下穿河道和橋梁基礎(chǔ)的某地鐵車站設(shè)計(jì)方案探討

閆繼龍

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計(jì)院，鄭州　450001)

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下穿河道和橋梁基礎(chǔ)的某地鐵車站設(shè)計(jì)方案探討

閆繼龍

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計(jì)院，鄭州450001)

摘要：南寧市軌道交通1號(hào)線石埠站下穿石埠河和石埠河橋基礎(chǔ)，因受工程條件制約而采用明挖法施工，為此需解決河道導(dǎo)流、基坑支護(hù)和橋梁還建等三個(gè)設(shè)計(jì)難題。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件，分析三者之間的相互制約關(guān)系，提出“圍堰+導(dǎo)流管導(dǎo)流、錨索+內(nèi)支撐基坑組合支護(hù)體系和箱涵還建橋梁”的綜合設(shè)計(jì)方案，并對(duì)具體的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行介紹，指出各項(xiàng)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。該設(shè)計(jì)方案的實(shí)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(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果，表明該方案是合理可行的。

關(guān)鍵詞：地鐵車站；河道導(dǎo)流；基坑組合支護(hù)；橋梁還建

隨著我國(guó)城市軌道交通的快速發(fā)展，越來(lái)越多的城市加快了地鐵建設(shè)步伐，以解決日漸凸顯的交通擁擠問(wèn)題。但在內(nèi)河較多的城市修建地鐵時(shí)，地鐵線路往往要穿越河道，有時(shí)還會(huì)遭遇已建橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)，這些都給地鐵的設(shè)計(jì)施工帶來(lái)了較大的困難[1-2]。南寧市軌道交通1號(hào)線石埠站便遭遇這一難題。根據(jù)已有的工程經(jīng)驗(yàn)，在地鐵通過(guò)河道時(shí)，常采用盾構(gòu)法、沉管法、淺埋暗挖等方式穿越[3-7]；而通過(guò)已有橋梁基礎(chǔ)時(shí)，則常采用對(duì)橋梁基礎(chǔ)進(jìn)行托換或注漿加固等方式暗挖通過(guò)[8-10]。石埠站由于地形、地質(zhì)、自身構(gòu)造及周邊環(huán)境復(fù)雜等因素的制約，采用上述方法難以解決問(wèn)題。以石埠站工程為依托，就車站下穿河道和橋梁基礎(chǔ)段在設(shè)計(jì)中存在的難點(diǎn)和解決方案進(jìn)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(xué)西路和邕隆路交叉口東側(cè)，沿大學(xué)西路東西向偏北側(cè)設(shè)置。車站南側(cè)為在建的廣西財(cái)經(jīng)學(xué)院新校區(qū)，北側(cè)為一層棚房建筑和江西科信實(shí)業(yè)有限公司項(xiàng)目部。石埠河流經(jīng)車站東段，且有車站北側(cè)改遷后的D1350雨水管匯入。石埠河與大學(xué)西路45°斜交，并建有石埠河橋。石埠河橋?yàn)閱慰绾?jiǎn)支梁橋，橋長(zhǎng)87 m，兩端均采用重力式橋臺(tái)。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(cè)式站臺(tái)車站，總長(zhǎng)440.7 m，標(biāo)準(zhǔn)段為地下兩層箱型框架結(jié)構(gòu)，站廳兩端為單層箱形框架結(jié)構(gòu)。車站西側(cè)端頭接暗挖區(qū)間，東側(cè)端頭設(shè)盾構(gòu)接收井。其中車站東段(圖1虛線框內(nèi)區(qū)域)下穿石埠河和石埠河橋，工程環(huán)境條件復(fù)雜，其設(shè)計(jì)方案為本文主要研究?jī)?nèi)容。

1.2工程水文地質(zhì)特點(diǎn)

根據(jù)本站地質(zhì)勘察報(bào)告，本場(chǎng)地地質(zhì)土層從上到下依次為：雜填土、素填土、可塑狀粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、殘積粉質(zhì)黏土、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖，各土層的主要物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

本場(chǎng)地地下水主要為上層滯水、孔隙潛水和基巖裂隙水。孔隙潛水具有穩(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(zhì)粉砂巖和細(xì)砂巖的層間裂隙和構(gòu)造裂隙中，場(chǎng)地基巖裂隙以風(fēng)化節(jié)理裂隙為主，多呈閉合狀，且裂隙多被泥質(zhì)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(xué)指標(biāo)

