天津地鐵5號線穿越東風立交橋區(qū)段方案研究

田俊芹

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

0 引言

城市軌道交通線路在城市的老城區(qū)內沿主要交通走廊敷設，將不可避免地與已建居民樓和高架道路橋梁的基礎產生一定的位置關系矛盾。軌道交通線路平面走向方案設計中，有必要在綜合考慮周邊環(huán)境影響、社會影響、工程實施難度和工程投資等方面基礎上，對線路與居民建筑、高架道路橋梁的基礎位置關系進行詳細的分析研究，并最終確定一個安全、經(jīng)濟、合理的實施方案，減少對已有建構筑物的影響。為更好地利用城市地下空間，上下重疊隧道技術［1－4］和樁基托換技術［5－7］相繼在深圳地鐵、北京地鐵等項目建設中得到成功應用，也有業(yè)內人士對上下重疊隧道技術進行了理論分析［8－9］。以往的工程案例和研究成果基本為深圳、北京等地質條件較好地區(qū)，而天津地區(qū)屬軟土地層，地質條件相對較差，為此工程難度較大。本文以天津地鐵5號線線路穿越建筑物密集的東風立交橋區(qū)域線站位方案為基礎，針對線路穿越大量的居民住宅樓、東風立交橋及鐵路橋、鐵路段場股道等工程難點，以及天津軟土地層，地質條件遠較北京、深圳差的特點，提出左右線采用上下重疊布置的線站位布局方案，較傳統(tǒng)的常規(guī)方式占用地下空間少，減少拆遷量、降低工程造價及對周邊環(huán)境的影響。通過對5號線線站位布設方案、軟土地層上下重疊區(qū)間隧道盾構技術及樁基托換技術措施研究，對軌道交通線路設計中如何最大程度避免對已有建構筑物干擾，減少社會影響，維護社會穩(wěn)定，提出一種解決思路和方法。

1 工程概述

1.1 天津市軌道交通5號線概況

天津市軌道交通5號線是中心城區(qū)東南半環(huán)的外部填充線，北起北辰區(qū)雙街，南至西青區(qū)梨園頭。線路全長33.8 km，其中地下線 32.7 km，地面線 0.8 km，過渡段0.3 km。該線在天津市東南部主要沿靖江路、紅星路(中環(huán)線)、大直沽西路、奉化道南北向走行。

1.2 東風立交橋及周邊環(huán)境概況

東風立交橋位于天津市河東區(qū)紅星路與津濱大道的交匯處，是天津市中環(huán)線上的一個重要交通節(jié)點。立交橋為高架3層互通式公路立交橋，南北向長約2.8 km，主橋和引橋橋墩設置密集。立交橋建于2003年，主橋部分為雙向通行，橋梁下部承臺結構樁基礎采用4根φ1.2 m，L=54 m的鉆孔灌注樁，橋梁上部結構為預應力35 m跨連續(xù)箱梁，橋面寬度為12.75 m。引橋橋梁，預應力混凝土連續(xù)箱梁，H=180 cm;承臺下方為2根φ1.5 m樁基，樁長52 m，配筋段長38 m，縱向主筋為28φ22，HRB335級鋼筋。

軌道交通5號線靖江路站、程林莊道站、津塘路站及相鄰區(qū)間線路長3.3 km，為地下線路，位于線路的中間地段，沿中環(huán)線敷設，與新建的快速路東風立交橋主橋平行布置，線路依次下穿東風立交橋引橋、京津城際延伸線、津秦客專高架橋以及京山鐵路6股道，程林莊道站為5號線與規(guī)劃地鐵4號線換乘站。

東風立交橋西北、東北象限地塊內分別為向陽樓、嘉華里、嘉禧園、向陽花園、靜墅里、來安里等居民小區(qū)，均為6層樓房;南側有津秦客專、京津城際延伸線高架橋及場段咽喉區(qū)鐵路股道;西南、東南象限地塊內有金堂南里、匯賢里、林楓花園等居民小區(qū)以及工務段、材料公司、裝飾城、變電站等建筑物，立交橋周邊地上、地下建構筑物密集。

