探討跨越運(yùn)營(yíng)地鐵區(qū)間隧道的橋墩承臺(tái)設(shè)計(jì)

顧珍苗

（上海浦東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 2 01204）

探討跨越運(yùn)營(yíng)地鐵區(qū)間隧道的橋墩承臺(tái)設(shè)計(jì)

顧珍苗

（上海浦東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 2 01204）

以民生路-楊高路立交工程的跨線橋承臺(tái)為研究對(duì)象，采用三維有限元軟件建立該橋承臺(tái)和樁的單元模型，針對(duì)跨越運(yùn)營(yíng)地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道的橋墩承臺(tái)特點(diǎn)，對(duì)此類承臺(tái)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了探討，并建立相關(guān)模型研究承臺(tái)施工開(kāi)挖對(duì)地鐵的影響。

跨越運(yùn)營(yíng)地鐵；地鐵區(qū)間隧道；承臺(tái)設(shè)計(jì)；影響分析

0 引 言

民生路-楊高路跨線橋位于上海市浦東新區(qū)，沿楊高路走向上跨民生路，跨徑組合為3×18+19.5+（25.4+24+46.8+2×24）+（24+22.5+22）=286.25（m）?？缇€橋縱斷面布置如圖1所示。

因橋位下方一部分為上海市軌道交通9號(hào)線車站，則墩臺(tái)P3～P11的結(jié)構(gòu)可直接設(shè)置在車站框架結(jié)構(gòu)上，與地鐵車站形成整體，與車站結(jié)合處跨線橋橫斷面布置如圖2所示。

另一部分為位于地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道上方設(shè)置的獨(dú)立墩臺(tái)Pb、P0、P1、P2，需考慮與地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道的安全距離，則墩臺(tái)的樁基和承臺(tái)需要特殊設(shè)計(jì)，本文系研究位于地鐵盾構(gòu)上方的這4個(gè)獨(dú)立墩臺(tái)的受力狀態(tài)及其構(gòu)件設(shè)計(jì)。

施工區(qū)域內(nèi)為地鐵9號(hào)線和少量管線，區(qū)間隧道頂部覆土約7.4 m；墩臺(tái)P3～P11之間為地鐵車站，埋深約18 m，車站為二層框架結(jié)構(gòu)。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮橋梁施工對(duì)地鐵盾構(gòu)和車站結(jié)構(gòu)的影響。首先需保證橋梁下部結(jié)構(gòu)距地鐵盾構(gòu)區(qū)間凈距最小值為3 m，盾構(gòu)外徑6.3 m，故只能在距盾構(gòu)中心線6.15 m以外布置樁基。再結(jié)合上部結(jié)構(gòu)支座布置考慮，位于區(qū)間隧道上方的跨線橋橫斷面布置如圖3所示。

1 地鐵設(shè)施保護(hù)要求

根據(jù)《上海市地鐵沿線建筑施工保護(hù)地鐵技術(shù)管理暫行規(guī)定》第二條“地鐵保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定，由于深基坑、高樓樁基、降水、堆載等各種卸載和加載的建筑活動(dòng)對(duì)地鐵工程設(shè)施的綜合影響限度，必須符合以下標(biāo)準(zhǔn)：在地鐵工程（外邊線）兩側(cè)的鄰近3m范圍內(nèi)不能進(jìn)行任何施工；地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施絕對(duì)沉降量及水平位移量≤20 mm（包括各種加載和卸載的最終位移量）；隧道變形曲線的曲率半徑≥15 000 m；相對(duì)彎曲≤1/2 500；由于建筑物垂直荷載（包括基礎(chǔ)地下室）及降水、注漿等施工因素而引起的地鐵隧道外壁附加荷載≤20 kPa；由于打樁振動(dòng)、爆破產(chǎn)生的震動(dòng)對(duì)隧道引起的峰值速度≤2.5 cm/s。

