地鐵隧道在公鐵立交橋下通過時技術(shù)處理

地鐵隧道在頂進(jìn)式公鐵立交橋下通過時技術(shù)處理的分析和探討摘 要：以北京市南中軸路下穿京山鐵路立交工程建設(shè)為例，就地鐵隧道在頂進(jìn)式公鐵立交橋下通過時的幾個主要技術(shù)問題加以論述。這是目前北京市遇到的首座在新建公鐵立交橋下預(yù)留地鐵穿越條件的工程，對今后類似工程的建設(shè)有重要的示范和借鑒作用。關(guān)鍵詞：地鐵；隧道；立交橋；技術(shù)處理 近年來，城市交通問題一直是社會各界普遍關(guān)注的一個熱點(diǎn)問題。北京市提出了按照高速公路系統(tǒng)、城市快速道路和主干道系統(tǒng)、城區(qū)路網(wǎng)加密系統(tǒng)三大系統(tǒng)，同時加快地鐵、城市鐵路建設(shè)的思路，全盤考慮，統(tǒng)一規(guī)劃，以解決首都道路交通擁堵問題。在工作實(shí)踐中，遇到地鐵與公鐵立交橋交叉建設(shè)的問題，為使近遠(yuǎn)期工程互相配合協(xié)調(diào)建設(shè)，發(fā)揮社會和投資的最佳效益，本文以北京市南中軸路下穿京山鐵路立交工程建設(shè)為例，就地鐵隧道在頂進(jìn)式公鐵立交橋下通過時的幾個主要技術(shù)問題加以論述。 北京市南中軸路下穿京山鐵路立交工程，位于北京南站東部，緊鄰永定門外大街，為規(guī)劃的南中軸路道路工程的一部分。擬建立交橋下穿京山上行線、京山下行線、到發(fā)線、安全線以及規(guī)劃的京津城際客運(yùn)專線等。按照北京市2030年地鐵遠(yuǎn)期規(guī)劃，地鐵8號線將由本立交橋下穿越，地鐵隧道的中線大致與本立交橋軸線平行。 南中軸路市政工程是北京市重點(diǎn)工程，而下穿京山鐵路立交橋又是重點(diǎn)工程中的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。該立交橋規(guī)模為（17.5 m+20.0 m+20.0 m+17.5 m）四孔連續(xù)鋼筋混凝土框構(gòu)橋。其主要設(shè)計(jì)尺寸：使用凈高4.5 m，結(jié)構(gòu)凈高5.4 m，全高7.9 m；頂板、中墻厚度為1.2 m，邊墻厚度、底板厚度為1.3 m；框構(gòu)橋沿道路方向長度為33.273 m，沿鐵路線路方向總寬度為81.2 m，南中軸路中線與鐵路京山線下行線角為81o。設(shè)計(jì)計(jì)算頂力約為250 MN。經(jīng)檢索，無論規(guī)模或計(jì)算頂力，本立交橋目前在國內(nèi)同類工程中均居首位。 由于后期建設(shè)的地鐵8號線于本立交橋下通過，當(dāng)?shù)罔F隧道施工引起其上覆土沉降時，對已投入運(yùn)營的立交橋會造成什么樣的影響、如何將此影響控制到最小程度，給本立交橋設(shè)計(jì)提出了一個新的課題。 在本立交橋的前期工作中，本著“安全第一，統(tǒng)籌考慮，確保質(zhì)量”的原則，在保證鐵路運(yùn)輸安全的同時，綜合考慮市政道路建設(shè)和遠(yuǎn)期地鐵8號線建設(shè)的因素，力求達(dá)到鐵路、市政道路、地鐵綜合經(jīng)濟(jì)效益和社會效益盡可能最優(yōu)，重點(diǎn)研究了以下幾個主要技術(shù)問題。1南中軸路立交橋采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮了兩個方案：分體結(jié)構(gòu)方案和整體結(jié)構(gòu)方案。南中軸路立交橋的設(shè)計(jì)對施工方案的選擇不僅有重要影響，而且對其下將要修建的地鐵8號線區(qū)間隧道的設(shè)計(jì)和施工也有很大影響。 分體結(jié)構(gòu)方案是把立交橋設(shè)計(jì)為四個獨(dú)立的單孔框架，其兩側(cè)為1～17.5 m，中部為2×(1～20.0)m，采用分箱并列頂進(jìn)。 四孔整體結(jié)構(gòu)方案是把立交橋設(shè)計(jì)為（17.5 m+20.0 m+20.0 m+17.5m）四孔連續(xù)結(jié)構(gòu)，采用一次頂入法頂進(jìn)。 對上述兩個方案進(jìn)行了以下分析比較：在施工方面，立交橋按分體設(shè)計(jì)后，單孔框構(gòu)的自重與整體結(jié)構(gòu)相比減少了很多，在施工時便于頂進(jìn)，頂進(jìn)就位后若發(fā)生地層不均勻沉降對結(jié)構(gòu)是有利的。但是分箱頂進(jìn)會延長頂進(jìn)施工時間，頂進(jìn)施工中高程和方向控制難度大、要求高，且四個箱體組合時各自的施工誤差不易統(tǒng)一，極可能會造成外觀的永久缺陷。采用整體結(jié)構(gòu)一次頂進(jìn)則不存在上述問題，但整體連續(xù)結(jié)構(gòu)，由于立交橋的規(guī)模大、體量大、頂力大，需要大量的頂進(jìn)設(shè)備，施工會存在一定的技術(shù)難度。 從遠(yuǎn)期地鐵隧道施工的安全方面看，由于整體結(jié)構(gòu)的總寬度和體量比隧道寬度和體量大得多，在一個大型結(jié)構(gòu)的保護(hù)下，地鐵隧道開挖顯然比在分體結(jié)構(gòu)下安全得多。 