談既有客專站臺(tái)改擴(kuò)建工程天橋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

呂金華

(沿海鐵路浙江有限公司，浙江 寧波 315012)

1 既有站房改擴(kuò)建工程背景

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們跨地域交流越來越頻繁，客運(yùn)專線和高鐵網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，大大提高了出行的便捷性。車站作為鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)，隨著鐵路網(wǎng)的完善和客流密度的不斷增加，部分地區(qū)火車站旅客乘降能力逐漸滿足不了客運(yùn)量的增長(zhǎng)，既有車站升級(jí)改造成為現(xiàn)實(shí)需求[1-3]。

本文通過對(duì)杭深鐵路蒼南站改擴(kuò)建工程新建跨越營業(yè)線路旅客天橋的各種施工工況的分析，結(jié)合既有結(jié)構(gòu)條件，通過對(duì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)形式和天橋局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化，找到一種結(jié)構(gòu)更合理，施工更簡(jiǎn)便、能更好的保障施工安全和鐵路運(yùn)輸安全的方案，成功順利地完成既定任務(wù)。

2 旅客天橋工程概況

蒼南站既有站房總建筑面積4 200 m2，站場(chǎng)規(guī)模2臺(tái)5線，設(shè)進(jìn)出站地道一座。設(shè)計(jì)最高聚集人數(shù)800人。2009年開通運(yùn)行以來客流不斷增長(zhǎng)，至2018年底每天實(shí)際接發(fā)列車64趟，包括始發(fā)18趟，日均發(fā)送旅客6 500人次，雙休日達(dá)8 000人次，節(jié)假日達(dá)12 000人次以上，大大超出原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)有車站基礎(chǔ)設(shè)施無法滿足旅客快捷舒適出行的需求，急需對(duì)既有站房進(jìn)行改擴(kuò)建。改擴(kuò)建方案新建站房增加建筑面積23 928 m2，新增一臺(tái)一線，新增跨線旅客天橋一座，將旅客進(jìn)出站流線由下進(jìn)下出改為上進(jìn)下出，設(shè)計(jì)最高聚集人數(shù)為2 600人。

2.1 天橋原設(shè)計(jì)方案

新增旅客天橋采用兩跨連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)形式，鋼桁梁全長(zhǎng)62 m，基本站臺(tái)與二站臺(tái)跨度為35.87 m，二站臺(tái)與三站臺(tái)跨度為15.5 m。天橋站房端支座設(shè)置在站房混凝土框架結(jié)構(gòu)牛腿上，另兩跨支座分別位于二站臺(tái)和三站臺(tái)的混凝土框架柱頂。二、三站臺(tái)天橋基礎(chǔ)為直徑600 mm，長(zhǎng)64 m的鉆孔灌注樁，分離式承臺(tái)基礎(chǔ)，二站臺(tái)4個(gè)分離式承臺(tái)每個(gè)平面尺寸4 m×1.6 m，站臺(tái)面下埋深2.3 m，上部為直徑800 mm的混凝土柱。天橋原設(shè)計(jì)方案示意圖見圖1。

2.2 施工難點(diǎn)

三站臺(tái)位于原線路邊坡外側(cè)，基本為新建工程，與既有結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)不大，施工比較便捷。二站臺(tái)為既有站臺(tái)，承擔(dān)客運(yùn)任務(wù)，在二站臺(tái)施工既要考慮客流組織，也要考慮運(yùn)輸安全保障?？傮w施工組織為：先施工三站臺(tái)，然后啟用三站臺(tái)和8道，停用既有二站臺(tái)和兩側(cè)4道、6道進(jìn)行天橋基礎(chǔ)施工。二站臺(tái)的天橋基礎(chǔ)施工在正常運(yùn)營的正線和8道、三站臺(tái)之間，施工組織和技術(shù)管理難度高，開行動(dòng)車的營業(yè)線安全保障要求極其嚴(yán)格，確保營業(yè)線行車安全尤為重要。

