有軌電車與地鐵并行段的暗橋設計研究

范軍琳

(中鐵上海設計院集團有限公司城建設計院,200070,上海∥總工程師)

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有軌電車與地鐵并行段的暗橋設計研究

范軍琳

(中鐵上海設計院集團有限公司城建設計院,200070,上海∥總工程師)

針對軟土地區某新建有軌電車線下結構部分區段與既有運營地鐵隧道線路近距離平行的情況,從有軌電車線路的橋式選擇，以及樁基施工方法和運營期兩者對地鐵隧道的影響等方面進行了計算分析,確定了有軌電車的暗橋設計方案及參數。

有軌電車; 地鐵特別保護區; 并行段； 暗橋

Author′s address Urban Construction Design Institute,China Railway Shanghai Design Institute Grouop Co.,Ltd., 200070,Shanghai,China

近幾年來,城市軌道交通、綜合管廊的建設如火如荼,對地下空間的利用越來越充分,市政工程、地鐵工程等相互交叉的情況越來越不可避免。如何在臨近既有工程實施新工程,是后續工程設計施工的難點。

軌道交通作為城市大運量的公共交通系統,其安全性及通暢性等維系民生,至關重要。為保證地鐵安全運營,各地都出臺了有關地鐵保護的條例。通常地鐵特別保護區為隧道結構外邊線外側5 m內,特別保護區內建設工程必須慎之又慎。本文以某有軌電車工程與既有地鐵并行段為案例,研究討論在地鐵特別保護區內的橋梁設計方案。

1 工程概況

某有軌電車工程敷設在既有城市道路中分帶上,道路下有已經通車運營多年的地鐵線路。兩者有一段并行段,長約150 m；有軌電車線路位于地鐵區間上方,處于地鐵特別保護區范圍內。兩者斷面關系詳見圖1。地鐵為雙線隧道,盾構埋深約5.8～19.1 m。由于地鐵已經運營,不可中斷,故在有軌電車項目設計中,必須分析清楚新建工程施工期對地鐵隧道結構的影響以及運營期兩者之間的相互影響。工程所處位置為長江漫灘區域,地下水豐富,地層從上至下分別為雜填土、淤泥質土、粉細砂、卵礫石、強風化泥巖。土層物理參數詳見表1。地鐵隧道底位于粉細砂層,故對周圍建構筑物的實施比較敏感。

圖1 有軌電車線路與地鐵關系橫斷面圖

表1 土層物理參數表

2 暗橋設計

為確保地鐵安全,有軌電車線路的設計方案必須做到少擾動盾構周邊的土體,減少附加荷載,盡量遠離盾構結構。最早的方案擬采用泡沫混凝土加筏板的路基形式,以減輕自重,減少路基構筑物尺寸。有軌電車的荷載通過軌道結構傳力至路基,再至盾構上方的土體。對路基方案,建立了車輛-軌道耦合動力學模型,分基床開挖、結構澆筑、有軌電車引起隧道結構附加動應力、有軌電車后期沉降影響隧道位移、區域及地鐵沉降影響有軌電車位移附加應力等五種工況進行分析。結果發現：路基方案中有軌電車引起隧道結構的附加動應力值比較大,由此引起隧道水平收斂率加劇惡化,對盾構隧道的結構安全存在隱患。研究決定采用暗橋方案,在土體中設置橋梁,承受有軌電車的荷載,盾構隧道上方土體不承受有軌電車荷載。圖2為暗橋與地鐵隧道關系橫斷面圖。

圖2 暗橋與地鐵隧道關系橫斷面圖

2.1 暗橋結構設計

2.1.1 橋跨布置

考慮到暗橋是埋置在土體中的,土體為干濕交替環境,橋梁支座易受腐蝕,更換時還需開挖土體,會對道路交通造成不利影響,故暗橋的結構形式選取了連續剛構以大大減少支座數量。考慮地鐵隧道對地面荷載的變化比較敏感,橋梁梁部開挖施工引起的土體卸載會引起隧道結構的變形,故梁部高度不能過高,加之土中梁部施工不宜采用預應力結構。這些限制條件使得連續剛構的跨度不能過大;而過小的跨度勢必造成下部結構的樁基數量增多,在隧道附加樁基施工又會影響隧道結構安全。

