某地下快速路下穿S20 立交方案比選研究

李志剛

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

隨著我國城市化率的提升，城市的規(guī)模及人口都在快速增加。城市快速路工程作為城市路網(wǎng)規(guī)劃的重要一環(huán)，可以緩解不斷加劇的交通擁堵狀況，增加重要樞紐和重要發(fā)展地區(qū)的互聯(lián)互通，從而得到了大力的推廣[1]。由于城市地面及地下狀況復雜，城市地上與地下建（構）筑物對沉降等變形要求非常嚴苛，當?shù)叵峦ǖ老麓┑缆贰蛄夯蚱渌匾ǎ嫞┲飼r，結構變形一旦超標，將影響其安全運營，甚至導致重大安全事故[2，3]。因此，在地下快速路工程建設中，應對其不同施工方案進行比選，優(yōu)選下穿方案，在盡可能減小環(huán)境影響的同時考慮工程經(jīng)濟性，并對關鍵節(jié)點采取針對性的專項防護措施。

近年來，國內(nèi)外大量學者針對盾構隧道下穿高層建筑、立交橋梁等重要建（構）筑物的環(huán)境影響以及方案比選開展了大量的研究工作。李亞鵬依托杭州地鐵6 號線，分析了盾構隧道下穿公路橋梁后樁基的豎向及水平方向變形[4]。魏綱等采用理論分析的方法研究了盾構穿越既有盾構隧道的縱向變形，并提出既有隧道結構安全狀態(tài)的判斷方法[5]。張斌等依托南通地鐵，綜合考慮上部建筑荷載和盾構施工對圍巖的擾動，采用數(shù)值模擬對建筑物基礎沉降進行了分析[6]。耿飛依托佛山市13 號線，研究了軌道交通跨越通航河道的方案比選方法[7]。鄭長青和齊春依托廣湛高鐵湛江灣海底隧道，對不同盾構施工方案進行比選，并針對盾構機選型進行了研究[8]。

綜上所述，以往大部分研究或聚焦于隧道下穿建構筑物環(huán)境影響分析，或綜合考慮多種因素對隧道下穿工況進行方案比選。本文依托漕寶路地下快速路工程，針對下穿S20 立交節(jié)點，從環(huán)境影響、施工難度、工程經(jīng)濟性等方面綜合比選設計方案，并對關鍵工程節(jié)點進行分析，研究結論可為類似下穿立交工程提供參考。

1 項目概況

1.1 工程規(guī)劃方案

上海市漕寶路地下快速路工程，西起中春路，下穿蒲匯塘河道及外環(huán)，東至漕寶路- 萬源路，全長約5 km，是連接虹橋商務區(qū)與中心城南部地區(qū)之間的快速聯(lián)絡通道，如圖1 所示。

圖1 上海市城市總體規(guī)劃中的漕寶路快速路工程

漕寶路地下快速路工程根據(jù)不同的功能要求和施工方法，結構形式分為明挖段、盾構段。在下穿S20立交節(jié)點處，主線為盾構工法，盾構采用單層襯砌，外徑為15 m，內(nèi)徑為13.7 m，管片厚度為0.65 m。下穿S20 節(jié)點處共設置4 根匝道，采用明挖法施工。WN 匝道下穿外環(huán)地面道路處采用頂管法施工。WN匝道、NW 匝道上跨地鐵9 號線處采用明挖法施工。

1.2 S 20 立交節(jié)點現(xiàn)狀

S20 立交為上海市規(guī)劃主要貨運通道之一。其節(jié)點現(xiàn)狀為漕寶路地面道路與S20 的一般菱形互通立交，地面層為現(xiàn)狀漕寶路，S20 主線上跨，在南北兩側各設一對地面出入口輔道與現(xiàn)狀漕寶路平交。其中S20 過漕寶路跨線橋采用兩幅橋形式，雙向8 車道對稱布置，橋梁長420 m，上部空心板梁結構，下部結構為雙柱蓋梁墩+方樁基礎，共計19 跨，標準跨徑22 m。

在地面交通量上，S20- 漕寶路地面交叉口現(xiàn)狀高峰小時交通量較大，交叉口容量已達到極限。如圖2 所示，遠期隨著漕寶路沿線地塊開發(fā)誘增新交通量，S20-漕寶路交叉口將面臨經(jīng)常性交通擁堵的情況。