1.3 工程地質及水文地質概況

沖積平原，地形平坦。表層第四系全新統(tǒng)人工堆積的雜填土、素填土，下為第四系全新統(tǒng)至上更新統(tǒng)的黏土、粉質黏土、粉土及粉細砂。圍巖分級為Ⅵ級。潛水主要賦存于人工填土、新近沉積層、上組陸相沖積層及海相沉積層。含水介質顆粒較細，水力坡度小，地下水徑流十分緩慢。由于場地距離津河、海河較近，地下潛水與津河、海河有一定的水力聯(lián)系。隧道洞體結構主要位于粉質黏土層，局部位于粉土承壓含水層中。

圍巖分類、土石分級及承載力基本值f0見表1。

表1 圍巖分類、土石分級及承載力基本值f0Table 1 Basic values of classification and bearing capacity of strata

1.4 立交橋區(qū)域早期規(guī)劃線路工程特點及難點

在天津市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃和近期建設規(guī)劃階段，規(guī)劃軌道交通5號線靖江路站、程林莊道站至津塘路站區(qū)間線路沿靖江路、紅星路、大直沽西路、奉化道敷設，在東風立交橋北端，線路由道路中心偏向東側，左、右線均敷設于東風立交橋以東，下穿向陽花園、大通花園、靜墅里、來安里、懿德園等居民小區(qū)，以及市政教育中心等建筑物。該區(qū)間線路穿越東風立交橋的方案為采用盾構隧道從立交橋主橋東側匝道橋樁基間穿過，無需改造和托換東風立交橋的引橋樁基。但區(qū)間線路需下穿向陽花園、大通花園、靜墅里、來安里等居民小區(qū)，共計24棟6層居民樓，工程實施難度極大。該規(guī)劃線位線路平面見圖1的東側雙線繞行方案及圖2的節(jié)點平面圖。

圖1 東風立交橋區(qū)域線路方案示意圖Fig.1 Scheme of Metro line in Dongfeng Interchange area

圖2 圖1 A節(jié)點平面圖Fig.2 Detail of Zone"A"in Fig.1

2 軌道交通5號線穿越東風立交橋區(qū)域線站位方案調整研究

5號線區(qū)間下穿向陽花園、大通花園、靜墅里、來安里等居民小區(qū)共計24棟6層居民樓，對居民生活、樓房安全及社會穩(wěn)定性影響較大，工程實施難度極大。因此有必要結合東風立交橋樁基布置、周邊已建居民小區(qū)樓房布置以及京津城際延伸線、津秦客專高架橋樁基位置等情況，對該段5號線靖江路站至津塘路站三站兩區(qū)間線站位方案進行深入研究，在確保降低工程實施風險的基礎上，減少對周邊居民住宅樓影響，減少區(qū)間施工和運營期間對東風立交橋結構和交通影響，降低可能產生的社會不良影響。綜合考慮以上因素，研究了如下3個區(qū)間線路采用盾構隧道穿越立交橋密集建筑區(qū)方案。

2.1 方案1:東風立交橋東側左右線上下重疊方案

線路自靖江路站，沿靖江路敷設，在東風立交橋前，線路向東偏向路東側，同時兩線上下拉開，左右線由水平過渡為上下重疊的方式沿橋東側的紅星路敷設。在與程林莊道交口設程林莊道站，結合線路敷設形式，程林莊道站設計為上下重疊的側式站，與規(guī)劃軌道交通4號線交叉換乘，同時考慮了與4號線的換乘條件。線路上下重疊(見圖3)從東風立交橋東側的樁群空擋間穿過，因樁基較多，需要對立交橋2處匝道橋的樁基進行托換，并下穿2棟6層居民樓住宅。線路于京津城際延伸線、津秦客專高架橋樁基間穿過，下穿天津月牙河火車站西段咽喉區(qū)京山鐵路6股道，左右線逐步過渡為并行等高形式，在津塘路口設津塘路站。該方案線路平面見圖1的東側雙線上下重疊方案線路平面示意圖，線路縱斷面示意見圖4，橫剖面示意見圖5。

圖3 水平敷設過渡為上下重疊布置示意圖Fig.3 Sketch of converting from horizontally-parallel tunnel tubes to up-down overlapping tunnel tubes

