有轨电车与地铁并行段的暗桥设计研究

范军琳

(中铁上海设计院集团有限公司城建设计院,200070,上海∥总工程师)



有轨电车与地铁并行段的暗桥设计研究

范军琳

(中铁上海设计院集团有限公司城建设计院,200070,上海∥总工程师)

针对软土地区某新建有轨电车线下结构部分区段与既有运营地铁隧道线路近距离平行的情况,从有轨电车线路的桥式选择，以及桩基施工方法和运营期两者对地铁隧道的影响等方面进行了计算分析,确定了有轨电车的暗桥设计方案及参数。

有轨电车; 地铁特别保护区; 并行段； 暗桥

Author′s address Urban Construction Design Institute,China Railway Shanghai Design Institute Grouop Co.,Ltd., 200070,Shanghai,China

近几年来,城市轨道交通、综合管廊的建设如火如荼,对地下空间的利用越来越充分,市政工程、地铁工程等相互交叉的情况越来越不可避免。如何在临近既有工程实施新工程,是后续工程设计施工的难点。

轨道交通作为城市大运量的公共交通系统,其安全性及通畅性等维系民生,至关重要。为保证地铁安全运营,各地都出台了有关地铁保护的条例。通常地铁特别保护区为隧道结构外边线外侧5 m内,特别保护区内建设工程必须慎之又慎。本文以某有轨电车工程与既有地铁并行段为案例,研究讨论在地铁特别保护区内的桥梁设计方案。

1 工程概况

某有轨电车工程敷设在既有城市道路中分带上,道路下有已经通车运营多年的地铁线路。两者有一段并行段,长约150 m；有轨电车线路位于地铁区间上方,处于地铁特别保护区范围内。两者断面关系详见图1。地铁为双线隧道,盾构埋深约5.8～19.1 m。由于地铁已经运营,不可中断,故在有轨电车项目设计中,必须分析清楚新建工程施工期对地铁隧道结构的影响以及运营期两者之间的相互影响。工程所处位置为长江漫滩区域,地下水丰富,地层从上至下分别为杂填土、淤泥质土、粉细砂、卵砾石、强风化泥岩。土层物理参数详见表1。地铁隧道底位于粉细砂层,故对周围建构筑物的实施比较敏感。

图1 有轨电车线路与地铁关系横断面图

表1 土层物理参数表

2 暗桥设计

为确保地铁安全,有轨电车线路的设计方案必须做到少扰动盾构周边的土体,减少附加荷载,尽量远离盾构结构。最早的方案拟采用泡沫混凝土加筏板的路基形式,以减轻自重,减少路基构筑物尺寸。有轨电车的荷载通过轨道结构传力至路基,再至盾构上方的土体。对路基方案,建立了车辆-轨道耦合动力学模型,分基床开挖、结构浇筑、有轨电车引起隧道结构附加动应力、有轨电车后期沉降影响隧道位移、区域及地铁沉降影响有轨电车位移附加应力等五种工况进行分析。结果发现：路基方案中有轨电车引起隧道结构的附加动应力值比较大,由此引起隧道水平收敛率加剧恶化,对盾构隧道的结构安全存在隐患。研究决定采用暗桥方案,在土体中设置桥梁,承受有轨电车的荷载,盾构隧道上方土体不承受有轨电车荷载。图2为暗桥与地铁隧道关系横断面图。

图2 暗桥与地铁隧道关系横断面图

2.1 暗桥结构设计

2.1.1 桥跨布置

考虑到暗桥是埋置在土体中的,土体为干湿交替环境,桥梁支座易受腐蚀,更换时还需开挖土体,会对道路交通造成不利影响,故暗桥的结构形式选取了连续刚构以大大减少支座数量。考虑地铁隧道对地面荷载的变化比较敏感,桥梁梁部开挖施工引起的土体卸载会引起隧道结构的变形,故梁部高度不能过高,加之土中梁部施工不宜采用预应力结构。这些限制条件使得连续刚构的跨度不能过大;而过小的跨度势必造成下部结构的桩基数量增多,在隧道附加桩基施工又会影响隧道结构安全。

