高速公路拼寬上跨既有地鐵淺埋段設計方案研究

孫中菊，疏義廣

(浙江數(shù)智交院科技股份有限公司 杭州市 310030)

0 引言

隨著我國交通事業(yè)的高速發(fā)展，在城市交通建設中，由于受地形地質(zhì)條件的制約，地鐵下穿既有高速公路的工程案例越來越多。

在地鐵下穿高速公路路基時，關(guān)鍵控制的重點是采取措施將地面的沉降量控制在一定的范圍；在地鐵隧道施工時多采用暗挖法或蓋挖法等[1]，并在施工時采取相應的隧道與高速公路保護措施[2]；在既有地鐵淺埋段上進行高速公路路基拼寬時，首先要考慮的是如何保證高速公路的正常通行不受影響，其次要保證運營中的地鐵盾構(gòu)隧道變形滿足相關(guān)規(guī)范要求。程雄志[3]以蘇州某盾構(gòu)隧道下穿高速鐵路為背景，結(jié)合工程實例分析論證了聯(lián)合加固法可有效減少盾構(gòu)穿越高速鐵路路基引起的沉降；張健[4]依據(jù)福州羅源灣北岸支線疏解線以路基形式近距離上跨既有杭深線飛鸞隧道洞身頂部的工程實例，研究了新建上跨鐵路運營期間列車靜載作用下隧道結(jié)構(gòu)的安全性及位移的穩(wěn)定性；王偉忠等[5]結(jié)合上海市軌道交通11號線盾構(gòu)下穿滬寧鐵路項目實例，發(fā)現(xiàn)土體采用高壓旋噴樁加固后，可有效控制盾構(gòu)穿越時所引起的地面變形。

結(jié)合工程實例對高速公路上跨既有地鐵淺埋段路基拼寬及地鐵保護進行方案研究及分析，通過比選，采用泡沫混凝土輕質(zhì)路堤+MJS工法加固方案，在對地鐵淺埋段進行保護的基礎上進行高速公路路基拼寬。

1 工程概況

浙江某高速公路互通改擴建工程主線現(xiàn)狀整體式路基寬度為24.5m，設計速度80km/h，本次互通改建工程對互通范圍內(nèi)主線拼寬方式采用雙向?qū)ΨQ拼寬，拼寬后按雙向八車道高速公路設計，設計速度為100km/h，拼寬后路基寬度為41m。項目起段跨越在運行的地鐵主線和進出車輛段線。其中進出車輛段線位置地鐵隧道頂距路基邊坡深6.56～7.39m。本段與地鐵線位的平面相對位置關(guān)系見圖1，剖面相對位置關(guān)系見圖2。

圖1 繞城高速公路與地鐵線位平面位置關(guān)系圖

圖2 繞城高速與地鐵線位剖面位置關(guān)系圖

本節(jié)點路段地層各層特征見表1。

表1 土層物理力學性質(zhì)指標表

在高速公路拓寬過程中，拓寬路基產(chǎn)生的附加荷載將不可避免地引起附加沉降，附加沉降將導致地鐵盾構(gòu)隧道產(chǎn)生縱向不均勻沉降。

2 拼寬保護方案技術(shù)比選

由于穿越該路基拼寬段的地鐵線路為已運營線路，常規(guī)采用土石混合進行路堤拼寬將對既有地鐵隧道的正常運營、使用及其安全性產(chǎn)生不利影響。因此，需要對該段路基拼寬采取相應的措施以保障高速公路拼寬的安全實施及下穿地鐵的正常運營。

2.1 方案一：路基拼寬方案

采用泡沫混凝土進行路基填筑拼寬，平均填高為3m，對地基土超挖換填2m減重，經(jīng)過沉降計算，沉降量不超過20mm。

該泡沫混凝土填筑方案地基最終沉降量滿足規(guī)范要求，而增荷比超過0.2，不滿足《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)程》[6](DB 33/T 1139—2017)第6.1.3條第3款要求。

2.2 方案二：整幅橋方案

在跨越地鐵位置處，設置25m一跨橋，上部結(jié)構(gòu)采用T梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式臺，采用先兩側(cè)保通，再挖除原繞城高速路基后，施工中間橋梁，橋梁上下部結(jié)構(gòu)橫向均連接為整體。

