining with experience and theory , it is concluded that, under this condition , hole columnmethod scheme hasmore advantages.Scheme can be widely promoted and applied into the similar design and construction.

holecolumnmethod;holepilemethod;bridgepier;deepholegrouting

TU921

A

1007-9467（2016）07-0111-03

2016-6-2

邱術來(1986~)，男，河南信陽人，助理工程師，從事隧道及地下工程設計研究，（電子信箱）695901702@qq.com。