配合地鐵施工的人行天橋改造設(shè)計方案

李昂 王又瑩

摘要：以具體工程為例，針對城市地鐵施工與人行過街天橋樁基之間的沖突，根據(jù)該段工程的地質(zhì)情況，在設(shè)計過程中經(jīng)認(rèn)真研究和多方面的比較，通過有限元軟件分析天橋改造后對地下結(jié)構(gòu)的影響，得出可將人行天橋橋樁落在地鐵主體結(jié)構(gòu)邊導(dǎo)洞上，既能避免兩者之間的沖突，保證人行天橋在使用過程中的安全，又能保證地下結(jié)構(gòu)施工的順利進(jìn)行。該方案可大量推廣應(yīng)用于類擬工程施工中對中、小跨徑橋梁的改造。

關(guān)鍵詞：地鐵工程;人行天橋;改造方案;疊落結(jié)構(gòu)

引言

目前各大城市軌道交通項目開工較多，線位大部分在市政紅線范圍內(nèi)敷設(shè)，經(jīng)常與人行過街天橋的樁基發(fā)生矛盾。如在北京地鐵某站方案設(shè)計過程中，發(fā)現(xiàn)該處正在進(jìn)行過街人行天橋的修建，該項目中天橋橋樁與地鐵車站的主體結(jié)構(gòu)相沖突，如圖1所示。為了給地鐵建設(shè)創(chuàng)造良好的施工條件，同時又要滿足行人過街的便利，建議對兩個項目進(jìn)行統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，對天橋修建項目調(diào)整建設(shè)時序及對設(shè)計方案進(jìn)行一定的優(yōu)化，將相沖突的天橋橋樁落在主體邊導(dǎo)洞上，如圖2所示。因此下文主要分析優(yōu)化后的設(shè)計方案中，兩結(jié)構(gòu)疊落受力后對車站主體的影響。通過有限元軟件計算加上天橋荷載后車站結(jié)構(gòu)的變形。

圖1? 原設(shè)計方案???????????????????? 圖2? 改造后的方案

1 工程概況

1.1 車站設(shè)計概況

北京某地鐵車站位于安定路與北三環(huán)中路的交叉路口，沿北三環(huán)中路東西向布置，人口密集，交通繁忙。因受該處的環(huán)形互通立交橋及大型管線等限制，車站采用暗挖雙層分離島式，車站施工工法采用“洞樁法”施工。車站橫斷面尺寸為15.7×13.6m，上導(dǎo)洞尺寸為5.6×4.6m，圍護(hù)樁直徑為1.0m。

1.2 天橋設(shè)計概況

該人行天橋位于路口的四個象限，采用樁基礎(chǔ)，鋼結(jié)構(gòu)箱型截面梁型式。橋梁跨徑為22.3m，橋面寬3.0m，凈寬2.7m，主梁截面高1.0m，采用D=0.8m“T”型墩柱，天橋樁長25m，樁徑1.2m。橋面鋪裝采用5cm厚環(huán)氧樹脂聚合物。

2 天橋改造方案

因車站主體結(jié)構(gòu)與一座人行天橋樁基沖突，且車站站位因外界控制因素限制，不能通過調(diào)整線路來對天橋基礎(chǔ)進(jìn)行避讓。為了使地下工程和天橋工程能共同實現(xiàn)，可按常用的處理方式—樁基托換方案進(jìn)行處理。但鑒于該工程的特殊環(huán)境，樁基附近有互通立交橋擋墻基礎(chǔ)及1500×1500電力管道等因素，管線遷改難度大、路由選擇難等問題，樁基托換方案或改為擴(kuò)大基礎(chǔ)方案均無法實施。

通過研討擬采取的方案是先修建地鐵工程，待整個主體拱二襯部完成之后，開始施工天橋樁基礎(chǔ)的，將橋樁落在地鐵結(jié)構(gòu)邊導(dǎo)洞上，處理好節(jié)點處的鋼筋焊接與預(yù)留，這樣可避免橋樁與車站結(jié)構(gòu)之間的沖突，且天橋有了更穩(wěn)定的基礎(chǔ)型式，在使用過程中更加安全可靠，但是這種方案中車站會增加一部分天橋荷載傳下來的外力。根據(jù)此思路，建立有限元模型，分析這一部分外加力對車站主體的影響。

3 數(shù)值模擬

本文利用MIDAS/GTS建立模型。土體、橋樁及主體二襯等采用平面應(yīng)變單元。其中土體參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘測資料，見表1。車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)取C30混凝土，導(dǎo)洞單元參數(shù)取C20混凝土，主體二襯結(jié)構(gòu)參數(shù)取C40混凝土。根據(jù)北京地鐵已完成的某相關(guān)工程經(jīng)驗，取樁端荷載300KN/m2。建立如下模型，見圖3。模型尺寸為80×50m，共計580個節(jié)點，1085個三角形平面單元。

表1? 巖土物理力學(xué)指標(biāo)

層號

土層名稱

重度

（）

側(cè)向壓

力系數(shù)

