明挖區(qū)間與零點互通立交改擴建工程共建關鍵技術研究

吳濤，萬利，胡瑤瑤，李嘉璐

(山東省交通規(guī)劃設計院集團有限公司，山東 濟南 250031)

濟南黃河公路大橋建于1982年，由于通車使用多年且超負荷運營，橋梁出現(xiàn)不同程度病害，需對其進行改擴建。濟南軌道交通7號線一期工程為中心城區(qū)南北向跨黃河骨干線路，跨黃河段與G104京嵐線濟南黃河公路大橋共路由(走向位置)。根據(jù)濟南市“三橋一隧”的指導方針，軌道交通7號線與濟南黃河公路大橋擴建工程采用公軌合建的方式跨越黃河，上面為公路交通，下面為城市軌道交通。

1 工程概況

1.1 共建段

G104京嵐線濟南黃河公路大橋改擴建工程起于已建成二環(huán)東高架橋，通過改建零點立交上跨濟廣(濟南—廣州)高速公路，向北以高架橋形式延伸，在既有濟南黃河公路大橋下游33.5 m處新建一座黃河大橋跨越黃河，出黃河北大堤后落地接G104。改擴建工程主要包括零點立交段主線高架橋、華山北公軌合建高架橋、公軌合建黃河大橋及北大堤外引橋。

軌道交通7號線按A型車6輛編組，列車運行最高速度100 km/h，標準段最小線間距5.2 m。共建段線路自二環(huán)北路站出站后向上延伸，過濟廣高速公路零點立交后逐漸出露地面，與黃河大橋同路由合建走行。線路在二環(huán)東路與太白大街交叉口設黃河南岸高架站，出站后繼續(xù)與黃河大橋合建走行，至黃河以北逐漸分離，全長約4.9 km(見圖1)。

圖1 G104京嵐線濟南黃河公路大橋擴建工程與軌道交通7號線共建段總體布置

1.2 區(qū)間隧道

區(qū)間隧道主要與零點立交高架橋段共建。現(xiàn)狀零點立交為渦輪立交，匝道、濟廣高速公路均采用橋梁方案上跨二環(huán)東路，其中濟廣高速公路跨二環(huán)東路段采用(67.5+64.5)m獨塔斜拉橋。

區(qū)間隧道自二環(huán)北路站向北穿越規(guī)劃二環(huán)北路、零點立交，在濟廣高速公路主線橋下與現(xiàn)狀大橋路相交，沿規(guī)劃大橋路中央分隔帶走行，并逐漸由地下轉為地上。平面線間距為5.2～15.9 m，最大縱坡為28.7‰，全長約564 m。結合零點立交拆除重建方案，采用明挖順作法施工，其中明挖暗埋段394 m，明挖敞口段約170 m(見圖2)。

圖2 區(qū)間隧道與現(xiàn)狀零點立交的位置關系

1.3 工程地質與水文地質

(1)工程地質。鉆探深度范圍內(nèi)揭露第四系地層以填土、粉質黏土、粉土、鈣質膠結層等為主，第四系覆蓋層厚度一般大于50 m，下伏地層為中生代燕山期侵入輝長巖。

(2)水文地質。項目區(qū)地下水主要分布在第四系地層中，為第四紀松散層孔隙水，含水層主要為粉土和粉砂層。松散巖類孔隙水主要受大氣降水補給，總體受季節(jié)性變化較明顯，豐水期水位上升，枯水期水位下降，在汛期高水位時孔隙水季節(jié)性受徑流補給。

2 合建的必要性及工程難點

2.1 合建的必要性

項目前期研究時，《山東省公路路政條例》尚未修訂。該條例第十三條規(guī)定，除公路建設需要外，禁止其他設施穿(跨)越高速公路互通立交區(qū)。這是拆除重建零點互通立交，進行公軌合建的依據(jù)。

目前，濟南市已建成跨黃河大橋14座，在建通道4條，籌備建設6條，遠期規(guī)劃2條，主城區(qū)跨黃河通道平均間距僅3 km。在過黃河走廊資源有限的情況下，在黃河公路大橋下游并排修建公軌上下層合建的復線橋梁，實現(xiàn)雙層交通，可實現(xiàn)資源共享。

2.2 工程難點與風險

區(qū)間隧道設計不僅要面對復雜的自然與施工條件，還要處理好與新建黃河公路大橋合建帶來的技術問題。

(1)拆除重建后的零點立交為多功能渦輪形樞紐立交，共新建14條匝道，匝道上跨東西向高速公路，高速公路下穿南北向主線。區(qū)間隧道先后6次下穿零點立交匝道(A、D、C匝道橋，G匝道路基，A、B匝道橋)，1次下穿濟廣高速公路主線橋(見圖3)，難免在平面、立面上發(fā)生沖突，相互干擾，施工和運營難度增大。

