地铁某区间隧道穿越天桥托换结构设计与施工
摘 要:深圳地铁侨—华区间隧道需穿越两座人行天桥,因天桥基础为扩大基础,允许沉降30mm , 而相似地层矿山法暗挖施工降水、开挖引起的地表沉降达60～102mm , 因此,必须采取必要的加固或托换措施,才能保证隧道穿越时该人行天桥的安全。根据该段工程的地质情况,经认真研究和多方面的分析比较,设计采用钢管桩托换方案,天桥实际沉降为23mm , 顺利解决了隧道穿越两座人行天桥的关键问题。
关键词: 隧道;天桥;托换结构;设计;施工技术
1 工程概况
深圳地铁一期工程延长段侨城东—华侨城区间隧道需穿越两座允许沉降为30mm 的人行天桥,而根据沉降观测,采用一般矿山法暗挖施工的相似地层,因降水、开挖引起的地表沉降达60～133mm , 不能满足人行天桥基础的允许沉降要求,因此,必须采取必要的加固或托换措施,才能保证隧道穿越时人行天桥的安全。
侨城东—华侨城区间隧道全长873. 2m , 在SK15 + 438 、SK15 + 731 处,需穿越两座基础为扩大基础的人行天桥,每座天桥有2 个桥墩座落在隧道的正上方,天桥基底部距地铁隧道洞顶8. 6～ 11m 。天桥基础置于粘土层上,其下为砾砂层、砾(砂) 质粘性土层、全风化花岗岩等,土质分布不均,结构分散,厚度变化大,地下水位较高。
由于两座人行天桥均为钢筋混凝土连续梁结构,桥墩沉降对其结构安全的影响较大。为保证地铁施工地面沉降≤30mm 、保证人行天桥的结构安全和深南大道正常通行,从钢管桩托换方案、旋喷桩止水帷幕止水加洞内大管棚支护方案、地表跟踪注浆及洞内大管棚支护方案中,通过分析比较,选择了钢管桩托换方案。
2 设计方案
2. 1 钢管桩托换方案原理
钢管桩托换方案是由微型嵌岩钢管灌注桩及包桩托梁组成的刚性结构体系,对人行天桥桥墩基础进行托换,并通过预压稳压封桩技术措施,预先完成包桩托换梁和钢管托换桩的变形,让大部分桥墩荷载在隧道暗挖前预先转移到托换体系,并传递到受暗挖隧道施工影响较小的岩层上,从而保证人行天桥的安全。
2. 2 托换结构设计
托换桩设在隧道两侧距隧道开挖线50cm 以外,每侧各设3 根?300mm 钢管灌注桩,下钢管?219mm , 桩端低于隧道底5m , 且入中风化岩1m , 设计单桩承载力692kN 。钢筋砼托梁位于地面下原扩大基础上,托梁与桥墩柱固定连接,形成刚性支撑。托换梁与隧道中线垂直布置,为8m ×2. 9m ×1. 0m 的C30 双肢钢筋混凝土框架结构,单肢截面为500mm × 1000mm , 托梁中部与桥墩墩柱锚结,钢管桩与托梁在预压封桩后,用同级砼填充桩梁间预留间隙,连接成整体。托换及加固结构示意见图1 。
图1 天桥基础托换及加固结构断面图
1.2. 3 托换结构计算托换结构示意见图2 。
2.2. 3. 1 托梁受力计算
(1) 荷载: 集中荷载P= 恒载+ 活载= 1660 kN ×1. 2 +
221kN ×1. 4 = 2301. 4 kN 均布荷载( 托梁自重) q = 0. 65 ×1 ×26 ×2
33. 8 kN /m
(2) 单肢断面:b ×h = 650 ×1000mm , 4I = bh3/ 12 = 650 ×10003 ÷12 = 5. 42 ×1010mm混凝土为C30 ,fc = 9. 6N/ mm2 钢筋选用HRB335 级,fy ! = 300N/ mm2
(3) 受力图见图3 。
(4) 受力计算:
① 支座反力: = 16. 9 ×2= RA = QA = Pb/L + qL1/2 = 2301 ×3. 9 ÷7. 0 + 16. 9 ×2 ×8/2 = 1417. 2kN
图2 天桥托换结构示意图
图3 受力图
RB= QB= Pa/L + qL1/2 = 2301 ×3. 1 ÷7. 0 + 16. 9 ×2 ×8/2 = 1154. 2kN
②内力计算:
