鋼格構(gòu)柱便橋在寧波站軟土深基坑開挖中的應(yīng)用

張衛(wèi)兵

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

寧波站位于杭甬客運專線和甬臺溫鐵路客運通道上，為寧波樞紐內(nèi)的主要客運站[1-2]。寧波站改建工程車站規(guī)模8臺16線，并新建站房和地下集散廳。車站改建期間客運在寧波東站過渡，本站僅辦理列車的通過作業(yè)。為滿足杭甬客運專線開通要求，本項目建設(shè)工期為36個月(含與車站改建工程同步實施的城市地鐵工程)，因此，下穿既有鐵路站房[3-6]軟土深基坑[7-9]開挖設(shè)計方案對寧波站改建工程建設(shè)工期將產(chǎn)生重要影響。

1 工程概況

寧波站既有規(guī)模為3臺6線，改建后規(guī)模為8臺16線，既有車站需原地拆除重建。城市地鐵2號線與寧波站車場垂直并以下穿方式經(jīng)過，寧波市要求地鐵下穿鐵路工程需與寧波站改造工程同步施工，因此車站站房基坑需兼顧地鐵基坑。站房基坑共分為5個區(qū)，其中Ⅰ-1區(qū)為車站站房地下集散廳與城市地鐵2號線鐵路寧波站站聯(lián)合深基坑。基坑南北貫穿既有杭深鐵路干線，長278 m，寬123.5 m；地下一層至-11.15 m為站房地下集散廳，寬75 m，開挖深度約9 m；地下二、三層至-27.4 m為寧波市地鐵2號線地鐵鐵路寧波站工程，位于鐵路站房基坑中部，寬42.1 m，開挖最深約24 m。寧波站深基坑平面示意如圖1所示。

圖1 寧波站深基坑平面示意

站房深基坑處地質(zhì)條件主要巖性為淤泥質(zhì)黏性土及黏性土，屬典型的軟土地基，賦存孔隙潛水及微承壓水，周邊存在小區(qū)高層建筑及地下管線等設(shè)施。淤泥質(zhì)土層具有高含水量、高壓縮性、強度低，流變、觸變性大等特點，基坑穩(wěn)定性差，分區(qū)開挖易產(chǎn)生不均勻沉降和變形大等問題；微承壓水含水層主要分布在⑥2層、⑧1層，計算得知承壓含水層臨界開挖深度分別為15.68、22.58 m，均小于實際開挖深度，基坑隆起引起地表沉降等將對運營鐵路及周邊建筑帶來較大安全風險。寧波站深基坑土層分布如圖2所示。

圖2 寧波站深基坑土層分布示意

2 深基坑設(shè)計方案比選

2.1 方案說明

本工程對站房深基坑設(shè)計方案重點研究了分區(qū)開挖和臨時便橋[10-11]兩大系列方案。各方案研究情況分述如下。

(1)分區(qū)開挖方案(方案Ⅰ)

該方案是目前既有鐵路客站改建工程站房深基坑開挖通常采用的設(shè)計方案。在既有杭深線南側(cè)沿既有鐵路方向設(shè)一道封堵墻，將站房和地鐵聯(lián)合深基坑分為南北兩區(qū)。既有鐵路正線位于北區(qū)，先施工南區(qū)基坑，待南區(qū)新正線回筑至±0.00 m高程后，開通新線，再施工北區(qū)基坑。該方案深基坑設(shè)計工期31個月，工程總工期需要52個月，不滿足杭甬客運專線開通要求。

(2)臨時便橋方案(方案Ⅱ)

①鋼便梁方案(方案Ⅱ-1)

為滿足總工期36個月的要求，研究采用臨時鐵路鋼便梁架空線路的設(shè)計方案。該方案基坑開挖前，先將既有正線臨時外移至既有到發(fā)線位置過渡，然后在既有正線需設(shè)深基坑位置新建臨時鋼便橋；待鋼便橋施工完成后，將正線復(fù)位(即正線通過鋼便橋跨過南北通道及地鐵基坑)，再施工南北通道及地鐵基坑。待深基坑永久正線位置回筑至±0.00高程后，鋪設(shè)永久正線，待永久正線投入使用后，拆除臨時鋼便橋。

②鋼格構(gòu)柱便橋方案(方案Ⅱ-2)