根據(jù)地鐵有關(guān)部門的審查意見(jiàn)，地鐵運(yùn)營(yíng)線路及結(jié)構(gòu)保護(hù)要求：兩軌道橫向高差＜4 mm；軌道偏差和高低差最大尺度值＜4 mm/10 m，地鐵結(jié)構(gòu)橫向差異沉降＜0.4‰，地鐵結(jié)構(gòu)的最終沉降量、隆起及水平位移量＜10 mm，施工引起的地鐵結(jié)構(gòu)變形＜0.5 mm/d，且不得影響其安全正常使用。當(dāng)發(fā)生下列情況時(shí)，建設(shè)單位應(yīng)及時(shí)報(bào)警，并采取應(yīng)急措施，保障地鐵線路安全：地鐵一側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形超過(guò)1.0 mm/d；監(jiān)測(cè)值超過(guò)日監(jiān)測(cè)指示或總變形控制量的1/2；其他危及地鐵結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)安全的事情發(fā)生時(shí)。

另外隧道與車站結(jié)構(gòu)位置處的附加變形應(yīng)不大于5 mm。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

上部結(jié)構(gòu)縱向跨徑為3×18 m，減去支點(diǎn)中心線距邊樁中心距離，計(jì)算跨徑為17.62 m+18 m+ 17.62 m。系梁截面擬定初始尺寸為h×b=2.8 m×4.0 m,承臺(tái)高3.25 m,立柱尺寸2.4 m×1.5 m。每個(gè)邊承臺(tái)采用5根800鉆孔灌注樁，每個(gè)中承臺(tái)采用8根800鉆孔灌注樁。系梁材料采用C40混凝土，樁基水下C30混凝土。連續(xù)框架結(jié)構(gòu)考慮承臺(tái)間不均勻沉降5 mm（根據(jù)上部荷載及地質(zhì)資料計(jì)算得出最大沉降差4.3 mm）。

圖1 跨線橋總體縱斷面布置圖

圖2 與地鐵車站結(jié)合處跨線橋橫斷面布置

圖3 位于區(qū)間隧道上方的跨線橋橫斷面布置

圖4 承臺(tái)構(gòu)造及與軌道交通關(guān)系圖

尺寸擬設(shè)置為34.4m×6.6m，承臺(tái)為鋼筋混凝土王字形承臺(tái)，混凝土標(biāo)號(hào)為C40，位于地鐵盾構(gòu)上方,如圖4所示。

作用于每個(gè)墩身底部的荷載見(jiàn)表1。

表1 作用于每個(gè)墩身底部的荷載 kN/(kN·m)

3 承臺(tái)結(jié)構(gòu)計(jì)算建模

采用Midas Civil 2011結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件建立下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（包括承臺(tái)和樁）的整體模型，計(jì)算得出結(jié)構(gòu)內(nèi)力及系梁配筋計(jì)算。再進(jìn)行承臺(tái)配筋計(jì)算，承臺(tái)內(nèi)力計(jì)算采用Midas Civil模型中讀取的相應(yīng)的樁頂內(nèi)力，樁頂內(nèi)力作為反力作用在懸臂承臺(tái)上計(jì)算出承臺(tái)內(nèi)力，然后利用橋梁通計(jì)算軟件中的結(jié)構(gòu)配筋模塊計(jì)算；同時(shí)進(jìn)行樁基配筋計(jì)算，樁基內(nèi)力在Midas Civil模型中讀取，再利用橋梁通計(jì)算軟件中的結(jié)構(gòu)配筋模塊計(jì)算。

Midas Civil建模時(shí)，單個(gè)承臺(tái)采用實(shí)體單元建立模型，承臺(tái)系梁及灌注樁采用桿單元建立模型，承臺(tái)與系梁、樁間接觸的截面節(jié)點(diǎn)間采用剛性連接，樁底單元垂直向固結(jié)，樁周采用剛度漸變的節(jié)點(diǎn)彈性支撐模擬土的彈簧約束，彈簧剛度根據(jù)規(guī)范隨深度Z線性變化。

