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,從而對周邊既有結構的正常使用產生影響。 如在開挖過程中產生的土體橫向移動將對鄰近的橋樁產生水平推力,由開挖引起的沉降將在樁基礎上產生負摩阻力。 在豎向及水平向的受力耦合狀態下,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進行了分析[4];呂劍英詳細介紹了基礎托換技術[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歸納具有一定的現實意義。

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,選取合理的圍護結構形式。

(2)改善地鐵與橋樁周圍的環境。 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構側向位移分別為33.8 mm,15.8 mm,14.8 mm。 明挖順作法所產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墻,現對這兩種圍護方案進行比較(見表1) 。

表1 圍護結構方案比較

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。 應結合各種因素及現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,橋樁產生負摩阻,可能導致橋樁失效[8],設計時應盡量減少降水產生的影響,故一般采取坑內降水的方式,并加強圍護結構的止水措施。

1.4 隔離及加固措施

隔離是指在車站圍護結構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對橋樁周圍土體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,應結合現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,可根據現場沉降情況采取千斤頂進行豎向調節[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→調整設備受力體系→根據沉降情況調節千斤頂施加應力。

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構與橋樁發生沖突的情況下,需考慮采取樁基托換。 按照力的轉換形式,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,將新樁與托換結構的變形量控制在較小的范圍內,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),托換后的樁和結構變形相對較大,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

某車站主體結構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,標準段結構外寬為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,車站及附屬范圍內的匝道橋已建成但尚未通車。

立交橋參數如下。 上部結構: 主道及匝道均采用預應力混凝土預制箱形梁,主橋寬度為25 m(雙向6 車道),匝道橋寬度為8.6 ～10.4 m。 下部結構: 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。 根據相關規范及與立交橋產權單位溝通,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

車站地層自上而下依次為: 填土層、粉質黏土層、中砂層、全風化泥巖層、強風化泥巖層、中風化泥巖層。車站主體結構大部分處于泥巖層,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 車站范圍內水文地質情況

(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,故初步決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+內支撐”支護結構體系。 為了增強圍護結構的剛度,下穿橋樁范圍內圍護樁參數取為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。 經計算,地表沉降可控制在10 mm 內。 (見圖8、圖9)。

加固隔離措施:采用旋噴樁,具體參數為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→施作主體結構→回填覆土。

(5)數值模擬

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-結構模型,見圖10、圖11。

圖10 車站下穿橋樁三維模型

經計算,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,車站主體圍護結構距離橋樁3.3 m 左右,距離橋面水平距離為1.6 ～1.8 m,連廊通道圍護結構距離橋樁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,結構基本良好。

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

本站所處地貌單元為河漫灘區,地層從上到下依次為雜填土、粉砂、細砂、中砂、粉質黏土、粉砂質泥巖;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黏土層,底板為粉砂質泥巖。 本場地隔水頂板粉質黏土層整體分布不連續,孔隙承壓水水頭變化大,在粉質黏土層相對連續處可按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 座聯絡通道分期進行施工。

圖13 車站水文地質情況

圍護結構方案:車站主體分列于高架橋兩側,可通過增強圍護結構自身的剛度來控制地面沉降,圍護結構方案確定為“地連墻+支撐”的支護形式。 兩側主體地連墻厚度為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 座聯絡通道范圍內地連墻不易施作,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,且該地區地下水豐富,降水非常困難,故車站及聯絡通道均考慮坑內降水方案。

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→施作主體結構→回填覆土。

(5)數值模擬

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-結構模型(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、加強圍護結構、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,安全穩定性高,同時周邊的水文地質情況較好,故而綜合考慮選取此方案,該方案可為水文地質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、加強圍護結構、坑內降水、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定性較高,但周邊屬于富水砂層地區,水文地質情況不好,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。