综合考虑以上因素,连续刚构的跨度定位14 m,孔跨布置形式为1联(4+12+3×14+12+4)m双线连续刚构+1联(4+12+3×14+12+4)m单线连续刚构,桩基距盾构边缘的净距原则上大于2 m,最小净距约2.2 m。

2.1.2 结构受力分析

为减少暗桥开挖深度,梁部结构采用槽型梁形式,支点处梁高1.5～2.0 m,其余部位梁高1 m。图3为连续刚构暗桥立面示意图。图4为主力作用下结构内力图。

图3 连续刚构暗桥立面示意图

图4 主力作用下结构内力图

对连续刚构暗桥用有限元软件MIDAS建立模型进行结构受力计算分析。从图4中可以看出,纵梁跨中正弯矩约为支点负弯矩的1/3,约为1 500 kN·m,相对较小,较小尺寸的梁断面即可满足受力要求;桩基弯矩约为600 kN·m,采用桩径1.2 m可满足受力要求。从整体来看,结构构件内力分配强弱分明,且与其尺寸吻合,结构受力合理。

2.2 暗桥施工对地铁隧道的影响研究

2.2.1 钻孔灌注桩成桩工艺研究

由于临近地铁隧道,钻孔桩施工是比较敏感的。钻孔灌注桩的施工可以分为两步:钻孔和灌注混凝土。通常桩基钻孔采用泥浆护壁,通过泥浆护壁抵抗土体侧压力作用。泥浆护壁对周围土体作用力可通过下式进行计算:

P=ρgI

(1)

式中:

P——泥浆护壁作用于周边土体的作用力;

ρ——泥浆的密度;

g——重力加速度,取为10 m/s2;

I——泥浆深度。

为了研究钻孔施工阶段对盾构隧道的影响,运用有限元软件Plaxis进行仿真模拟,左右边界水平约束,底边全约束。用线性荷载模拟泥浆作用,泥浆的液面从地面算起,线性荷载大小按公式(1)计算确定。用平面应变进行模拟,土层和隧道均根据实际情况进行参数设置。图5为有限元模型图。图6为数值模拟泥浆护壁的施工对隧道的影响。

图5 有限元模型图

图6 数值模拟泥浆护壁的施工对隧道的影响

采用泥浆护壁钻孔引起的地铁盾构隧道位移达到11.7 mm。这个值还只是理论计算值。由于钻孔需穿越最大厚达23 m的粉细砂层,故钻孔时成孔难度大,易形成坍孔,对盾构隧道的运营安全存在极大风险。为了减小对既有地铁隧道的影响,决定采用钢套筒工艺钻孔成桩。钢套管深度必须超过隧道底部,确保成桩时隧道结构的安全。

2.2.2 钢套管压入深度研究

钢套管压人深度的合理取值对施工的顺利实施具有重要意义。当钢套管护壁深度与桩的长度相同时,称为全套筒工艺,不仅不经济,而且随着套管压入深度的增加,压入钢套管的下压力也在增大,钢套管压入也越困难,使得钢套管的厚度也要增加。大的压入力会对周边土体产生挤压效应,理论上对隧道的影响也要加大,所以,套管只需超出隧道底部一定的范围即可。

套管的压入深度主要考虑的是套管以下部分采用泥浆护壁钻孔时,由于应力释放,周围土体向钻孔中心发生位移,由此产生了隧道的变形。其中图7为套管压入不同深度时泥浆对周围土体的作用力。

图7 钢套管压入时泥浆对周围土体的作用力图

图7中：h为钢套管的压入深度,P1为钢套管底部泥浆护壁对于周围土体的作用力,P2为泥浆护壁施工到最底部时泥浆对于周围土体的作用力。钻孔桩成孔总深度H为60 m。由于钢套筒的限制使得套筒内的泥浆对于周围土体没有作用力。钢套管的压入深度不同时,泥浆护壁对于周围土体的作用力也有所不同。为了研究钢套管在不同的压入深度时,泥浆护壁的施工对隧道的影响,运用有限元软件Plaxis进行仿真模拟,用线性荷载模拟泥浆作用。钢套管阻隔了套管内土柱和管外土体的接触,使这两者没有相互作用,所以在进行数值模拟时套管部分采用刚性约束,套管以下部分施加泥浆压力,泥浆的液面从地面算起。土层和隧道根据实际情况进行参数设置。

