某地下快速路下穿S20 立交方案比選研究

李志剛

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

隨著我國(guó)城市化率的提升，城市的規(guī)模及人口都在快速增加。城市快速路工程作為城市路網(wǎng)規(guī)劃的重要一環(huán)，可以緩解不斷加劇的交通擁堵?tīng)顩r，增加重要樞紐和重要發(fā)展地區(qū)的互聯(lián)互通，從而得到了大力的推廣[1]。由于城市地面及地下?tīng)顩r復(fù)雜，城市地上與地下建（構(gòu)）筑物對(duì)沉降等變形要求非常嚴(yán)苛，當(dāng)?shù)叵峦ǖ老麓┑缆贰蛄夯蚱渌匾ǎ?gòu)）筑物時(shí)，結(jié)構(gòu)變形一旦超標(biāo)，將影響其安全運(yùn)營(yíng)，甚至導(dǎo)致重大安全事故[2，3]。因此，在地下快速路工程建設(shè)中，應(yīng)對(duì)其不同施工方案進(jìn)行比選，優(yōu)選下穿方案，在盡可能減小環(huán)境影響的同時(shí)考慮工程經(jīng)濟(jì)性，并對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)采取針對(duì)性的專項(xiàng)防護(hù)措施。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者針對(duì)盾構(gòu)隧道下穿高層建筑、立交橋梁等重要建（構(gòu)）筑物的環(huán)境影響以及方案比選開(kāi)展了大量的研究工作。李亞鵬依托杭州地鐵6 號(hào)線，分析了盾構(gòu)隧道下穿公路橋梁后樁基的豎向及水平方向變形[4]。魏綱等采用理論分析的方法研究了盾構(gòu)穿越既有盾構(gòu)隧道的縱向變形，并提出既有隧道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的判斷方法[5]。張斌等依托南通地鐵，綜合考慮上部建筑荷載和盾構(gòu)施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)，采用數(shù)值模擬對(duì)建筑物基礎(chǔ)沉降進(jìn)行了分析[6]。耿飛依托佛山市13 號(hào)線，研究了軌道交通跨越通航河道的方案比選方法[7]。鄭長(zhǎng)青和齊春依托廣湛高鐵湛江灣海底隧道，對(duì)不同盾構(gòu)施工方案進(jìn)行比選，并針對(duì)盾構(gòu)機(jī)選型進(jìn)行了研究[8]。

綜上所述，以往大部分研究或聚焦于隧道下穿建構(gòu)筑物環(huán)境影響分析，或綜合考慮多種因素對(duì)隧道下穿工況進(jìn)行方案比選。本文依托漕寶路地下快速路工程，針對(duì)下穿S20 立交節(jié)點(diǎn)，從環(huán)境影響、施工難度、工程經(jīng)濟(jì)性等方面綜合比選設(shè)計(jì)方案，并對(duì)關(guān)鍵工程節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，研究結(jié)論可為類似下穿立交工程提供參考。

1 項(xiàng)目概況

1.1 工程規(guī)劃方案

上海市漕寶路地下快速路工程，西起中春路，下穿蒲匯塘河道及外環(huán)，東至漕寶路- 萬(wàn)源路，全長(zhǎng)約5 km，是連接虹橋商務(wù)區(qū)與中心城南部地區(qū)之間的快速聯(lián)絡(luò)通道，如圖1 所示。

圖1 上海市城市總體規(guī)劃中的漕寶路快速路工程

漕寶路地下快速路工程根據(jù)不同的功能要求和施工方法，結(jié)構(gòu)形式分為明挖段、盾構(gòu)段。在下穿S20立交節(jié)點(diǎn)處，主線為盾構(gòu)工法，盾構(gòu)采用單層襯砌，外徑為15 m，內(nèi)徑為13.7 m，管片厚度為0.65 m。下穿S20 節(jié)點(diǎn)處共設(shè)置4 根匝道，采用明挖法施工。WN 匝道下穿外環(huán)地面道路處采用頂管法施工。WN匝道、NW 匝道上跨地鐵9 號(hào)線處采用明挖法施工。

