钢格构柱便桥在宁波站软土深基坑开挖中的应用

张卫兵

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

宁波站位于杭甬客运专线和甬台温铁路客运通道上，为宁波枢纽内的主要客运站[1-2]。宁波站改建工程车站规模8台16线，并新建站房和地下集散厅。车站改建期间客运在宁波东站过渡，本站仅办理列车的通过作业。为满足杭甬客运专线开通要求，本项目建设工期为36个月(含与车站改建工程同步实施的城市地铁工程)，因此，下穿既有铁路站房[3-6]软土深基坑[7-9]开挖设计方案对宁波站改建工程建设工期将产生重要影响。

1 工程概况

宁波站既有规模为3台6线，改建后规模为8台16线，既有车站需原地拆除重建。城市地铁2号线与宁波站车场垂直并以下穿方式经过，宁波市要求地铁下穿铁路工程需与宁波站改造工程同步施工，因此车站站房基坑需兼顾地铁基坑。站房基坑共分为5个区，其中Ⅰ-1区为车站站房地下集散厅与城市地铁2号线铁路宁波站站联合深基坑。基坑南北贯穿既有杭深铁路干线，长278 m，宽123.5 m；地下一层至-11.15 m为站房地下集散厅，宽75 m，开挖深度约9 m；地下二、三层至-27.4 m为宁波市地铁2号线地铁铁路宁波站工程，位于铁路站房基坑中部，宽42.1 m，开挖最深约24 m。宁波站深基坑平面示意如图1所示。

图1 宁波站深基坑平面示意

站房深基坑处地质条件主要岩性为淤泥质黏性土及黏性土，属典型的软土地基，赋存孔隙潜水及微承压水，周边存在小区高层建筑及地下管线等设施。淤泥质土层具有高含水量、高压缩性、强度低，流变、触变性大等特点，基坑稳定性差，分区开挖易产生不均匀沉降和变形大等问题；微承压水含水层主要分布在⑥2层、⑧1层，计算得知承压含水层临界开挖深度分别为15.68、22.58 m，均小于实际开挖深度，基坑隆起引起地表沉降等将对运营铁路及周边建筑带来较大安全风险。宁波站深基坑土层分布如图2所示。

图2 宁波站深基坑土层分布示意

2 深基坑设计方案比选

2.1 方案说明

本工程对站房深基坑设计方案重点研究了分区开挖和临时便桥[10-11]两大系列方案。各方案研究情况分述如下。

(1)分区开挖方案(方案Ⅰ)

该方案是目前既有铁路客站改建工程站房深基坑开挖通常采用的设计方案。在既有杭深线南侧沿既有铁路方向设一道封堵墙，将站房和地铁联合深基坑分为南北两区。既有铁路正线位于北区，先施工南区基坑，待南区新正线回筑至±0.00 m高程后，开通新线，再施工北区基坑。该方案深基坑设计工期31个月，工程总工期需要52个月，不满足杭甬客运专线开通要求。

(2)临时便桥方案(方案Ⅱ)

①钢便梁方案(方案Ⅱ-1)

为满足总工期36个月的要求，研究采用临时铁路钢便梁架空线路的设计方案。该方案基坑开挖前，先将既有正线临时外移至既有到发线位置过渡，然后在既有正线需设深基坑位置新建临时钢便桥；待钢便桥施工完成后，将正线复位(即正线通过钢便桥跨过南北通道及地铁基坑)，再施工南北通道及地铁基坑。待深基坑永久正线位置回筑至±0.00高程后，铺设永久正线，待永久正线投入使用后，拆除临时钢便桥。

②钢格构柱便桥方案(方案Ⅱ-2)

钢便梁方案便梁结构形式一般采用传统D便梁，但便梁的横向稳定问题较难解决，目前铁路工程建设中多在桥柱高度7 m左右的情况下使用，宁波站深基坑便桥处开挖深度达21.17 m，安全风险较大，不易采用。因此，为满足施工工期和铁路运输安全的要求，又研究了钢格构柱[12-14]支撑现浇钢筋混凝土梁板式便桥方案。该方案先施工顺序同方案Ⅱ-1，先将既有正线临时外移至既有到发线过渡，然后在既有正线需设深基坑位置新建钢格构柱便桥；待便桥施工完毕后，将正线复位，再施工南北通道及地铁基坑。

2.2 方案比选(表1)

