道路與地鐵共線段地鐵保護設計方案比選

馬 輝

中都工程設計有限公司華南分公司 廣東 廣州 510095

城市建設日新月異，地下軌道交通建設蓬勃發展，不可避免地與市政道路建設交叉或共線。如果市政道路先于地鐵隧道實施，則地鐵設計施工時需考慮對市政道路的影響。如果地鐵隧道先于市政道路實施，則需要考慮交叉或共線的市政道路施工對已盾構隧道結構安全造成的影響。

1 工程概況

槎神大道（鴉崗大道-鳳凰大道）工程北起鴉崗大道，南至鳳凰大道，全線長5.15km，道路等級為城市主干道，設計車速為60km/h，道路紅線規劃寬度為50m，橫斷面按雙向8車道布置。槎神大道全線與地鐵十三號二期基本共線。

本工程范圍內地鐵設朝陽站與慶豐站兩座車站，包含朝慶區間（朝陽-慶豐）與慶凰區間（慶豐-凰崗）兩段盾構區間。盾構隧道輪廓邊線外擴5m為地鐵盾構施工保護范圍[1]。

2 道路與地鐵共線

慶豐-凰崗區間段地鐵結構位于巖層內，埋深大，軟基處理及路基填筑對其影響輕微。經與地鐵部門溝通，該路段地鐵盾構隧道無需特殊保護，軟土路基按非保護區的方式進行處理。

朝慶區間的地鐵結構埋深較淺，在軟土路段內的隧道結構頂部以上均為軟弱土層，地鐵已先行盾構施工，為避免道路進行軟基處理及路基填筑對其造成影響，軟土路段內的盾構保護區需進行特殊處理。

槎神大道（鴉崗大道-鳳凰大道）市政工程項目局部路基段與已盾構完成的地鐵隧道共線，部分區間的地鐵結構埋深較淺，而路基段填土較高，在軟土路段內的隧道結構頂部以上均為軟弱土層，常規的軟基處理如攪拌樁、旋噴樁、預應力管樁，如要滿足路基承載力要求，樁底均接近地鐵結構頂部，施工或使用過程中，均可能對地鐵結構安全產生影響。

為減小路基填土荷載對地鐵隧道管片造成破壞，需對地鐵共線段軟基進行專項設計，從而對地鐵隧道進行保護。以下通過四個設計方案進行比選論證。

3 地鐵保護設計方案比選

3.1 預制板+灌注樁方案

地鐵隧道保護范圍采用密鋪預制板進行保護，預制板承擔上部填土路基荷載，荷載通過基礎傳遞下去。基礎采用灌注樁，為避免鉆孔施工過程中土體震動對盾構結構產生破壞，采用旋挖成孔工藝，并設置鋼護筒跟進穿過淤泥層。

考慮到盾構結構偏位和施工誤差，灌注樁與隧道結構預留1.5m安全凈距。灌注樁樁徑80cm，樁身強度C30混凝土，縱向間距4.8m，橫向間距為10.2m。旋挖樁頂部設置縱向冠梁，冠梁采用C35混凝土，冠梁尺寸為寬100cm×高80cm和寬120cm×高80cm。灌注樁和冠梁通過鋼筋連接。設置錨栓套筒連接預制板冠梁。

因地鐵隧道保護區域采用預制板+剛性樁處理，非保護區域采用水泥攪拌樁處理，地基基礎剛度不同，為減少兩者間差異沉降，在預制板之間及板外側與非保護區之間的區域采用素混凝土樁進行過渡處理。樁徑40cm，縱向間距1.6m，橫向間距根據左右線盾構隧道的間距進行調整。非地鐵保護范圍按采用水泥攪拌樁處理[2]。

灌注樁和冠梁形成框架受力體系，整體性好，同時灌注樁配置受力鋼筋，抗彎能力強，滿足抗震設計要求。旋挖成孔施工工藝對土體震動小，不產生擠土效應，從而對地鐵結構影響小。但灌注樁方案造價高。

圖1 預制板+灌注樁方案

3.2 預制板+素混凝土樁方案

地鐵隧道保護范圍采用密鋪預制板進行保護，預制板承擔上部填土路基荷載，荷載通過基礎傳遞下去。基礎選用長螺旋鉆孔成樁的素混凝土樁。基礎采用C25素混凝土樁，樁與隧道凈距為1.5m，樁徑50cm，縱向間距為1.2～1.8m，橫向間距為9.9m。 素混凝土樁需打至巖面。樁頂部設置樁帽，樁帽采用C30混凝土，樁帽尺寸為長100cm×寬100cm×高30cm。

因地鐵隧道保護區域采用預制板+剛性樁處理，非保護區域采用水泥攪拌樁處理，地基基礎剛度不同，為減少兩者間差異沉降，在預制板之間及板外側與非保護區之間的區域采用素混凝土樁進行過渡處理。樁徑40cm，縱向間距1.6m，橫向間距根據左右線盾構隧道的間距進行調整。非地鐵保護范圍按采用水泥攪拌樁處理[3]。

長螺旋鉆孔壓灌樁成樁施工工藝是我國國內近些年開發研究的且應用較為廣泛的一種新型施工工藝，能很好地適用于在地下水位以上的素填土、粘性土、粉土、密實性中等以上的砂性土,是一種非擠土成樁施工工藝。

長螺旋鉆孔成樁的施工工藝有以下優點①穿透能力強②噪音低③對土體沒有振動④沒有泥漿污染⑤施工成樁效率高。

但長螺旋鉆孔樁存在以下缺點：1）施工控制相對與鉆孔樁較為困難，若成樁出現斷樁、管徑變小及孔壁塌陷、樁頭不完整和偏位等問題，補救加固措施難度大；2）樁身為素混凝土，沒有配置受力鋼筋，抗彎性能不如灌注樁。