1.2 S 20 立交節(jié)點(diǎn)現(xiàn)狀

S20 立交為上海市規(guī)劃主要貨運(yùn)通道之一。其節(jié)點(diǎn)現(xiàn)狀為漕寶路地面道路與S20 的一般菱形互通立交，地面層為現(xiàn)狀漕寶路，S20 主線上跨，在南北兩側(cè)各設(shè)一對(duì)地面出入口輔道與現(xiàn)狀漕寶路平交。其中S20 過(guò)漕寶路跨線橋采用兩幅橋形式，雙向8 車道對(duì)稱布置，橋梁長(zhǎng)420 m，上部空心板梁結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)為雙柱蓋梁墩+方樁基礎(chǔ)，共計(jì)19 跨，標(biāo)準(zhǔn)跨徑22 m。

在地面交通量上，S20- 漕寶路地面交叉口現(xiàn)狀高峰小時(shí)交通量較大，交叉口容量已達(dá)到極限。如圖2 所示，遠(yuǎn)期隨著漕寶路沿線地塊開(kāi)發(fā)誘增新交通量，S20-漕寶路交叉口將面臨經(jīng)常性交通擁堵的情況。

圖2 S 20 節(jié)點(diǎn)現(xiàn)狀平面圖

2 方案比選

綜合考慮交通功能、環(huán)境影響、工程經(jīng)濟(jì)性，結(jié)合道路現(xiàn)狀，分別提出S20 跨線橋改造方案與下穿九星安置房小區(qū)方案。

2.1 方案一：S 20 跨線橋改造方案

（1）方案介紹

方案一：主線避讓九星安置房小區(qū)，采用盾構(gòu)形式穿越S20 西半幅橋梁17 號(hào)橋墩樁基，在東半幅橋梁17～18 號(hào)橋梁樁基當(dāng)中穿越，與樁基最小距離1.0 m，之后進(jìn)入海上新村選擇非居建筑通道，其線位如圖3所示。由于主線盾構(gòu)穿越橋墩樁基，需對(duì)S20 跨線橋西半幅橋梁進(jìn)行改建，在S20 跨線橋西側(cè)搭設(shè)一幅臨時(shí)保通便橋保證其交通不中斷，S20 西側(cè)地面道路同步改造。

圖3 方案一平面布置圖

方案一立交形式采用部分互通地下立交方案實(shí)現(xiàn)S20 與漕寶路西向的半互通，保留現(xiàn)狀外環(huán)與漕寶路地面道路銜接的兩對(duì)平行匝道。地下二層為漕寶路主線，地下一層為匝道，地上一層為地面道路，地上二層為S20 跨線橋。SW 匝道、WN 匝道局部采用疊層設(shè)計(jì)。

（2）優(yōu)缺點(diǎn)分析

方案一避讓九星安置房小區(qū)，并從海上新村非居住建筑通道穿越，很大程度上減小了工程實(shí)施對(duì)九星安置房和海上新村小區(qū)的影響，提高了工程的可實(shí)施性。但是，方案一主線與S20 跨線橋西半幅橋墩沖突，需對(duì)S20 跨線橋西半幅進(jìn)行改建。施工期間架設(shè)臨時(shí)鋼便橋保證S20 交通，西側(cè)地面輔道臨時(shí)改道。施工期間對(duì)S20 主線和地面輔道交通存在一定影響。

2.2 方案二：下穿九星安置房小區(qū)方案

（1）方案介紹

相比方案一，方案二主線下穿九星安置房小區(qū)，正下穿其1# 變電所，之后從S20 跨線橋墩當(dāng)中穿越，最后接回海上新村非居建筑通道。方案二平面布置圖如圖4 所示。

