顧珍苗

（上海浦東建筑設計研究院有限公司，上海市 2 01204）

探討跨越運營地鐵區(qū)間隧道的橋墩承臺設計

顧珍苗

（上海浦東建筑設計研究院有限公司，上海市 2 01204）

以民生路-楊高路立交工程的跨線橋承臺為研究對象，采用三維有限元軟件建立該橋承臺和樁的單元模型，針對跨越運營地鐵區(qū)間盾構隧道的橋墩承臺特點，對此類承臺設計要點進行了探討，并建立相關模型研究承臺施工開挖對地鐵的影響。

跨越運營地鐵；地鐵區(qū)間隧道；承臺設計；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）。跨線橋縱斷面布置如圖1所示。

因橋位下方一部分為上海市軌道交通9號線車站，則墩臺P3～P11的結構可直接設置在車站框架結構上，與地鐵車站形成整體，與車站結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)間盾構隧道上方設置的獨立墩臺Pb、P0、P1、P2，需考慮與地鐵區(qū)間盾構隧道的安全距離，則墩臺的樁基和承臺需要特殊設計，本文系研究位于地鐵盾構上方的這4個獨立墩臺的受力狀態(tài)及其構件設計。

施工區(qū)域內為地鐵9號線和少量管線，區(qū)間隧道頂部覆土約7.4 m；墩臺P3～P11之間為地鐵車站，埋深約18 m，車站為二層框架結構。因此設計時應充分考慮橋梁施工對地鐵盾構和車站結構的影響。首先需保證橋梁下部結構距地鐵盾構區(qū)間凈距最小值為3 m，盾構外徑6.3 m，故只能在距盾構中心線6.15 m以外布置樁基。再結合上部結構支座布置考慮，位于區(qū)間隧道上方的跨線橋橫斷面布置如圖3所示。

1 地鐵設施保護要求

根據(jù)《上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術管理暫行規(guī)定》第二條“地鐵保護技術標準”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對地鐵工程設施的綜合影響限度，必須符合以下標準：在地鐵工程（外邊線）兩側的鄰近3m范圍內不能進行任何施工；地鐵結構設施絕對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；相對彎曲≤1/2 500；由于建筑物垂直荷載（包括基礎地下室）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、爆破產生的震動對隧道引起的峰值速度≤2.5 cm/s。

根據(jù)地鐵有關部門的審查意見，地鐵運營線路及結構保護要求：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，地鐵結構橫向差異沉降＜0.4‰，地鐵結構的最終沉降量、隆起及水平位移量＜10 mm，施工引起的地鐵結構變形＜0.5 mm/d，且不得影響其安全正常使用。當發(fā)生下列情況時，建設單位應及時報警，并采取應急措施，保障地鐵線路安全：地鐵一側的圍護結構變形超過1.0 mm/d；監(jiān)測值超過日監(jiān)測指示或總變形控制量的1/2；其他危及地鐵結構和運營安全的事情發(fā)生時。

另外隧道與車站結構位置處的附加變形應不大于5 mm。

2 設計參數(shù)

上部結構縱向跨徑為3×18 m，減去支點中心線距邊樁中心距離，計算跨徑為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,承臺高3.25 m,立柱尺寸2.4 m×1.5 m。每個邊承臺采用5根800鉆孔灌注樁，每個中承臺采用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)框架結構考慮承臺間不均勻沉降5 mm（根據(jù)上部荷載及地質資料計算得出最大沉降差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 承臺構造及與軌道交通關系圖

尺寸擬設置為34.4m×6.6m，承臺為鋼筋混凝土王字形承臺，混凝土標號為C40，位于地鐵盾構上方,如圖4所示。

作用于每個墩身底部的荷載見表1。

表1 作用于每個墩身底部的荷載 kN/(kN·m)

3 承臺結構計算建模

采用Midas Civil 2011結構計算軟件建立下部結構基礎（包括承臺和樁）的整體模型，計算得出結構內力及系梁配筋計算。再進行承臺配筋計算，承臺內力計算采用Midas Civil模型中讀取的相應的樁頂內力，樁頂內力作為反力作用在懸臂承臺上計算出承臺內力，然后利用橋梁通計算軟件中的結構配筋模塊計算；同時進行樁基配筋計算，樁基內力在Midas Civil模型中讀取，再利用橋梁通計算軟件中的結構配筋模塊計算。

Midas Civil建模時，單個承臺采用實體單元建立模型，承臺系梁及灌注樁采用桿單元建立模型，承臺與系梁、樁間接觸的截面節(jié)點間采用剛性連接，樁底單元垂直向固結，樁周采用剛度漸變的節(jié)點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。

計算模型如圖5所示。

圖5 計算模型

4 計算方法

經承臺的結構尺寸及配筋計算擬試算求得，采用有限元模型計算出內力再進行配筋計算，最終選擇合理的結構尺寸。

承臺結構為兩榀框架結構，承臺系梁作為普通鋼筋混凝土結構進行設計，為減小系梁裂縫寬度擬采用預應力筋加強，預應力筋僅構造上考慮，不參與結構受力計算。

5 計算

橋墩荷載組合條件下，系梁高2.8 m、寬4.0 m時的內力計算結果如圖6～圖11所示。

5.1 系梁結構配筋承載力及裂縫計算

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)長期組合彎矩圖

圖11 正常使用極限狀態(tài)長期組合剪力圖

系梁結構尺寸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%；支點下緣擬采用3排3132共9332；中承臺上緣采用3排3132共9132，邊承臺上緣采用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應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG D62—2004）9.3.13]，如圖12所示。

將鋼筋輸入Midas模型的RC截面設計，裂縫驗算時考慮系數(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。得出驗算結果如下：