2.3 二站臺(tái)既有基礎(chǔ)和施工條件

二站臺(tái)下既有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為原地面設(shè)置直徑400 mm管樁+邊長(zhǎng)1.6 m樁帽結(jié)構(gòu)，樁間距2.5 m，樁帽上回填A(yù)B組填料，填高6.8 m，站臺(tái)寬度10.5 m。

二站臺(tái)改造施工時(shí)，三站臺(tái)和8道已經(jīng)啟用，通過提前籌劃，原有地道在三站臺(tái)接長(zhǎng)施工時(shí)，將地道延長(zhǎng)4 m，并進(jìn)行分隔，施工人員和小型機(jī)具從三站臺(tái)外側(cè)通過地道進(jìn)出二站臺(tái)，旅客從基本站臺(tái)經(jīng)地道進(jìn)出三站臺(tái)，既保證了旅客的交通順暢，也解決了施工人員、小型設(shè)備和零星材料的進(jìn)出困難。但鉆機(jī)、鋼筋籠、起重機(jī)、挖掘機(jī)、土方外運(yùn)車等大型設(shè)備和材料無法通過地道運(yùn)輸，只能在天窗點(diǎn)內(nèi)通過三站臺(tái)端部8道上設(shè)置的平過道進(jìn)行運(yùn)輸。

2.4 施工面臨的困難及風(fēng)險(xiǎn)分析

1)基坑支護(hù)要求極高。因既有站臺(tái)存在管樁及樁帽結(jié)構(gòu)，鉆孔樁在既有管樁間施工，只有先行支護(hù)開挖到既有樁帽結(jié)構(gòu)頂面才能找到合適的鉆孔位置，基坑開挖深度達(dá)到6.8 m，基坑內(nèi)邊緣距Ⅱ道正線中心僅5 m，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)必須保證正線全速通過動(dòng)車的行車安全，對(duì)沉降位移要求嚴(yán)苛，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)、監(jiān)測(cè)要求高、施工工序多、施工進(jìn)展慢，安全風(fēng)險(xiǎn)不易控制。

2)鉆孔樁成孔作業(yè)困難。受原有管樁基礎(chǔ)影響，在確定樁位后回填至承臺(tái)底標(biāo)高再施工鉆孔樁，挖填土方量巨大，因基坑支護(hù)、場(chǎng)地條件限制，回填施工難以使用大型機(jī)械，壓實(shí)困難，施工工期大大延長(zhǎng)。如果開挖至樁帽后，采用回旋鉆在基坑底部施工，泥漿池?zé)o法設(shè)置，泥漿循環(huán)處理復(fù)雜，且填充混凝土?xí)r泥漿大量外溢，無法及時(shí)抽排，泥水浸泡基底軟土后，更易造成基坑失穩(wěn)和線路沉降位移，影響行車安全?；觾?nèi)的支護(hù)結(jié)構(gòu)影響鉆機(jī)的移動(dòng)，進(jìn)一步增加了施工的復(fù)雜性和安全風(fēng)險(xiǎn)。若采用旋挖鉆工藝，則無法設(shè)置基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，必須在確定樁位后回填基坑，增加土方挖填運(yùn)輸量，回填質(zhì)量難以控制，且旋挖鉆機(jī)架高度大，鄰近接觸網(wǎng)，旋挖取土施工軟土地基擾動(dòng)太大，極易造成線路沉降變形影響行車安全的隱患，基本不可行。

3)鉆孔樁施工時(shí)間受限制較大。樁長(zhǎng)64 m的灌注樁成孔后需要及時(shí)進(jìn)行鋼筋籠下放及混凝土澆筑，二站臺(tái)場(chǎng)地狹小，天窗點(diǎn)時(shí)間短，不能保證鋼筋籠下放和混凝土澆筑的連貫性，易造成塌孔、斷樁等質(zhì)量問題，本工程所在地區(qū)地表下30 m左右為淤泥質(zhì)流塑性土，地質(zhì)條件非常差，施工期過長(zhǎng)易造成周邊路基下沉，危及既有線行車安全。

