地鐵車站下穿高架橋設計方案探討及工程實踐

楚 航

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

在地鐵車站下穿既有高架橋工程中,車站的施工將導致周邊土體變形,從而對周邊既有結(jié)構(gòu)的正常使用產(chǎn)生影響。 如在開挖過程中產(chǎn)生的土體橫向移動將對鄰近的橋樁產(chǎn)生水平推力,由開挖引起的沉降將在樁基礎上產(chǎn)生負摩阻力。 在豎向及水平向的受力耦合狀態(tài)下,樁基受力十分復雜,甚至可能使橋樁喪失功能[1]。

針對此類問題,丁勇春等對地鐵車站基坑下穿高架橋的施工技術(shù)進行了研究[2];王俊對旋噴樁與袖閥管注漿在橋梁樁基加固中的應用進行了探討[3];楊浩等對地鐵車站深基坑臨近高架橋主動預支頂技術(shù)進行了分析[4];呂劍英詳細介紹了基礎托換技術(shù)[5]。 以往研究均取得了一定的成果,但缺少對該類工程設計措施的系統(tǒng)性比選,同時也缺少對各個設計措施組合應用情況的說明。 因此,對該類工程所采取的設計措施進行總結(jié)歸納具有一定的現(xiàn)實意義。

1 設計思路及方案研究

地鐵下穿高架橋工程的設計方案較多,主要可以從三個方面進行考慮。

(1)減少地鐵項目本身對周圍環(huán)境的影響。 具體措施為:確定合理的施工方法,選取合理的圍護結(jié)構(gòu)形式。

(2)改善地鐵與橋樁周圍的環(huán)境。 具體措施為:采取相應的隔離、加固措施,確定合理的基坑降水方案。

(3)保證高架橋自身的剛度。 具體措施為:橋樁支頂、橋樁樁基托換。

1.1 確定合理的施工工法

地鐵車站中常用的施工工法有明挖法、蓋挖法、礦山法,其中蓋挖法又分為順作法、逆作法和半逆作法[6]。

各工法對周邊環(huán)境的影響程度如下:

礦山法＞明挖法＞蓋挖順作＞蓋挖半逆作＞蓋挖全逆作。

張中杰等通過對上海市軌道交通8 號線虹口足球場站下穿既有高架橋工程(軟土地區(qū)標準島式車站,車站距離橋樁承臺不足1 m)進行研究:明挖順作、蓋挖半逆作、蓋挖全逆作的圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移分別為33.8 mm,15.8 mm,14.8 mm。 明挖順作法所產(chǎn)生的位移達到了蓋挖全逆作法的2 倍以上[7]。

通過以上情況可知,地鐵車站穿越橋樁影響最小的工法為蓋挖逆作法,但該方法也存在造價相對較高、工期較長及防水施作困難等問題。 可通過增加明挖法或蓋挖半逆作法的設計措施進行改善[2]。

1.2 選取合理的圍護方案

目前,國內(nèi)地鐵車站的圍護方案較多,最常用的是鉆孔灌注樁與地下連續(xù)墻,現(xiàn)對這兩種圍護方案進行比較(見表1) 。

表1 圍護結(jié)構(gòu)方案比較

由表1 可知,兩種圍護方案各有利弊, 如地連墻方案存在對橋下凈空要求高、投資大、對周邊環(huán)境影響大等不利因素;而鉆孔灌注樁方案則存在需設置止水帷幕、剛度較小等問題。 應結(jié)合各種因素及現(xiàn)場實際情況進行綜合比選,以確定合理的圍護方案。

1.3 降水及止水方案

基坑降水將導致含水層的骨架壓密,引起土體沉降,橋樁產(chǎn)生負摩阻,可能導致橋樁失效[8],設計時應盡量減少降水產(chǎn)生的影響,故一般采取坑內(nèi)降水的方式,并加強圍護結(jié)構(gòu)的止水措施。

1.4 隔離及加固措施

隔離是指在車站圍護結(jié)構(gòu)與既有橋樁之間采取的施工措施,加固是指針對軟弱地層或?qū)驑吨車馏w進行的注漿處理等措施[3]。

針對本工程類型,對常用的三種隔離措施進行比較(如表2)。

表2 隔離措施比較

地面注漿加固的方式也較多,針對4 種常用的注漿方式予以比較(如表3)。

表3 不同注漿工藝比較[9]

