某暗挖车站穿越桥梁的方案优化

邱术来

（中铁隧道勘测设计院有限公司，北京 100073）

某暗挖车站穿越桥梁的方案优化

邱术来

（中铁隧道勘测设计院有限公司，北京 100073）

车站主体暗挖大断面穿越建构筑物时，会对建构筑物产生一定变形影响，能否合理控制建筑的水平位移及沉降至关重要，直接决定车站采用何种工法。论文以北京地铁某车站为例，通过车站与桥梁的相互位置关系及地层等特点，提出洞柱法[1]施工和洞桩法[1]施工穿越桥梁的设计方案，并结合经验及理论分析计算，得出在该种情况下洞柱法方案更具有优越性。该方案可大量推广应用于类似的设计及施工。

洞柱法；洞桩法；桥桩；深孔注浆

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.072

1 引言

随着我国城市化的飞速发展，城市交通受到严峻的挑战，以地铁为代表的公共交通的重要性日益显现，各大城市掀起了大规模建设地铁的热潮。而地铁新建的一个突出问题就是车站主体邻近穿越桥桩的设计和施工，车站采取何种工法施工能满足桥梁安全可靠及施工方便已成为目前地铁设计界的重要研究课题之一。

目前，暗挖洞柱法和洞桩法已经广泛用于城市地铁基础设施建设，这两种工法施工不可避免的会遇到各种建构筑物。都有成功穿越桥梁等建构筑物的文献，如文献[2]。其中文献[2]主要讲述北京地铁6号线花园桥站根据数值模拟及监测结果分析等注浆加固条件下4导洞法控制远、近侧桩基位移效果比5、6导洞法稍好，文献[3]主要讲叙北京地铁10号线国贸站采用洞桩法施工对邻近桥桩的影响，并提出了地铁邻近桥桩施工的控制措施。

马甸站车站主体主要位于砂层和卵石层中，根据施工需要暗挖邻近匝道桥桥桩。本文通过吸收以前成功经验后，对马甸站邻近穿越匝道桥的洞柱法和洞桩法方案设计进行可行性比较分析，确定较优方案，并对其设计方案进行优化。

2 工程概况

北京地铁12号线马甸站车站位于马甸桥与京藏高速Z2匝道桥相交东南象限下北三环中路路下，沿北三环中路东西向设置。车站为暗挖双层双跨岛式车站，站前、后区间均采用矿山法施工。车站全长281.6m，站台宽度12m，主体结构断面尺寸1.3m× 16.5m，结构覆土约11.14m。

2.1 工程地质及水文地质

车站主体结构主要位于粉细砂④3层、卵石－圆砾⑦层及粉细砂⑦2层。

勘察报告显示，拟建场地范围内主要赋存有一层地下水，地下水类型为层间潜水（四），层间潜水（四）稳定水位标高为16.02m，水位埋深为32.30m，水位标高位于车站底板以下约4.2m。

2.2 匝道桥桩基概况

匝道位于北三环路，由东向西跨越三环路辅路、马甸立交一条转向匝道及京藏高速路东辅路，接至京藏高速路东主路。

上部结构：全桥共分4联。第一联：Z0~Z3号墩，为3跨预应力混凝土简支T梁，跨径24+24+24=72m。Z2-0墩:五桩承台钻孔灌注桩D=1200mm,桩底标高23.797m，23.737m；Z2-1～Z2-3墩均为两桩承台钻孔灌注桩D=1200mm。第二联：Z3~Z6号墩，为3跨预应力混凝土连续箱梁，跨径26+28.5+26=90.5m。Z2-4墩为两桩承台钻孔灌注桩D=1200mm。

下部结构均采用单柱+承台+桩基础形式。匝道桥与车站位置关系（见表1）

表1 匝道桥与车站位置关系

3 制约因素及方案确定

3.1 制约因素

采取目前设计方案的原因如下：

1）避开桥桩无法实现

车站西端马甸桥及京藏高速Z1匝道桥，马甸桥等级为D级，车站及区间为避开这两处桥桩，车站无法向西移或南移。

2）距离桩基距离不是很近

车站主体外皮距离匝道桥Z2-0#～Z2-4#墩柱桥桩水平距离8.86～10.94m，距离不是很近，在主观上可以接受。

3）车站埋深受到限制

与车站主体垂直4.4m×2.8m的热力沟埋深较深，车站轨面标高难以上抬，目前方案车站底板位于桩端附近。

3.2 设计方案的可行性

目前北京地区采用洞柱法及洞桩法穿越桥桩成功案例较多，具体采取何种工法根据桥桩位置关系及地层等各个因素而定：

1）当车站主体主要位于粉质土层中邻近穿越桥桩一般采用洞桩法施工（如北京地铁10号线国贸站穿越国贸桥区[4]）；

2）当车站主体主要位于卵石土层中邻近穿越桥桩一般采用洞柱法施工（如北京地铁6号线一期工程花园桥站穿越花园桥桥桩[3]）；

3）两种工法均有成功的案例，这两种工法在控制变形及沉降方面均具有优越性；同时对邻近桥桩边的小导洞拱部及侧墙进行深孔注浆的措施，控制好小导洞开挖过程中的变形；在砂卵石地层中穿越桥桩这两种工法是可行的。