圖2 S 20 節(jié)點現(xiàn)狀平面圖

2 方案比選

綜合考慮交通功能、環(huán)境影響、工程經(jīng)濟性，結合道路現(xiàn)狀，分別提出S20 跨線橋改造方案與下穿九星安置房小區(qū)方案。

2.1 方案一：S 20 跨線橋改造方案

（1）方案介紹

方案一：主線避讓九星安置房小區(qū)，采用盾構形式穿越S20 西半幅橋梁17 號橋墩樁基，在東半幅橋梁17～18 號橋梁樁基當中穿越，與樁基最小距離1.0 m，之后進入海上新村選擇非居建筑通道，其線位如圖3所示。由于主線盾構穿越橋墩樁基，需對S20 跨線橋西半幅橋梁進行改建，在S20 跨線橋西側搭設一幅臨時保通便橋保證其交通不中斷，S20 西側地面道路同步改造。

圖3 方案一平面布置圖

方案一立交形式采用部分互通地下立交方案實現(xiàn)S20 與漕寶路西向的半互通，保留現(xiàn)狀外環(huán)與漕寶路地面道路銜接的兩對平行匝道。地下二層為漕寶路主線，地下一層為匝道，地上一層為地面道路，地上二層為S20 跨線橋。SW 匝道、WN 匝道局部采用疊層設計。

（2）優(yōu)缺點分析

方案一避讓九星安置房小區(qū)，并從海上新村非居住建筑通道穿越，很大程度上減小了工程實施對九星安置房和海上新村小區(qū)的影響，提高了工程的可實施性。但是，方案一主線與S20 跨線橋西半幅橋墩沖突，需對S20 跨線橋西半幅進行改建。施工期間架設臨時鋼便橋保證S20 交通，西側地面輔道臨時改道。施工期間對S20 主線和地面輔道交通存在一定影響。

2.2 方案二：下穿九星安置房小區(qū)方案

（1）方案介紹

相比方案一，方案二主線下穿九星安置房小區(qū)，正下穿其1# 變電所，之后從S20 跨線橋墩當中穿越，最后接回海上新村非居建筑通道。方案二平面布置圖如圖4 所示。

圖4 方案二平面布置圖

方案二立交形式與方案一基本一致，在主線已避讓S20 跨線橋橋墩的基礎上，調(diào)整SW、NW 匝道線形，避讓S20 跨線橋橋墩。

（2）優(yōu)缺點分析

方案二的優(yōu)點在于對S20 跨線橋和其地面交通進行避讓，降低施工風險和維穩(wěn)壓力，節(jié)約投資，提高工程可實施性。同時，由于主線下穿九星安置房小區(qū)，需將其1#變電所臨時搬遷。

2.3 方案綜合對比分析

對比方案一與方案二可知，兩者的主要區(qū)別在于S20 跨線橋和九星安置房小區(qū)的穿越方式。方案一避讓九星安置房小區(qū)，穿越S20 西側橋墩樁基，施工期間需要對S20 跨線橋西半幅改建并在西側搭設臨時保通便橋，其西側地面交通臨時改道；而方案二下穿九星安置房小區(qū)，之后從S20 跨線橋墩樁基之間穿越，需要將九星安置房1# 變電所臨時搬遷。因此，方案一在實施中會對S20 主線和地面交通有一定影響，工程投資較大；而方案二可降低施工風險，節(jié)約投資，工程可實施性較強。方案分析比較見表1。

表1 下穿S 20 立交節(jié)點方案比較

綜合考慮交通功能和工程實施影響分析，推薦方案二為S20 節(jié)點立交方案。

3 關鍵節(jié)點設計

3.1 主線下穿九星安置房

為避讓S20 橋墩，地道工程主線在九星安置房小區(qū)東北角下穿其1# 變電所，地道距離九星安置房22#樓較近。此節(jié)點可選取明挖法或管幕箱涵法施工方案。

明挖法施工須臨時搬遷九星1# 變電所，待地道施工完成后回遷1#變電所。明挖法基坑開挖深度約20 m，基坑寬度約17 m，基坑圍護型式采用1.2 m 地下連續(xù)墻，內(nèi)支撐體系為混凝土支撐和鋼支撐相結合形式，坑內(nèi)土體抽條+裙邊加固。

管幕箱涵法下穿九星變電所，不需要對變電所進行搬遷。箱涵外尺寸18 m×12.8 m，箱涵全長65 m，最大覆土約7 m，與變電所豎向凈距約4m，箱涵距九星安置房22# 樓約9.4 m，為減小對變電所和附近房屋影響，箱涵四周設置管幕。

