地鐵某區(qū)間隧道穿越天橋托換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工

摘　要:深圳地鐵僑—華區(qū)間隧道需穿越兩座人行天橋,因天橋基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ),允許沉降30mm , 而相似地層礦山法暗挖施工降水、開挖引起的地表沉降達(dá)60～102mm , 因此,必須采取必要的加固或托換措施,才能保證隧道穿越時(shí)該人行天橋的安全。根據(jù)該段工程的地質(zhì)情況,經(jīng)認(rèn)真研究和多方面的分析比較,設(shè)計(jì)采用鋼管樁托換方案,天橋?qū)嶋H沉降為23mm , 順利解決了隧道穿越兩座人行天橋的關(guān)鍵問題。
關(guān)鍵詞: 隧道;天橋;托換結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì);施工技術(shù)
1　　工程概況
深圳地鐵一期工程延長(zhǎng)段僑城東—華僑城區(qū)間隧道需穿越兩座允許沉降為30mm 的人行天橋,而根據(jù)沉降觀測(cè),采用一般礦山法暗挖施工的相似地層,因降水、開挖引起的地表沉降達(dá)60～133mm , 不能滿足人行天橋基礎(chǔ)的允許沉降要求,因此,必須采取必要的加固或托換措施,才能保證隧道穿越時(shí)人行天橋的安全。
僑城東—華僑城區(qū)間隧道全長(zhǎng)873. 2m , 在SK15 + 438 、SK15 + 731 處,需穿越兩座基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)的人行天橋,每座天橋有2 個(gè)橋墩座落在隧道的正上方,天橋基底部距地鐵隧道洞頂8. 6～ 11m 。天橋基礎(chǔ)置于粘土層上,其下為礫砂層、礫(砂) 質(zhì)粘性土層、全風(fēng)化花崗巖等,土質(zhì)分布不均,結(jié)構(gòu)分散,厚度變化大,地下水位較高。
由于兩座人行天橋均為鋼筋混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu),橋墩沉降對(duì)其結(jié)構(gòu)安全的影響較大。為保證地鐵施工地面沉降≤30mm 、保證人行天橋的結(jié)構(gòu)安全和深南大道正常通行,從鋼管樁托換方案、旋噴樁止水帷幕止水加洞內(nèi)大管棚支護(hù)方案、地表跟蹤注漿及洞內(nèi)大管棚支護(hù)方案中,通過分析比較,選擇了鋼管樁托換方案。
2 　設(shè)計(jì)方案
2. 1 　鋼管樁托換方案原理
鋼管樁托換方案是由微型嵌巖鋼管灌注樁及包樁托梁組成的剛性結(jié)構(gòu)體系,對(duì)人行天橋橋墩基礎(chǔ)進(jìn)行托換,并通過預(yù)壓穩(wěn)壓封樁技術(shù)措施,預(yù)先完成包樁托換梁和鋼管托換樁的變形,讓大部分橋墩荷載在隧道暗挖前預(yù)先轉(zhuǎn)移到托換體系,并傳遞到受暗挖隧道施工影響較小的巖層上,從而保證人行天橋的安全。
2. 2 　托換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
托換樁設(shè)在隧道兩側(cè)距隧道開挖線50cm 以外,每側(cè)各設(shè)3 根?300mm 鋼管灌注樁,下鋼管?219mm , 樁端低于隧道底5m , 且入中風(fēng)化巖1m , 設(shè)計(jì)單樁承載力692kN 。鋼筋砼托梁位于地面下原擴(kuò)大基礎(chǔ)上,托梁與橋墩柱固定連接,形成剛性支撐。托換梁與隧道中線垂直布置,為8m ×2. 9m ×1. 0m 的C30 雙肢鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),單肢截面為500mm × 1000mm , 托梁中部與橋墩墩柱錨結(jié),鋼管樁與托梁在預(yù)壓封樁后,用同級(jí)砼填充樁梁間預(yù)留間隙,連接成整體。托換及加固結(jié)構(gòu)示意見圖1 。

