地鐵保護區內市政橋梁結構設計研究

蘇倩倩，陳 燕，白凌峰

（成都天府新區建設投資有限公司，四川 成都 610213）

為解決城市交通擁堵問題，有效利用城市空間資源，軌道交通與其他建筑、交通形式結合的建設案例逐漸增多[1]。如西安某高架橋工程部分線位與地鐵4號線重疊，橋梁基礎為避開已建地鐵隧道，需采用大跨徑承臺跨越[2]；城市高架橋采用大跨徑承臺梁跨越地鐵車站[3]；合肥軌道交通1號線明挖地鐵站與市政高架同期同位合建[4]；城市橋梁與地鐵線位平行時下部結構設計[5]；城市軌道交通影響下的橋梁下部結構設計[6]。采取安全、高效、經濟合理的結構形式使幾種不同使用功能的構筑物在交叉點能滿足各自的使用功能成為設計研究要點，本文以成都市天府大道立交節點項目與軌道交通18號線位平行設計為背景，介紹市政橋梁與軌道交通平行重疊的解決方案，為同類工程提供參考。

1 工程概況

成都市天府大道立交節點項目青島路立交節點位于成都市雙流縣正興鎮，根據規劃需新建A、B、G匝道橋。A匝道橋跨徑組合為20.05 m+19.8 m；B匝道橋跨徑組合為2×22.5 m+3×20 m；G匝道橋跨徑組合為22.5+2×20+2×24.5 m。見圖1。

圖1 A、B匝道與地鐵平面關系

B匝道橋線位與地鐵18號線位平行,該路段地鐵隧道采用盾構施工工藝，隧道外緣直徑8.3 m，上下行線凈距7.7 m。橋梁等級為城-B級，人群荷載取4.0 kPa[7]。B匝道橋區域部分存在深厚覆蓋層，包括素填土、強風化砂巖、中風化砂巖等，最大厚度約10 m；地鐵18號線洞室位于中風化砂巖層內，巖土層界面順橋梁方向逐漸抬高。

2 B匝道橋選型及結構驗算

2.1 節點有關軌道交通保護要求

1）軌道交通保護區域內不得設置樁及錨桿、錨索、圍護樁等臨時設施。

2）新建工程在建設和使用期間作用于軌道交通結構上的附加荷載不得＞20 kPa。

3）原則上軌道交通車站結構頂上方的土體不得開挖或者擾動，軌道交通區間隧道結構頂上方的覆土厚度不得小于區間隧道2倍直徑。

4）對運營中的地鐵區域施工，隧道管片在施工過程中變形預警值為6 mm，施工完成后最終變形不得＞8 mm。

2.2 橋梁選型

2.2.1 方案一

根據該區域類似工程經驗，正常情況下這種中小跨徑橋梁上部結構選擇預應力混凝土現澆箱梁較合理，其優點是造價低，適應平面曲線較小及墩柱斜交布置，設計及施工工藝都很成熟，成品質量容易保證；下部結構選擇需考慮地鐵18號線與B匝道路線縱向平行，采用大跨度預應力混凝土蓋梁+門架墩擴大基礎方案，要求從上部結構通過基礎傳遞至地鐵上洞室上的附加荷載不得＞20kPa。見圖2。

圖2 方案一

均布荷載作用下任意點M的垂直應力σz的計算可采用角點下應力的方法求得，即通過任意點M作一些輔助線，使M點成為幾個矩形的公共角點，然后根據應力疊加的原理，將各個矩形角點應力相加，即為M點應力[8]。根據計算，本方案地鐵洞室邊緣上方應力為29.4 kPa，不能滿足地鐵保護的要求，此方案不成立。

2.2.2 方案二

上部結構為鋼箱梁，其優點是結構自重較小，同時也適應本項目平面曲線半徑小、墩柱斜交角度大的特點。同時為了盡量減小對地鐵18號線的影響，保證地鐵運營安全，合理避開地鐵18號線，下部結構選擇大跨度預應力混凝土蓋梁+門架墩擴大基礎。大跨度預應力混凝土蓋梁各項設計指標均需滿足規范要求[9]。見圖3。

圖3 與地鐵18號線立面位置關系

根據計算，本方案地鐵洞室邊緣上方應力為17.9 kPa，滿足地鐵保護的要求，此方案成立。

根據B匝道橋上部傳遞至擴大基礎的附加荷載，驗算地鐵18號線區間隧道結構變形；計算采用有限元軟件FLAC3D。見圖4-圖6。

圖4 管片尺寸

圖6 盾構隧道及匝道墩柱施工后

計算結果如下：隨著基坑的順序開挖，由于隧道上方土體的卸載作用，隧道管片襯砌出現局部隆起且隨著基坑開挖范圍的擴大，管片襯砌隆起逐漸加大，受影響的范圍也逐漸增大，當基坑全部開挖完成后，隧道管片最大隆起11.3 mm；當施加樁基荷載后，由于加載作用，管片隆起減小，最終變形值為8.8 mm，位于基坑中部。施工過程中管片變形超過預警值，施工完成后最大變形值也超8 mm的要求值，因此該方案也不成立。

2.2.3 方案三

將方案二的下部結構調整為直徑1.6 m圓柱墩+1.6 m樁基（樁柱一體）。見圖7。

圖7 與地鐵18號線立面位置關系

采用地層-結構法[10]進行B匝道橋梁實施對軌道交通結構影響分析；計算采用Midas GTS NX有限元分析軟件，模型Y方向即隧道縱向取156 m，X方向即隧道橫斷面方向取134 m；根據實際地質情況Z方向取60 m，基本能夠消除邊界影響。見圖8。

圖8 三維模型構筑物相對位置關系

B匝道樁基施工階段，既有區間結構整體表現為下沉狀態，區間結構拱頂最大沉降量為1.11 mm，拱底最大沉降量為0.94 mm；最大水平位移為0.31 mm;均小于軌道交通18號線運營階段變形預警值的要求，不會對地鐵安全產生影響。見圖9。

圖9 B匝道橋施工階段隧道區間水平位移

3 結論及建議

對本項目橋梁設計方案優化過程進行總結，提出以后類似項目的建議措施如下：

1）橋梁結構上部盡量選擇結構自重較小，跨越能力強，結構安全與穩定性較好的結構形式；比如鋼箱梁、鋼混疊合梁，以減小對下部地鐵區間的影響；

2）鋼箱梁采用工廠預制成型，現場焊接拼裝成橋，以減小施工期間人員和機械對地鐵上方的擾動，避免增加荷載，減小對地鐵的影響；

3）考慮到車輛行駛與地鐵運營中都會產生振動，對上下部結構長期影響較大，支座體系采用拉索減隔震支座，減小振動的傳遞，通過拉索有效限制墩梁相對位移，防止落梁；

4）根據平面、高程關系和地質情況，墩臺基礎盡量避開地鐵區間正上方，采用樁基礎+預應力混凝土蓋梁門架墩，盡量加大蓋梁跨度，合理避開地鐵隧道主體，避免擾動地鐵區間周邊土體，保證樁基邊緣與地鐵隧道邊緣至少3 m的凈距，以減小樁基施工對地鐵的影響；

5）控制樁基礎底標高低于隧道底標高約3.0～5.0 m，避免樁端應力傳遞擴散對地鐵影響；

6）樁基在中風化基巖以上土體覆蓋層設置永久性鋼護筒，增加孔壁整體剛度，防止塌孔等不安全因素，同時也減小鉆機鉆孔施工時擾動鄰近地鐵隧道附近的土體，保證結構安全。