由表2、表3 可知,隔離、加固的措施種類很多,其適用范圍各不相同,應結(jié)合現(xiàn)場的實際情況進行選擇[10]。

1.5 橋梁支頂方案

橋梁支頂方案一般指在橋梁支墩周圍設置的“鋼管桁架+型鋼梁”豎向臨時支撐體系,可根據(jù)現(xiàn)場沉降情況采取千斤頂進行豎向調(diào)節(jié)[4]。 布置形式如圖1 所示。

施工順序為:支撐承臺基礎處理→施作支撐承臺→組裝豎向鋼管桁架→組裝縱向型鋼梁→安裝千斤頂→安裝橫向型鋼梁→調(diào)整設備受力體系→根據(jù)沉降情況調(diào)節(jié)千斤頂施加應力。

1.6 樁基托換方案

圖1 橋梁支頂方案示意

地鐵工程臨近或者下穿高架橋時,在采取其他措施無法控制橋樁的變形或新建結(jié)構(gòu)與橋樁發(fā)生沖突的情況下,需考慮采取樁基托換。 按照力的轉(zhuǎn)換形式,一般可分為主動托換與被動托換。

主動托換:在切斷原橋樁前,采用頂升工藝,將新樁與托換結(jié)構(gòu)的變形量控制在較小的范圍內(nèi),適用對橋梁變形要求嚴格的情況[5]。

被動托換:在截樁過程中,將荷載傳遞到新樁上(不采取頂升),托換后的樁和結(jié)構(gòu)變形相對較大,適用于對橋梁變形要求不高的情況[5]。

在地鐵工程中,主動托換的方式最為常用,其施工順序如圖2 ～圖4 所示[11]。

圖3 施工托換梁、預支頂

圖4 封樁、截原樁

2 工程實踐

2.1 某標準明挖車站下穿既有高架橋設計保護方案

(1)工程概況

某車站主體結(jié)構(gòu)為地下雙層島式站臺車站,車站整體呈東西向布置,車站頂板覆土約為4 m,底板埋深約為18 m,車站全長188.50 m,標準段結(jié)構(gòu)外寬為19.0 m。 車站主體三次下穿立交橋(臨近6 個橋樁)。

立交橋主橋跨路口沿南北向設置,主橋于地鐵車站施工前一年建成通車,車站及附屬范圍內(nèi)的匝道橋已建成但尚未通車。

立交橋參數(shù)如下。 上部結(jié)構(gòu): 主道及匝道均采用預應力混凝土預制箱形梁,主橋?qū)挾葹?5 m(雙向6 車道),匝道橋?qū)挾葹?.6 ～10.4 m。 下部結(jié)構(gòu): 樁基為泥漿護壁灌注樁(摩擦端承樁);主橋樁長30 ～32 m,匝道橋樁長24 m,樁徑均為1.5 m。 橋梁支座:球形支座。 橋下凈空15.5 m。 根據(jù)相關規(guī)范及與立交橋產(chǎn)權(quán)單位溝通,橋樁沉降控制值設為10 mm。

地鐵車站與高架橋位置關系如圖5、圖6。

圖5 地鐵車站與互通式立交橋平面位置關系

圖6 車站與互通式立交橋橫剖面位置關系(典型)

(2)工程及水文地質(zhì)

車站地層自上而下依次為: 填土層、粉質(zhì)黏土層、中砂層、全風化泥巖層、強風化泥巖層、中風化泥巖層。車站主體結(jié)構(gòu)大部分處于泥巖層,車站底板位于強風化泥巖層。 立交橋主橋樁樁底均位于中風化泥巖層;匝道橋橋樁大部分位于中風化泥巖層,少部分位于強風化泥巖層。

地層內(nèi)存在三層地下水,第一層為表層孔隙潛水,第二層為淺層微承壓水,第三層為巖石裂隙水。 第一層地下水埋深為2.60 ～4.30 m,主要存在于黏性土層中,含水層水平、垂直向滲透性差異較小(見圖7)[12]。

