楚 航

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

在地铁车站下穿既有高架桥工程中,车站的施工将导致周边土体变形,从而对周边既有结构的正常使用产生影响。 如在开挖过程中产生的土体横向移动将对邻近的桥桩产生水平推力,由开挖引起的沉降将在桩基础上产生负摩阻力。 在竖向及水平向的受力耦合状态下,桩基受力十分复杂,甚至可能使桥桩丧失功能[1]。

针对此类问题,丁勇春等对地铁车站基坑下穿高架桥的施工技术进行了研究[2];王俊对旋喷桩与袖阀管注浆在桥梁桩基加固中的应用进行了探讨[3];杨浩等对地铁车站深基坑临近高架桥主动预支顶技术进行了分析[4];吕剑英详细介绍了基础托换技术[5]。 以往研究均取得了一定的成果,但缺少对该类工程设计措施的系统性比选,同时也缺少对各个设计措施组合应用情况的说明。 因此,对该类工程所采取的设计措施进行总结归纳具有一定的现实意义。

1 设计思路及方案研究

地铁下穿高架桥工程的设计方案较多,主要可以从三个方面进行考虑。

(1)减少地铁项目本身对周围环境的影响。 具体措施为:确定合理的施工方法,选取合理的围护结构形式。

(2)改善地铁与桥桩周围的环境。 具体措施为:采取相应的隔离、加固措施,确定合理的基坑降水方案。

(3)保证高架桥自身的刚度。 具体措施为:桥桩支顶、桥桩桩基托换。

1.1 确定合理的施工工法

地铁车站中常用的施工工法有明挖法、盖挖法、矿山法,其中盖挖法又分为顺作法、逆作法和半逆作法[6]。

各工法对周边环境的影响程度如下:

矿山法＞明挖法＞盖挖顺作＞盖挖半逆作＞盖挖全逆作。

张中杰等通过对上海市轨道交通8 号线虹口足球场站下穿既有高架桥工程(软土地区标准岛式车站,车站距离桥桩承台不足1 m)进行研究:明挖顺作、盖挖半逆作、盖挖全逆作的围护结构侧向位移分别为33.8 mm,15.8 mm,14.8 mm。 明挖顺作法所产生的位移达到了盖挖全逆作法的2 倍以上[7]。

通过以上情况可知,地铁车站穿越桥桩影响最小的工法为盖挖逆作法,但该方法也存在造价相对较高、工期较长及防水施作困难等问题。 可通过增加明挖法或盖挖半逆作法的设计措施进行改善[2]。

1.2 选取合理的围护方案

目前,国内地铁车站的围护方案较多,最常用的是钻孔灌注桩与地下连续墙,现对这两种围护方案进行比较(见表1) 。

表1 围护结构方案比较

由表1 可知,两种围护方案各有利弊, 如地连墙方案存在对桥下净空要求高、投资大、对周边环境影响大等不利因素;而钻孔灌注桩方案则存在需设置止水帷幕、刚度较小等问题。 应结合各种因素及现场实际情况进行综合比选,以确定合理的围护方案。

1.3 降水及止水方案

基坑降水将导致含水层的骨架压密,引起土体沉降,桥桩产生负摩阻,可能导致桥桩失效[8],设计时应尽量减少降水产生的影响,故一般采取坑内降水的方式,并加强围护结构的止水措施。

1.4 隔离及加固措施

隔离是指在车站围护结构与既有桥桩之间采取的施工措施,加固是指针对软弱地层或对桥桩周围土体进行的注浆处理等措施[3]。

针对本工程类型,对常用的三种隔离措施进行比较(如表2)。

表2 隔离措施比较

地面注浆加固的方式也较多,针对4 种常用的注浆方式予以比较(如表3)。

表3 不同注浆工艺比较[9]

由表2、表3 可知,隔离、加固的措施种类很多,其适用范围各不相同,应结合现场的实际情况进行选择[10]。

1.5 桥梁支顶方案

桥梁支顶方案一般指在桥梁支墩周围设置的“钢管桁架+型钢梁”竖向临时支撑体系,可根据现场沉降情况采取千斤顶进行竖向调节[4]。 布置形式如图1 所示。

施工顺序为:支撑承台基础处理→施作支撑承台→组装竖向钢管桁架→组装纵向型钢梁→安装千斤顶→安装横向型钢梁→调整设备受力体系→根据沉降情况调节千斤顶施加应力。

1.6 桩基托换方案

图1 桥梁支顶方案示意

地铁工程临近或者下穿高架桥时,在采取其他措施无法控制桥桩的变形或新建结构与桥桩发生冲突的情况下,需考虑采取桩基托换。 按照力的转换形式,一般可分为主动托换与被动托换。