圖4 左右線上下重疊布置線路縱斷面示意圖Fig.4 Longitudinal profile of tunnel tubes

圖5 東側左右線上下重疊布置穿越橋樁基處橫剖面圖Fig.5 Profile of tunnel tubes at bridge foundation position(Scheme I)

2.2 方案2:東風立交橋西側左右線上下重疊方案

線路出靖江路站后，沿靖江路敷設，在東風立交橋北端，線路向西偏向路側，同時兩線上下拉開，左右線由水平過渡為上下重疊的方式沿橋西側的紅星路敷設。在東風立交橋的西側設程林莊道站，與4號線的換乘站設站條件較差，車站位于曲線上，且拆遷量大。線路上下重疊從東風立交橋西側的樁群空擋間穿過，因樁基較多，需要對立交橋3處匝道橋的樁基進行托換，線路上下重疊區(qū)段盾構結構外緣距東風立交橋匝道橋橋墩的最近距離約1 m，距1棟6層、1棟7層居民住宅樓的最近距離約2 m。線路于京津城際延伸線、津秦客專高架橋樁基間穿過，下穿京山鐵路6股道，左右線上下重疊形式至津塘路口設津塘路站。該方案線路平面見圖1的西側雙線上下重疊方案線路平面示意圖，線路縱斷面、橫剖面示意如圖4和圖6所示。

圖6 西側左右線上下重疊布置穿越橋樁基處橫剖面圖Fig.6 Profile of tunnel tubes at bridge foundation position(Scheme II)

2.3 方案3:東風立交橋兩側單線繞行方案

線路出靖江路站后，沿靖江路敷設，在東風立交橋北端，線路左、右線分開布置在東風立交橋兩側，線路在橋墩和路側建筑物空隙中穿過，在大直沽西路與八緯路交口附近逐漸由路兩側回到路中。在與程林莊道交口設程林莊道站，結合線路敷設形式，程林莊道站設計為分離島式車站，與規(guī)劃4號線交叉換乘。線路左右線從東風立交橋兩側的樁群空擋間穿過，因樁基較多，左線需對立交橋2處匝道橋樁基進行托換，并下穿2棟6層居民樓住宅。右線需對立交橋3處匝道橋的樁基進行托換。線路于京津城際延伸線、津秦客專高架橋樁基間穿過，下穿天津月牙河火車站西段咽喉區(qū)京山鐵路6股道，在津塘路口設津塘路站。該方案線路平面圖如圖1兩側單線繞行方案線路平面示意圖。線路縱斷面、橫剖面示意如圖7和圖8所示。

圖7 兩側單線繞行布置線路縱斷面示意圖Fig.7 Longitudinal profile of tunnel tube(Scheme III)

圖8 兩側單線繞行穿越立交橋處橫剖面示意圖Fig.8 Profile of tunnel tubes at bridge foundation position(Scheme III)

各方案比較見表2。

表2 方案比較表Table 2 Comparison and contrast among different schemes

3 推薦方案

通過上述方案研究，并從以下幾個方面因素分析:

1)從對周邊環(huán)境、居民生活及社會穩(wěn)定性影響方面看，方案1線路左右線采用上下重疊布置，區(qū)間隧道既避開了東風立交橋主橋樁基，又減小了對立交橋東側密集居民小區(qū)住宅樓的影響，對周邊居民住宅樓的振動影響較小，工程可實施性強。

2)從減少對東風立交橋結構及交通影響方面看，方案1區(qū)間線路實施僅需托換2處匝道橋樁基，施工風險和難度都不是很大。雖在匝道樁基托換施工期間需分期封閉2條匝道，對進出立交橋主橋的交通有影響，但通過合理的交通組織方案可以解決。

3)從盡量避免拆遷方面看，方案1僅需下穿2棟6層居民住宅樓，減少22棟，節(jié)省工程投資，減小了實施難度。

4)從車站功能看，方案1，程林莊道站與4號線換乘方便，設站條件好。津塘路站為標準島式車站，使用便捷。

5)長距離的上下重疊盾構隧道施工雖增加了一定的實施難度，但已在我國多個城市的地鐵區(qū)間隧道實施中有過類似的應用。通過制定合理的實施方案及工程措施，可控制并減小施工時兩隧道的相互影響，保證區(qū)間隧道的施工安全。