圖7 車站范圍內(nèi)水文地質(zhì)情況

(3)設計方案

施工工法:考慮高架橋為新建,且匝道橋尚未通車,周邊地層較好,車站與橋樁的距離滿足設置隔離加固的條件,故初步?jīng)Q定本站采取明挖法施工。 考慮車站整體開挖對橋樁的影響,采取分期開挖形式(車站主體沿東西向分為3 期施工)[13]。

圍護方案:車站基坑采用“樁+內(nèi)支撐”支護結(jié)構(gòu)體系。 為了增強圍護結(jié)構(gòu)的剛度,下穿橋樁范圍內(nèi)圍護樁參數(shù)取為φ1 m@1.2 m,第一道為混凝土支撐,其余采取鋼支撐;為控制地面沉降,整個車站增設一道鋼支撐。 經(jīng)計算,地表沉降可控制在10 mm 內(nèi)。 (見圖8、圖9)。

加固隔離措施:采用旋噴樁,具體參數(shù)為φ800 mm/咬合300 mm,打設深度為基坑底以下2 m,打設位置控制在橋樁三倍樁徑以外(4.5 m)。 因現(xiàn)場淺地層中的砂層透水情況嚴重,故設計方案中考慮采取袖閥管注漿加固,加固范圍為旋噴樁與圍護樁之間的土體,加固深度為砂層以下2 m(見圖8、圖9)。

降水方式:車站周邊情況較好(透水較嚴重的砂層已采取了地面袖閥管注漿加固措施,下部地層含水量不大),故確定車站采取坑外降水方式。

橋樁支頂:因車站已采取了較多的保護措施,故支頂方案僅作為應急預案。

(4)施工步序

施作旋噴樁隔離→袖閥管注漿加固地層→打設圍護樁→施作降水井進行降水→施作冠梁擋墻→開挖基坑、隨挖隨撐→施作主體結(jié)構(gòu)→回填覆土。

(5)數(shù)值模擬

圖8 車站及附屬下穿橋樁處理措施平面(典型)

圖9 車站下穿橋樁處理措施橫剖面(典型)

為預測本工程在施工期間的位移沉降情況,采用有限元軟件建立三維地層-結(jié)構(gòu)模型,見圖10、圖11。

圖10 車站下穿橋樁三維模型

經(jīng)計算,橋樁最大沉降值為9.8 mm,滿足變形控制要求。

2.2 某分離島式地鐵車站下穿既有高架橋設計方案

(1)工程概況

圖11 車站下穿橋樁沉降云圖

某車站為地下雙層分離島式車站,車站呈東西向布置, 車站長247.1 m, 標準段寬10.6 m, 埋深17.77 m,車站頂板覆土厚2 ～3 m,車站主體圍護結(jié)構(gòu)距離橋樁3.3 m 左右,距離橋面水平距離為1.6 ～1.8 m,連廊通道圍護結(jié)構(gòu)距離橋樁3.79 ～19.81 m,車站8 個連廊均下穿既有公路高架橋,車站兩側(cè)站臺主體也臨近既有高架橋(見圖12)。

既有立交橋在車站影響范圍內(nèi)為簡支梁形式,跨徑為30 m 左右;樁基為鉆孔灌注樁,樁徑1.5 m,樁長在35 m 左右,受力形式為摩擦型樁。 橋面寬8.7 m,橋面底距地面6.2 m。 高架橋已通車多年,結(jié)構(gòu)基本良好。

沉降控制要求:橋樁的沉降值≤10 mm,差異沉降≤5 mm。

圖12 車站與既有高架橋位置關系平面

(2)工程及水文地質(zhì)

本站所處地貌單元為河漫灘區(qū),地層從上到下依次為雜填土、粉砂、細砂、中砂、粉質(zhì)黏土、粉砂質(zhì)泥巖;地下水靜止水位埋深為2.60 ～4.30 m,孔隙承壓水主要賦存于砂層中,相對隔水頂板為粉質(zhì)黏土層,底板為粉砂質(zhì)泥巖。 本場地隔水頂板粉質(zhì)黏土層整體分布不連續(xù),孔隙承壓水水頭變化大,在粉質(zhì)黏土層相對連續(xù)處可按5.0 ～8.0 m 考慮。 基坑底位于中砂土層(見圖13)。