從該立交橋?qū)Φ鼗膲簯?yīng)力的分析來看，采用整體結(jié)構(gòu)時壓應(yīng)力小，頂進(jìn)變化小，有效地將地基壓應(yīng)力降到最小；而采用分體結(jié)構(gòu)時壓應(yīng)力大，頂進(jìn)變化大。 由于四孔整體連續(xù)立交橋橫截面面積及剛度與下面的地鐵隧道橫截面面積及剛度相比，相差很大，整體立交橋先于地鐵8號線施工時，建成的整體立交橋?qū)Φ罔F隧道結(jié)構(gòu)起到了保護(hù)作用。同時，進(jìn)行整體連續(xù)立交橋的設(shè)計(jì)時，框構(gòu)橋底板的厚度取1.3 m，比立交橋下沒有考慮地鐵穿越情況時的厚度1.2 m增加了0.1 m，框構(gòu)橋底板的剛度增大。 經(jīng)分析比較，立交橋采用整體結(jié)構(gòu)形式優(yōu)于分體結(jié)構(gòu)，做成四孔整體式對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及安全是有利的，因而確定采用整體結(jié)構(gòu)方案。2不同覆土厚度條件下地鐵施工引起地層下沉對立交橋結(jié)構(gòu)的影響 為了保證地鐵8號線在南中軸路立交橋下安全穿越，同時不影響該立交橋的正常使用及上部既有鐵路的運(yùn)營安全，地鐵隧道的最小覆土厚度應(yīng)依據(jù)工程地質(zhì)水文條件、施工方法、開挖斷面大小等因素的不同而異。同時，覆土厚度對地鐵施工作業(yè)效率、施工成本和建成后地鐵線路的縱坡以及長期運(yùn)營成本的影響很大。因此，地鐵隧道的最小覆土厚度宜在保證鐵路運(yùn)輸安全和地鐵運(yùn)營安全的情況下，將覆土厚度盡量減小。 由于地鐵8號線在已經(jīng)運(yùn)營的立交橋下通過，在施工時覆土的下沉必然造成立交橋結(jié)構(gòu)的垂直位移而引起有異于正常設(shè)計(jì)條件下的內(nèi)力。為了在地鐵施工時確保本立交橋結(jié)構(gòu)的安全，設(shè)計(jì)時必須預(yù)先考慮上述因素。這是本立交橋采取預(yù)先保護(hù)的有效方法，同時也可為今后地鐵8號線通過本立交橋區(qū)段的設(shè)計(jì)和施工提供必要的依據(jù)。 為解決這個問題，北京交通大學(xué)土建學(xué)院就地鐵隧道在不同的覆土厚度下開挖造成土體沉降時，對其上的框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形的影響進(jìn)行了分析研究。 研究結(jié)果表明，當(dāng)兩個寬度為6 m的單線隧道在框架結(jié)構(gòu)中部兩孔的跨中通過時，不同的覆土厚度造成結(jié)構(gòu)底板的垂直變位情況如表1所示。 由表中數(shù)字可以看出，隨著覆土厚度的增加，所引起上方立交橋結(jié)構(gòu)的垂直變位隨之減小。在覆土厚度由6 m增加到7 m時，變位減小較明顯。考慮到結(jié)構(gòu)承載能力應(yīng)具有必要的儲備，本立交橋覆土厚度應(yīng)在7 m以上。 把7 m覆土?xí)r的變位值作為主力進(jìn)行立交橋結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)配筋的設(shè)計(jì)，這樣在地鐵隧道開挖時可以保證立交橋的結(jié)構(gòu)安全。3對遠(yuǎn)期地鐵8號線下穿南中軸立交橋時設(shè)計(jì)和施工的技術(shù)要求 在中軸路立交橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，考慮了地鐵8號線施工的因素，但是在內(nèi)力分析中只考慮了一些特定的條件。為保證立交橋的安全，在地鐵8號線下穿本立交橋地段的設(shè)計(jì)和施工時，應(yīng)考慮以下技術(shù)要求。 （1）下穿立交橋的地鐵區(qū)間隧道應(yīng)采取兩個平行單洞形式，每個單洞分別設(shè)于中部兩孔的跨中部位。 （2）隧道開挖面的頂部至立交橋底板底的距離應(yīng)結(jié)合路段縱斷面考慮，一般不宜小于8 m，在困難條件下亦不應(yīng)小于7 m；開挖時上部覆土的沉降量控制在30 mm以內(nèi)。 （3）隧道開挖施工時應(yīng)對隧道頂部至立交橋底板范圍的土體采取固化措施，兩個隧道開挖不宜齊頭并進(jìn)，應(yīng)前后錯開一定距離。 （4）地鐵隧道施工時，必須對立交橋及橋上線路狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控測量，監(jiān)控測量工作應(yīng)有鐵路有關(guān)部門的人員參加，以便掌握情況及時采取處理措施，保證鐵路運(yùn)營的安全。 南中軸路立交橋工程于2004年6月1日采用頂進(jìn)法開始施工，于6月19日頂進(jìn)就位，施工質(zhì)量良好，已于同年9月開通使用。北京開通了中國首條建設(shè)成本低、行駛速度快、智能化水平堪稱全國第一的快速公交線路就位于南中軸路上，而南中軸路立交橋是這條快速路上規(guī)模最大的立交橋，已成為北京市中軸路上市政道路與鐵路立交的亮點(diǎn)工程。隨著北京地鐵工程的建設(shè)，在不遠(yuǎn)的將來，北京市南中軸路下穿京山鐵路立交工程將形成京山鐵路等線路在上、南中軸路公鐵立交橋居中、北京地鐵8號線區(qū)間隧道在下的三層立體交通。