綜合以上分析研究認為:方案1，線路在立交橋東側采用上下重疊盾構隧道形式穿越東風立交橋方案，確定為該段線站位的優(yōu)選設計和實施方案。

4 實施方案主要工程風險及工程措施

程林莊道站－津塘路站區(qū)間采用盾構法施工，區(qū)間長1 347 m。區(qū)間上下重疊布設，最小凈距2.28 m，津塘路站站端盾構在半徑350 m的緩和曲線上始發(fā);盾構區(qū)間有2處匝道橋樁基托換。近距離上下重疊盾構施工和樁基托換均存在一定的施工風險。針對天津地區(qū)地下水豐富的特點，在設計中除選擇合理的施工工法外，還需采用必要的、有針對性的輔助施工措施，對地層進行加固和止水處理，以保證隧道的安全施工，保護周圍環(huán)境。

4.1 區(qū)間隧道

4.1.1 區(qū)間隧道設計

當區(qū)間隧道上下或左右并行時，2平行盾構隧道凈距不宜小于隧道外輪廓直徑［10］。而隧道上下重疊時凈距如取1倍盾構直徑，車站層高、基坑開挖深度、施工難度、投資將大大增加。

根據(jù)國內其他城市盾構施工的經(jīng)驗，已有2隧道之間凈距1.0 m成功的先例［3－4］。程林莊道站上下重疊區(qū)間要求凈距不小于2.0 m，出程林莊道站后線間距逐漸拉開，滿足凈距不小于1倍盾構直徑要求。

4.1.2 區(qū)間隧道施工方法及措施

4.1.2.1 相互影響分析

當2隧道之間凈距大于1倍盾構直徑時，盾構隧道施工基本無影響［11］;而對隧道凈距小于1倍盾構直徑的段落，設計、施工時必須考慮以下幾個方面2盾構隧道之間的相互影響:1)先筑隧道引起的圍巖松弛對后筑隧道產生的影響，后筑隧道引起的圍巖松弛范圍的變化對先筑隧道的影響;2)后筑隧道的開挖對先筑隧道的影響;3)因壓漿而產生的擠壓影響。

上述影響可能導致襯砌變形、接頭螺栓斷裂、漏水、先筑隧道移位、地表下沉增大等現(xiàn)象。

4.1.2.2 施工順序分析

受車站換乘方式及規(guī)模影響，重疊隧道上下(左右)隧道間距小、隧道埋深淺、與既有橋墩之間距離近等一系列復雜因素，使得隧道結構受力復雜。隧道施工方法、施工步驟以及輔助工法的選用既要考慮隧道施工過程結構體系和受力的轉換，又要考慮因隧道施工開挖卸載、圍巖的松動、地下水位降低等因素對鄰近建筑基礎和橋墩的影響。

對于上下重疊區(qū)間隧道，是"先上后下"的施工順序還是"先下后上"的施工順序也是本段區(qū)間安全施工的關鍵。不同施工順序的相互影響分析見圖9和圖10。

圖9 管片間土體豎向主應力SZZFig.9 Vertical principal stress of soil between twin tubes

圖10 地層最大主應力pFig.10 Maximum principal stress of strata

對于采用先上后下施工順序，結構、地層整體變形絕對值較小，且對于地層應力、結構內力的控制也能達到較好的效果。但是，該種施工方法，在下洞施工時，對于上洞已建隧道的影響較大，若施工不當或措施不足，容易引起上洞因不均勻沉降變形導致管片扭曲或剪切超出限值，甚至影響結構的正常使用。

采用先下后上施工順序，地層的沉降變形絕對值較大，但與單獨施工下洞時造成的變形值相近，通過采取合理的措施，可合理控制其在允許范圍內。相比而言，下洞隧道先行開挖的情況下，土體沉降變小或者回彈，隧道間距變化、地層損失率變化和土體彈性模量變化對土體沉降變化率影響較小。且該種施工順序對已建隧道的影響較小，工程風險等級較低。