鋼便梁方案便梁結(jié)構(gòu)形式一般采用傳統(tǒng)D便梁，但便梁的橫向穩(wěn)定問題較難解決，目前鐵路工程建設(shè)中多在橋柱高度7 m左右的情況下使用，寧波站深基坑便橋處開挖深度達21.17 m，安全風險較大，不易采用。因此，為滿足施工工期和鐵路運輸安全的要求，又研究了鋼格構(gòu)柱[12-14]支撐現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板式便橋方案。該方案先施工順序同方案Ⅱ-1，先將既有正線臨時外移至既有到發(fā)線過渡，然后在既有正線需設(shè)深基坑位置新建鋼格構(gòu)柱便橋；待便橋施工完畢后，將正線復(fù)位，再施工南北通道及地鐵基坑。

2.2 方案比選(表1)

表1 深基坑設(shè)計方案比較

2.3 推薦意見

方案Ⅰ需在既有杭深線南側(cè)沿深基坑斷面方向設(shè)一道封堵墻，將基坑分為南北兩區(qū)，設(shè)計總工期55個月(含地鐵)，施工周期長，不滿足寧波站改建工程施工工期要求；方案Ⅱ-1采用傳統(tǒng)D便梁架空線路施工周期雖略短，但結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定問題較難解決，安全風險大；方案Ⅱ-2采用鋼格構(gòu)柱支撐鋼筋混凝土梁板式便橋架空鐵路干線，可實現(xiàn)鐵路兩側(cè)深基坑同步開挖，至基坑土方開挖結(jié)束實際施工周期僅15個月，設(shè)計總工期36個月(含地鐵)，能滿足寧波站改建工程施工工期要求，工程投資也較省。經(jīng)綜合分析比選，寧波站軟土深基坑設(shè)計方案采用方案Ⅱ-2即鋼格構(gòu)柱便橋方案。

3 鐵路鋼格構(gòu)柱便橋技術(shù)方案說明

鐵路鋼格構(gòu)柱便橋利用深基坑內(nèi)的部分工程樁和新增立柱樁作為便橋板的承重基礎(chǔ)，將鋼格構(gòu)柱插入鉆孔灌注樁，與深基坑局部地下連續(xù)墻和圍護樁一同作為便橋支座的支撐，在鋼格構(gòu)柱頂部綁扎梁板鋼筋，現(xiàn)澆便橋梁板，然后鋪設(shè)鐵路正線軌道。便橋下基坑土方在天窗點內(nèi)分層、分倉、對稱開挖，根據(jù)開挖深度及時安裝鋼格構(gòu)柱之間的型鋼剪刀撐[15-16]，并綁扎鋼筋采用混凝土支撐將每層的鋼格構(gòu)柱連接成一整體。寧波站深基坑鐵路鋼格構(gòu)柱便橋立面見圖3。

寧波站改建工程深基臨時便橋采用鋼格構(gòu)柱+支撐+現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板連續(xù)鋼構(gòu)體系，鋼格構(gòu)柱便橋長133.6 m、寬度為12.9 m?；A(chǔ)采用鉆孔灌注樁，共91根，其中新增便橋立柱樁57根，利用設(shè)計工程樁34根，樁深約83 m，有效樁長60～80 m，內(nèi)插200 mm×20 mm四肢角鋼加工而成的格構(gòu)柱，插入深度6 m，鋼格構(gòu)柱深入梁體850 mm，鋼格構(gòu)柱最大外露22 m，柱間距最小為3.8～6.0 m，共計24跨。便橋上部縱、橫向采用350 mm×600 mm、600 mm×800 mm、1 000 mm×1 000 mm鋼筋混凝土連接梁將鋼格構(gòu)柱連接成整體，梁頂下350 mm為鋼筋混凝土板結(jié)構(gòu)。

圖3 寧波站深基坑鐵路鋼格構(gòu)柱便橋立面

便橋下土方采用分層、分倉、對稱開挖，縱橫向設(shè)槽鋼剪刀撐，坑內(nèi)設(shè)3道鋼筋混凝土圈梁。橋面混凝土設(shè)計強度等級為C40，1～3道圈梁及支撐混凝土均為C40R，立柱樁采用C30混凝土灌注樁。臨時便橋長42.1 m、寬度18 m，采用φ850@600 mm三軸攪拌坑底滿堂加固，加固范圍-11.00～-27.50 m，單樁水泥摻量為20%，高度深入底板下3 m。

