地铁下穿桥梁基础的影响及处理

2017-01-05孔滨

城市道桥与防洪 2016年12期

关键词：桥桩号线车站

孔滨

（哈尔滨市市政工程设计院，黑龙江哈尔滨 150000）

地铁下穿桥梁基础的影响及处理

孔滨

（哈尔滨市市政工程设计院，黑龙江哈尔滨 150000）

结合哈尔滨市征仪路上跨桥工程与远期地铁4号线工程进行研究，在已知高架桥桥梁基础所在位置或附近可能存在远期建设地铁车站及区间的情况下，对上跨桥的桥梁基础进行设计，最大限度地减小远期地铁施工时对桥梁基础产生的不利影响，及保证远期地铁与桥梁共同运营时桥梁结构的安全。考虑远期地铁施工对桥梁基础最不利的工况，通过对桥梁基础受力情况的模拟和对数值模型的分析，从桥梁基础设计和地铁结构施工两个角度得出结论，同时吸取同类型工程的相关经验，提出部分针对型建议。

地铁；桥梁基础；上跨桥

0 引言

立交体系与地下轨道交通是目前将解决城市交通拥堵问题的有效方式。随着两者的不断应用与发展，在上海、北京和广州等多个城市均出现地铁车站或区间的各洞室需穿越密集的桥梁基础等情况。现工程上研究较多的情况是待建地铁车站或区间穿越既有桥梁基础。

本文结合哈尔滨市征仪路上跨桥工程与地铁4号线工程进行研究，在已知高架桥桥梁基础所在位置或附近可能存在远期建设地铁车站及区间的情况下，对上跨桥的桥梁基础进行设计，最大限度的减小远期地铁施工时对桥梁基础产生的不利影响，及保证远期地铁与桥梁共同运营时桥梁结构的安全。

1 工程概况

1.1 工程环境

征仪路上跨桥全长720 m，桥宽25 m，双向6车道，在征仪路与保健路交叉口处的跨径布置为：55 m+50 m+55 m+50 m=210 m（四跨变截面连续钢箱梁），其余位置处桥梁结构均采用跨径为30 m或20 m的简支小箱梁。地铁4号线征仪路站位于征仪路和保健路交叉口下方，车站主体和区间走向与征仪路走向一致，与既有3号线征仪路站在此交叉口处T型换乘（见图1），3号线征仪路站在上层，4号线征仪路站在下层，4号线征仪路站受既有3号线征仪路站控制，埋深深度为28 m。

图1 征仪路车站平面布置示意图

在征仪路和保健路交叉口处的地面上方为征仪路上跨桥，地下为地铁车站与区间，远期地铁施工时将穿越征仪路上跨桥的桥梁基础，两者将相互影响。

1.2 工程特点

由于近期先修建桥梁，远期再建设地铁，现处于桥梁设计阶段，可在还未修建桥梁之前，提前考虑远期地铁建设对桥梁的影响，将危险降到最低。因此，桥梁设计要为远期地铁车站和区间的建设预留可行性，为远期地铁的正常施工和桥梁的安全运营奠定良好基础。

在桥梁与地铁车站结构未进行协调设计前，其各自结构设计见图2。由于既有的3号线地铁车站上方覆土厚度较薄，4号线车站因与其T型换乘关系，其结构顶部上方覆土厚度也较薄。若桥梁基础与地铁车站空间共存，为保证桥梁结构安全，桥梁承台需横跨车站结构顶部。但因4号线车站上方覆土厚度较薄，限制桥梁承台厚度，则承台无法一跨跨越地铁车站，需在中间加设一排桩基，形成M型承台。

图2 桥梁与地铁车站结构原始设计示意图

考虑地铁车站与桥梁基础共存关系，现对桥梁基础形式和地铁车站结构进行调整（见图3）。插入地铁结构的中排桩，其与地铁结构空间共存，但两者为独立的受力体系，互不影响。

图3 桥梁基础与地铁车站结构共存效果图

为保证桥梁承台的安全，边排桩与中排桩之间的距离不宜过大。本工程桥梁桩基内侧距离地铁护壁桩外侧仅70 cm，根据文献[1]中的安全等级判断，属于“极临近”等级，即本工程的桥梁风险较高。

1.3 桥桩受力特点

在地铁结构施工前桥桩的受力与传力正常，在地铁结构开始施工后，桥桩的边排桩和中排桩的受力明显不同，边排桩由于地铁结构距桥桩较近，施工引起基础周围地基土的沉降对桩基受力影响较大，它产生桩基水平土压力，引起桩身弯矩及基础水平位移，同时在竖直方向上产生桩侧摩擦力，使桩基承载力降低，同时产生竖向沉降；中排桩插入地铁结构，但与地铁结构为两个独立的受力体系，只是占用一定的地铁空间，且在此空间内的桩长范围内，桩基不承受侧向土压力和摩阻力，但承受很大的轴向力，需考虑失稳问题。

