孔濱

（哈爾濱市市政工程設(shè)計院，黑龍江 哈爾濱 150000）

地鐵下穿橋梁基礎(chǔ)的影響及處理

孔濱

（哈爾濱市市政工程設(shè)計院，黑龍江 哈爾濱 150000）

結(jié)合哈爾濱市征儀路上跨橋工程與遠(yuǎn)期地鐵4號線工程進行研究，在已知高架橋橋梁基礎(chǔ)所在位置或附近可能存在遠(yuǎn)期建設(shè)地鐵車站及區(qū)間的情況下，對上跨橋的橋梁基礎(chǔ)進行設(shè)計，最大限度地減小遠(yuǎn)期地鐵施工時對橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生的不利影響，及保證遠(yuǎn)期地鐵與橋梁共同運營時橋梁結(jié)構(gòu)的安全?？紤]遠(yuǎn)期地鐵施工對橋梁基礎(chǔ)最不利的工況，通過對橋梁基礎(chǔ)受力情況的模擬和對數(shù)值模型的分析，從橋梁基礎(chǔ)設(shè)計和地鐵結(jié)構(gòu)施工兩個角度得出結(jié)論，同時吸取同類型工程的相關(guān)經(jīng)驗，提出部分針對型建議。

地鐵；橋梁基礎(chǔ)；上跨橋

0 引言

立交體系與地下軌道交通是目前將解決城市交通擁堵問題的有效方式。隨著兩者的不斷應(yīng)用與發(fā)展，在上海、北京和廣州等多個城市均出現(xiàn)地鐵車站或區(qū)間的各洞室需穿越密集的橋梁基礎(chǔ)等情況?，F(xiàn)工程上研究較多的情況是待建地鐵車站或區(qū)間穿越既有橋梁基礎(chǔ)。

本文結(jié)合哈爾濱市征儀路上跨橋工程與地鐵4號線工程進行研究，在已知高架橋橋梁基礎(chǔ)所在位置或附近可能存在遠(yuǎn)期建設(shè)地鐵車站及區(qū)間的情況下，對上跨橋的橋梁基礎(chǔ)進行設(shè)計，最大限度的減小遠(yuǎn)期地鐵施工時對橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生的不利影響，及保證遠(yuǎn)期地鐵與橋梁共同運營時橋梁結(jié)構(gòu)的安全。

1 工程概況

1.1 工程環(huán)境

征儀路上跨橋全長720 m，橋?qū)?5 m，雙向6車道，在征儀路與保健路交叉口處的跨徑布置為：55 m+50 m+55 m+50 m=210 m（四跨變截面連續(xù)鋼箱梁），其余位置處橋梁結(jié)構(gòu)均采用跨徑為30 m或20 m的簡支小箱梁。地鐵4號線征儀路站位于征儀路和保健路交叉口下方，車站主體和區(qū)間走向與征儀路走向一致，與既有3號線征儀路站在此交叉口處T型換乘（見圖1），3號線征儀路站在上層，4號線征儀路站在下層，4號線征儀路站受既有3號線征儀路站控制，埋深深度為28 m。

圖1 征儀路車站平面布置示意圖

在征儀路和保健路交叉口處的地面上方為征儀路上跨橋，地下為地鐵車站與區(qū)間，遠(yuǎn)期地鐵施工時將穿越征儀路上跨橋的橋梁基礎(chǔ)，兩者將相互影響。

1.2 工程特點

由于近期先修建橋梁，遠(yuǎn)期再建設(shè)地鐵，現(xiàn)處于橋梁設(shè)計階段，可在還未修建橋梁之前，提前考慮遠(yuǎn)期地鐵建設(shè)對橋梁的影響，將危險降到最低。因此，橋梁設(shè)計要為遠(yuǎn)期地鐵車站和區(qū)間的建設(shè)預(yù)留可行性，為遠(yuǎn)期地鐵的正常施工和橋梁的安全運營奠定良好基礎(chǔ)。

在橋梁與地鐵車站結(jié)構(gòu)未進行協(xié)調(diào)設(shè)計前，其各自結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖2。由于既有的3號線地鐵車站上方覆土厚度較薄，4號線車站因與其T型換乘關(guān)系，其結(jié)構(gòu)頂部上方覆土厚度也較薄。若橋梁基礎(chǔ)與地鐵車站空間共存，為保證橋梁結(jié)構(gòu)安全，橋梁承臺需橫跨車站結(jié)構(gòu)頂部。但因4號線車站上方覆土厚度較薄，限制橋梁承臺厚度，則承臺無法一跨跨越地鐵車站，需在中間加設(shè)一排樁基，形成M型承臺。

圖2 橋梁與地鐵車站結(jié)構(gòu)原始設(shè)計示意圖

考慮地鐵車站與橋梁基礎(chǔ)共存關(guān)系，現(xiàn)對橋梁基礎(chǔ)形式和地鐵車站結(jié)構(gòu)進行調(diào)整（見圖3）。插入地鐵結(jié)構(gòu)的中排樁，其與地鐵結(jié)構(gòu)空間共存，但兩者為獨立的受力體系，互不影響。