圖3 區(qū)間隧道與重建零點立交的位置關系

(2)區(qū)間隧道敞口段位于高架橋下，從橋墩中間穿過，將加大地面道路中央分隔帶寬度，增加占地面積。

(3)基坑面積特別大，且開挖深度不一，加上場地周邊環(huán)境復雜，地下管線密布，工程難度大、風險高。

(4)區(qū)間隧道在濟廣高速公路主線橋橋墩西側穿過，基坑圍護樁外緣與橋墩的最小水平距離僅1.4 m，環(huán)境風險等級較高。

(5)區(qū)間隧道基坑為深大長基坑，采用明挖順作法施工，對地面道路和高速公路互通立交匝道形成割裂，對其通行有一定影響。

3 應對措施

3.1 結構選型

3.1.1 起點暗埋段

暗埋段起點接二環(huán)北路地下站，平面線間距及埋深均較大，設計中對單跨單層矩形框架和兩柱三跨雙層框架兩種結構形式(見圖4)進行對比。

圖4 起點暗埋段2種結構形式

(1)單層單跨方案。優(yōu)點：改建零點立交匝道橋橋墩可布置于區(qū)間隧道左右兩洞之間，二者相互獨立，互不干擾；覆土較深，對規(guī)劃二環(huán)北路地下管線無影響。缺點：土石方回填量較大。

(2)兩柱三跨雙層方案。優(yōu)點：負一層地下結構可作為二環(huán)北路站補充，增加車站使用面積；土石方回填量小。缺點：無法避開新建零點立交A匝道橋橋墩，橋墩需落在區(qū)間隧道結構上頂板上；覆土較淺，需增加抗浮樁設計，且對規(guī)劃二環(huán)北路地下管線有影響。

近年來，國內(nèi)地鐵車站與城市高架橋共建實例越來越多，大多采用結構合建的方式進行。與地鐵車站相比，區(qū)間隧道斷面較小，可左右分離，有條件避讓橋梁橋墩。考慮結構功能、施工組織、造價及運營等因素，選用單跨單層矩形框架結構。

3.1.2 其他段落

區(qū)間隧道平面線間距由15.9 m逐漸過渡到5.2 m，設計高程由10.875 m抬升到26.040 m，對應結構形式存在多樣性，結構橫斷面變化趨勢為雙箱單跨→單箱三跨→單箱雙跨→U形槽(見圖5)。

圖5 結構橫斷面

3.2 合理確定與高架橋橋墩的位置關系

對于區(qū)間隧道結構與零點立交高架位置基本重疊的區(qū)段，從兩工程的不同使用功能要求、減少實施期間相互干擾、控制施工風險、經(jīng)濟合理等方面進行綜合比選。

3.2.1 敞口段

敞口段結構埋深較淺，基坑不深，考慮基樁、承臺與區(qū)間結構同期施工。根據(jù)橋墩與明挖區(qū)間的關系，設計2種方案進行比選(見圖6)。

圖6 敞口段2種橫斷面布置方案

方案一：高架橋采用整體式承臺，U形槽從橋墩間穿過，以高架橋承臺作為結構底板基礎。方案二：高架橋橋墩及承臺基礎等與U形槽分離。與方案二相比，方案一能節(jié)省約38%的用地寬度，為更好地利用城市地面空間，減小占地，設計選用方案一。

3.2.2 暗埋段

(1)零點立交匝道橋橋墩與區(qū)間結構。新建零點立交匝道除上跨濟廣高速公路處采用三孔聯(lián)系鋼箱梁外，其余均選用混凝土箱梁，橋墩采用花瓶形墩，基礎為承臺+樁基。區(qū)間隧道下穿A匝道橋第4聯(lián)時，線路斜交角49°，為使其橋墩位于區(qū)間隧道左右洞之間，將該聯(lián)橋梁跨徑調(diào)整為(33.0+36.0+30.2)m，10#、11#橋墩橫向間距分別調(diào)整為28.5 m、28 m(見圖7)。其余5處下穿匝道橋段，線路基本垂直，均通過調(diào)整橋梁跨徑上跨區(qū)間隧道。

圖7 零點立交A匝道橋墩與區(qū)間結構的位置關系

(2)主線橋橋墩與區(qū)間結構。區(qū)間隧道穿過濟廣高速公路后，進入二環(huán)東高架橋橋面下，沿規(guī)劃大橋路中央分隔帶走行，34#～42#橋墩承臺與區(qū)間隧道結構平面上沖突。設計將高架橋承臺置于區(qū)間結構底板以下，待橋梁承臺澆筑完成后再實施區(qū)間結構(見圖8)。

