閆繼龍

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司鄭州設計院，鄭州　450001)

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下穿河道和橋梁基礎的某地鐵車站設計方案探討

閆繼龍

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司鄭州設計院，鄭州450001)

摘要：南寧市軌道交通1號線石埠站下穿石埠河和石埠河橋基礎，因受工程條件制約而采用明挖法施工，為此需解決河道導流、基坑支護和橋梁還建等三個設計難題。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境條件，分析三者之間的相互制約關系，提出“圍堰+導流管導流、錨索+內支撐基坑組合支護體系和箱涵還建橋梁”的綜合設計方案，并對具體的設計方法進行介紹，指出各項設計的要點。該設計方案的實施使得地鐵車站施工和橋梁還建施工順利完成，并確保河道的行洪能力，達到預期設計效果，表明該方案是合理可行的。

關鍵詞：地鐵車站；河道導流；基坑組合支護；橋梁還建

隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，越來越多的城市加快了地鐵建設步伐，以解決日漸凸顯的交通擁擠問題。但在內河較多的城市修建地鐵時，地鐵線路往往要穿越河道，有時還會遭遇已建橋梁墩臺基礎，這些都給地鐵的設計施工帶來了較大的困難[1-2]。南寧市軌道交通1號線石埠站便遭遇這一難題。根據(jù)已有的工程經(jīng)驗，在地鐵通過河道時，常采用盾構法、沉管法、淺埋暗挖等方式穿越[3-7]；而通過已有橋梁基礎時，則常采用對橋梁基礎進行托換或注漿加固等方式暗挖通過[8-10]。石埠站由于地形、地質、自身構造及周邊環(huán)境復雜等因素的制約，采用上述方法難以解決問題。以石埠站工程為依托，就車站下穿河道和橋梁基礎段在設計中存在的難點和解決方案進行分析和探討。

1工程概況

1.1車站基本概況

石埠站位于大學西路和邕隆路交叉口東側，沿大學西路東西向偏北側設置。車站南側為在建的廣西財經(jīng)學院新校區(qū)，北側為一層棚房建筑和江西科信實業(yè)有限公司項目部。石埠河流經(jīng)車站東段，且有車站北側改遷后的D1350雨水管匯入。石埠河與大學西路45°斜交，并建有石埠河橋。石埠河橋為單跨簡支梁橋，橋長87 m，兩端均采用重力式橋臺。石埠站的平面位置如圖1所示。

圖1　石埠站平面位置

石埠站為側式站臺車站，總長440.7 m，標準段為地下兩層箱型框架結構，站廳兩端為單層箱形框架結構。車站西側端頭接暗挖區(qū)間，東側端頭設盾構接收井。其中車站東段(圖1虛線框內區(qū)域)下穿石埠河和石埠河橋，工程環(huán)境條件復雜，其設計方案為本文主要研究內容。

1.2工程水文地質特點

根據(jù)本站地質勘察報告，本場地地質土層從上到下依次為：雜填土、素填土、可塑狀粉質黏土、細砂、殘積粉質黏土、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、細砂巖，各土層的主要物理力學指標見表1。

本場地地下水主要為上層滯水、孔隙潛水和基巖裂隙水?？紫稘撍哂蟹€(wěn)定的地下水面，但在砂礫石層上部有不透水的黏性土層覆蓋，局部地段潛水具有微承壓性；基巖裂隙承壓水主要賦存于下伏泥巖、泥質粉砂巖和細砂巖的層間裂隙和構造裂隙中，場地基巖裂隙以風化節(jié)理裂隙為主，多呈閉合狀，且裂隙多被泥質填充，故其地下水在基巖中的賦存量較小，滲流條件差，富水性和透水性弱。

表1　土層主要物理力學指標

2需要解決的關鍵問題

如前所述，石埠站東段是該車站的設計難點所在。該區(qū)域內車站頂板高程約66.4 m，而原石埠河橋基礎底部高程66.0 m，二者存在沖突。由于受車站相接的出入段線縱坡所限，車站頂板高程無法下調，且原石埠河橋橋臺為重力式，這使得暗挖法和橋梁基礎托換等工法難以實現(xiàn)。經(jīng)綜合考慮地質條件、造價等因素，該段采用明挖法施工較為合適。鑒于此，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境特點，必須解決如下幾個關鍵問題。

(1)石埠河及石埠河橋對施工的影響

石埠河上游為金沙湖水庫，肩負著城市排水與泄洪重任，施工期間不能斷流，因此需采取合理可行的導流措施[11]，保證施工期間基坑無水作業(yè)。

石埠河橋基礎與車站頂板位置沖突，必須將其拆除以便車站明挖施工。其中，石埠河橋分為南北兩部分，中間設伸縮縫，因此可僅拆除北半部分而保留南半部分。這在一定程度上減小了拆遷工程量和對路面交通的影響。