該臨時便橋為雙線、客貨共線、有砟軌道，平面為直線，列車運行最高設(shè)計速度：客車80 km/h、貨車45 km/h。主要技術(shù)特點如下：

(1)上部結(jié)構(gòu)是由橋面梁和橋面板組成的鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，鋼格構(gòu)柱插入梁內(nèi)形成固結(jié)，屬于多跨連續(xù)剛構(gòu)橋；

(3)鋼格構(gòu)柱隨著基坑的開挖采用鋼剪刀撐橫向、縱向連接，增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；

(4)便橋基礎(chǔ)部分利用了永久工程樁，節(jié)省了工程投資；

(5)便橋墩身鋼結(jié)構(gòu)柱利用了深基坑支撐結(jié)構(gòu)作為柱間連系梁；

(6)便橋墩身連系梁和深基坑支撐連成一體增加了經(jīng)濟性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

在城市大型鐵路客站改建工程中經(jīng)常遇到改建站房基坑下穿運營鐵路的情況，常規(guī)做法是以鐵路為界，采用分區(qū)開挖、線路轉(zhuǎn)場的設(shè)計方案為主，但存在施工周期長，工程投資大等問題，尤其是軟土地區(qū)，運營和施工安全風險均較大。在寧波站改建工程建設(shè)過程中，通過各參建單位創(chuàng)新設(shè)計、摸索經(jīng)驗，采用鋼格構(gòu)柱支撐鋼筋混凝土梁板式便橋結(jié)構(gòu)架空鐵路干線、上跨大跨度軟土深基坑的設(shè)計方案，實現(xiàn)了下穿鐵路基坑連續(xù)整體開挖的目標，大大縮短了工期，節(jié)省了工程投資，對軟土深基坑與鐵路線路交叉工程設(shè)計具有一定的借鑒意義。

[1] 肖禮諄，馬駟，甄利賢.高速鐵路客運站風險分析研究[J].鐵道運輸與經(jīng)濟，2014，36(9)：57-62.

[2] 徐春婕.鐵路大型客運站管理系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：中國鐵道科學研究院，2014.

[3] 徐春婕.鐵路大型客運站管理系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：中國鐵道科學研究院，2014.

[4] 趙帥.屈曲約束支撐在大型鐵路站房中的應(yīng)用[J].鐵道標準設(shè)計，2011(3)：86-88.

[5] 高輝，李國富.大型鐵路站房高架設(shè)備層綜合管線設(shè)計[J].鐵道標準設(shè)計，2010(S2)：134-136.

[6] 施樑，韓新，唐軍，等.消防性能化方法在大型鐵路站房防排煙設(shè)計中的應(yīng)用[J].鐵道標準設(shè)計，2008(S1)：97-101.

[7] 謝方媛.深基坑開挖變形及穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究[D].邯鄲：河北工程大學，2013.

[8] 李磊，段寶福.地鐵車站深基坑工程的監(jiān)控量測與數(shù)值模擬[J].巖石力學與工程學報，2013，31(S1)：2684-2691.

[9] 黃茂松，王衛(wèi)東，鄭剛.軟土地下工程與深基坑研究進展[J].土木工程學報，2012(6)：146-161.

[10] 王志艷，王猛.臨時鐵路便橋的動力特性分析[J].中國鐵路，2010(11)：65-68.

[11] 程曉春.臨時便橋的狀態(tài)評估及相應(yīng)養(yǎng)護工作探討[J].鐵道建筑，2009(3)：12-14.

[12] 石雷.上跨軟土深基坑干線鐵路鋼格構(gòu)柱便橋結(jié)構(gòu)性能研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學，2015.

[13] 張駿.上跨軟土深基坑的鋼格構(gòu)柱連續(xù)剛構(gòu)鐵路便橋振動性能分析[J].城市軌道交通研究，2013(6)：69-75，106.

[14] 魯四平，彭儀普，康日兆，等.寧波南站上跨深基坑鐵路便橋靜態(tài)監(jiān)測技術(shù)[J].鐵道科學與工程學報，2012(4)：41-46.

[15] 劉明虎，孫鵬，胡廣瑞，等.港珠澳大橋青州航道橋“中國結(jié)”型鋼剪刀撐設(shè)計與施工[J].橋梁建設(shè)，2016(1):81-87.

[16] 張光華.武漢陽邏長江公路大橋北主塔鋼剪刀撐安裝方案[J].橋梁建設(shè)，2007(S1):34-36，49.