圖8 主線橋橋墩與區(qū)間結構的位置關系

3.3 基坑圍護

區(qū)間隧道基坑工程中圍護結構設計不僅關系到基坑的安全穩(wěn)定，而且對工程總造價有較大影響。設計區(qū)間隧道基坑寬度為11.6～22.5 m，深度為1.1～16.8 m。

3.3.1 安全等級

項目基坑縱向較長且深淺不一，本著安全、經(jīng)濟、合理的原則，綜合考慮基坑周邊環(huán)境、地質條件的復雜程度等因素，對不同段落劃分不同安全等級：基坑開挖深度大于10 m時，安全等級為一級；基坑開挖深度小于7 m時，安全等級為三級；其余為二級。

3.3.2 圍護形式

根據(jù)基坑深度不同，分別選用不同圍護結構形式：基坑深度大于7 m時，采用φ1 000@1 400 mm或φ800@1 200 mm鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐的支護結構形式；基坑深度小于4 m時，采用放坡開挖、坡面噴射混凝土的支護形式；其余段落采用Ⅳ型拉森鋼板樁+內(nèi)支撐的支護結構形式。

高架橋34#～42#橋墩承臺與區(qū)間隧道圍護結構沖突，承臺基坑需與區(qū)間隧道基坑同時開挖，導致基坑陰陽角較多且同一斷面深度不一。考慮到陽角處內(nèi)力較復雜，應力集中，容易出現(xiàn)問題，設計中在陽角的兩個方向設置支撐點，控制該位置的變形(見圖9)。

圖9 基坑陽角的處理(單位：mm)

3.3.3 環(huán)境風險

區(qū)間隧道在現(xiàn)狀濟廣高速公路主線橋橋墩西側穿過，基坑圍護樁外緣與橋墩非常接近，最小水平距離僅1.4 m，根據(jù)《城市軌道交通地下工程建設風險管理規(guī)范》，環(huán)境風險等級為一級。

將區(qū)間隧道基坑分為南、中、北3個基坑分區(qū)分期開挖。一期開挖基坑邊緣距離濟廣高速公路橋墩2倍基坑開挖深度H以上(臨近關系為不接近)，待橋梁拆除后再開挖中間二期基坑(見圖10)，環(huán)境風險等級降為四級。拆除后新建濟廣高速公路主線橋為混凝土連續(xù)梁，上部結構為單箱三室箱梁，橋墩采用柱式墩，基礎為承臺+樁基。第5聯(lián)上跨區(qū)間隧道段采用(31+2×42+31)m跨徑，區(qū)間隧道從第3孔橋墩中間穿過，側墻與兩側橋墩的距離分別為14.3 m、15.6 m，運營期間二者互不影響。

圖10 區(qū)間隧道與濟廣高速橋墩的位置關系

3.4 施工組織

結合零點立交實施方案(見圖11)，區(qū)間隧道基坑設計為3個基坑，分兩期開挖，總體施工分4個階段。

圖11 零點立交實施方案

準備階段：完成二環(huán)東地面保通道路、二環(huán)北臨時道路及互通區(qū)域內(nèi)管線遷改和保護。

第一階段：開挖濟廣高速公路南、北兩側基坑，同時施工互通區(qū)內(nèi)不影響濟廣高速公路主線及收費站運營的橋梁。為降低基坑開挖對濟廣高速公路橋梁運營的影響，基坑邊緣距離濟廣高速公路橋墩2H以上。

第二階段：施工互通區(qū)剩余匝道。

第三階段：待濟廣高速公路主線橋梁拆除后，開挖中間二期基坑，然后施工二環(huán)東高架上跨濟廣高速公路部分，并重建濟廣高速公路拆除部分。

4 結論

(1)地鐵明挖區(qū)間與高架橋共建時，采取“功能合建、結構獨立”的方式，采用左右分離的單跨單層結構優(yōu)于兩柱三跨雙層框架結構，能避讓橋墩或樁基，節(jié)約工程造價。

(2)區(qū)間隧道左右線間距逐漸變化時，采取雙箱單跨、單箱三跨、單箱雙跨等不同結構斷面形式可節(jié)約工程造價。

(3)對于深大長基坑，應根據(jù)工程地質、基坑深度、周邊環(huán)境等因素分段確定基坑安全等級，并采取不同圍護形式。

(4)高架橋樁基承臺與區(qū)間隧道基坑同步開挖，應合理安排施工順序，并做好基坑陰陽角保護。

(5)區(qū)間隧道多次下穿新建零點立交、濟廣高速公路主線橋、高架橋，需結合零點立交拆除重建方案，針對復雜的周邊環(huán)境及工程難點與風險點采取分期分區(qū)施工方法，降低施工風險。