計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 計(jì)算模型

4 計(jì)算方法

經(jīng)承臺(tái)的結(jié)構(gòu)尺寸及配筋計(jì)算擬試算求得，采用有限元模型計(jì)算出內(nèi)力再進(jìn)行配筋計(jì)算，最終選擇合理的結(jié)構(gòu)尺寸。

承臺(tái)結(jié)構(gòu)為兩榀框架結(jié)構(gòu)，承臺(tái)系梁作為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為減小系梁裂縫寬度擬采用預(yù)應(yīng)力筋加強(qiáng)，預(yù)應(yīng)力筋僅構(gòu)造上考慮，不參與結(jié)構(gòu)受力計(jì)算。

5 計(jì)算

橋墩荷載組合條件下，系梁高2.8 m、寬4.0 m時(shí)的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖6～圖11所示。

5.1 系梁結(jié)構(gòu)配筋承載力及裂縫計(jì)算

圖6 承載能力極限狀態(tài)基本組合彎矩圖

圖7 承載能力極限狀態(tài)基本組合剪力圖

圖8 正常使用極限狀態(tài)短期組合彎矩圖

圖9 正常使用極限狀態(tài)短期組合剪力圖

圖10 正常使用極限狀態(tài)長(zhǎng)期組合彎矩圖

圖11 正常使用極限狀態(tài)長(zhǎng)期組合剪力圖

系梁結(jié)構(gòu)尺寸h×b＝2.8 m×4.0 m。系梁跨中下緣擬采用3排3132+1排2932共12232，配筋率0.78%；支點(diǎn)下緣擬采用3排3132共9332；中承臺(tái)上緣采用3排3132共9132，邊承臺(tái)上緣采用2排3132共6232，配筋率0.72%，均滿足45ftd/fsd= 0.225%的最小配筋率要求。箍筋配置616@150，則ρsv＝6×201.1÷150÷4 000＝0.201%＞0.12% [最小配箍率，《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62—2004）9.3.13]，如圖12所示。

將鋼筋輸入Midas模型的RC截面設(shè)計(jì)，裂縫驗(yàn)算時(shí)考慮系數(shù)C1=1.0，C2=1+0.5×25 903/27 419= 1.476，按規(guī)范C3取1.0，但是Midas程序中未考慮骨架鋼筋直徑增大系數(shù)1.3，則將骨架鋼筋直徑增大系數(shù)1.3考慮到C3中，則C3=（30+32×1.3）/（30+32）=1.155。得出驗(yàn)算結(jié)果如下：

圖12 跨中截面配筋圖

使用階段正截面抗彎驗(yàn)算、使用階段斜截面抗剪驗(yàn)算、使用階段抗扭驗(yàn)算、使用階段梁的裂縫寬度驗(yàn)算均能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

5.2 結(jié)構(gòu)尺寸及配筋試算結(jié)果

重復(fù)上述方法試算不同結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)應(yīng)的內(nèi)力及配筋，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)內(nèi)力及配筋計(jì)算結(jié)果 [kN/(kN·m)]

由表2可知，基于剛度分配原理，結(jié)構(gòu)尺寸越大剛度越大，分配到的框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力也越大，由于該系梁較傳統(tǒng)下部結(jié)構(gòu)跨徑及內(nèi)力較大，導(dǎo)致配筋量較多，計(jì)算得跨中主筋432@128，因此應(yīng)盡量選擇較小的截面尺寸，并考慮主筋布置層數(shù)和間距的合理性。故經(jīng)比較，最終系梁結(jié)構(gòu)尺寸選擇高2.8 m、寬4 m。因系梁所受內(nèi)力較大導(dǎo)致計(jì)算裂縫寬度較大，為適當(dāng)減小內(nèi)力引起的裂縫寬度，可考慮在系梁頂?shù)酌娓髟O(shè)置一排預(yù)應(yīng)力鋼束，故系梁頂?shù)酌娓髟O(shè)置10根s15.20-9鋼束，這些鋼絞線束僅作為減小裂縫寬度的預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備，不參與結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)受力以提高承載力。

