高速公路拼宽上跨既有地铁浅埋段设计方案研究

孙中菊，疏义广

(浙江数智交院科技股份有限公司 杭州市 310030)

0 引言

随着我国交通事业的高速发展，在城市交通建设中，由于受地形地质条件的制约，地铁下穿既有高速公路的工程案例越来越多。

在地铁下穿高速公路路基时，关键控制的重点是采取措施将地面的沉降量控制在一定的范围；在地铁隧道施工时多采用暗挖法或盖挖法等[1]，并在施工时采取相应的隧道与高速公路保护措施[2]；在既有地铁浅埋段上进行高速公路路基拼宽时，首先要考虑的是如何保证高速公路的正常通行不受影响，其次要保证运营中的地铁盾构隧道变形满足相关规范要求。程雄志[3]以苏州某盾构隧道下穿高速铁路为背景，结合工程实例分析论证了联合加固法可有效减少盾构穿越高速铁路路基引起的沉降；张健[4]依据福州罗源湾北岸支线疏解线以路基形式近距离上跨既有杭深线飞鸾隧道洞身顶部的工程实例，研究了新建上跨铁路运营期间列车静载作用下隧道结构的安全性及位移的稳定性；王伟忠等[5]结合上海市轨道交通11号线盾构下穿沪宁铁路项目实例，发现土体采用高压旋喷桩加固后，可有效控制盾构穿越时所引起的地面变形。

结合工程实例对高速公路上跨既有地铁浅埋段路基拼宽及地铁保护进行方案研究及分析，通过比选，采用泡沫混凝土轻质路堤+MJS工法加固方案，在对地铁浅埋段进行保护的基础上进行高速公路路基拼宽。

1 工程概况

浙江某高速公路互通改扩建工程主线现状整体式路基宽度为24.5m，设计速度80km/h，本次互通改建工程对互通范围内主线拼宽方式采用双向对称拼宽，拼宽后按双向八车道高速公路设计，设计速度为100km/h，拼宽后路基宽度为41m。项目起段跨越在运行的地铁主线和进出车辆段线。其中进出车辆段线位置地铁隧道顶距路基边坡深6.56～7.39m。本段与地铁线位的平面相对位置关系见图1，剖面相对位置关系见图2。

图1 绕城高速公路与地铁线位平面位置关系图

图2 绕城高速与地铁线位剖面位置关系图

本节点路段地层各层特征见表1。

表1 土层物理力学性质指标表

在高速公路拓宽过程中，拓宽路基产生的附加荷载将不可避免地引起附加沉降，附加沉降将导致地铁盾构隧道产生纵向不均匀沉降。

2 拼宽保护方案技术比选

由于穿越该路基拼宽段的地铁线路为已运营线路，常规采用土石混合进行路堤拼宽将对既有地铁隧道的正常运营、使用及其安全性产生不利影响。因此，需要对该段路基拼宽采取相应的措施以保障高速公路拼宽的安全实施及下穿地铁的正常运营。

2.1 方案一：路基拼宽方案

采用泡沫混凝土进行路基填筑拼宽，平均填高为3m，对地基土超挖换填2m减重，经过沉降计算，沉降量不超过20mm。

该泡沫混凝土填筑方案地基最终沉降量满足规范要求，而增荷比超过0.2，不满足《城市轨道交通结构安全保护技术规程》[6](DB 33/T 1139—2017)第6.1.3条第3款要求。

2.2 方案二：整幅桥方案

在跨越地铁位置处，设置25m一跨桥，上部结构采用T梁，下部结构采用柱式台，采用先两侧保通，再挖除原绕城高速路基后，施工中间桥梁，桥梁上下部结构横向均连接为整体。

采用该方案，桩基离开地铁隧道边缘最小距离为6.72m。

2.3 方案三：桥拼路基方案

在跨越地铁5号线位置处外侧拼宽20m一跨桥梁，上部结构采用矮T梁，下部结构采用U台桩基础，路基位置拼宽75cm，采用矮挡墙收坡，保证桥梁和路基的接缝位置位于将来8车道绕城的第三和第四车道分界线上，桥梁和路基间设置纵向简易伸缩缝，如图3所示。