綜合以上分析，2種施工順序各有優(yōu)缺點，鑒于天津軟土地層，且地下水豐富，區(qū)間隧道多處于承壓含水層中，盾構施工過程中對土體的擾動易誘發(fā)更多風險。因此，對于該段長距離上下重疊隧道區(qū)間，采取安全系數(shù)較高，上下洞相互影響較小的施工方式，即先施工下洞，后施工上洞的施工順序。

4.1.2.3 設計措施

結合上述區(qū)間上下重疊隧道相互影響分析及施工順序分析，設計上采取了如下措施。

1)結構受力檢算時，管片配筋考慮施工組合(盾構自重作用下)，并提高管片連接螺栓等級(5.8級提高至8.8級)。2)采用先下后上的施工順序，考慮上洞施工對下洞先建隧道的影響，上洞施工時，在下洞設置鋼支架，控制下洞成型隧道變形。3)設洞內二次深孔加強注漿，重疊區(qū)間采用多注漿孔(16個)管片，袖閥管注漿，注漿時機為管片出盾尾后5環(huán)，注漿形成有效厚度不小于3 m的注漿圈，控制結構變形。

4.1.2.4 施工控制措施

盾構區(qū)間上下重疊區(qū)段靠近東風立交橋，為減小施工時對橋墩的影響，掘進時要對盾構的推進速度進行控制，要慢慢地推，分小段推;慢慢地轉，均勻地轉;頂住正面，調整壓力;封住盾尾，合理注漿。盾構掘進施工引起的地表隆沉是盾構正面壓力引起的地表隆沉以及盾構側壁引起的土體隆沉2部分的疊加;盾構掘進將使土體的孔隙水壓力升高，分小段推進能使孔隙水壓力的峰值降低，從而減少沉降值或隆起值;盾構在曲線掘進過程中盾構姿態(tài)不斷變化，必然會由于超挖而導致地層的損失，分小段掘進以及均勻地轉動，是降低地層損失的最好方法，從而減小對橋墩的影響。

為保證先筑隧道的安全，減小地面沉降對橋墩的影響，建議采取如下施工措施:1)在后筑隧道影響范圍內預先對先筑隧道內部設鋼支撐進行襯砌加強，對橋墩進行注漿加固。2)在盾構穿越過程中嚴格控制土艙壓力，同時需嚴格控制與土艙壓力有關的施工參數(shù)，如推進速度、出土量等，以保持盾構掘進面穩(wěn)定和平衡，施工中應特別注意調整推進速度和出土量使土艙壓力波動控制在最小的幅度范圍內，以減小對相鄰隧道及橋墩的影響。3)嚴格控制同步注漿和漿液質量，通過同步注漿及時填充建筑空隙，減少施工過程中土體的變形。4)嚴格控制盾構的姿態(tài)，盾構姿態(tài)的變化不宜過大、過頻，以降低土層的損失和對周圍土體的擾動。5)在盾構推進調整優(yōu)化施工參數(shù)的過程中，在已施工完成的盾構隧道內及橋梁和橋墩處安置自動監(jiān)測系統(tǒng)對隧道的管片及橋梁和橋墩變形、差異沉降等進行實時、精確的監(jiān)測，必要時布設人工監(jiān)測點，用于檢驗和校核自動監(jiān)測的數(shù)據(jù)，從而對上穿隧道起到指導和反饋的作用，有效控制盾構隧道和橋梁的變形和沉降。

4.2 匝道橋樁基托換

地鐵5號線程林莊道站－津塘路站段區(qū)間左右線沿東風橋東側2線上下并行，左線在上，右線在下。盾構區(qū)間與東風橋津濱大道側有2處匝道橋樁基位置沖突，橋面高約19 m，樁基為φ1.5 m鉆孔灌注樁，樁底標高 －47.62 m(大沽高程)，埋深約50.0 m。沖突位置采用樁基托換，拔除原有樁基，以保證盾構順利通過。