綜合考慮以上因素,連續剛構的跨度定位14 m,孔跨布置形式為1聯(4+12+3×14+12+4)m雙線連續剛構+1聯(4+12+3×14+12+4)m單線連續剛構,樁基距盾構邊緣的凈距原則上大于2 m,最小凈距約2.2 m。

2.1.2 結構受力分析

為減少暗橋開挖深度,梁部結構采用槽型梁形式,支點處梁高1.5～2.0 m,其余部位梁高1 m。圖3為連續剛構暗橋立面示意圖。圖4為主力作用下結構內力圖。

圖3 連續剛構暗橋立面示意圖

圖4 主力作用下結構內力圖

對連續剛構暗橋用有限元軟件MIDAS建立模型進行結構受力計算分析。從圖4中可以看出,縱梁跨中正彎矩約為支點負彎矩的1/3,約為1 500 kN·m,相對較小,較小尺寸的梁斷面即可滿足受力要求;樁基彎矩約為600 kN·m,采用樁徑1.2 m可滿足受力要求。從整體來看,結構構件內力分配強弱分明,且與其尺寸吻合,結構受力合理。

2.2 暗橋施工對地鐵隧道的影響研究

2.2.1 鉆孔灌注樁成樁工藝研究

由于臨近地鐵隧道,鉆孔樁施工是比較敏感的。鉆孔灌注樁的施工可以分為兩步:鉆孔和灌注混凝土。通常樁基鉆孔采用泥漿護壁,通過泥漿護壁抵抗土體側壓力作用。泥漿護壁對周圍土體作用力可通過下式進行計算:

P=ρgI

(1)

式中:

P——泥漿護壁作用于周邊土體的作用力;

ρ——泥漿的密度;

g——重力加速度,取為10 m/s2;

I——泥漿深度。

為了研究鉆孔施工階段對盾構隧道的影響,運用有限元軟件Plaxis進行仿真模擬,左右邊界水平約束,底邊全約束。用線性荷載模擬泥漿作用,泥漿的液面從地面算起,線性荷載大小按公式(1)計算確定。用平面應變進行模擬,土層和隧道均根據實際情況進行參數設置。圖5為有限元模型圖。圖6為數值模擬泥漿護壁的施工對隧道的影響。

圖5 有限元模型圖

圖6 數值模擬泥漿護壁的施工對隧道的影響

采用泥漿護壁鉆孔引起的地鐵盾構隧道位移達到11.7 mm。這個值還只是理論計算值。由于鉆孔需穿越最大厚達23 m的粉細砂層,故鉆孔時成孔難度大,易形成坍孔,對盾構隧道的運營安全存在極大風險。為了減小對既有地鐵隧道的影響,決定采用鋼套筒工藝鉆孔成樁。鋼套管深度必須超過隧道底部,確保成樁時隧道結構的安全。

2.2.2 鋼套管壓入深度研究

鋼套管壓人深度的合理取值對施工的順利實施具有重要意義。當鋼套管護壁深度與樁的長度相同時,稱為全套筒工藝,不僅不經濟,而且隨著套管壓入深度的增加,壓入鋼套管的下壓力也在增大,鋼套管壓入也越困難,使得鋼套管的厚度也要增加。大的壓入力會對周邊土體產生擠壓效應,理論上對隧道的影響也要加大,所以,套管只需超出隧道底部一定的范圍即可。

套管的壓入深度主要考慮的是套管以下部分采用泥漿護壁鉆孔時,由于應力釋放,周圍土體向鉆孔中心發生位移,由此產生了隧道的變形。其中圖7為套管壓入不同深度時泥漿對周圍土體的作用力。