圖12 跨中截面配筋圖

使用階段正截面抗彎驗算、使用階段斜截面抗剪驗算、使用階段抗扭驗算、使用階段梁的裂縫寬度驗算均能滿足結構設計要求。

5.2 結構尺寸及配筋試算結果

重復上述方法試算不同結構尺寸對應的內力及配筋，結果見表2。

表2 不同結構尺寸時內力及配筋計算結果 [kN/(kN·m)]

由表2可知，基于剛度分配原理，結構尺寸越大剛度越大，分配到的框架結構內力也越大，由于該系梁較傳統(tǒng)下部結構跨徑及內力較大，導致配筋量較多，計算得跨中主筋432@128，因此應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。故經比較，最終系梁結構尺寸選擇高2.8 m、寬4 m。因系梁所受內力較大導致計算裂縫寬度較大，為適當減小內力引起的裂縫寬度，可考慮在系梁頂?shù)酌娓髟O置一排預應力鋼束，故系梁頂?shù)酌娓髟O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應力儲備，不參與結構協(xié)調受力以提高承載力。

6 承臺施工對地鐵的影響分析

6.1 基坑開挖方案

承臺基坑在地鐵區(qū)間隧道正上方施工，對隧道變形和彎曲影響較大。且基坑位于軌道交通9號線車站與盾構隧道接頭處，由于站體與區(qū)間隧道的剛度差異，帶來土體變形差異，更易引起開裂變形。整個過程包括開挖、打樁、回填3個步驟，先卸荷再加荷，土體變形和結構受力情況變化較多。

根據(jù)測量標高原地面標高可知，基坑開挖深度在4.0 m左右，擬進行分段開挖，先挖盾構側向主承臺部分（樁基部分），開挖時采用6m槽形鋼板樁側向支護,東西兩側各留60 cm施工操作面，南北向各留1m施工作業(yè)面，開挖至設計承臺墊層底。開挖到位后在最短時間進行鑿樁和底板，鋼筋綁扎，同時注意地鐵盾構的影響情況，根據(jù)需要（設計地鐵盾構的受力計算數(shù)據(jù)）進行適當加重。完成盾構外側承臺后再開挖盾構上方系梁部分，開挖時東西兩側采用4 m鋼板樁支護，開挖分兩步進行，先挖除上部1～2 m，然后自卸土面打入4 m鋼板樁支護，再開挖至設計墊層深度。

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

6.2 工程地質條件

工程地質條件見表3。

表3 土層參數(shù)表

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

6.3 計算方法及模型

6.3.1 模型概況

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

數(shù)值計算建模時考慮基坑開挖的影響范圍，其中模型長（x方向）127.7 m，寬（y方向）72.3 m，深度方向（z方向）為77 m。基坑開挖深度為4 m，土體采用實體單元進行模擬，土體材料采用莫爾-庫侖模型模擬；鋼板樁圍護、隧道襯砌等均采用板單元模擬，并根據(jù)截面進行剛度換算；樁采用結構梁單元進行模擬，并考慮樁土間接觸，圍護結構以及樁、板采用彈性材料模擬。計算模型考慮地下水的滲流，以及初始固結沉降和初始應力的影響。通過施工階段來模擬施工工況。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 結構布置情況圖

圖16 第一步主承臺部分開挖

圖17 第二步系梁部分開挖

6.3.2 施工步驟（1）施加初始應力，位移清零；（2）主承臺開挖前支護施工；（3）主承臺開挖；

（4）系梁開挖前支護施工；（5）系梁開挖；

（6）樁及承臺結構施工。

6.4 計算結果

計算結果如圖18～圖24及表4所示。

圖18 開挖完畢z向位移圖

圖19 開挖完畢x向位移圖

圖20 主承臺開挖完畢隧道側向位移圖

圖21 主承臺開挖完畢隧道沉降位移圖

圖22 系梁開挖完畢隧道側向位移圖

圖23 系梁開挖完畢隧道隆起位移圖

圖24 開挖完畢隧道和車站錯位圖

表4 計算結果統(tǒng)計 mm

主承臺及系梁開挖完畢變形結果表明，主承臺及系梁開挖對地鐵車站及盾構區(qū)間影響較小，完全滿足相關規(guī)定及有關部門的要求。

7 結語

綜上所述，跨越地鐵盾構區(qū)間的承臺因中間無法設置樁基導致系梁跨徑較大，加上本身的上部結構荷載較大，則系梁內力比一般的承臺增大很多，需要進行特殊設計，截面尺寸及配筋設計可經過多方比選得出最合理組合。內力較大的系梁結構可采用預應力鋼束減小裂縫寬度，因變形協(xié)調受力機理不夠明確可不考慮預應力鋼束參與結構受力。

為減小盾構上方土體開挖對盾構的直接影響，在系梁剛度合理的情況下應盡量減小系梁高度。承臺基坑開挖方案可選擇分步開挖分步支撐，以減小大面積開挖對下方盾構結構的不利影響。計算結果可知，承臺開挖深度4 m對覆土7.4 m的盾構隧道影響較小，盾構變形值在可控范圍內，滿足相關部門的變形控制要求。

[1]JTG D60—2015，公路橋涵設計通用規(guī)范[S].

[2]JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范[S].

[3]DGJ 08-11—2010，地基基礎設計規(guī)范[S].

[4]DG/T J08-61—2010，基坑工程技術規(guī)范[S].

[5]DGJ 08-109—2004，城市軌道交通設計規(guī)范[S].

[6]范立礎.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2012.

[7]張慶芳，張志國.公路橋梁混凝土結構設計原理[M].天津：天津大學出版社，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，從事橋梁設計工作。