采用有限元程序分別對明挖法和管幕箱涵法施工過程進行數(shù)值模擬，結果分別如圖5 和圖6 所示。

圖5 明挖法周邊環(huán)境變形

圖6 管幕箱涵法周邊環(huán)境變形

從圖中可以看出，采用明挖法時22# 樓樁基最大水平位移4.4 mm，22# 樓最大水平位移10 mm，均滿足上海市基坑規(guī)范與地基基礎設計規(guī)范要求。管幕箱涵法模擬結果顯示，變電所最大差異沉降15 mm；安置房22#樓最大沉降3 mm，最大差異沉降2 mm，上部結構最大水平位移7 mm，樁基水平位移3 mm，均滿足上海市基坑規(guī)范與地基基礎設計規(guī)范要求。

通過以上分析，明挖法與管幕箱涵法比較結果見表2。

表2 明挖法與管幕箱涵法比較

由于明挖法施工工藝成熟、施工難度小、速度快且造價更低，經(jīng)過比選分析后，下穿九星安置房節(jié)點推薦采用明挖法施工。

3.2 主線盾構下穿S 20 橋墩

地道工程主線盾構下穿S20 節(jié)點處位于18 號橋墩與19 號橋臺中間，距18 號西側和東側橋墩預制樁基最小水平距離分別約1 m 和2.65 m，距西側和東側橋臺預制樁基最小水平距離約1.89 m 和1.08 m。

在盾構穿越樁基過程中，需做好保護措施，嚴格控制地層變形，確保周邊高架道路和高層建筑的正常使用或安全。從保障交通、橋梁安全及可行性等角度出發(fā)，參考相關類似工程經(jīng)驗[9]，推薦采用MJS 加固方案，在地道與樁基間設置MJS 隔離樁，以減小盾構穿越對高架橋墩的影響。

采用Midas 軟件建立盾構下穿S20 三維數(shù)值模型，如圖7 所示。橋梁上部結構采用簡支梁結構，梁體采用預制拼裝空心板梁。下部承臺底標高均為2.50 m，承臺尺寸：6.6 m×3.8 m×1.5 m，混凝土強度等級C25。樁基底標高均為-30.7 m，樁長33.2 m，預制方樁：450 mm×450 mm，混凝土強度等級C30。

圖7 盾構下穿S 20 數(shù)值模型

盾構距離S20 橋梁樁基距離較近，在主線盾構和樁基間設置隔離加固，考慮全幅（2.4 m 寬MJS）加固與半幅（1.2 m 寬MJS）加固兩種工況，并與不加固（直接穿越）方案進行對比。地表變形均按3‰地層損失率控制，數(shù)值計算結果如圖8 和圖9 各圖所示。

圖8 高架結構橫向變形云圖（單位：mm）

圖9 高架結構豎向變形云圖（單位：mm）

從計算結果可以看出：（1）采用MJS 加固能有效控制橋墩變形；（2）增加MJS 的加固寬度對樁基和地表沉降的控制效果不顯著，因為大部分位于盾構切削范圍，反而會導致盾構開挖面刀盤切削不均勻軟硬地層擾動；（3）盾構開挖僅對18 號橋墩、19 號橋臺有一定影響，對其余橋墩和橋臺影響基本可以忽略；（4）若地層損失率控制在3‰以內(nèi)時，采用MJS加固之后，高架結構豎向變形可控制在3.5 mm 范圍以內(nèi)，橫向變形可控制在10 mm 范圍內(nèi)，可滿足高架橋梁變形控制要求。

綜上所述，本工程主線盾構側穿S20 高架橋墩樁基時，推薦采取1.2 m MJS 加固處理。

4 結 論

漕寶路快速路工程下穿S20 立交節(jié)點，S20 交通流量大，地面環(huán)境復雜。本文結合現(xiàn)場實際情況，從環(huán)境影響、施工難度、工程經(jīng)濟性等方面對設計方案進行綜合比選，并對主線下穿九星安置房和S20 橋墩關鍵節(jié)點分別進行設計和分析，結論可為同類型工程設計和研究提供借鑒和指導作用。

（1）對于交通流量大的節(jié)點，在方案比選中應重點考慮節(jié)點的交通需求，在不影響節(jié)點交通的條件下盡可能的減少對周邊環(huán)境的影響。

（2）在下穿地上建筑的工法選擇上，應結合工程實際情況，在滿足規(guī)范要求的同時，充分考慮施工難度、工程經(jīng)濟性及工期等影響。

（3）對于盾構隧道下穿橋墩樁基，應從保障交通、橋梁安全及可行性等角度出發(fā)，所選取方案須嚴格控制地層變形，確保周邊高架道路的正常使用或安全。