圖1 　天橋基礎(chǔ)托換及加固結(jié)構(gòu)斷面圖
1.2. 3 　托換結(jié)構(gòu)計(jì)算托換結(jié)構(gòu)示意見圖2 。
2.2. 3. 1 　托梁受力計(jì)算

(1) 荷載: 集中荷載P= 恒載+ 活載= 1660 kN ×1. 2 +
221kN ×1. 4 = 2301. 4 kN 均布荷載( 托梁自重) q = 0. 65 ×1 ×26 ×2
33. 8 kN /m
(2) 單肢斷面:b ×h = 650 ×1000mm , 4I = bh3/ 12 = 650 ×10003 ÷12 = 5. 42 ×1010mm混凝土為C30 ,fc = 9. 6N/ mm2 鋼筋選用HRB335 級(jí),fy ! = 300N/ mm2
(3) 受力圖見圖3 。
(4) 受力計(jì)算:
① 支座反力: = 16. 9 ×2= RA = QA = Pb/L + qL1/2 = 2301 ×3. 9 ÷7. 0 + 16. 9 ×2 ×8/2 = 1417. 2kN

圖2 　天橋托換結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 　受力圖

RB= QB= Pa/L + qL1/2 = 2301 ×3. 1 ÷7. 0 + 16. 9 ×2 ×8/2 = 1154. 2kN
②內(nèi)力計(jì)算:
單肢梁彎矩M = Pab/L = 1/2 ×2301 ×3. 1 ×3. 9 ÷7. 0 = 1987kN·m 梁自重引起彎矩M自= 1/ 8 ×16. 9 ×72 = 103. 5kN·m M總= 1987 + 103. 5 = 2090. 58 kN·m
Pab
③撓度:f = 9EIl 　 (a2 + 2ab)3
1. 51 ×106 ×3100 = 9 ×5. 42 ×1010 ×3. 0 ×104 ×7000(39002 + 2 ×3100 ×3900) 3 = 4. 97mm
f = 4. 97mm < L/ 250 = 7000/ 250 = 28mm

滿足撓度要求。
2. 3. 2 　鋼管樁承載力驗(yàn)算
地基承載力見表1 ?！　胃摴軜对试S承載力〔P〕= 1/ 2(UΣiLiατi+αAσR)

式中:U ———樁的周長(zhǎng),m ; α、
i α 樁周摩阻力和樁底承載力影響系數(shù); Li ———各土層厚度,m ; τi 與Li對(duì)應(yīng)土層與樁壁極限摩阻力,kPa ; A 樁底面積,m2 ; σR 樁尖處的極限承載力?！睵單〕= 1/2〔0. 942 ×(0. 6 ×7. 3 ×90 + 0. 6 ×13. 9 ×80 + 0. 9 ×3. 8 ×80) + 0. 6 ×0. 0706 ×3000〕= 692. 3kN
〔P〕= 692. 3 ×3 = 2076. 9kN > P = 1417
2076. 9/ 1417 = 1. 46

滿足承載力要求。
表1 　地基承載力表
托梁以下地層厚度時(shí)代成因液性指數(shù)極限摩阻力樁尖極限承載力
(m) IL τi(kPa) (kPa)
Qm + al
7. 3 -0. 322 90
Qel
13. 9 0. 215 80
3. 8 γ1 3000