壓縮模型E

（MPa）

粘聚力

C（KPa）

內(nèi)摩擦角

（度）

①1

雜填土

17

8

10

③1

粉質(zhì)粘土

20.0

0.42

7.4

26

15

④3

粉細(xì)砂

20.0

0.40

17

0

27

④

粉質(zhì)粘土

19.5

0.45

8.9

28

15

⑥

粉質(zhì)粘土

19.7

0.42

1.26

30

15

⑦

卵石

22

0.25

45.0

0

40

圖3 有限元模型

4 計算結(jié)果分析

模型不考慮開挖土體對車站主體的影響，僅分析主體承受橋樁帶來的附加力影響。為研究橋樁基礎(chǔ)施工與地鐵車站施工工序之間的關(guān)系，首先計算三組模型，分別為：（1）在導(dǎo)洞及圍護(hù)樁施工完成，待施作拱部二襯及部分邊墻結(jié)構(gòu)之后，施工天橋基礎(chǔ)，即在模型中增加天橋荷載;（2）待施作車站中板結(jié)構(gòu)，即站廳層閉合成環(huán)之后，施工天橋基礎(chǔ);（3）待施作車站底板及側(cè)墻結(jié)構(gòu)，即整個車站主體完成之后，施工天橋基礎(chǔ)。

對比三組模型，選取主體二襯與天橋荷載最近的兩個有代表性節(jié)點豎向位移值，得表2：

表2? 代表性節(jié)點豎向位移值

節(jié)點號

第一組模型豎

向位移（mm）

第二組模型豎

向位移（mm）

第三組模型豎

向位移（mm）

43

-3.06

-2.42

-1.81

40

-3.10

-2.46

-1.84

從表2可知，天橋荷載對地鐵車站結(jié)構(gòu)是有一定影響的，主要為豎向變形。當(dāng)天橋荷載在完成拱部二襯及部分側(cè)墻時增加，主體最大變形值為下沉3.1mm;當(dāng)天橋荷載在完成中板結(jié)構(gòu)時增加，主體最大變形值為下沉2.46mm;當(dāng)天橋荷載在完成整個車站主體結(jié)構(gòu)時增加，主體最大變形值為下沉1.84mm。

從變形量值可以看出，最大僅約為3.1mm。主要是因為冠梁和圍護(hù)樁已完成，導(dǎo)洞內(nèi)已回填混凝土，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，豎向荷載主要由這三者共同承受。

從變形值差別可以看出，在完成不同工序之后增加天橋荷載，豎向位移會有所不同。主要是因為第二組模型與第一組模型相比，施作車站中板，車站上部結(jié)構(gòu)閉合成環(huán)，對結(jié)構(gòu)受力較好。第三組模型與第二組模型相比，整個車站結(jié)構(gòu)已完成，底板基礎(chǔ)穩(wěn)固，空間形成整體，對外加荷載提供了更好的受力條件。但天橋施工時間也應(yīng)根據(jù)實際情況和整體工程籌劃具體安排。

對比三組模型，選取與節(jié)點43和節(jié)點40對稱同位置節(jié)點豎向位移值，

得表3：

表3 與代表性節(jié)點對稱同位置節(jié)點豎向位移值

節(jié)點號

第一組模型豎

向位移（mm）

第二組模型豎

向位移（mm）

第三組模型豎

向位移（mm）

35

-0.98

-0.88

-0.77

34

-0.93

-0.84

-0.74

從表3可知，三組模型中最大豎向變形值分別為-0.98mm、-0.88mm和-0.77mm，天橋荷載對車站另一側(cè)結(jié)構(gòu)影響很小。但從表2與表3對比可知，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生差異沉降，由此會產(chǎn)生附加應(yīng)力，計算得出異沉降分別為2.17mm、1.62mm和1.1mm，但數(shù)值較小，可通過施工時序及加固等措施控制或消除。

5 結(jié)語

本文基于實際工程為背景，建立有限元模型，得出以下結(jié)論：

1優(yōu)化后的方案，即天橋橋樁落在地鐵小導(dǎo)洞上，天橋荷載對車站主體影響在可控范圍內(nèi)。施工天橋?qū)囌镜挠绊懪c車站施工工序有密切關(guān)系，由之前計算結(jié)果分析建議，待完成車站拱部二襯及中板結(jié)構(gòu)之后，再開始施工天橋基礎(chǔ)。不僅對車站影響較小，也可將人行天橋竣工時間提前。

2施工期間要切實做到信息化施工，根據(jù)監(jiān)測情況及時進(jìn)行注漿加固，避免產(chǎn)生差異沉降。

3施作天橋橋樁時，應(yīng)嚴(yán)格控制鉆孔位置、垂直度，做好節(jié)點處鋼筋預(yù)留，確保兩結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合。雖然樁長變短，但樁底落在主體小導(dǎo)洞上，基礎(chǔ)更穩(wěn)定，承載力更強。

參考文獻(xiàn)：

[1]復(fù)雜環(huán)境條件下天橋設(shè)計對地下結(jié)構(gòu)的影響分析，姚燕明，徐永剛.

[2]JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[3]CJJ 69- 95，城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范[S].

[4]《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB50157-2013）