6 承臺(tái)施工對(duì)地鐵的影響分析

6.1 基坑開(kāi)挖方案

承臺(tái)基坑在地鐵區(qū)間隧道正上方施工，對(duì)隧道變形和彎曲影響較大。且基坑位于軌道交通9號(hào)線車站與盾構(gòu)隧道接頭處，由于站體與區(qū)間隧道的剛度差異，帶來(lái)土體變形差異，更易引起開(kāi)裂變形。整個(gè)過(guò)程包括開(kāi)挖、打樁、回填3個(gè)步驟，先卸荷再加荷，土體變形和結(jié)構(gòu)受力情況變化較多。

根據(jù)測(cè)量標(biāo)高原地面標(biāo)高可知，基坑開(kāi)挖深度在4.0 m左右，擬進(jìn)行分段開(kāi)挖，先挖盾構(gòu)側(cè)向主承臺(tái)部分（樁基部分），開(kāi)挖時(shí)采用6m槽形鋼板樁側(cè)向支護(hù),東西兩側(cè)各留60 cm施工操作面，南北向各留1m施工作業(yè)面，開(kāi)挖至設(shè)計(jì)承臺(tái)墊層底。開(kāi)挖到位后在最短時(shí)間進(jìn)行鑿樁和底板，鋼筋綁扎，同時(shí)注意地鐵盾構(gòu)的影響情況，根據(jù)需要（設(shè)計(jì)地鐵盾構(gòu)的受力計(jì)算數(shù)據(jù)）進(jìn)行適當(dāng)加重。完成盾構(gòu)外側(cè)承臺(tái)后再開(kāi)挖盾構(gòu)上方系梁部分，開(kāi)挖時(shí)東西兩側(cè)采用4 m鋼板樁支護(hù)，開(kāi)挖分兩步進(jìn)行，先挖除上部1～2 m，然后自卸土面打入4 m鋼板樁支護(hù)，再開(kāi)挖至設(shè)計(jì)墊層深度。

基坑分成兩階段開(kāi)挖，通過(guò)分塊卸載再加載，減少基坑單次開(kāi)挖面積，防止一次性開(kāi)挖卸載隆起產(chǎn)生的過(guò)大變形，從而減少對(duì)地鐵車站、區(qū)間隧道、周邊市政管線等所產(chǎn)生的不利影響。

6.2 工程地質(zhì)條件

工程地質(zhì)條件見(jiàn)表3。

表3 土層參數(shù)表

場(chǎng)地土層物理參數(shù)較差，本工程場(chǎng)地內(nèi)第3、4層土為高含水量、高壓縮性、低強(qiáng)度的軟弱黏性土，因其具有較明顯觸變及流變特性，受擾動(dòng)后土體強(qiáng)度極易降低，因此在開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)防止土體擾動(dòng)。

6.3 計(jì)算方法及模型

6.3.1 模型概況

為了較準(zhǔn)確地反映基坑開(kāi)挖卸荷對(duì)區(qū)間隧道和車站產(chǎn)生的附加變形影響，擬采用Midas GTS三維彈塑性有限元分析軟件根據(jù)各結(jié)構(gòu)的空間位置關(guān)系建立模型，再按實(shí)際施工方案，模擬打樁、基坑開(kāi)挖及回填等施工工序，以研究各工序加載、卸載對(duì)隧道和車站的影響。