拼宽方案比较见表2，经过三个方案经济技术比选，采用整幅桥或者桥拼路基的方案均不符合本项目工程实际情况，且存在较大的安全隐患，仅采用轻质路基拼宽，增荷比又不满足地铁保护的要求，采用路基拼宽并结合其他方式对地铁隧道加以防护是合适的拼宽方式。经查阅类似工程案例并结合浙江当地常用的地铁保护方法，本次高速公路拼宽工程在采用泡沫混凝土轻质路基换填及填筑的方案情况下，补充对浅埋段地铁隧道的MJS工法加固处理，即最终方案为MJS工法+泡沫混凝土路堤拼宽。

图3 桥拼路基方案横断面示意图

表2 拼宽方案比较表

3 拼宽保护方案

首先沿老路坡脚处对拼宽范围内地铁隧道进行MJS工法加固，加固型式采用门架式，加固范围为：地铁隧道投影范围外5m，宽度为南侧至MK82+509箱涵处，北侧隧道中心线外扩30m；自地面加固至东出入段线隧道上方约1.5m，墩身加固深度不小于地铁隧底以下1.5m，地铁隧道浅埋段MJS加固设计如图4。门式架两侧土体加固采用Φ2400@2000MJS工法搅拌桩，门式架上方土体加固采用Φ2400@1800MJS工法搅拌桩。

图4 MJS工法加固设计图(单位:m)

MJS工法加固完成后，对该节点范围内绕城高速由土石混合料变更为泡沫混凝土填筑，且由原地面线向下超挖2m换填泡沫混凝土；MJS工法加固+泡沫混凝土路堤拼宽横断面设计图如图5所示。

浇注施工应采用管路泵送方式；泡沫混凝土浇注时，浇注管宜与浇注面保持缓倾角度。浇注将至顶层时，采用后退方式拖移浇注管进行人工扫平，浇注层终凝后方可进行上层的浇注施工。

图5 MJS +泡沫混凝土路堤拼宽横断面设计图 (单位:m)

4 数值计算分析

采用Plaxis有限元对本方案进行了各个阶段的施工对地铁隧道结构变形和内力分析。

4.1 模型建立

采用表1中各土层物理力学参数，计算时合并层厚较小土层，采用小应变土体硬化(HSS)本构模型，路面上部车辆荷载按18kN/m2计算，拼宽填筑采用的泡沫混凝土自重取7kN/m3。

4.2 地铁保护要求

根据浙江省工程建设标准《城市轨道交通结构安全保护技术规程》[6]，本项目地铁浅埋段结构安全状况为“Ш类”(变形控制标准为15mm)，外部作业轨道交通结构安全保护等级为“A 级”；地基最终变形量最大值不超过20mm。

4.3 计算结果

计算结果见表3。

表3 计算结果

根据计算结果，采用MJS工法+泡沫混凝土换填方案，高速公路拼宽施工对地铁浅埋段的变形满足控制标准。

5 结论

(1)在既有浅埋段地铁隧道上进行高速公路路基拼宽，需考虑填料重量及施工等对既有地铁隧道的正常运营、使用及其安全性的不利影响，采取有效的加固保护措施，并减轻所要增加荷载的重量。

(2)MJS工法作为一种新型高压旋喷工艺，在成桩直径、成桩深度以及环境友好性方面都有较大优势。MJS工法桩加固体截面形状可任意设定，对施工条件的适应性强，可用来对地铁隧道加固保护。

(3)泡沫混凝土具有强度可调、重度轻、自立性好、施工方便快捷等优点，是一种实用性和经济性较强的新型材料；用做高速公路路基填料可减轻填土自重，减少土体的滑动力矩，提高路堤的抗滑稳定性。且施工工期短，可达到尽快通车的要求。

(4)该工程的设计经验可为类似工程提供借鉴。