主动托换:在切断原桥桩前,采用顶升工艺,将新桩与托换结构的变形量控制在较小的范围内,适用对桥梁变形要求严格的情况[5]。

被动托换:在截桩过程中,将荷载传递到新桩上(不采取顶升),托换后的桩和结构变形相对较大,适用于对桥梁变形要求不高的情况[5]。

在地铁工程中,主动托换的方式最为常用,其施工顺序如图2 ～图4 所示[11]。

图3 施工托换梁、预支顶

图4 封桩、截原桩

2 工程实践

2.1 某标准明挖车站下穿既有高架桥设计保护方案

(1)工程概况

某车站主体结构为地下双层岛式站台车站,车站整体呈东西向布置,车站顶板覆土约为4 m,底板埋深约为18 m,车站全长188.50 m,标准段结构外宽为19.0 m。 车站主体三次下穿立交桥(临近6 个桥桩)。

立交桥主桥跨路口沿南北向设置,主桥于地铁车站施工前一年建成通车,车站及附属范围内的匝道桥已建成但尚未通车。

立交桥参数如下。 上部结构: 主道及匝道均采用预应力混凝土预制箱形梁,主桥宽度为25 m(双向6 车道),匝道桥宽度为8.6 ～10.4 m。 下部结构: 桩基为泥浆护壁灌注桩(摩擦端承桩);主桥桩长30 ～32 m,匝道桥桩长24 m,桩径均为1.5 m。 桥梁支座:球形支座。 桥下净空15.5 m。 根据相关规范及与立交桥产权单位沟通,桥桩沉降控制值设为10 mm。

地铁车站与高架桥位置关系如图5、图6。

图5 地铁车站与互通式立交桥平面位置关系

图6 车站与互通式立交桥横剖面位置关系(典型)

(2)工程及水文地质

车站地层自上而下依次为: 填土层、粉质黏土层、中砂层、全风化泥岩层、强风化泥岩层、中风化泥岩层。车站主体结构大部分处于泥岩层,车站底板位于强风化泥岩层。 立交桥主桥桩桩底均位于中风化泥岩层;匝道桥桥桩大部分位于中风化泥岩层,少部分位于强风化泥岩层。

地层内存在三层地下水,第一层为表层孔隙潜水,第二层为浅层微承压水,第三层为岩石裂隙水。 第一层地下水埋深为2.60 ～4.30 m,主要存在于黏性土层中,含水层水平、垂直向渗透性差异较小(见图7)[12]。

图7 车站范围内水文地质情况

(3)设计方案

施工工法:考虑高架桥为新建,且匝道桥尚未通车,周边地层较好,车站与桥桩的距离满足设置隔离加固的条件,故初步决定本站采取明挖法施工。 考虑车站整体开挖对桥桩的影响,采取分期开挖形式(车站主体沿东西向分为3 期施工)[13]。

围护方案:车站基坑采用“桩+内支撑”支护结构体系。 为了增强围护结构的刚度,下穿桥桩范围内围护桩参数取为φ1 m@1.2 m,第一道为混凝土支撑,其余采取钢支撑;为控制地面沉降,整个车站增设一道钢支撑。 经计算,地表沉降可控制在10 mm 内。 (见图8、图9)。

加固隔离措施:采用旋喷桩,具体参数为φ800 mm/咬合300 mm,打设深度为基坑底以下2 m,打设位置控制在桥桩三倍桩径以外(4.5 m)。 因现场浅地层中的砂层透水情况严重,故设计方案中考虑采取袖阀管注浆加固,加固范围为旋喷桩与围护桩之间的土体,加固深度为砂层以下2 m(见图8、图9)。

降水方式:车站周边情况较好(透水较严重的砂层已采取了地面袖阀管注浆加固措施,下部地层含水量不大),故确定车站采取坑外降水方式。

桥桩支顶:因车站已采取了较多的保护措施,故支顶方案仅作为应急预案。

(4)施工步序

施作旋喷桩隔离→袖阀管注浆加固地层→打设围护桩→施作降水井进行降水→施作冠梁挡墙→开挖基坑、随挖随撑→施作主体结构→回填覆土。

(5)数值模拟

图8 车站及附属下穿桥桩处理措施平面(典型)

图9 车站下穿桥桩处理措施横剖面(典型)

为预测本工程在施工期间的位移沉降情况,采用有限元软件建立三维地层-结构模型,见图10、图11。

图10 车站下穿桥桩三维模型

经计算,桥桩最大沉降值为9.8 mm,满足变形控制要求。

2.2 某分离岛式地铁车站下穿既有高架桥设计方案

(1)工程概况

图11 车站下穿桥桩沉降云图

某车站为地下双层分离岛式车站,车站呈东西向布置, 车站长247.1 m, 标准段宽10.6 m, 埋深17.77 m,车站顶板覆土厚2 ～3 m,车站主体围护结构距离桥桩3.3 m 左右,距离桥面水平距离为1.6 ～1.8 m,连廊通道围护结构距离桥桩3.79 ～19.81 m,车站8 个连廊均下穿既有公路高架桥,车站两侧站台主体也临近既有高架桥(见图12)。