(3)設計方案

施工工法:高架橋為既有已通車高架橋,地質(zhì)情況一般,車站與橋樁的距離滿足設置隔離加固的條件,確定本站采取明挖法施工。 考慮車站大范圍開挖對橋樁影響較大,故車站主體與中間的8 座聯(lián)絡通道分期進行施工。

圖13 車站水文地質(zhì)情況

圍護結(jié)構(gòu)方案:車站主體分列于高架橋兩側(cè),可通過增強圍護結(jié)構(gòu)自身的剛度來控制地面沉降,圍護結(jié)構(gòu)方案確定為“地連墻+支撐”的支護形式。 兩側(cè)主體地連墻厚度為0.8 m,采用十字鋼板接頭,共設置4 道支撐和一道換撐,其中第一道支撐采用混凝土支撐,其余支撐為鋼支撐。 為了保證成槽穩(wěn)定性,對槽壁進行旋噴加固處理(加固至細砂層以下1 m)。

受橋下高度限制,車站中部6 座聯(lián)絡通道范圍內(nèi)地連墻不易施作,故采取“鉆孔灌注樁+旋噴止水帷幕”的形式,支撐形式與主體相同(見圖14、圖15)。

圖14 車站下穿橋樁處理措施平面

圖15 車站下穿橋樁處理措施橫剖面

降水方式:因車站全部臨近或下穿橋梁范圍,大范圍降水易引起沉降,且該地區(qū)地下水豐富,降水非常困難,故車站及聯(lián)絡通道均考慮坑內(nèi)降水方案。

加固隔離措施:采取旋噴樁加固(φ600 mm,咬合200 mm)。 車站主體基坑旋噴樁主要起對地連墻槽壁的加固作用,車站聯(lián)絡通道旋噴加固主要起到止水、防塌孔的作用,兩個位置的旋噴樁均能夠有效控制地面水平位移。 同時,在橋樁的樁周預留了地面袖閥管注漿的條件,若橋樁出現(xiàn)較大變形沉降,可以及時注漿加固(見圖14、圖15)。

橋樁支頂:因已采取了較多的保護措施,故橋樁支頂方案僅作為應急處理措施。

(4)施工步序及注意事項

施作旋噴樁隔離加固→施作地連墻(圍護樁)→施作冠梁擋墻→開挖基坑隨挖隨撐→施作主體結(jié)構(gòu)→回填覆土。

(5)數(shù)值模擬

為預測本工程在施工期間的位移沉降情況,采用有限元軟件建立三維地層-結(jié)構(gòu)模型(見圖16 ～圖17)。

圖16 車站下穿橋樁三維模型

圖17 橋樁變形云圖

經(jīng)計算,橋樁最大沉降值為7.2 mm,差異沉降值為4.4 mm,均滿足變形控制要求[14]。

3 結(jié)論

(1)工程案例1 中采取了明挖圍護樁分期施工、加強圍護結(jié)構(gòu)、地面注漿加固透水砂層與旋噴樁隔離等設計措施,并未采取蓋挖逆作、坑內(nèi)降水,而橋梁支頂僅作為應急預案[15]。 主要原因是既有橋梁屬于新建橋梁,安全穩(wěn)定性高,同時周邊的水文地質(zhì)情況較好,故而綜合考慮選取此方案,該方案可為水文地質(zhì)情況較好的車站提供一定的參考。

(2)案例2 中采取了明挖地連墻分期施工、加強圍護結(jié)構(gòu)、坑內(nèi)降水、旋噴樁隔離等方案,未采取蓋挖逆作,橋梁支頂與地面注漿僅作為應急預案,主要原因是既有橋梁安全穩(wěn)定性較高,但周邊屬于富水砂層地區(qū),水文地質(zhì)情況不好,故而綜合考慮選取此方案。 該方案可為周邊水文地質(zhì)情況一般但既有高架條件較好的車站提供一定的參考[16]。

(3)樁基托換造價較高且工藝復雜,建議在地鐵與高架橋發(fā)生位置沖突或橋梁自身情況很差、地鐵與橋樁的位置關系較近的情況下采取。