1.4 地铁结构和桥梁基础的影响关系

地铁结构在施工过程中的相互作用关系实为地铁结构—土体—桥桩共同作用关系[2]，即隧道—土体—桥桩三者的工作性状是相互影响、相互制约的、彼此之间是不可分割的完整作用体系。在隧道开挖过程中，隧道周围地层收到不同程度的扰动，地层变形通过土体之间的相互作用逐渐传递到深层土体、引起土体力学性质的变化，当桥桩位于受影响地层范围内时，桥桩的接触面性质及桩端土体压缩模量发生变化，导致桩基承载力降低，桥桩出现较大变形。同时，桥桩亦具有阻断地层传递的作用，可改变地层应力传递路径，从而避免地层变形对其它地下建筑物的影响。

2 数值模型分析

目前，国内外对地铁隧道穿越桥梁基础施工理论研究并不是很成熟，主要依靠数值计算、模型试验和工程类比等方法，而工程类比法是常用的工程设计与施工方法，数值分析方法因其能描述施工过程、结构与土体、既有结构与新建结构的共同作用，是一种理想的计算工具。本文先通过了解与本工程类似的北京地铁10号线国贸站[3]、北京地铁6号线一期花园桥站[4]、上海地铁M10线沙泾港桥段[5]等工程中地铁结构在施工和使用中与桥梁基础的关系，再对本工程中桥桩的最不利受力情况进行分析。

2.1 数值模型

本模型的工况分析将采用最不利情况进行分析，即地铁结构采用明挖的施工方式，承台和中排桩外露，根据桥梁与地铁的施工时序以及地铁开挖的支护方式，模拟施工阶段为以下两个：

（1）按桥梁正常的施工顺序建立整个桥梁模型，桩基承受左右两侧都承受土侧压力；

（2）模拟边排桩桩内侧土体受到地铁结构施工扰动，但内侧不再承受土侧压力，中排桩内外侧都不承受土侧压力。

由于地铁结构施工完毕后，土体经扰动无法恢复原始状态，且桩内侧距离围护桩外侧仅70 cm，故可不再考虑桩与围护桩之间土体对边排桩的影响。

针对工程特点，为充分考虑荷载空间作用，利用迈达斯软件建立空间有限元计算模型进行桩基承载力验算，模型具体单元划分见图4。

图4 计算有限元模型图

2.2 数据分析

经模型计算可得到表1中的计算结果，在此工况下中排桩基有28 m失效长度，边排桩受到围护桩支承作用和侧向主动土压力作用，故边排桩不用考虑失稳，只需进行承载能力强度验算，中排桩的计算长度lo为0.5 L，故需对中排桩进行承载能力强度验算和稳定性验算。

表1 计算结果

在不考虑地铁结构影响时，本桥梁设计桩径1.8 m，且满足承载能力强度验算的要求。若在考虑地铁结构影响时，本模型中各个桩的直径仍为1.8 m，经承载能力强度验算和稳定性验算得到结果：中排桩通过以上两种验算，边排桩未通过承载能力强度验算。因此种工况下的边桩桩径为1.8 m时，未能通过强度验算，故增大边排桩截面尺寸至2.5 m，则能通过承载能力强度验算。

3 结论

本文采用迈达斯软件建立三维桥梁模型，对地铁结构穿越桥桩的整个过程进行了全面模拟，考虑了最不利的施工方案即地铁结构离桥桩极近并且地铁结构明挖施工。经过分析和参考与本工程类似的相关案例后，本文从桥梁设计和地铁结构施工两个角度考虑得出以下结论：

（1）桥梁设计方面

若在桥梁建设前已知地铁和桥桩在结构上的穿插关系，需提前考虑到地铁结构对桥桩的不利影响。在满足原本桥梁设计荷载的情况下，需加大安全储备。

在隧道—土体—桥桩三者的相互作用过程中，土体是重要的媒介，土体变形传递时实现共同作用的关系，所以可采取注浆措施对桩体所在底层进行加固，提高地层刚度，减缓既有基础的进一步沉降和偏转，即提高桩侧的土体摩阻力，提高土体自身的抗变形能力。

（2）地铁结构施工方面

明挖施工方法对周边桥梁基础的受力影响较大，因为明挖过程中竖井开挖深度内土体全部松弛，需要采用比较强大的加固或隔离措施，而暗挖结构和桥桩属于点接触通过，对桥桩的影响、受力状况好于前者，所以地下结构的安全问题，成败关键在开挖和支护工序。在此类工程中应尽量避免使用明挖施工，并对结构施工组织、施工工序和操作提出严格要求。