既有立交桥在车站影响范围内为简支梁形式,跨径为30 m 左右;桩基为钻孔灌注桩,桩径1.5 m,桩长在35 m 左右,受力形式为摩擦型桩。 桥面宽8.7 m,桥面底距地面6.2 m。 高架桥已通车多年,结构基本良好。

沉降控制要求:桥桩的沉降值≤10 mm,差异沉降≤5 mm。

图12 车站与既有高架桥位置关系平面

(2)工程及水文地质

本站所处地貌单元为河漫滩区,地层从上到下依次为杂填土、粉砂、细砂、中砂、粉质黏土、粉砂质泥岩;地下水静止水位埋深为2.60 ～4.30 m,孔隙承压水主要赋存于砂层中,相对隔水顶板为粉质黏土层,底板为粉砂质泥岩。 本场地隔水顶板粉质黏土层整体分布不连续,孔隙承压水水头变化大,在粉质黏土层相对连续处可按5.0 ～8.0 m 考虑。 基坑底位于中砂土层(见图13)。

(3)设计方案

施工工法:高架桥为既有已通车高架桥,地质情况一般,车站与桥桩的距离满足设置隔离加固的条件,确定本站采取明挖法施工。 考虑车站大范围开挖对桥桩影响较大,故车站主体与中间的8 座联络通道分期进行施工。

图13 车站水文地质情况

围护结构方案:车站主体分列于高架桥两侧,可通过增强围护结构自身的刚度来控制地面沉降,围护结构方案确定为“地连墙+支撑”的支护形式。 两侧主体地连墙厚度为0.8 m,采用十字钢板接头,共设置4 道支撑和一道换撑,其中第一道支撑采用混凝土支撑,其余支撑为钢支撑。 为了保证成槽稳定性,对槽壁进行旋喷加固处理(加固至细砂层以下1 m)。

受桥下高度限制,车站中部6 座联络通道范围内地连墙不易施作,故采取“钻孔灌注桩+旋喷止水帷幕”的形式,支撑形式与主体相同(见图14、图15)。

图14 车站下穿桥桩处理措施平面

图15 车站下穿桥桩处理措施横剖面

降水方式:因车站全部临近或下穿桥梁范围,大范围降水易引起沉降,且该地区地下水丰富,降水非常困难,故车站及联络通道均考虑坑内降水方案。

加固隔离措施:采取旋喷桩加固(φ600 mm,咬合200 mm)。 车站主体基坑旋喷桩主要起对地连墙槽壁的加固作用,车站联络通道旋喷加固主要起到止水、防塌孔的作用,两个位置的旋喷桩均能够有效控制地面水平位移。 同时,在桥桩的桩周预留了地面袖阀管注浆的条件,若桥桩出现较大变形沉降,可以及时注浆加固(见图14、图15)。

桥桩支顶:因已采取了较多的保护措施,故桥桩支顶方案仅作为应急处理措施。

(4)施工步序及注意事项

施作旋喷桩隔离加固→施作地连墙(围护桩)→施作冠梁挡墙→开挖基坑随挖随撑→施作主体结构→回填覆土。

(5)数值模拟

为预测本工程在施工期间的位移沉降情况,采用有限元软件建立三维地层-结构模型(见图16 ～图17)。

图16 车站下穿桥桩三维模型

图17 桥桩变形云图

经计算,桥桩最大沉降值为7.2 mm,差异沉降值为4.4 mm,均满足变形控制要求[14]。

3 结论

(1)工程案例1 中采取了明挖围护桩分期施工、加强围护结构、地面注浆加固透水砂层与旋喷桩隔离等设计措施,并未采取盖挖逆作、坑内降水,而桥梁支顶仅作为应急预案[15]。 主要原因是既有桥梁属于新建桥梁,安全稳定性高,同时周边的水文地质情况较好,故而综合考虑选取此方案,该方案可为水文地质情况较好的车站提供一定的参考。

(2)案例2 中采取了明挖地连墙分期施工、加强围护结构、坑内降水、旋喷桩隔离等方案,未采取盖挖逆作,桥梁支顶与地面注浆仅作为应急预案,主要原因是既有桥梁安全稳定性较高,但周边属于富水砂层地区,水文地质情况不好,故而综合考虑选取此方案。 该方案可为周边水文地质情况一般但既有高架条件较好的车站提供一定的参考[16]。

(3)桩基托换造价较高且工艺复杂,建议在地铁与高架桥发生位置冲突或桥梁自身情况很差、地铁与桥桩的位置关系较近的情况下采取。