數(shù)值計(jì)算建模時(shí)考慮基坑開(kāi)挖的影響范圍，其中模型長(zhǎng)（x方向）127.7 m，寬（y方向）72.3 m，深度方向（z方向）為77 m?；娱_(kāi)挖深度為4 m，土體采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，土體材料采用莫爾-庫(kù)侖模型模擬；鋼板樁圍護(hù)、隧道襯砌等均采用板單元模擬，并根據(jù)截面進(jìn)行剛度換算；樁采用結(jié)構(gòu)梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，并考慮樁土間接觸，圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及樁、板采用彈性材料模擬。計(jì)算模型考慮地下水的滲流，以及初始固結(jié)沉降和初始應(yīng)力的影響。通過(guò)施工階段來(lái)模擬施工工況。整體模型如圖13所示，土層分布如圖14所示。其他相關(guān)模型如圖15～圖17所示。

圖13 整體模型圖

圖14 土層分布圖

圖15 結(jié)構(gòu)布置情況圖

圖16 第一步主承臺(tái)部分開(kāi)挖

圖17 第二步系梁部分開(kāi)挖

6.3.2 施工步驟（1）施加初始應(yīng)力，位移清零；（2）主承臺(tái)開(kāi)挖前支護(hù)施工；（3）主承臺(tái)開(kāi)挖；

（4）系梁開(kāi)挖前支護(hù)施工；（5）系梁開(kāi)挖；

（6）樁及承臺(tái)結(jié)構(gòu)施工。

6.4 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果如圖18～圖24及表4所示。

圖18 開(kāi)挖完畢z向位移圖

圖19 開(kāi)挖完畢x向位移圖

圖20 主承臺(tái)開(kāi)挖完畢隧道側(cè)向位移圖

圖21 主承臺(tái)開(kāi)挖完畢隧道沉降位移圖

圖22 系梁開(kāi)挖完畢隧道側(cè)向位移圖

圖23 系梁開(kāi)挖完畢隧道隆起位移圖

圖24 開(kāi)挖完畢隧道和車站錯(cuò)位圖

表4 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì) mm

主承臺(tái)及系梁開(kāi)挖完畢變形結(jié)果表明，主承臺(tái)及系梁開(kāi)挖對(duì)地鐵車站及盾構(gòu)區(qū)間影響較小，完全滿足相關(guān)規(guī)定及有關(guān)部門的要求。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，跨越地鐵盾構(gòu)區(qū)間的承臺(tái)因中間無(wú)法設(shè)置樁基導(dǎo)致系梁跨徑較大，加上本身的上部結(jié)構(gòu)荷載較大，則系梁內(nèi)力比一般的承臺(tái)增大很多，需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，截面尺寸及配筋設(shè)計(jì)可經(jīng)過(guò)多方比選得出最合理組合。內(nèi)力較大的系梁結(jié)構(gòu)可采用預(yù)應(yīng)力鋼束減小裂縫寬度，因變形協(xié)調(diào)受力機(jī)理不夠明確可不考慮預(yù)應(yīng)力鋼束參與結(jié)構(gòu)受力。

為減小盾構(gòu)上方土體開(kāi)挖對(duì)盾構(gòu)的直接影響，在系梁剛度合理的情況下應(yīng)盡量減小系梁高度。承臺(tái)基坑開(kāi)挖方案可選擇分步開(kāi)挖分步支撐，以減小大面積開(kāi)挖對(duì)下方盾構(gòu)結(jié)構(gòu)的不利影響。計(jì)算結(jié)果可知，承臺(tái)開(kāi)挖深度4 m對(duì)覆土7.4 m的盾構(gòu)隧道影響較小，盾構(gòu)變形值在可控范圍內(nèi)，滿足相關(guān)部門的變形控制要求。

[1]JTG D60—2015，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[2]JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]DGJ 08-11—2010，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]DG/T J08-61—2010，基坑工程技術(shù)規(guī)范[S].

[5]DGJ 08-109—2004，城市軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2012.

[7]張慶芳，張志國(guó).公路橋梁混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].天津：天津大學(xué)出版社，2010.

U443.2

B

1009-7716（2017）01-0077-06

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.022

2016-10-18

顧珍苗（1981-），女，江蘇鹽城人，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。