4 存在的问题及对方案的优化

4.1 地层的特殊性及施工存在的问题

本车站主体穿越地层主要为砂卵石地层，砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层[5]，颗粒之间孔隙大，没有粘聚力。在无水状态下，颗粒之间点对点传力，地层反应灵敏。在小导洞开挖、人工挖孔桩及钻孔灌注桩开挖时，地层很容易破坏原来的相对稳定或平衡状态而产生坍塌，引起较大的围岩扰动。在小导洞及边桩开挖施工过程中，对卵石的稳定性扰动较大，从而影响匝道桥桥桩的沉降及水平变形。

在小导洞内在砂卵石地层采用钻孔灌注法施工边桩，此方法在北京16号线普遍使用。在小导洞狭小空间内进行钻孔灌注桩的作业条件比较恶劣，边桩的成孔及作业时间较长；在砂卵石采用泥浆护壁成孔易造成踏孔的问题；在砂卵石地层进行人工挖孔也易造成坍塌，在孔洞内作业的通风条件较差。如果在邻近桥区频繁出现地层不稳坍塌及施工作业时间延误较长的话，后果不堪设想。

4.2 方案的优化

目前的设计方案，边桩及小导洞穿越桥梁桩基时，均位于卵石层或粉细砂层。鉴于施工风险较大，为减小施工风险，在穿越桥桩前后5m范围内对小导洞邻近桥桩侧侧壁及拱部开挖轮廓线以外1.5m区域土体进行深孔注浆加固；人工进行边桩开挖施工，每节护壁的高度减小到0.5m，并随挖、随验、随灌注混凝土，及时处理好通风问题；通过调整泥浆浓度、机械优化及操作防止踏孔。以下针对洞柱法和洞桩设计方案进行力学分析对比。

5 力学模拟分析

5.1 模拟方法

使用专业岩土工程分析软件——MIDAS/GTS建立模型。对洞柱法邻近穿越桥桩及洞桩法邻近穿越桥桩过程进行数值模拟分析，模拟尽可能做到与实际施工情况相符。通过模拟计算，得到施工过程中桥桩的水平位移及垂直沉降。

5.2 数值模型

5.2.1 本构模型

根据本工程实际情况，数值模型本构关系土体选用莫尔-库伦准则，土体、桥桩及主体二衬等采用平面应变单元。

5.2.2 边界条件

应力边界条件为：竖直方向按土层自重应力，水平方向应力为0.6倍自重应力。位移边界条件为：模型顶面自由，四周约束各边界面的法向位移，底面完全约束。

5.2.3 地质条件

车站围护结构参数边桩取C30混凝土，导洞单元参数取C25混凝土，主体二衬结构参数取C40混凝土数。其中土体参数根据地质勘测资料，见表2。

表2 岩土物理力学指标

5.2.4 模型建立

根据现场情况，结合数值模拟的基本要求，建立二维模型分析车站主体施工工程中对桥桩的影响情况，模型全貌见下图，宽62m，土层厚度45m，单元采用平面应变模型。见图1、图2。

图1 洞柱法整体数值模型网格图

图2 洞桩法整体数值模型网格图

5.3 数值模拟计算计算过程中车站施工按实际工况，先对土层深孔注浆加固，再依次开挖小导洞、边桩、中柱及扣初支大拱，完成初期支护，最后浇筑二衬结构混凝土。

5.3.1 车站洞桩法施工邻近穿越桥桩计算结果（见图3、图4）

图3 洞桩法施工桥桩竖向位移图

图4 洞桩法施工桥桩水平位移图

5.3.2 车站洞柱法施工邻近穿越桥桩计算结果（见图5，图6）

图5 洞柱法施工桥桩竖向位移图

图6 洞柱法施工桥桩水平位移图

5.4 计算结果分析

通过数据分析的结果可以看出：采用洞桩法施工时，桥桩沉降值为1.34mm，水平位移为1.90mm；洞柱法施工时，桥桩沉降值为0.75mm，水平位移为1.00mm。从对结构变形量可以看出两种工法对桥桩的变形的影响均不大，均能满足桥梁结构安全变形的要求，但洞柱法对桥梁的影响较洞桩法小。