2需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題

如前所述，石埠站東段是該車站的設(shè)計(jì)難點(diǎn)所在。該區(qū)域內(nèi)車站頂板高程約66.4 m，而原石埠河橋基礎(chǔ)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(wú)法下調(diào)，且原石埠河橋橋臺(tái)為重力式，這使得暗挖法和橋梁基礎(chǔ)托換等工法難以實(shí)現(xiàn)。經(jīng)綜合考慮地質(zhì)條件、造價(jià)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(chǎng)環(huán)境特點(diǎn)，必須解決如下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

(1)石埠河及石埠河橋?qū)κ┕さ挠绊?/p>

石埠河上游為金沙湖水庫(kù)，肩負(fù)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(dǎo)流措施[11]，保證施工期間基坑無(wú)水作業(yè)。

石埠河橋基礎(chǔ)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(shè)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(duì)路面交通的影響。

(2)不對(duì)稱基坑的支護(hù)

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(cè)存在較大高差。由于車站北側(cè)存有建筑物及改遷后的D1350雨水管，車站南側(cè)在大學(xué)西路需保留雙向四車道以保障車站施工期間交通，這導(dǎo)致不能采用大范圍放坡來(lái)解決基坑內(nèi)外高差問(wèn)題。根據(jù)基坑深度和兩側(cè)高差的不同，將該范圍內(nèi)的基坑劃分為Ⅰ～Ⅵ區(qū)域(表2)，基坑圍護(hù)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(cè)高程相同，采用常規(guī)支護(hù)方式即可，而Ⅱ、Ⅴ區(qū)域由于基坑兩側(cè)高差較大，造成了不對(duì)稱的基坑形式[12]。另外，Ⅲ、Ⅵ區(qū)域?yàn)樵汉訕蚨张_(tái)所在位置，橋梁拆除后，墩臺(tái)后土體無(wú)法自穩(wěn)。因此，必須尋求合理的支護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)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(fù)路面交通。原橋梁采用重力式橋臺(tái)，并與車站頂板位置存在沖突，雖可抬高橋臺(tái)基礎(chǔ)并壓低橋臺(tái)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(tái)無(wú)法抬高過(guò)多，橋臺(tái)高度亦降低有限。另外重力式橋臺(tái)質(zhì)量大，基礎(chǔ)下巨大的局部壓力將直接作用于車站頂板，對(duì)車站結(jié)構(gòu)受力極為不利。因此簡(jiǎn)單地按原橋梁設(shè)計(jì)方案還建已不現(xiàn)實(shí)，必須另行設(shè)計(jì)新的還建方案。

以上3個(gè)問(wèn)題的解決是相互制約、相互關(guān)聯(lián)的，橋梁的拆除和河道的導(dǎo)流為車站明挖施工提供了無(wú)水(結(jié)合管井降水)、開(kāi)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(jié)構(gòu)，頂板以外部分則作為河流的過(guò)水通道空間。因此，三者的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)、整體的過(guò)程，在設(shè)計(jì)施工上有一定的先后順序。

3整體設(shè)計(jì)方案

3.1石埠河橋拆除和石埠河導(dǎo)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(jié)構(gòu)拆除和橋臺(tái)拆除兩個(gè)部分。板梁結(jié)構(gòu)拆除應(yīng)在圍堰和導(dǎo)流管設(shè)置前進(jìn)行，以便于導(dǎo)流設(shè)施的安裝；而橋臺(tái)應(yīng)在圍堰和導(dǎo)流管設(shè)置后拆除，這樣可以保證拆除施工有一個(gè)無(wú)水的安全環(huán)境。拆除板梁結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)對(duì)人行道板下的各種通信光纜采取懸吊保護(hù)措施；梁體吊裝時(shí)，應(yīng)對(duì)吊裝荷載進(jìn)行驗(yàn)算，吊點(diǎn)與梁端的距離不得大于1 m。拆除橋臺(tái)時(shí)，應(yīng)保證拆除過(guò)程中墩臺(tái)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(jì)損失。

(2)石埠河導(dǎo)流設(shè)計(jì)

根據(jù)洪評(píng)要求和現(xiàn)場(chǎng)布置情況，在施工范圍內(nèi)上下游各設(shè)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(dǎo)流。為保證導(dǎo)流管的穩(wěn)定，在其下方每隔5 m左右設(shè)置一定數(shù)量的支架(跨車站主體段不設(shè)置)。圍堰和導(dǎo)流管的立面及支架構(gòu)造分別如圖3、圖4所示。

圖3　圍堰和導(dǎo)流管立面(單位：mm)

圖4　導(dǎo)流管支架構(gòu)造(單位：mm)

