探讨跨越运营地铁区间隧道的桥墩承台设计

顾珍苗

（上海浦东建筑设计研究院有限公司，上海市 2 01204）

探讨跨越运营地铁区间隧道的桥墩承台设计

顾珍苗

（上海浦东建筑设计研究院有限公司，上海市 2 01204）

以民生路-杨高路立交工程的跨线桥承台为研究对象，采用三维有限元软件建立该桥承台和桩的单元模型，针对跨越运营地铁区间盾构隧道的桥墩承台特点，对此类承台设计要点进行了探讨，并建立相关模型研究承台施工开挖对地铁的影响。

跨越运营地铁；地铁区间隧道；承台设计；影响分析

0 引 言

民生路-杨高路跨线桥位于上海市浦东新区，沿杨高路走向上跨民生路，跨径组合为3×18+19.5+（25.4+24+46.8+2×24）+（24+22.5+22）=286.25（m）。跨线桥纵断面布置如图1所示。

因桥位下方一部分为上海市轨道交通9号线车站，则墩台P3～P11的结构可直接设置在车站框架结构上，与地铁车站形成整体，与车站结合处跨线桥横断面布置如图2所示。

另一部分为位于地铁区间盾构隧道上方设置的独立墩台Pb、P0、P1、P2，需考虑与地铁区间盾构隧道的安全距离，则墩台的桩基和承台需要特殊设计，本文系研究位于地铁盾构上方的这4个独立墩台的受力状态及其构件设计。

施工区域内为地铁9号线和少量管线，区间隧道顶部覆土约7.4 m；墩台P3～P11之间为地铁车站，埋深约18 m，车站为二层框架结构。因此设计时应充分考虑桥梁施工对地铁盾构和车站结构的影响。首先需保证桥梁下部结构距地铁盾构区间净距最小值为3 m，盾构外径6.3 m，故只能在距盾构中心线6.15 m以外布置桩基。再结合上部结构支座布置考虑，位于区间隧道上方的跨线桥横断面布置如图3所示。

1 地铁设施保护要求

根据《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》第二条“地铁保护技术标准”规定，由于深基坑、高楼桩基、降水、堆载等各种卸载和加载的建筑活动对地铁工程设施的综合影响限度，必须符合以下标准：在地铁工程（外边线）两侧的邻近3m范围内不能进行任何施工；地铁结构设施绝对沉降量及水平位移量≤20 mm（包括各种加载和卸载的最终位移量）；隧道变形曲线的曲率半径≥15 000 m；相对弯曲≤1/2 500；由于建筑物垂直荷载（包括基础地下室）及降水、注浆等施工因素而引起的地铁隧道外壁附加荷载≤20 kPa；由于打桩振动、爆破产生的震动对隧道引起的峰值速度≤2.5 cm/s。

根据地铁有关部门的审查意见，地铁运营线路及结构保护要求：两轨道横向高差＜4 mm；轨道偏差和高低差最大尺度值＜4 mm/10 m，地铁结构横向差异沉降＜0.4‰，地铁结构的最终沉降量、隆起及水平位移量＜10 mm，施工引起的地铁结构变形＜0.5 mm/d，且不得影响其安全正常使用。当发生下列情况时，建设单位应及时报警，并采取应急措施，保障地铁线路安全：地铁一侧的围护结构变形超过1.0 mm/d；监测值超过日监测指示或总变形控制量的1/2；其他危及地铁结构和运营安全的事情发生时。

另外隧道与车站结构位置处的附加变形应不大于5 mm。

2 设计参数

上部结构纵向跨径为3×18 m，减去支点中心线距边桩中心距离，计算跨径为17.62 m+18 m+ 17.62 m。系梁截面拟定初始尺寸为h×b=2.8 m×4.0 m,承台高3.25 m,立柱尺寸2.4 m×1.5 m。每个边承台采用5根800钻孔灌注桩，每个中承台采用8根800钻孔灌注桩。系梁材料采用C40混凝土，桩基水下C30混凝土。连续框架结构考虑承台间不均匀沉降5 mm（根据上部荷载及地质资料计算得出最大沉降差4.3 mm）。

图1 跨线桥总体纵断面布置图

图2 与地铁车站结合处跨线桥横断面布置

图3 位于区间隧道上方的跨线桥横断面布置

图4 承台构造及与轨道交通关系图

尺寸拟设置为34.4m×6.6m，承台为钢筋混凝土王字形承台，混凝土标号为C40，位于地铁盾构上方,如图4所示。

作用于每个墩身底部的荷载见表1。

表1 作用于每个墩身底部的荷载 kN/(kN·m)