圖4 方案二平面布置圖

方案二立交形式與方案一基本一致，在主線已避讓S20 跨線橋橋墩的基礎(chǔ)上，調(diào)整SW、NW 匝道線形，避讓S20 跨線橋橋墩。

（2）優(yōu)缺點(diǎn)分析

方案二的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)S20 跨線橋和其地面交通進(jìn)行避讓，降低施工風(fēng)險(xiǎn)和維穩(wěn)壓力，節(jié)約投資，提高工程可實(shí)施性。同時(shí)，由于主線下穿九星安置房小區(qū)，需將其1#變電所臨時(shí)搬遷。

2.3 方案綜合對(duì)比分析

對(duì)比方案一與方案二可知，兩者的主要區(qū)別在于S20 跨線橋和九星安置房小區(qū)的穿越方式。方案一避讓九星安置房小區(qū)，穿越S20 西側(cè)橋墩樁基，施工期間需要對(duì)S20 跨線橋西半幅改建并在西側(cè)搭設(shè)臨時(shí)保通便橋，其西側(cè)地面交通臨時(shí)改道；而方案二下穿九星安置房小區(qū)，之后從S20 跨線橋墩樁基之間穿越，需要將九星安置房1# 變電所臨時(shí)搬遷。因此，方案一在實(shí)施中會(huì)對(duì)S20 主線和地面交通有一定影響，工程投資較大；而方案二可降低施工風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約投資，工程可實(shí)施性較強(qiáng)。方案分析比較見(jiàn)表1。

表1 下穿S 20 立交節(jié)點(diǎn)方案比較

綜合考慮交通功能和工程實(shí)施影響分析，推薦方案二為S20 節(jié)點(diǎn)立交方案。

3 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 主線下穿九星安置房

為避讓S20 橋墩，地道工程主線在九星安置房小區(qū)東北角下穿其1# 變電所，地道距離九星安置房22#樓較近。此節(jié)點(diǎn)可選取明挖法或管幕箱涵法施工方案。

明挖法施工須臨時(shí)搬遷九星1# 變電所，待地道施工完成后回遷1#變電所。明挖法基坑開(kāi)挖深度約20 m，基坑寬度約17 m，基坑圍護(hù)型式采用1.2 m 地下連續(xù)墻，內(nèi)支撐體系為混凝土支撐和鋼支撐相結(jié)合形式，坑內(nèi)土體抽條+裙邊加固。

管幕箱涵法下穿九星變電所，不需要對(duì)變電所進(jìn)行搬遷。箱涵外尺寸18 m×12.8 m，箱涵全長(zhǎng)65 m，最大覆土約7 m，與變電所豎向凈距約4m，箱涵距九星安置房22# 樓約9.4 m，為減小對(duì)變電所和附近房屋影響，箱涵四周設(shè)置管幕。

采用有限元程序分別對(duì)明挖法和管幕箱涵法施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果分別如圖5 和圖6 所示。

圖5 明挖法周邊環(huán)境變形

圖6 管幕箱涵法周邊環(huán)境變形

從圖中可以看出，采用明挖法時(shí)22# 樓樁基最大水平位移4.4 mm，22# 樓最大水平位移10 mm，均滿足上海市基坑規(guī)范與地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范要求。管幕箱涵法模擬結(jié)果顯示，變電所最大差異沉降15 mm；安置房22#樓最大沉降3 mm，最大差異沉降2 mm，上部結(jié)構(gòu)最大水平位移7 mm，樁基水平位移3 mm，均滿足上海市基坑規(guī)范與地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

通過(guò)以上分析，明挖法與管幕箱涵法比較結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 明挖法與管幕箱涵法比較

由于明挖法施工工藝成熟、施工難度小、速度快且造價(jià)更低，經(jīng)過(guò)比選分析后，下穿九星安置房節(jié)點(diǎn)推薦采用明挖法施工。

3.2 主線盾構(gòu)下穿S 20 橋墩

地道工程主線盾構(gòu)下穿S20 節(jié)點(diǎn)處位于18 號(hào)橋墩與19 號(hào)橋臺(tái)中間，距18 號(hào)西側(cè)和東側(cè)橋墩預(yù)制樁基最小水平距離分別約1 m 和2.65 m，距西側(cè)和東側(cè)橋臺(tái)預(yù)制樁基最小水平距離約1.89 m 和1.08 m。