導(dǎo)流方案：在石埠站基坑圍護(hù)開(kāi)始施工前設(shè)置圍堰，安裝導(dǎo)流管，待橋下車站主體結(jié)構(gòu)完成后即進(jìn)行橋梁北半部分的還建施工，最后再一次性拆除圍堰和導(dǎo)流管。需要注意的是，設(shè)置圍堰后雖采用導(dǎo)流管導(dǎo)流，但過(guò)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(jìn)行，避免雨季對(duì)防洪和施工帶來(lái)的不利影響。

圖5　基坑各區(qū)域支護(hù)橫剖面(單位：高程為m，其余mm)

3.2基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

(1)基坑圍護(hù)方案選擇

河道采取導(dǎo)流措施后，結(jié)合坑外管井降水措施，基坑開(kāi)挖便可在無(wú)水環(huán)境中進(jìn)行。該區(qū)域內(nèi)基坑圍護(hù)仍采用鉆孔灌注樁支護(hù)，樁徑800 mm，樁距1 200 mm(盾構(gòu)井段1 100 mm)。

(2)支撐體系設(shè)計(jì)

如前所述，對(duì)于基坑兩側(cè)不等高的區(qū)域，高程較高側(cè)無(wú)法設(shè)置內(nèi)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(nèi)支撐+預(yù)應(yīng)力錨索的組合式支護(hù)體系[13-14]。

根據(jù)基坑深度、內(nèi)支撐形式和樁的懸臂長(zhǎng)度等條件，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，基坑不同區(qū)域采用不同的支護(hù)參數(shù)，見(jiàn)圖5及表3。預(yù)應(yīng)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(shè)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(yù)拉力均勻地傳遞給樁身，避免灌注樁局部受力過(guò)大。錨索施工時(shí)，不得擾動(dòng)周圍地層，并嚴(yán)格控制鉆孔精度，確保錨固體長(zhǎng)度、強(qiáng)度及預(yù)加軸力滿足設(shè)計(jì)要求，避免因錨索松弛或斷裂造成基坑懸臂側(cè)失穩(wěn)坍塌。

表3　基坑各區(qū)域支護(hù)參數(shù)

3.3橋梁還建

車站主體結(jié)構(gòu)完成后，便可進(jìn)行橋梁還建施工。橋梁還建的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)考慮3個(gè)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(guò)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(duì)于原重力式橋臺(tái)質(zhì)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(shè)計(jì)過(guò)水寬度為15.6 m，與原橋拆除前相同，滿足洪評(píng)要求；(3)箱涵底板與車站頂板間設(shè)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(shè)置可省去該處河底防沖刷層的鋪設(shè)，有利于控制投資和工期。還建的石埠河橋結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。

圖6　還建的石埠河橋結(jié)構(gòu)形式(單位：高程為m，其余mm)

為使箱涵能將上部結(jié)構(gòu)荷載均勻地傳遞給車站頂板和基巖，箱涵底應(yīng)設(shè)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(shí)，壓實(shí)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(shè)。

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

4結(jié)語(yǔ)

目前，石埠站各項(xiàng)工程施工已順利完成，施工過(guò)程中基坑各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)均正常，其中基坑圍護(hù)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(shuō)明本設(shè)計(jì)方案是合理可行的。通過(guò)本工程實(shí)踐，有以下體會(huì)和認(rèn)識(shí)。

(1)地鐵車站基坑面臨復(fù)雜環(huán)境條件時(shí)，應(yīng)全面考慮工程水文地質(zhì)、車站構(gòu)造、周邊環(huán)境等條件進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，最大限度地減小基坑和周邊環(huán)境的相互影響。

(2)對(duì)于復(fù)雜基坑的支護(hù)設(shè)計(jì)，應(yīng)對(duì)基坑周邊環(huán)境和控制性條件進(jìn)行綜合分析，不局限于單一支護(hù)形式，積極探索基坑組合支護(hù)體系，尋求最佳支護(hù)方案。

(3)對(duì)復(fù)雜工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)全面分析各施工階段的制約關(guān)系，使其有效銜接以確保工程整體順利完成。

(4)目前我國(guó)部分城市規(guī)劃仍缺少整體規(guī)劃和超前意識(shí)，增加了后續(xù)再建項(xiàng)目的施工難度，增大了投資造價(jià)并造成了資源浪費(fèi)，這是值得城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)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(hào)：1004-2954(2016)05-0116-05

收稿日期：2015-09-10； 修回日期：2015-10-26

作者簡(jiǎn)介：閆繼龍(1981—)，男，工程師，2009年畢業(yè)于鄭州大學(xué)水工結(jié)構(gòu)專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail:94481400@qq.com。

中圖分類號(hào)：U231+.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.025