4)機(jī)具設(shè)備進(jìn)退場(chǎng)和吊裝作業(yè)困難。由于二站臺(tái)處于運(yùn)營的正線和8道、三站臺(tái)之間，鉆機(jī)、挖掘機(jī)、吊機(jī)、土方和鋼筋籠運(yùn)輸車輛、混凝土罐車都只能在天窗點(diǎn)內(nèi)通過設(shè)置在8道的臨時(shí)平過道進(jìn)出，天窗點(diǎn)只有2 h～4 h，作業(yè)時(shí)間非常有限，施工組織困難、施工周期長(zhǎng)，不僅對(duì)運(yùn)輸安全帶來較大的風(fēng)險(xiǎn)，也會(huì)對(duì)施工質(zhì)量帶來不利影響。

3 基于現(xiàn)實(shí)安全需求和現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化

針對(duì)分析的問題和困難，需要找到相應(yīng)的解決辦法。既要降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)、減少施工難度，縮短施工工期，保證施工質(zhì)量，又要達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期的功能和質(zhì)量目標(biāo)。因此通過現(xiàn)場(chǎng)工況分析及地基承載力計(jì)算，對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化[4-5]，是降低項(xiàng)目建設(shè)過程中安全風(fēng)險(xiǎn)的重要途徑。

3.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化的基本條件

1)荷載條件：天橋鋼梁總長(zhǎng)為62 m，寬為8 m，自重2 600 kN，設(shè)計(jì)人群荷載3.5 kN/m2，二站臺(tái)支座設(shè)計(jì)荷載約2 170 kN。

2)地基承載力條件：既有二站臺(tái)運(yùn)營近10 a，地基沉降已趨于穩(wěn)定。預(yù)應(yīng)力管樁樁帽上填土的填高為6.8 m，二站臺(tái)天橋承臺(tái)基礎(chǔ)外廓尺寸為13.1 m×6.3 m=82.53 m2，如果采取箱型筏板基礎(chǔ)，適當(dāng)擴(kuò)大基礎(chǔ)尺寸為14 m×9 m×3.6 m，將置換掉土方453.6 m3，估算箱型筏板基礎(chǔ)混凝土166 m3，天橋框架柱混凝土34 m3，鋼筋混凝土容重按24 kN/m3計(jì)算，土方容重按17 kN/m3計(jì)算，置換的土方對(duì)原管樁基礎(chǔ)減載達(dá)2 910 kN，已經(jīng)超過天橋在二站臺(tái)增加的荷載值。

因此，采用箱型筏板基礎(chǔ)，天橋在二站臺(tái)傳遞的基礎(chǔ)荷載不僅沒有超過未施工前既有預(yù)應(yīng)力管樁的荷載，還有所減少，不會(huì)因?yàn)樵黾犹鞓蚨黾雍奢d，造成沉降或預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)失穩(wěn)，箱型筏板基礎(chǔ)還能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工安全和運(yùn)營需要對(duì)平面尺寸、開挖深度進(jìn)行靈活調(diào)整。該方案能夠減少對(duì)地基基礎(chǔ)的擾動(dòng)，避免鉆孔樁施工帶來大型機(jī)械設(shè)備作業(yè)、物料運(yùn)輸困難和突出的營業(yè)線運(yùn)輸安全風(fēng)險(xiǎn)，更好地保障鐵路運(yùn)輸安全。

3)結(jié)構(gòu)條件：原設(shè)計(jì)天橋鋼梁為2跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，基本站臺(tái)支座設(shè)置在站房框架柱牛腿上，三站臺(tái)基礎(chǔ)為鉆孔樁。如果二站臺(tái)取消鉆孔樁基礎(chǔ)，改為箱型筏板基礎(chǔ)，二站臺(tái)天橋荷載比原有站臺(tái)填土荷載有所減少，但基坑開挖回填施工后，受地基開挖擾動(dòng)影響較大，與基本站臺(tái)、三站臺(tái)的站房框架結(jié)構(gòu)和樁基礎(chǔ)相比，仍有產(chǎn)生不均勻沉降的可能。把連續(xù)鋼梁結(jié)構(gòu)改為2跨簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，可以有效改善不均勻沉降對(duì)鋼梁內(nèi)力帶來的不利影響，但會(huì)帶來基本站臺(tái)、二站臺(tái)跨間鋼梁撓度增大，需要細(xì)致考慮。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于荷載和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可行性分析，對(duì)二站臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和天橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[6]：