根据以往伦理和数值分析及现场监测数值，在控制地面沉降方面洞桩法施工较洞柱施工有利，而本工程在控制桥梁变形方面，显然是洞柱法施工较优。其主要原因：砂卵石地层中通过对下小导洞拱部及侧墙进行深孔注浆加固，其土层稳定性及强度得到加强；人工挖孔桩在砂卵石地层采取缩小开挖节深度及加强护壁支护，土层的稳定得到保障，施工作业简便、灵活、快捷；钻孔灌注桩在卵石地层作业，其地层稳定性受到工人对机械操作水平影响较大，作业空间狭小，施工进度受到制约；洞柱法车站底板施做横向条基，对其控制车站周围土体及桥桩水平位移有利，而施做横向条基的导洞开挖断面较小，且距离桥桩较远，对桥桩的影响较小。

6 结语

本文基于实际工程为背景，借鉴类似工程的经验对车站不同工法邻近穿越桥桩进行分析，后通过理论模拟计算对两种设计方案进行比较分析并优化，得出以下结论：

1）在砂卵石地层中车站洞柱法及洞桩法施工邻近穿越桥桩可满足桥梁结构安全，在初期支护过程中砂卵石地层稳定尤为重要。

2）通过对洞柱方案进行进一步优化，其在砂卵石地层中控制桥桩变形、施工作业环境及施工进度等方面更有利。

【1】DB11/995-2013城市轨道交通工程设计规范[S].

【2】何海建.地铁洞桩法施工对邻近桥桩的影响与控制[S].

【3】韦京，王芳，孙明志.PBA工法地铁车站下穿桥梁方案优化研究[S].

【4】孙胜臣.国贸站地铁工程中对既有桥梁的综合保护技术[M].

【5】王泰典，刘世桐，陈丽华，等．砾岩地层滨海公路隧道选线与规划案例探讨[C]//第六届海峡两岸隧道与地下工程学术及技术研讨会论文集．2007.

图1 周边缝修复图

3.2 面板水平裂缝和高趾墙裂缝处理

先将缝面用钢刷清洗干净，并烘干；然后在缝面粘贴SG305-C1液体橡胶或PSI-TAPE快速修补带,涂刷PSI-200水泥基渗透结晶型防水涂料，宽度不小0.4m。

3.3 垫层料填充处理根据垫层料的级配分析，小于5mm的颗粒仅14.4%,少于设计的40%。为此,拟采用灌浆进行填充。每块面板设3排孔，排距3m，孔距3m，呈梅花状布置。孔深20～40m，可根据现场情况进行调整。灌浆材料可采水泥；为增强可灌性，可加入粉煤灰，水泥和粉煤灰各50%；对于强透水层，可掺入细砂，细砂比例根据现场情况确定，但不宜超过1/3。灌浆方法宜采用套管灌浆法。灌浆压力0.3～1.5MPa,并保证面板不被掀起。每排一般采用三序灌浆，孔距先稀再逐渐加密。

4 结语

2016年5月，我们对该项目进行回访，通过查阅监测资料，表明处理效果良好。混凝土面板堆石坝周边缝止水破坏及修复，在国内少见，故总结经验，以供参考。

【参考文献】

【1】王伟.浅谈环氧树脂混凝土配合比的设计与应用[J].科技信息,2010 (17)：10-11.

【2】曹克明,汪易森,徐建军,刘斯宏.混凝土面板堆石坝[M].北京：中国水利水电出版社，2008.

【收稿日期】2016-6-27

Optimization Scheme on A Mining Station Across a Bridge

QIUShu-lai
（ChinaRailwayTunnelSurveyDesignInstituteCo.Ltd.,Beijing100073，China）

The large cross section of station main structure through the buildings makes a certain deformation on architectural structures,and whether can reasonably control architecture is very important for the horizontal displacement and settlement, determining directly which method to use. Taking Beijing subwaystationasanexample,throughmutual positionrelationandstratigraphiccharacteristicsofstationandbridge,thisarticleputsforwardbridgeconstruction design scheme of hole column method[1]and hole pile construction method[1],through analysis and calculation, combining with experience and theory , it is concluded that, under this condition , hole columnmethod scheme hasmore advantages.Scheme can be widely promoted and applied into the similar design and construction.

holecolumnmethod;holepilemethod;bridgepier;deepholegrouting

TU921

A

1007-9467（2016）07-0111-03

2016-6-2

邱术来(1986~)，男，河南信阳人，助理工程师，从事隧道及地下工程设计研究，（电子信箱）695901702@qq.com。