圖2 預制板+素混凝土樁方案

3.3 預制板+預應力管樁方案

地鐵隧道保護范圍采用密鋪預制板進行保護，預制板承擔上部填土路基荷載。基礎采用預應力管樁，型號為PHC-A600(110)，樁與隧道凈距為0.8m，縱向間距為3m，橫向間距為8.6m。樁頂部設置樁帽，樁帽采用C30混凝土，樁帽尺寸為長100cm×寬100cm×高30cm。

因地鐵隧道保護區域采用預制板+剛性樁處理，非保護區域采用水泥攪拌樁處理，地基基礎剛度不同，為減少兩者間差異沉降，在預制板之間及板外側與非保護區之間的區域采用管樁進行過渡處理，型號為PHC-A400(95)，縱向間距2.5m，橫向間距根據左右線隧道的間距進行調整。非地鐵保護范圍按采用水泥攪拌樁處理[4]。

鋼筋混凝土預應力管樁是一種預制樁，管樁在預制工廠加工預制，在合格的養護條件下，滿足設計規范和要求后，運輸到施工場地，采用施工機械捶打進入土中。鋼筋混凝土預應力管樁具有制作簡易方便、承載能力高、樁身剛度大和適應各種橫斷面要求的特點和優點，在工程建設中已經廣泛運用。

但預應力管樁存在以下缺點：1）施工要求高，施工控制相對與鉆孔樁較為困難，若出現①單樁承載能力低于設計值；②樁傾斜過大；③斷樁；④樁接頭之間斷離；⑤樁位偏離過大等五種質量問題，補救加固措施難度大；2）錘擊沉樁施工工藝產生擠土效應并對土體產生較大震動，對地鐵結構造成影響。

圖3 預制板+預應力管樁方案

3.4 輕質土方案

根據地鐵部門提出的附加荷載不超過2.5m填土荷載的要求，在地鐵隧道保護區域范圍內采用輕質土進行填筑（容重6kN/m3），保證附加荷載滿足要求。

為了解決路基填筑后沉降問題，地鐵盾構隧道保護區域內仍采用攪拌樁進行處理，布樁方式與非保護區域內一致。隧道區域（盾構結構外凈距1.5m范圍內）攪拌樁打至距盾構隧道頂部1.5m，其余區域打入持力層50cm。盾構隧道向頂部1.5m范圍進行注漿加固處理。

氣泡輕質土（氣泡混合輕質土）是指水泥、水、細砂或砂性土（也可以不加）和氣泡按照一定的比例，經過充分混合、攪拌并最終凝固成型的一種輕型填筑材料（英文簡稱FCB）。

對于氣泡混合輕質土可通過調整起泡劑和固化材料（穩定材料）的量，設定符合使用目的的單位體積重量和強度。一般氣泡混合輕質土的密度可以在5-15 kN/m3的范圍內進行調整，其抗壓強度可以在0.1-1.5 MPa的范圍內進行調整。更具有以下特點：①具有高流動性；②施工簡便，不需要碾壓和振搗；③具有自硬性；④耐久性好，屬水泥類材料。

雖然泡沫輕質土主要的工程應用優勢---低容重，但同時也存在一些問題。主要有以下幾個方面：

1）存在軟弱夾層：氣泡輕質土在施工過程中，如果施工濕密度控制不穩定，將會導致不同澆注層施工質量不穩定，從而一些澆筑層會比較疏松，強度不足，容易導致軟夾層問題。

2）存在隱性剪切裂縫：如果同一澆注層沒有在初凝時間內完成澆注施工，那么分層澆注過程中將導致在氣泡輕質土內部形成大量的隱性剪切裂縫，影響氣泡輕質土澆注的整體性和穩定性，形成不可預見的巨大工程質量隱患。

3）沉陷和沉陷式裂縫：施工過程中出現的消泡現象，將導致上一層的氣泡輕質土沉降、開裂，影響氣泡輕質土澆注的整體性和穩定性。

泡沫輕質土存在的以上問題將會導致強度不足、透水，整體穩定性低、耐久性差，在保護區域范圍內采用輕質土進行填筑，存在安全風險。同時，在地鐵隧道盾構頂部注漿加固效果難以檢驗[5]。

圖4 氣泡輕質土方案

4 四個方案比選優缺點介紹

表1 方案比選優缺點介紹

經過多方論證，綜合各方面意見，從地鐵結構安全保護方面考慮，為解決軟土路段沉降問題及減小路基填土對地鐵隧道的壓載，采用預制空心板+旋挖樁的方案，保護橋承受路基土壓載，從而對地鐵隧道進行保護。因保護區域采用剛性樁處理，非保護區域采用柔性樁處理，為減少兩者間差異沉降的影響，在預制板之間及板外側與非保護區之間的區域采用素混凝土樁進行過渡處理。

根據地鐵部門要求，進行地鐵保護處理的路段，需在地鐵軌道鋪設前完成道路軟基處理及路基填筑。

5 結語

新建道路與已盾構完成的地鐵隧道共線，若地鐵結構埋深較淺，為避免道路進行軟基處理及路基填筑對其造成影響，軟土路段內的盾構保護區需進行特殊處理。通過槎神大道（鴉崗大道-鳳凰大道）市政工程與地鐵共線段地鐵保護軟基處理設計方案比選，為類似市政道路和地鐵隧道共線情況提供參考方案。