圖3 橋梁基礎(chǔ)與地鐵車站結(jié)構(gòu)共存效果圖

為保證橋梁承臺的安全，邊排樁與中排樁之間的距離不宜過大。本工程橋梁樁基內(nèi)側(cè)距離地鐵護壁樁外側(cè)僅70 cm，根據(jù)文獻[1]中的安全等級判斷，屬于“極臨近”等級，即本工程的橋梁風(fēng)險較高。

1.3 橋樁受力特點

在地鐵結(jié)構(gòu)施工前橋樁的受力與傳力正常，在地鐵結(jié)構(gòu)開始施工后，橋樁的邊排樁和中排樁的受力明顯不同，邊排樁由于地鐵結(jié)構(gòu)距橋樁較近，施工引起基礎(chǔ)周圍地基土的沉降對樁基受力影響較大，它產(chǎn)生樁基水平土壓力，引起樁身彎矩及基礎(chǔ)水平位移，同時在豎直方向上產(chǎn)生樁側(cè)摩擦力，使樁基承載力降低，同時產(chǎn)生豎向沉降；中排樁插入地鐵結(jié)構(gòu)，但與地鐵結(jié)構(gòu)為兩個獨立的受力體系，只是占用一定的地鐵空間，且在此空間內(nèi)的樁長范圍內(nèi)，樁基不承受側(cè)向土壓力和摩阻力，但承受很大的軸向力，需考慮失穩(wěn)問題。

1.4 地鐵結(jié)構(gòu)和橋梁基礎(chǔ)的影響關(guān)系

地鐵結(jié)構(gòu)在施工過程中的相互作用關(guān)系實為地鐵結(jié)構(gòu)—土體—橋樁共同作用關(guān)系[2]，即隧道—土體—橋樁三者的工作性狀是相互影響、相互制約的、彼此之間是不可分割的完整作用體系。在隧道開挖過程中，隧道周圍地層收到不同程度的擾動，地層變形通過土體之間的相互作用逐漸傳遞到深層土體、引起土體力學(xué)性質(zhì)的變化，當(dāng)橋樁位于受影響地層范圍內(nèi)時，橋樁的接觸面性質(zhì)及樁端土體壓縮模量發(fā)生變化，導(dǎo)致樁基承載力降低，橋樁出現(xiàn)較大變形。同時，橋樁亦具有阻斷地層傳遞的作用，可改變地層應(yīng)力傳遞路徑，從而避免地層變形對其它地下建筑物的影響。

2 數(shù)值模型分析

目前，國內(nèi)外對地鐵隧道穿越橋梁基礎(chǔ)施工理論研究并不是很成熟，主要依靠數(shù)值計算、模型試驗和工程類比等方法，而工程類比法是常用的工程設(shè)計與施工方法，數(shù)值分析方法因其能描述施工過程、結(jié)構(gòu)與土體、既有結(jié)構(gòu)與新建結(jié)構(gòu)的共同作用，是一種理想的計算工具。本文先通過了解與本工程類似的北京地鐵10號線國貿(mào)站[3]、北京地鐵6號線一期花園橋站[4]、上海地鐵M10線沙涇港橋段[5]等工程中地鐵結(jié)構(gòu)在施工和使用中與橋梁基礎(chǔ)的關(guān)系，再對本工程中橋樁的最不利受力情況進行分析。

2.1 數(shù)值模型

本模型的工況分析將采用最不利情況進行分析，即地鐵結(jié)構(gòu)采用明挖的施工方式，承臺和中排樁外露，根據(jù)橋梁與地鐵的施工時序以及地鐵開挖的支護方式，模擬施工階段為以下兩個：

（1）按橋梁正常的施工順序建立整個橋梁模型，樁基承受左右兩側(cè)都承受土側(cè)壓力；

（2）模擬邊排樁樁內(nèi)側(cè)土體受到地鐵結(jié)構(gòu)施工擾動，但內(nèi)側(cè)不再承受土側(cè)壓力，中排樁內(nèi)外側(cè)都不承受土側(cè)壓力。

由于地鐵結(jié)構(gòu)施工完畢后，土體經(jīng)擾動無法恢復(fù)原始狀態(tài)，且樁內(nèi)側(cè)距離圍護樁外側(cè)僅70 cm，故可不再考慮樁與圍護樁之間土體對邊排樁的影響。

針對工程特點，為充分考慮荷載空間作用，利用邁達斯軟件建立空間有限元計算模型進行樁基承載力驗算，模型具體單元劃分見圖4。

圖4 計算有限元模型圖

2.2 數(shù)據(jù)分析

經(jīng)模型計算可得到表1中的計算結(jié)果，在此工況下中排樁基有28 m失效長度，邊排樁受到圍護樁支承作用和側(cè)向主動土壓力作用，故邊排樁不用考慮失穩(wěn)，只需進行承載能力強度驗算，中排樁的計算長度lo為0.5 L，故需對中排樁進行承載能力強度驗算和穩(wěn)定性驗算。

