配合地铁施工的人行天桥改造设计方案

李昂 王又莹

摘要：以具体工程为例，针对城市地铁施工与人行过街天桥桩基之间的冲突，根据该段工程的地质情况，在设计过程中经认真研究和多方面的比较，通过有限元软件分析天桥改造后对地下结构的影响，得出可将人行天桥桥桩落在地铁主体结构边导洞上，既能避免两者之间的冲突，保证人行天桥在使用过程中的安全，又能保证地下结构施工的顺利进行。该方案可大量推广应用于类拟工程施工中对中、小跨径桥梁的改造。

关键词：地铁工程;人行天桥;改造方案;叠落结构

引言

目前各大城市轨道交通项目开工较多，线位大部分在市政红线范围内敷设，经常与人行过街天桥的桩基发生矛盾。如在北京地铁某站方案设计过程中，发现该处正在进行过街人行天桥的修建，该项目中天桥桥桩与地铁车站的主体结构相冲突，如图1所示。为了给地铁建设创造良好的施工条件，同时又要满足行人过街的便利，建议对两个项目进行统筹协调，对天桥修建项目调整建设时序及对设计方案进行一定的优化，将相冲突的天桥桥桩落在主体边导洞上，如图2所示。因此下文主要分析优化后的设计方案中，两结构叠落受力后对车站主体的影响。通过有限元软件计算加上天桥荷载后车站结构的变形。

图1  原设计方案                     图2  改造后的方案

1 工程概况

1.1 车站设计概况

北京某地铁车站位于安定路与北三环中路的交叉路口，沿北三环中路东西向布置，人口密集，交通繁忙。因受该处的环形互通立交桥及大型管线等限制，车站采用暗挖双层分离岛式，车站施工工法采用“洞桩法”施工。车站横断面尺寸为15.7×13.6m，上导洞尺寸为5.6×4.6m，围护桩直径为1.0m。

1.2 天桥设计概况

该人行天桥位于路口的四个象限，采用桩基础，钢结构箱型截面梁型式。桥梁跨径为22.3m，桥面宽3.0m，净宽2.7m，主梁截面高1.0m，采用D=0.8m“T”型墩柱，天桥桩长25m，桩径1.2m。桥面铺装采用5cm厚环氧树脂聚合物。

2 天桥改造方案

因车站主体结构与一座人行天桥桩基冲突，且车站站位因外界控制因素限制，不能通过调整线路来对天桥基础进行避让。为了使地下工程和天桥工程能共同实现，可按常用的处理方式—桩基托换方案进行处理。但鉴于该工程的特殊环境，桩基附近有互通立交桥挡墙基础及1500×1500电力管道等因素，管线迁改难度大、路由选择难等问题，桩基托换方案或改为扩大基础方案均无法实施。

通过研讨拟采取的方案是先修建地铁工程，待整个主体拱二衬部完成之后，开始施工天桥桩基础的，将桥桩落在地铁结构边导洞上，处理好节点处的钢筋焊接与预留，这样可避免桥桩与车站结构之间的冲突，且天桥有了更稳定的基础型式，在使用过程中更加安全可靠，但是这种方案中车站会增加一部分天桥荷载传下来的外力。根据此思路，建立有限元模型，分析这一部分外加力对车站主体的影响。

3 数值模拟

本文利用MIDAS/GTS建立模型。土体、桥桩及主体二衬等采用平面应变单元。其中土体参数根据地质勘测资料，见表1。车站围护结构参数取C30混凝土，导洞单元参数取C20混凝土，主体二衬结构参数取C40混凝土。根据北京地铁已完成的某相关工程经验，取桩端荷载300KN/m2。建立如下模型，见图3。模型尺寸为80×50m，共计580个节点，1085个三角形平面单元。