3 承台结构计算建模

采用Midas Civil 2011结构计算软件建立下部结构基础（包括承台和桩）的整体模型，计算得出结构内力及系梁配筋计算。再进行承台配筋计算，承台内力计算采用Midas Civil模型中读取的相应的桩顶内力，桩顶内力作为反力作用在悬臂承台上计算出承台内力，然后利用桥梁通计算软件中的结构配筋模块计算；同时进行桩基配筋计算，桩基内力在Midas Civil模型中读取，再利用桥梁通计算软件中的结构配筋模块计算。

Midas Civil建模时，单个承台采用实体单元建立模型，承台系梁及灌注桩采用杆单元建立模型，承台与系梁、桩间接触的截面节点间采用刚性连接，桩底单元垂直向固结，桩周采用刚度渐变的节点弹性支撑模拟土的弹簧约束，弹簧刚度根据规范随深度Z线性变化。

计算模型如图5所示。

图5 计算模型

4 计算方法

经承台的结构尺寸及配筋计算拟试算求得，采用有限元模型计算出内力再进行配筋计算，最终选择合理的结构尺寸。

承台结构为两榀框架结构，承台系梁作为普通钢筋混凝土结构进行设计，为减小系梁裂缝宽度拟采用预应力筋加强，预应力筋仅构造上考虑，不参与结构受力计算。

5 计算

桥墩荷载组合条件下，系梁高2.8 m、宽4.0 m时的内力计算结果如图6～图11所示。

5.1 系梁结构配筋承载力及裂缝计算

图6 承载能力极限状态基本组合弯矩图

图7 承载能力极限状态基本组合剪力图

图8 正常使用极限状态短期组合弯矩图

图9 正常使用极限状态短期组合剪力图

图10 正常使用极限状态长期组合弯矩图

图11 正常使用极限状态长期组合剪力图

系梁结构尺寸h×b＝2.8 m×4.0 m。系梁跨中下缘拟采用3排3132+1排2932共12232，配筋率0.78%；支点下缘拟采用3排3132共9332；中承台上缘采用3排3132共9132，边承台上缘采用2排3132共6232，配筋率0.72%，均满足45ftd/fsd= 0.225%的最小配筋率要求。箍筋配置616@150，则ρsv＝6×201.1÷150÷4 000＝0.201%＞0.12% [最小配箍率，《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）9.3.13]，如图12所示。

将钢筋输入Midas模型的RC截面设计，裂缝验算时考虑系数C1=1.0，C2=1+0.5×25 903/27 419= 1.476，按规范C3取1.0，但是Midas程序中未考虑骨架钢筋直径增大系数1.3，则将骨架钢筋直径增大系数1.3考虑到C3中，则C3=（30+32×1.3）/（30+32）=1.155。得出验算结果如下：

图12 跨中截面配筋图

使用阶段正截面抗弯验算、使用阶段斜截面抗剪验算、使用阶段抗扭验算、使用阶段梁的裂缝宽度验算均能满足结构设计要求。

5.2 结构尺寸及配筋试算结果

重复上述方法试算不同结构尺寸对应的内力及配筋，结果见表2。

表2 不同结构尺寸时内力及配筋计算结果 [kN/(kN·m)]

由表2可知，基于刚度分配原理，结构尺寸越大刚度越大，分配到的框架结构内力也越大，由于该系梁较传统下部结构跨径及内力较大，导致配筋量较多，计算得跨中主筋432@128，因此应尽量选择较小的截面尺寸，并考虑主筋布置层数和间距的合理性。故经比较，最终系梁结构尺寸选择高2.8 m、宽4 m。因系梁所受内力较大导致计算裂缝宽度较大，为适当减小内力引起的裂缝宽度，可考虑在系梁顶底面各设置一排预应力钢束，故系梁顶底面各设置10根s15.20-9钢束，这些钢绞线束仅作为减小裂缝宽度的预应力储备，不参与结构协调受力以提高承载力。

6 承台施工对地铁的影响分析

6.1 基坑开挖方案

承台基坑在地铁区间隧道正上方施工，对隧道变形和弯曲影响较大。且基坑位于轨道交通9号线车站与盾构隧道接头处，由于站体与区间隧道的刚度差异，带来土体变形差异，更易引起开裂变形。整个过程包括开挖、打桩、回填3个步骤，先卸荷再加荷，土体变形和结构受力情况变化较多。