图8为套管压入深度超出隧道底部不同深度时的隧道水平位移与垂直位移。由图8可以看出,当钢套管压入深度超出隧道底部3 m时,其水平位移与垂直位移都小于1.5 mm。同时,当继续增加套管的压入深度时,对减小隧道的变形效果增加不明显。综合考虑施工的安全、施工难度及施工成本,对套管的压入深度定为超过隧道底部3 m,套管以下部分采用普通钻孔灌注柱施工工艺,这是比较可行的。

图8 套管压入深度超出隧道底部不同深度时的隧道水平位移与垂直位移

2.2.3 混凝土灌注对既有隧道的影响分析

钻孔灌注桩在混凝土灌注时对既有隧道的影响可以通过施加侧向压力的方法来模拟。在模拟过程中,由于混凝土的流动性较正常液体差,因此混凝土对孔壁产生的压力计算方法与泥浆对孔壁产生压力的计算方法不同。通过分析,混凝土浇筑时对隧道的影响很小。

2.2.4 梁部施工对地铁隧道的影响

连续刚构梁部的施工工序分为两步:基坑开挖,现浇轨道梁及盖梁。运用有限元软件Plaxis 3D Tunnel进行仿真模拟,得出开挖土体对隧道的影响。模型属性同前。通过计算得到在盖梁基坑开挖及轨道梁基坑开挖过程中的隧道结构的变形。由于开挖土体较浅,卸载作用不大,地铁隧道的最大位移约为1 mm,对隧道影响不大。

2.3 运营期有轨电车与地铁隧道的相互影响

在运营期,分别考虑有轨电车运营期荷载对地铁隧道的影响，以及地铁隧道后期沉降对有轨电车的影响,建立模型进行计算分析。由于暗桥结构的保护作用,两者相互影响较小。模拟有轨电车运营期荷载对隧道影响结果及隧道沉降对有轨电车影响的结果见表2。

3 结论

本文通过对与地铁并行段有轨电车线路的暗桥设计方案的研究,分析了其结构自身受力特点,并对施工期对地铁隧道的影响、运营期与地铁隧道的互相影响进行了分析评价,得到如下结论:

(1) 与路基方案相比,暗桥方案能将对临近地铁隧道的影响降到最小,能保证地铁隧道结构及运营安全。

(2) 桩基离临近隧道的净距宜大于2 m。桩基采用常规泥浆护壁施工对既有地铁影响较大,而采用钢套筒钻孔灌注桩施工方案,可保证地铁运营安全。

表2 有轨电车与地铁隧道相互影响值统计表

(3) 当套管压入深度超出隧道底部一定深度时,钻孔灌注桩施工对隧道位移影响已经较小,无需采用将钢套管深入桩底的要求。

(4) 暗桥梁部的尺寸应尽量小,以减少开挖施工对地铁隧道的影响。

(5) 在暗梁结构的保护下,新建工程与地铁隧道基本隔离,在后期运营过程中两者相互影响均很小。

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Design and Research on Subsurface Bridge in the Parallel Section of Tram and Metro

FAN Junlin

When the structural section of a new tram line is parallel to the existing subway tunnel line in close distance on soft soil area, the subsurface bridge design and parameters of the tram line are to be determined. In the paper, the tram bridge selection and pile construction method are studied, the mutual influences on the metro tunnel during the operation period is analysed, the design scheme and parameters of subsurface bridge are decided.

tram; metro special reserved zone; parallel section; subsurface bridge

U 442.5∶U 482.1

10.16037/j.1007-869x.2017.05.008

2017-02-08)