(2)不對稱基坑的支護

該區(qū)域基坑位于河道及河道周邊，石埠河橋拆除后，部分基坑兩側存在較大高差。由于車站北側存有建筑物及改遷后的D1350雨水管，車站南側在大學西路需保留雙向四車道以保障車站施工期間交通，這導致不能采用大范圍放坡來解決基坑內外高差問題。根據(jù)基坑深度和兩側高差的不同，將該范圍內的基坑劃分為Ⅰ～Ⅵ區(qū)域(表2)，基坑圍護平面布置如圖2所示。其中Ⅰ、Ⅳ區(qū)域在河道平整后基坑兩側高程相同，采用常規(guī)支護方式即可，而Ⅱ、Ⅴ區(qū)域由于基坑兩側高差較大，造成了不對稱的基坑形式[12]。另外，Ⅲ、Ⅵ區(qū)域為原石埠河橋墩臺所在位置，橋梁拆除后，墩臺后土體無法自穩(wěn)。因此，必須尋求合理的支護方式以保證基坑安全施工。

表2　基坑區(qū)域劃分

圖2　基坑圍護結構平面布置(單位：高程為m，其余mm)

(3)石埠河橋的還建形式

車站主體施工完成后，石埠河橋需要還建以恢復路面交通。原橋梁采用重力式橋臺，并與車站頂板位置存在沖突，雖可抬高橋臺基礎并壓低橋臺高度以解決此沖突，但由于受到橋面高程和橋下行洪能力的制約，橋臺無法抬高過多，橋臺高度亦降低有限。另外重力式橋臺質量大，基礎下巨大的局部壓力將直接作用于車站頂板，對車站結構受力極為不利。因此簡單地按原橋梁設計方案還建已不現(xiàn)實，必須另行設計新的還建方案。

以上3個問題的解決是相互制約、相互關聯(lián)的，橋梁的拆除和河道的導流為車站明挖施工提供了無水(結合管井降水)、開闊的施工環(huán)境；車站修筑完成后，車站頂板成為還建后的石埠河橋的承重結構，頂板以外部分則作為河流的過水通道空間。因此，三者的設計是一個系統(tǒng)、整體的過程，在設計施工上有一定的先后順序。

3整體設計方案

3.1石埠河橋拆除和石埠河導流

(1)石埠河橋北半部分的拆除

石埠河橋北半部分的拆除分為板梁結構拆除和橋臺拆除兩個部分。板梁結構拆除應在圍堰和導流管設置前進行，以便于導流設施的安裝；而橋臺應在圍堰和導流管設置后拆除，這樣可以保證拆除施工有一個無水的安全環(huán)境。拆除板梁結構時，應對人行道板下的各種通信光纜采取懸吊保護措施；梁體吊裝時，應對吊裝荷載進行驗算，吊點與梁端的距離不得大于1 m。拆除橋臺時，應保證拆除過程中墩臺及其后方填土的穩(wěn)定，避免發(fā)生傾覆或滑塌，造成人員傷亡事故和經(jīng)濟損失。

(2)石埠河導流設計

根據(jù)洪評要求和現(xiàn)場布置情況，在施工范圍內上下游各設置一道擋水土圍堰。圍堰頂寬2 m，底寬4 m，高3 m。兩圍堰間采用4根φ1 500 mm，壁厚10 mm的鋼管連接導流。為保證導流管的穩(wěn)定，在其下方每隔5 m左右設置一定數(shù)量的支架(跨車站主體段不設置)。圍堰和導流管的立面及支架構造分別如圖3、圖4所示。

圖3　圍堰和導流管立面(單位：mm)

圖4　導流管支架構造(單位：mm)

導流方案：在石埠站基坑圍護開始施工前設置圍堰，安裝導流管，待橋下車站主體結構完成后即進行橋梁北半部分的還建施工，最后再一次性拆除圍堰和導流管。需要注意的是，設置圍堰后雖采用導流管導流，但過水能力將大大降低，因此該區(qū)域車站的施工盡量在旱季進行，避免雨季對防洪和施工帶來的不利影響。

圖5　基坑各區(qū)域支護橫剖面(單位：高程為m，其余mm)

3.2基坑支護設計

(1)基坑圍護方案選擇

河道采取導流措施后，結合坑外管井降水措施，基坑開挖便可在無水環(huán)境中進行。該區(qū)域內基坑圍護仍采用鉆孔灌注樁支護，樁徑800 mm，樁距1 200 mm(盾構井段1 100 mm)。

(2)支撐體系設計

如前所述，對于基坑兩側不等高的區(qū)域，高程較高側無法設置內支撐，灌注樁將出現(xiàn)懸臂段。為了保證樁身的穩(wěn)定，采用了排樁+內支撐+預應力錨索的組合式支護體系[13-14]。