結合匝道橋變形要求以及整體性能，樁基托換采用預應力梁的主動托換方式。托換時將上部結構柱荷載通過節(jié)點傳遞至梁上來實現(xiàn)托換。在梁的縱向上設置預應力鋼絞線束，橫向上采用精扎螺紋鋼收緊，利用張拉預應力鋼絞線束時提供的反拱來減小托換梁的變形，同時也使得托換新樁產生預壓以減少沉降。樁基托換示意如圖11所示。

圖11 樁基托換示意圖Fig.11 Underpinning of pile foundation

為控制施工質量和保證托換的安全有序進行，主要施工步驟如下。

1)前期準備及輔助工程，詳細調查并記錄現(xiàn)有橋梁的全面狀況，包括:沉降、裂縫、損壞情況;布置測量基準點;實地測定隧道中心線，樁位點、影響線等。同時做好其他前期準備及輔助工程工作。

2)托換樁基的施工，該匝道橋托換樁基采用鉆孔灌注樁，同時施工樁帽。

3)托換梁系基坑施工，開挖范圍是以整個轉換梁外邊緣為界，并預留預應力張拉機具的位置，開挖到托換梁底再加墊層厚度?；娱_挖要做好擋護，同時應注意上部結構的變化。

4)托換梁施工，整個托換梁混凝土連續(xù)灌筑，不留施工縫，施工時應準確預留預應力鋼絞線孔道。

5)對托換梁施加預應力。

6)安裝千斤頂，施加頂力及被托換樁基的基坑土方挖運;樁帽及托換大梁之間安裝千斤頂。

7)根據(jù)需要施加千斤頂壓力，完成力的轉換和樁的初步沉降變形。

8)拆除千斤頂，完成托換梁與新樁間的連接，完成整個托換工程。

9)施作既有樁基切除基坑圍護結構并進行基坑開挖。

10)既有樁基拆除設備就位并分部切除既有樁基至區(qū)間隧道下方不少于1 m。

11)切除完畢后立即回填。

樁基托換施工工序如圖12所示。

圖12 樁基托換施工工序示意圖Fig.12 Construction process of pile foundation underpinning

5 結論與建議

5.1 結論

1)隨著城市軌道交通建設速度加快，線路穿越城市密集建筑區(qū)地段，線路設計中可選擇采用左右線上下重疊布置方式，能有效避讓線路兩側建(構)筑物基礎，充分利用地下空間，增加線路選線自由度，解決擁擠空間內的布線難題，可為類似工程設計提供借鑒。

2)上下重疊盾構隧道采用先下后上的施工順序，減少上下洞體的相互影響，但由于天津地層有別于北京、深圳，其效果還有待工程實施后檢驗。

3)匝道橋樁基托換采用樁基主動托換法施工，可有效控制橋墩沉降，但由于工程尚未施工，實施后的地表沉降和橋梁變形情況還有待工程實踐結果來檢驗。

4)匝道橋樁基托換施工期間應加強施工監(jiān)測，臨時中斷橋上車輛通行，盾構推進過程中橋上對車輛限速或者中斷行車。

5)天津5號線正在施工中，程林莊道站及兩端相鄰區(qū)間的實施方案為本次研究中采用的左右線上下重疊布置方式。車站主體預計今年10月封頂，上下重疊盾構施工預計10月底始發(fā)，2016年初盾構貫通。

5.2 建議

1)隨著城市建設速度加快，應根據(jù)城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃要求，對地鐵沿線做好用地規(guī)劃控制，盡量減少拆遷及與沿線建(構)筑物的相互影響。

2)在城市軌道交通設計中充分考慮周邊環(huán)境和社會影響，以及社會穩(wěn)定性和工程實施難度來選擇設計方案，確保工程可實施性。

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［10］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.GB 50157－2013地鐵設計規(guī)范［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2013.(Ministry of Housing and Urban-rural Development of the People＇s Republic of China.GB 50157 － 2013 Codes for design of Metro［M］.Beijing:China Architecture ＆Building Press，2013.(in Chinese))

［11］ 中華人民共和國建設部.104－2008城市軌道交通工程項目建設標準［S］.北京:中國計劃出版社，2008.(Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People＇s of China.104 － 2008，Construction standard of urban rail transit engineering［S］.Beijing:China Planning Press，2008.(in Chinese))