根据测量标高原地面标高可知，基坑开挖深度在4.0 m左右，拟进行分段开挖，先挖盾构侧向主承台部分（桩基部分），开挖时采用6m槽形钢板桩侧向支护,东西两侧各留60 cm施工操作面，南北向各留1m施工作业面，开挖至设计承台垫层底。开挖到位后在最短时间进行凿桩和底板，钢筋绑扎，同时注意地铁盾构的影响情况，根据需要（设计地铁盾构的受力计算数据）进行适当加重。完成盾构外侧承台后再开挖盾构上方系梁部分，开挖时东西两侧采用4 m钢板桩支护，开挖分两步进行，先挖除上部1～2 m，然后自卸土面打入4 m钢板桩支护，再开挖至设计垫层深度。

基坑分成两阶段开挖，通过分块卸载再加载，减少基坑单次开挖面积，防止一次性开挖卸载隆起产生的过大变形，从而减少对地铁车站、区间隧道、周边市政管线等所产生的不利影响。

6.2 工程地质条件

工程地质条件见表3。

表3 土层参数表

场地土层物理参数较差，本工程场地内第3、4层土为高含水量、高压缩性、低强度的软弱黏性土，因其具有较明显触变及流变特性，受扰动后土体强度极易降低，因此在开挖过程中应防止土体扰动。

6.3 计算方法及模型

6.3.1 模型概况

为了较准确地反映基坑开挖卸荷对区间隧道和车站产生的附加变形影响，拟采用Midas GTS三维弹塑性有限元分析软件根据各结构的空间位置关系建立模型，再按实际施工方案，模拟打桩、基坑开挖及回填等施工工序，以研究各工序加载、卸载对隧道和车站的影响。

数值计算建模时考虑基坑开挖的影响范围，其中模型长（x方向）127.7 m，宽（y方向）72.3 m，深度方向（z方向）为77 m。基坑开挖深度为4 m，土体采用实体单元进行模拟，土体材料采用莫尔-库仑模型模拟；钢板桩围护、隧道衬砌等均采用板单元模拟，并根据截面进行刚度换算；桩采用结构梁单元进行模拟，并考虑桩土间接触，围护结构以及桩、板采用弹性材料模拟。计算模型考虑地下水的渗流，以及初始固结沉降和初始应力的影响。通过施工阶段来模拟施工工况。整体模型如图13所示，土层分布如图14所示。其他相关模型如图15～图17所示。

图13 整体模型图

图14 土层分布图

图15 结构布置情况图

图16 第一步主承台部分开挖

图17 第二步系梁部分开挖

6.3.2 施工步骤（1）施加初始应力，位移清零；（2）主承台开挖前支护施工；（3）主承台开挖；

（4）系梁开挖前支护施工；（5）系梁开挖；

（6）桩及承台结构施工。

6.4 计算结果

计算结果如图18～图24及表4所示。

图18 开挖完毕z向位移图

图19 开挖完毕x向位移图

图20 主承台开挖完毕隧道侧向位移图

图21 主承台开挖完毕隧道沉降位移图

图22 系梁开挖完毕隧道侧向位移图

图23 系梁开挖完毕隧道隆起位移图

图24 开挖完毕隧道和车站错位图

表4 计算结果统计 mm

主承台及系梁开挖完毕变形结果表明，主承台及系梁开挖对地铁车站及盾构区间影响较小，完全满足相关规定及有关部门的要求。

7 结语

综上所述，跨越地铁盾构区间的承台因中间无法设置桩基导致系梁跨径较大，加上本身的上部结构荷载较大，则系梁内力比一般的承台增大很多，需要进行特殊设计，截面尺寸及配筋设计可经过多方比选得出最合理组合。内力较大的系梁结构可采用预应力钢束减小裂缝宽度，因变形协调受力机理不够明确可不考虑预应力钢束参与结构受力。

为减小盾构上方土体开挖对盾构的直接影响，在系梁刚度合理的情况下应尽量减小系梁高度。承台基坑开挖方案可选择分步开挖分步支撑，以减小大面积开挖对下方盾构结构的不利影响。计算结果可知，承台开挖深度4 m对覆土7.4 m的盾构隧道影响较小，盾构变形值在可控范围内，满足相关部门的变形控制要求。

[1]JTG D60—2015，公路桥涵设计通用规范[S].

[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]DGJ 08-11—2010，地基基础设计规范[S].

[4]DG/T J08-61—2010，基坑工程技术规范[S].

[5]DGJ 08-109—2004，城市轨道交通设计规范[S].

[6]范立础.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2012.

[7]张庆芳，张志国.公路桥梁混凝土结构设计原理[M].天津：天津大学出版社，2010.

U443.2

B

1009-7716（2017）01-0077-06

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.022

2016-10-18

顾珍苗（1981-），女，江苏盐城人，工程师，从事桥梁设计工作。