根據(jù)基坑深度、內支撐形式和樁的懸臂長度等條件，經(jīng)過計算分析，基坑不同區(qū)域采用不同的支護參數(shù)，見圖5及表3。預應力錨索均采用1 860 MPa、φ15.2 mm鋼絞線，孔徑150 mm，傾角為15°。樁身懸臂段設置2道雙拼I20a鋼圍檁以便于錨索的張拉和自由端的錨固，并有利于將錨索預拉力均勻地傳遞給樁身，避免灌注樁局部受力過大。錨索施工時，不得擾動周圍地層，并嚴格控制鉆孔精度，確保錨固體長度、強度及預加軸力滿足設計要求，避免因錨索松弛或斷裂造成基坑懸臂側失穩(wěn)坍塌。

表3　基坑各區(qū)域支護參數(shù)

3.3橋梁還建

車站主體結構完成后，便可進行橋梁還建施工。橋梁還建的結構形式應考慮3個方面的要求：(1)確保車站頂板均勻受力且不超限，保證車站安全；(2)滿足橋下過水行洪要求；(3)盡量保證原橋面高程不變，滿足原路面交通需求。

根據(jù)石埠河橋跨度和橋面布置情況，經(jīng)綜合分析，采用箱涵形式還建可滿足上述要求。(1)箱涵相對于原重力式橋臺質量更輕，且能將橋梁荷載均勻地傳遞給車站頂板，可有效改善頂板受力條件；(2)箱涵的設計過水寬度為15.6 m，與原橋拆除前相同，滿足洪評要求；(3)箱涵底板與車站頂板間設置厚1.52 m墊層，在維持原橋面高程的前提下，箱涵高度9.8 m即可滿足前兩方面的要求。此外，箱涵的設置可省去該處河底防沖刷層的鋪設，有利于控制投資和工期。還建的石埠河橋結構形式如圖6所示。

圖6　還建的石埠河橋結構形式(單位：高程為m，其余mm)

為使箱涵能將上部結構荷載均勻地傳遞給車站頂板和基巖，箱涵底應設置一定厚度的墊層。箱涵底與車站主體頂板間、箱涵底與基巖面(車站主體范圍外)間的填料采用砂礫石，并分層壓實，壓實度在90%以上；箱涵底板下墊層采用厚20 cm的C20混凝土，并在各邊均超出底板150 cm鋪設。

箱涵施工完成后，便可進行橋面系的施工，并將之前懸吊保護的各類通信光纜重新安裝就位，隨后便可拆除圍堰和導流管，完成整個工程施工。

4結語

目前，石埠站各項工程施工已順利完成，施工過程中基坑各項監(jiān)測指標均正常，其中基坑圍護樁頂最大水平位移12 mm(<0.25%H和30 mm)，周邊地表最大沉降9 mm(<0.15%H)，說明本設計方案是合理可行的。通過本工程實踐，有以下體會和認識。

(1)地鐵車站基坑面臨復雜環(huán)境條件時，應全面考慮工程水文地質、車站構造、周邊環(huán)境等條件進行綜合設計，最大限度地減小基坑和周邊環(huán)境的相互影響。

(2)對于復雜基坑的支護設計，應對基坑周邊環(huán)境和控制性條件進行綜合分析，不局限于單一支護形式，積極探索基坑組合支護體系，尋求最佳支護方案。

(3)對復雜工程設計時，應全面分析各施工階段的制約關系，使其有效銜接以確保工程整體順利完成。

(4)目前我國部分城市規(guī)劃仍缺少整體規(guī)劃和超前意識，增加了后續(xù)再建項目的施工難度，增大了投資造價并造成了資源浪費，這是值得城市規(guī)劃與設計者深思的。

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Discussion on Design of a Metro Station Passing Underneath Riverway and Bridge Foundation

YAN Ji-long

(Zhengzhou Design Institute， China Railway Engineering Consulting Group Co.， Ltd.， Zhengzhou 450001， China)

Abstract：Based on the Nanning subway Line 1， the station of Shibu is designed to pass underneath Shibu river and its bridge foundation. Due to the constraint of engineering conditions， the cut-and-cover method is adopted to resolve three design problems including river diversion， foundation ditch support and re-construction of bridges. According to the in-situ circumstances， the correlation between the three is analyzed， and an integrated design scheme is proposed， which is composed of cofferdam plus diversion by draft tube， anchor cable plus internal support system and construction of bridges with box girder. Subsequently， the specific design approach is introduced and the main points of design for each item are put forward. The construction of the metro station and re-construction of bridges are successfully implemented due to the application of this design scheme and the designed flood carrying capacity is guaranteed， which demonstrates the rationality and feasibility of the scheme．

Key words：Subway station; River diversion; Composite support of foundation pit; Re-construction of bridges

文章編號：1004-2954(2016)05-0116-05

收稿日期：2015-09-10； 修回日期：2015-10-26

作者簡介：閆繼龍(1981—)，男，工程師，2009年畢業(yè)于鄭州大學水工結構專業(yè)，工學碩士，E-mail:94481400@qq.com。

中圖分類號：U231+.4

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.025