圖7 鋼套管壓入時泥漿對周圍土體的作用力圖

圖7中：h為鋼套管的壓入深度,P1為鋼套管底部泥漿護壁對于周圍土體的作用力,P2為泥漿護壁施工到最底部時泥漿對于周圍土體的作用力。鉆孔樁成孔總深度H為60 m。由于鋼套筒的限制使得套筒內的泥漿對于周圍土體沒有作用力。鋼套管的壓入深度不同時,泥漿護壁對于周圍土體的作用力也有所不同。為了研究鋼套管在不同的壓入深度時,泥漿護壁的施工對隧道的影響,運用有限元軟件Plaxis進行仿真模擬,用線性荷載模擬泥漿作用。鋼套管阻隔了套管內土柱和管外土體的接觸,使這兩者沒有相互作用,所以在進行數值模擬時套管部分采用剛性約束,套管以下部分施加泥漿壓力,泥漿的液面從地面算起。土層和隧道根據實際情況進行參數設置。

圖8為套管壓入深度超出隧道底部不同深度時的隧道水平位移與垂直位移。由圖8可以看出,當鋼套管壓入深度超出隧道底部3 m時,其水平位移與垂直位移都小于1.5 mm。同時,當繼續增加套管的壓入深度時,對減小隧道的變形效果增加不明顯。綜合考慮施工的安全、施工難度及施工成本,對套管的壓入深度定為超過隧道底部3 m,套管以下部分采用普通鉆孔灌注柱施工工藝,這是比較可行的。

圖8 套管壓入深度超出隧道底部不同深度時的隧道水平位移與垂直位移

2.2.3 混凝土灌注對既有隧道的影響分析

鉆孔灌注樁在混凝土灌注時對既有隧道的影響可以通過施加側向壓力的方法來模擬。在模擬過程中,由于混凝土的流動性較正常液體差,因此混凝土對孔壁產生的壓力計算方法與泥漿對孔壁產生壓力的計算方法不同。通過分析,混凝土澆筑時對隧道的影響很小。

2.2.4 梁部施工對地鐵隧道的影響

連續剛構梁部的施工工序分為兩步:基坑開挖,現澆軌道梁及蓋梁。運用有限元軟件Plaxis 3D Tunnel進行仿真模擬,得出開挖土體對隧道的影響。模型屬性同前。通過計算得到在蓋梁基坑開挖及軌道梁基坑開挖過程中的隧道結構的變形。由于開挖土體較淺,卸載作用不大,地鐵隧道的最大位移約為1 mm,對隧道影響不大。

2.3 運營期有軌電車與地鐵隧道的相互影響

在運營期,分別考慮有軌電車運營期荷載對地鐵隧道的影響，以及地鐵隧道后期沉降對有軌電車的影響,建立模型進行計算分析。由于暗橋結構的保護作用,兩者相互影響較小。模擬有軌電車運營期荷載對隧道影響結果及隧道沉降對有軌電車影響的結果見表2。

3 結論

本文通過對與地鐵并行段有軌電車線路的暗橋設計方案的研究,分析了其結構自身受力特點,并對施工期對地鐵隧道的影響、運營期與地鐵隧道的互相影響進行了分析評價,得到如下結論:

(1) 與路基方案相比,暗橋方案能將對臨近地鐵隧道的影響降到最小,能保證地鐵隧道結構及運營安全。

(2) 樁基離臨近隧道的凈距宜大于2 m。樁基采用常規泥漿護壁施工對既有地鐵影響較大,而采用鋼套筒鉆孔灌注樁施工方案,可保證地鐵運營安全。

表2 有軌電車與地鐵隧道相互影響值統計表

(3) 當套管壓入深度超出隧道底部一定深度時,鉆孔灌注樁施工對隧道位移影響已經較小,無需采用將鋼套管深入樁底的要求。

(4) 暗橋梁部的尺寸應盡量小,以減少開挖施工對地鐵隧道的影響。

(5) 在暗梁結構的保護下,新建工程與地鐵隧道基本隔離,在后期運營過程中兩者相互影響均很小。

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Design and Research on Subsurface Bridge in the Parallel Section of Tram and Metro

FAN Junlin

When the structural section of a new tram line is parallel to the existing subway tunnel line in close distance on soft soil area, the subsurface bridge design and parameters of the tram line are to be determined. In the paper, the tram bridge selection and pile construction method are studied, the mutual influences on the metro tunnel during the operation period is analysed, the design scheme and parameters of subsurface bridge are decided.

tram; metro special reserved zone; parallel section; subsurface bridge

U 442.5∶U 482.1

10.16037/j.1007-869x.2017.05.008

2017-02-08)