表1 計算結(jié)果

在不考慮地鐵結(jié)構(gòu)影響時，本橋梁設(shè)計樁徑1.8 m，且滿足承載能力強度驗算的要求。若在考慮地鐵結(jié)構(gòu)影響時，本模型中各個樁的直徑仍為1.8 m，經(jīng)承載能力強度驗算和穩(wěn)定性驗算得到結(jié)果：中排樁通過以上兩種驗算，邊排樁未通過承載能力強度驗算。因此種工況下的邊樁樁徑為1.8 m時，未能通過強度驗算，故增大邊排樁截面尺寸至2.5 m，則能通過承載能力強度驗算。

3 結(jié) 論

本文采用邁達斯軟件建立三維橋梁模型，對地鐵結(jié)構(gòu)穿越橋樁的整個過程進行了全面模擬，考慮了最不利的施工方案即地鐵結(jié)構(gòu)離橋樁極近并且地鐵結(jié)構(gòu)明挖施工。經(jīng)過分析和參考與本工程類似的相關(guān)案例后，本文從橋梁設(shè)計和地鐵結(jié)構(gòu)施工兩個角度考慮得出以下結(jié)論：

（1）橋梁設(shè)計方面

若在橋梁建設(shè)前已知地鐵和橋樁在結(jié)構(gòu)上的穿插關(guān)系，需提前考慮到地鐵結(jié)構(gòu)對橋樁的不利影響。在滿足原本橋梁設(shè)計荷載的情況下，需加大安全儲備。

在隧道—土體—橋樁三者的相互作用過程中，土體是重要的媒介，土體變形傳遞時實現(xiàn)共同作用的關(guān)系，所以可采取注漿措施對樁體所在底層進行加固，提高地層剛度，減緩既有基礎(chǔ)的進一步沉降和偏轉(zhuǎn)，即提高樁側(cè)的土體摩阻力，提高土體自身的抗變形能力。

（2）地鐵結(jié)構(gòu)施工方面

明挖施工方法對周邊橋梁基礎(chǔ)的受力影響較大，因為明挖過程中豎井開挖深度內(nèi)土體全部松弛，需要采用比較強大的加固或隔離措施，而暗挖結(jié)構(gòu)和橋樁屬于點接觸通過，對橋樁的影響、受力狀況好于前者，所以地下結(jié)構(gòu)的安全問題，成敗關(guān)鍵在開挖和支護工序。在此類工程中應(yīng)盡量避免使用明挖施工，并對結(jié)構(gòu)施工組織、施工工序和操作提出嚴(yán)格要求。

4 建 議

（1）借鑒北京10號線國貿(mào)站專家評審會的意見，地鐵結(jié)構(gòu)和橋樁凈距小于3 m的，原則上采用地面加固措施，大于3 m的，宜考慮洞內(nèi)注漿加固措施。

（2）建議采用暗挖工法進行施工，如北京地鐵10號線國貿(mào)站和北京地鐵6號線一期花園橋站，實際案例證明此工法可靠，能夠有效地限制地層變形。

（3）在地鐵結(jié)構(gòu)施工期間，對橋樁變形進行監(jiān)測，考慮橋梁變形的允許數(shù)值，依據(jù)測量結(jié)果和此數(shù)值的比較關(guān)系來判定在施工過程中橋樁的安全程度。數(shù)值控制可包括多個，例如結(jié)構(gòu)上方及兩側(cè)一定范圍內(nèi)的地表沉降、橋墩、承臺的沉降和傾斜、施工過程中橋的動撓度比較測試等等。

（4）工程施工時，應(yīng)確定三個工程狀態(tài)：正常施工、加強警戒并適當(dāng)采取措施、暫停施工并采取加強處理措施，必要時可采用橋下臨時支撐，應(yīng)有搶險預(yù)案。

[1]吳賢國,張立茂,陳躍慶.地鐵施工鄰近橋梁安全風(fēng)險管理研究[J].鐵道工程學(xué)報,2012(7):87-92.

[2]蘇潔,張頂立,牛曉凱.地鐵淺埋暗挖法穿越既有橋梁施工變形控制[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2009(5):611-620.

[3]楊慧林.北京地鐵十號線國貿(mào)站橋樁保護設(shè)計[A].中國土木工程學(xué)會第11屆、隧道及地下工程分會第13屆年會[C].2004.

[4]王利民,董曦.地鐵站主體暗挖段下穿城市主干道橋梁綜合施工技術(shù)[J].建筑技術(shù),2012,43(10):903-906.

[5]占頌嵩,王俊峰.上海地鐵10號線穿越橋梁樁基礎(chǔ)托換施工方案[J].山西建筑,2009(18):320-322.

U445.55

B

1009-7716（2016）12-0056-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.12.017

2016-10-18

孔濱（1974-），男，廣東聯(lián)州人，工程碩士，高級工程師，從事橋梁結(jié)構(gòu)工程設(shè)計工作。