2. 3. 3 　托梁與天橋墩柱連接驗(yàn)算加固托梁與人行天橋墩柱之間通過鋼筋嵌入連接。選? 25 的16Mn 螺紋鋼作為嵌入鋼筋,查表知:fv = 175N/ mm2 。N = n ×A ×fv
式中:n 嵌入墩柱鋼筋數(shù); A 鋼筋截面積,mm2 ; fv ———鋼筋抗剪應(yīng)力,N/ mm2 。按照鋼筋剪力計(jì)算N = n ×A ×fv = 30 ×490 ×175 = 2572. 5 > 2301kN 滿足剪力要求。
3 　施工工藝和方法
3. 1 　托換結(jié)構(gòu)施工工藝及要點(diǎn)
托換結(jié)構(gòu)施工工藝流程:施工準(zhǔn)備→測(cè)量放樣、監(jiān)測(cè)布點(diǎn)→ 鉆機(jī)就位(對(duì)中,找平) →鉆進(jìn)成孔一次清孔吊放鋼管二次清孔注漿植鋼筋托梁施工預(yù)壓樁封樁。
施工要點(diǎn)為:
(1) 嚴(yán)格控制鉆孔位置、垂直度和終孔條件,以保證托換樁不侵入隧道,并保證單樁承載力。
(2) 保證橋墩連接部位的植筋及鑿毛質(zhì)量,使新舊混凝土緊密結(jié)合。
(3) 待托梁砼強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,對(duì)鋼管樁進(jìn)行預(yù)壓,通過反力支架壓樁,完成托梁及鋼管樁的沉降、變形。張拉應(yīng)對(duì)稱同時(shí)進(jìn)行,分對(duì)角、對(duì)中三次張拉,而且張拉分三級(jí)進(jìn)行,每次加載為設(shè)計(jì)的30 %左右。預(yù)壓時(shí)嚴(yán)密監(jiān)測(cè)梁的變形,及時(shí)調(diào)整預(yù)壓荷載。
(4) 達(dá)到設(shè)計(jì)壓樁力后,通過預(yù)埋件將托梁與鋼管樁焊接,然后用C40 早強(qiáng)微膨脹細(xì)石混凝土灌注封樁,使樁梁連為一體。
(5) 施工過程中挖出管樁時(shí),及時(shí)用型鋼進(jìn)行橫向支撐,以防止鋼管樁受側(cè)向壓力產(chǎn)生壓曲。

3. 2 　對(duì)相鄰橋墩的保護(hù)措施東天橋1# 、4# 墩距隧道開挖線約14m ,為擴(kuò)大基礎(chǔ);西天橋5# 、8# 墩距隧道開挖線約12m ,5 # 墩為樁基基礎(chǔ),8 # 墩為擴(kuò)大基礎(chǔ)。為防止由于隧道施工降水、開挖引起土層沉降的影響,對(duì)東天橋1# 、4# 墩、西天橋8# 墩采用旋噴樁止水帷幕加固,旋噴樁深度為基礎(chǔ)底面以上1m 至隧道底板的范圍。
3. 3 　施工監(jiān)測(cè)
監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括托換樁的沉降監(jiān)測(cè)、天橋墩柱的沉降、傾斜監(jiān)測(cè)、鄰近橋墩的沉降監(jiān)測(cè)、在托換過程中的托換梁跨內(nèi)最大撓度變形監(jiān)測(cè)和托換梁與被托換橋墩柱間節(jié)點(diǎn)滑移的監(jiān)測(cè)。
3. 4 　地面注漿
本天橋采用托換梁是永久結(jié)構(gòu),在隧道施工通過天橋基礎(chǔ)后,由于土的壓縮和地下水部分散失,天橋基礎(chǔ)下可能存在空隙, 采用從地表或擴(kuò)大基礎(chǔ)上注漿的辦法填充和加固地層。
樁基托換技術(shù)比較成熟,本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全系數(shù)較大,在托換施工前認(rèn)真進(jìn)行托換加固的技術(shù)調(diào)查和施工設(shè)計(jì),在施工過程中采用嚴(yán)格控制鉆孔位置、垂直度和終孔條件,確保單樁承載力并保證托換樁不侵入隧道;梁柱界面的處理措施到位,使新舊混凝土緊密結(jié)合,確保界面上的抗剪力,防止相對(duì)滑移;施工監(jiān)測(cè)工作貫穿始終,及時(shí)反饋監(jiān)測(cè)信息,指導(dǎo)施工等措施,能夠保證隧道施工中人行天橋的使用和安全。

參考文獻(xiàn):
[ 1 ] 　孫偉亮. 雙層大管棚托換法穿越樓房樁基隧道施工技術(shù)[J ] . 現(xiàn)代隧道技術(shù),2003 ,40 (1) [ 2 ] 　鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)[ M] . 中國(guó)鐵道出版社,1995.
[ 3 ] 　建筑樁基技術(shù)規(guī)范[ S] . 中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997.