表1  岩土物理力学指标

层号

土层名称

重度

（）

側向压

力系数

压缩模型E

（MPa）

粘聚力

C（KPa）

内摩擦角

（度）

①1

杂填土

17

8

10

③1

粉质粘土

20.0

0.42

7.4

26

15

④3

粉细砂

20.0

0.40

17

0

27

④

粉质粘土

19.5

0.45

8.9

28

15

⑥

粉质粘土

19.7

0.42

1.26

30

15

⑦

卵石

22

0.25

45.0

0

40

图3 有限元模型

4 计算结果分析

模型不考虑开挖土体对车站主体的影响，仅分析主体承受桥桩带来的附加力影响。为研究桥桩基础施工与地铁车站施工工序之间的关系，首先计算三组模型，分别为：（1）在导洞及围护桩施工完成，待施作拱部二衬及部分边墙结构之后，施工天桥基础，即在模型中增加天桥荷载;（2）待施作车站中板结构，即站厅层闭合成环之后，施工天桥基础;（3）待施作车站底板及侧墙结构，即整个车站主体完成之后，施工天桥基础。

对比三组模型，选取主体二衬与天桥荷载最近的两个有代表性节点竖向位移值，得表2：

表2  代表性节点竖向位移值

节点号

第一组模型竖

向位移（mm）

第二组模型竖

向位移（mm）

第三组模型竖

向位移（mm）

43

-3.06

-2.42

-1.81

40

-3.10

-2.46

-1.84

从表2可知，天桥荷载对地铁车站结构是有一定影响的，主要为竖向变形。当天桥荷载在完成拱部二衬及部分侧墙时增加，主体最大变形值为下沉3.1mm;当天桥荷载在完成中板结构时增加，主体最大变形值为下沉2.46mm;当天桥荷载在完成整个车站主体结构时增加，主体最大变形值为下沉1.84mm。

从变形量值可以看出，最大仅约为3.1mm。主要是因为冠梁和围护桩已完成，导洞内已回填混凝土，结构稳定，竖向荷载主要由这三者共同承受。

从变形值差别可以看出，在完成不同工序之后增加天桥荷载，竖向位移会有所不同。主要是因为第二组模型与第一组模型相比，施作车站中板，车站上部结构闭合成环，对结构受力较好。第三组模型与第二组模型相比，整个车站结构已完成，底板基础稳固，空间形成整体，对外加荷载提供了更好的受力条件。但天桥施工时间也应根据实际情况和整体工程筹划具体安排。

对比三组模型，选取与节点43和节点40对称同位置节点竖向位移值，

得表3：

表3 与代表性节点对称同位置节点竖向位移值

节点号

第一组模型竖

向位移（mm）

第二组模型竖

向位移（mm）

第三组模型竖

向位移（mm）

35

-0.98

-0.88

-0.77

34

-0.93

-0.84

-0.74

从表3可知，三组模型中最大竖向变形值分别为-0.98mm、-0.88mm和-0.77mm，天桥荷载对车站另一侧结构影响很小。但从表2与表3对比可知，结构会产生差异沉降，由此会产生附加应力，计算得出异沉降分别为2.17mm、1.62mm和1.1mm，但数值较小，可通过施工时序及加固等措施控制或消除。

5 结语

本文基于实际工程为背景，建立有限元模型，得出以下结论：

1优化后的方案，即天桥桥桩落在地铁小导洞上，天桥荷载对车站主体影响在可控范围内。施工天桥对车站的影响与车站施工工序有密切关系，由之前计算结果分析建议，待完成车站拱部二衬及中板结构之后，再开始施工天桥基础。不仅对车站影响较小，也可将人行天桥竣工时间提前。

2施工期间要切实做到信息化施工，根据监测情况及时进行注浆加固，避免产生差异沉降。

3施作天桥桥桩时，应严格控制钻孔位置、垂直度，做好节点处钢筋预留，确保两結构紧密结合。虽然桩长变短，但桩底落在主体小导洞上，基础更稳定，承载力更强。

参考文献：

[1]复杂环境条件下天桥设计对地下结构的影响分析，姚燕明，徐永刚.

[2]JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[3]CJJ 69- 95，城市人行天桥与人行地道技术规范[S].

[4]《地铁设计规范》（GB50157-2013）