1)通過對(duì)結(jié)構(gòu)荷載分析、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)配筋及地基承載力計(jì)算，改為箱型筏板基礎(chǔ)。

2)天橋基礎(chǔ)與扶梯基礎(chǔ)共同設(shè)置，提高基礎(chǔ)底標(biāo)高，利用既有站臺(tái)墻，支護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便。

3)箱室底部設(shè)置排水孔，通過站臺(tái)墻泄水孔引排至線間排水溝，防止長(zhǎng)期運(yùn)營中降雨、站臺(tái)面滲水在箱內(nèi)積存造成荷載增大和地基承載力下降。

4)優(yōu)化支座結(jié)構(gòu)，提高冗余。取消鉆孔樁基礎(chǔ)后，天橋鋼梁仍采用2跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，但在二站臺(tái)天橋鋼梁支座位置采用可調(diào)結(jié)構(gòu)，在運(yùn)營中如果出現(xiàn)不均勻沉降時(shí)及時(shí)對(duì)支座高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以消除不均勻沉降對(duì)天橋結(jié)構(gòu)受力帶來的不利影響。

5)優(yōu)化墩身框架柱結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化施工。原設(shè)計(jì)天橋下部墩身為混凝土結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)，柱高10 m，上部設(shè)計(jì)1 m圈梁一道，現(xiàn)場(chǎng)施工需要搭設(shè)現(xiàn)澆滿堂支架和腳手架，架體傾覆范圍已侵入既有線路，施工工序復(fù)雜，對(duì)營業(yè)線施工安全影響比較突出。將混凝土框架結(jié)構(gòu)改為鋼結(jié)構(gòu)，工廠加工為成品，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)后利用小型吊車吊裝，一個(gè)天窗點(diǎn)內(nèi)至少可以完成2根鋼管柱的安裝，現(xiàn)場(chǎng)施工工序少，施工速度快，極大降低了營業(yè)線行車的安全風(fēng)險(xiǎn)，也減少了箱型筏板基礎(chǔ)上方的恒載。

4 設(shè)計(jì)變更后的施工組織情況

在現(xiàn)場(chǎng)按照設(shè)計(jì)優(yōu)化變更圖紙實(shí)施，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后現(xiàn)場(chǎng)施工圖見圖2。現(xiàn)場(chǎng)在基坑開挖、箱型基礎(chǔ)頂板施工、鋼結(jié)構(gòu)拼裝等方面基本消除了大型吊裝作業(yè)，大型機(jī)械物料運(yùn)輸?shù)墓ぷ髁恳泊蟠鬁p少，作業(yè)面寬闊。通過在站臺(tái)有限空間內(nèi)，合理布局施工進(jìn)出路線，增加作業(yè)人員，僅用30 d就完成土方及結(jié)構(gòu)施工，保質(zhì)保量順利完成基礎(chǔ)施工，保證了后續(xù)旅客天橋頂推施工按期圓滿完成。整個(gè)建設(shè)過程中無安全質(zhì)量事故發(fā)生，二站臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工較原設(shè)計(jì)減少費(fèi)用支出約100 萬元。天橋安裝完成投入運(yùn)營后，沒有因?yàn)槎九_(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)改變帶來明顯的不均勻沉降，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

5 結(jié)語

杭深鐵路蒼南站改擴(kuò)建工程二站臺(tái)天橋基礎(chǔ)施工中，在確保設(shè)計(jì)功能的前提下，充分利用既有結(jié)構(gòu)，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，大大降低了施工難度和安全風(fēng)險(xiǎn)，既實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)功能和工程質(zhì)量目標(biāo)，也滿足了客運(yùn)專線運(yùn)營安全的核心要求，節(jié)省了工期及費(fèi)用，具有良好的經(jīng)濟(jì)、安全、工期等綜合效益，為后續(xù)同類站房改造工程建設(shè)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，具有良好的使用推廣價(jià)值。