在盾構(gòu)穿越樁基過(guò)程中，需做好保護(hù)措施，嚴(yán)格控制地層變形，確保周邊高架道路和高層建筑的正常使用或安全。從保障交通、橋梁安全及可行性等角度出發(fā)，參考相關(guān)類似工程經(jīng)驗(yàn)[9]，推薦采用MJS 加固方案，在地道與樁基間設(shè)置MJS 隔離樁，以減小盾構(gòu)穿越對(duì)高架橋墩的影響。

采用Midas 軟件建立盾構(gòu)下穿S20 三維數(shù)值模型，如圖7 所示。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，梁體采用預(yù)制拼裝空心板梁。下部承臺(tái)底標(biāo)高均為2.50 m，承臺(tái)尺寸：6.6 m×3.8 m×1.5 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25。樁基底標(biāo)高均為-30.7 m，樁長(zhǎng)33.2 m，預(yù)制方樁：450 mm×450 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30。

圖7 盾構(gòu)下穿S 20 數(shù)值模型

盾構(gòu)距離S20 橋梁樁基距離較近，在主線盾構(gòu)和樁基間設(shè)置隔離加固，考慮全幅（2.4 m 寬MJS）加固與半幅（1.2 m 寬MJS）加固兩種工況，并與不加固（直接穿越）方案進(jìn)行對(duì)比。地表變形均按3‰地層損失率控制，數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖8 和圖9 各圖所示。

圖8 高架結(jié)構(gòu)橫向變形云圖（單位：mm）

圖9 高架結(jié)構(gòu)豎向變形云圖（單位：mm）

從計(jì)算結(jié)果可以看出：（1）采用MJS 加固能有效控制橋墩變形；（2）增加MJS 的加固寬度對(duì)樁基和地表沉降的控制效果不顯著，因?yàn)榇蟛糠治挥诙軜?gòu)切削范圍，反而會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)開(kāi)挖面刀盤切削不均勻軟硬地層擾動(dòng)；（3）盾構(gòu)開(kāi)挖僅對(duì)18 號(hào)橋墩、19 號(hào)橋臺(tái)有一定影響，對(duì)其余橋墩和橋臺(tái)影響基本可以忽略；（4）若地層損失率控制在3‰以內(nèi)時(shí)，采用MJS加固之后，高架結(jié)構(gòu)豎向變形可控制在3.5 mm 范圍以內(nèi)，橫向變形可控制在10 mm 范圍內(nèi)，可滿足高架橋梁變形控制要求。

綜上所述，本工程主線盾構(gòu)側(cè)穿S20 高架橋墩樁基時(shí)，推薦采取1.2 m MJS 加固處理。

4 結(jié) 論

漕寶路快速路工程下穿S20 立交節(jié)點(diǎn)，S20 交通流量大，地面環(huán)境復(fù)雜。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，從環(huán)境影響、施工難度、工程經(jīng)濟(jì)性等方面對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合比選，并對(duì)主線下穿九星安置房和S20 橋墩關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，結(jié)論可為同類型工程設(shè)計(jì)和研究提供借鑒和指導(dǎo)作用。

（1）對(duì)于交通流量大的節(jié)點(diǎn)，在方案比選中應(yīng)重點(diǎn)考慮節(jié)點(diǎn)的交通需求，在不影響節(jié)點(diǎn)交通的條件下盡可能的減少對(duì)周邊環(huán)境的影響。

（2）在下穿地上建筑的工法選擇上，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況，在滿足規(guī)范要求的同時(shí)，充分考慮施工難度、工程經(jīng)濟(jì)性及工期等影響。

（3）對(duì)于盾構(gòu)隧道下穿橋墩樁基，應(yīng)從保障交通、橋梁安全及可行性等角度出發(fā)，所選取方案須嚴(yán)格控制地層變形，確保周邊高架道路的正常使用或安全。