表1 深基坑设计方案比较

2.3 推荐意见

方案Ⅰ需在既有杭深线南侧沿深基坑断面方向设一道封堵墙，将基坑分为南北两区，设计总工期55个月(含地铁)，施工周期长，不满足宁波站改建工程施工工期要求；方案Ⅱ-1采用传统D便梁架空线路施工周期虽略短，但结构横向稳定问题较难解决，安全风险大；方案Ⅱ-2采用钢格构柱支撑钢筋混凝土梁板式便桥架空铁路干线，可实现铁路两侧深基坑同步开挖，至基坑土方开挖结束实际施工周期仅15个月，设计总工期36个月(含地铁)，能满足宁波站改建工程施工工期要求，工程投资也较省。经综合分析比选，宁波站软土深基坑设计方案采用方案Ⅱ-2即钢格构柱便桥方案。

3 铁路钢格构柱便桥技术方案说明

铁路钢格构柱便桥利用深基坑内的部分工程桩和新增立柱桩作为便桥板的承重基础，将钢格构柱插入钻孔灌注桩，与深基坑局部地下连续墙和围护桩一同作为便桥支座的支撑，在钢格构柱顶部绑扎梁板钢筋，现浇便桥梁板，然后铺设铁路正线轨道。便桥下基坑土方在天窗点内分层、分仓、对称开挖，根据开挖深度及时安装钢格构柱之间的型钢剪刀撑[15-16]，并绑扎钢筋采用混凝土支撑将每层的钢格构柱连接成一整体。宁波站深基坑铁路钢格构柱便桥立面见图3。

宁波站改建工程深基临时便桥采用钢格构柱+支撑+现浇钢筋混凝土梁板连续钢构体系，钢格构柱便桥长133.6 m、宽度为12.9 m。基础采用钻孔灌注桩，共91根，其中新增便桥立柱桩57根，利用设计工程桩34根，桩深约83 m，有效桩长60～80 m，内插200 mm×20 mm四肢角钢加工而成的格构柱，插入深度6 m，钢格构柱深入梁体850 mm，钢格构柱最大外露22 m，柱间距最小为3.8～6.0 m，共计24跨。便桥上部纵、横向采用350 mm×600 mm、600 mm×800 mm、1 000 mm×1 000 mm钢筋混凝土连接梁将钢格构柱连接成整体，梁顶下350 mm为钢筋混凝土板结构。

图3 宁波站深基坑铁路钢格构柱便桥立面

便桥下土方采用分层、分仓、对称开挖，纵横向设槽钢剪刀撑，坑内设3道钢筋混凝土圈梁。桥面混凝土设计强度等级为C40，1～3道圈梁及支撑混凝土均为C40R，立柱桩采用C30混凝土灌注桩。临时便桥长42.1 m、宽度18 m，采用φ850@600 mm三轴搅拌坑底满堂加固，加固范围-11.00～-27.50 m，单桩水泥掺量为20%，高度深入底板下3 m。

该临时便桥为双线、客货共线、有砟轨道，平面为直线，列车运行最高设计速度：客车80 km/h、货车45 km/h。主要技术特点如下：

(1)上部结构是由桥面梁和桥面板组成的钢筋混凝土梁板结构，钢格构柱插入梁内形成固结，属于多跨连续刚构桥；

(3)钢格构柱随着基坑的开挖采用钢剪刀撑横向、纵向连接，增加了结构的稳定性；

(4)便桥基础部分利用了永久工程桩，节省了工程投资；

(5)便桥墩身钢结构柱利用了深基坑支撑结构作为柱间连系梁；

(6)便桥墩身连系梁和深基坑支撑连成一体增加了经济性和稳定性。

4 结语

在城市大型铁路客站改建工程中经常遇到改建站房基坑下穿运营铁路的情况，常规做法是以铁路为界，采用分区开挖、线路转场的设计方案为主，但存在施工周期长，工程投资大等问题，尤其是软土地区，运营和施工安全风险均较大。在宁波站改建工程建设过程中，通过各参建单位创新设计、摸索经验，采用钢格构柱支撑钢筋混凝土梁板式便桥结构架空铁路干线、上跨大跨度软土深基坑的设计方案，实现了下穿铁路基坑连续整体开挖的目标，大大缩短了工期，节省了工程投资，对软土深基坑与铁路线路交叉工程设计具有一定的借鉴意义。

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