采用該方案，樁基離開地鐵隧道邊緣最小距離為6.72m。

2.3 方案三：橋拼路基方案

在跨越地鐵5號線位置處外側(cè)拼寬20m一跨橋梁，上部結(jié)構(gòu)采用矮T梁，下部結(jié)構(gòu)采用U臺樁基礎，路基位置拼寬75cm，采用矮擋墻收坡，保證橋梁和路基的接縫位置位于將來8車道繞城的第三和第四車道分界線上，橋梁和路基間設置縱向簡易伸縮縫，如圖3所示。

拼寬方案比較見表2，經(jīng)過三個方案經(jīng)濟技術(shù)比選，采用整幅橋或者橋拼路基的方案均不符合本項目工程實際情況，且存在較大的安全隱患，僅采用輕質(zhì)路基拼寬，增荷比又不滿足地鐵保護的要求，采用路基拼寬并結(jié)合其他方式對地鐵隧道加以防護是合適的拼寬方式。經(jīng)查閱類似工程案例并結(jié)合浙江當?shù)爻Ｓ玫牡罔F保護方法，本次高速公路拼寬工程在采用泡沫混凝土輕質(zhì)路基換填及填筑的方案情況下，補充對淺埋段地鐵隧道的MJS工法加固處理，即最終方案為MJS工法+泡沫混凝土路堤拼寬。

圖3 橋拼路基方案橫斷面示意圖

表2 拼寬方案比較表

3 拼寬保護方案

首先沿老路坡腳處對拼寬范圍內(nèi)地鐵隧道進行MJS工法加固，加固型式采用門架式，加固范圍為：地鐵隧道投影范圍外5m，寬度為南側(cè)至MK82+509箱涵處，北側(cè)隧道中心線外擴30m；自地面加固至東出入段線隧道上方約1.5m，墩身加固深度不小于地鐵隧底以下1.5m，地鐵隧道淺埋段MJS加固設計如圖4。門式架兩側(cè)土體加固采用Φ2400@2000MJS工法攪拌樁，門式架上方土體加固采用Φ2400@1800MJS工法攪拌樁。

圖4 MJS工法加固設計圖(單位:m)

MJS工法加固完成后，對該節(jié)點范圍內(nèi)繞城高速由土石混合料變更為泡沫混凝土填筑，且由原地面線向下超挖2m換填泡沫混凝土；MJS工法加固+泡沫混凝土路堤拼寬橫斷面設計圖如圖5所示。

澆注施工應采用管路泵送方式；泡沫混凝土澆注時，澆注管宜與澆注面保持緩傾角度。澆注將至頂層時，采用后退方式拖移澆注管進行人工掃平，澆注層終凝后方可進行上層的澆注施工。

圖5 MJS +泡沫混凝土路堤拼寬橫斷面設計圖 (單位:m)

4 數(shù)值計算分析

采用Plaxis有限元對本方案進行了各個階段的施工對地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力分析。

4.1 模型建立

采用表1中各土層物理力學參數(shù)，計算時合并層厚較小土層，采用小應變土體硬化(HSS)本構(gòu)模型，路面上部車輛荷載按18kN/m2計算，拼寬填筑采用的泡沫混凝土自重取7kN/m3。

4.2 地鐵保護要求

根據(jù)浙江省工程建設標準《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)程》[6]，本項目地鐵淺埋段結(jié)構(gòu)安全狀況為“Ш類”(變形控制標準為15mm)，外部作業(yè)軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護等級為“A 級”；地基最終變形量最大值不超過20mm。

4.3 計算結(jié)果

計算結(jié)果見表3。

表3 計算結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果，采用MJS工法+泡沫混凝土換填方案，高速公路拼寬施工對地鐵淺埋段的變形滿足控制標準。

5 結(jié)論

(1)在既有淺埋段地鐵隧道上進行高速公路路基拼寬，需考慮填料重量及施工等對既有地鐵隧道的正常運營、使用及其安全性的不利影響，采取有效的加固保護措施，并減輕所要增加荷載的重量。

(2)MJS工法作為一種新型高壓旋噴工藝，在成樁直徑、成樁深度以及環(huán)境友好性方面都有較大優(yōu)勢。MJS工法樁加固體截面形狀可任意設定，對施工條件的適應性強，可用來對地鐵隧道加固保護。

(3)泡沫混凝土具有強度可調(diào)、重度輕、自立性好、施工方便快捷等優(yōu)點，是一種實用性和經(jīng)濟性較強的新型材料；用做高速公路路基填料可減輕填土自重，減少土體的滑動力矩，提高路堤的抗滑穩(wěn)定性。且施工工期短，可達到盡快通車的要求。

(4)該工程的設計經(jīng)驗可為類似工程提供借鑒。