单肢梁弯矩M = Pab/L = 1/2 ×2301 ×3. 1 ×3. 9 ÷7. 0 = 1987kN·m 梁自重引起弯矩M自= 1/ 8 ×16. 9 ×72 = 103. 5kN·m M总= 1987 + 103. 5 = 2090. 58 kN·m
Pab
③挠度:f = 9EIl (a2 + 2ab)3
1. 51 ×106 ×3100 = 9 ×5. 42 ×1010 ×3. 0 ×104 ×7000(39002 + 2 ×3100 ×3900) 3 = 4. 97mm
f = 4. 97mm < L/ 250 = 7000/ 250 = 28mm
满足挠度要求。
2. 3. 2 钢管桩承载力验算
地基承载力见表1 。 单根钢管桩允许承载力〔P〕= 1/ 2(UΣiLiατi+αAσR)
式中:U ———桩的周长,m ; α、
i α 桩周摩阻力和桩底承载力影响系数; Li ———各土层厚度,m ; τi 与Li对应土层与桩壁极限摩阻力,kPa ; A 桩底面积,m2 ; σR 桩尖处的极限承载力。〔P单〕= 1/2〔0. 942 ×(0. 6 ×7. 3 ×90 + 0. 6 ×13. 9 ×80 + 0. 9 ×3. 8 ×80) + 0. 6 ×0. 0706 ×3000〕= 692. 3kN
〔P〕= 692. 3 ×3 = 2076. 9kN > P = 1417
2076. 9/ 1417 = 1. 46
满足承载力要求。
表1 地基承载力表
托梁以下地层厚度时代成因液性指数极限摩阻力桩尖极限承载力
(m) IL τi(kPa) (kPa)
Qm + al
7. 3 -0. 322 90
Qel
13. 9 0. 215 80
3. 8 γ1 3000
2. 3. 3 托梁与天桥墩柱连接验算加固托梁与人行天桥墩柱之间通过钢筋嵌入连接。选? 25 的16Mn 螺纹钢作为嵌入钢筋,查表知:fv = 175N/ mm2 。N = n ×A ×fv
式中:n 嵌入墩柱钢筋数; A 钢筋截面积,mm2 ; fv ———钢筋抗剪应力,N/ mm2 。按照钢筋剪力计算N = n ×A ×fv = 30 ×490 ×175 = 2572. 5 > 2301kN 满足剪力要求。
3 施工工艺和方法
3. 1 托换结构施工工艺及要点
托换结构施工工艺流程:施工准备→测量放样、监测布点→ 钻机就位(对中,找平) →钻进成孔一次清孔吊放钢管二次清孔注浆植钢筋托梁施工预压桩封桩。
施工要点为:
(1) 严格控制钻孔位置、垂直度和终孔条件,以保证托换桩不侵入隧道,并保证单桩承载力。
(2) 保证桥墩连接部位的植筋及凿毛质量,使新旧混凝土紧密结合。
(3) 待托梁砼强度达到设计强度后,对钢管桩进行预压,通过反力支架压桩,完成托梁及钢管桩的沉降、变形。张拉应对称同时进行,分对角、对中三次张拉,而且张拉分三级进行,每次加载为设计的30 %左右。预压时严密监测梁的变形,及时调整预压荷载。
(4) 达到设计压桩力后,通过预埋件将托梁与钢管桩焊接,然后用C40 早强微膨胀细石混凝土灌注封桩,使桩梁连为一体。
(5) 施工过程中挖出管桩时,及时用型钢进行横向支撑,以防止钢管桩受侧向压力产生压曲。
3. 2 对相邻桥墩的保护措施东天桥1# 、4# 墩距隧道开挖线约14m ,为扩大基础;西天桥5# 、8# 墩距隧道开挖线约12m ,5 # 墩为桩基基础,8 # 墩为扩大基础。为防止由于隧道施工降水、开挖引起土层沉降的影响,对东天桥1# 、4# 墩、西天桥8# 墩采用旋喷桩止水帷幕加固,旋喷桩深度为基础底面以上1m 至隧道底板的范围。
3. 3 施工监测
监测内容包括托换桩的沉降监测、天桥墩柱的沉降、倾斜监测、邻近桥墩的沉降监测、在托换过程中的托换梁跨内最大挠度变形监测和托换梁与被托换桥墩柱间节点滑移的监测。
3. 4 地面注浆
本天桥采用托换梁是永久结构,在隧道施工通过天桥基础后,由于土的压缩和地下水部分散失,天桥基础下可能存在空隙, 采用从地表或扩大基础上注浆的办法填充和加固地层。
桩基托换技术比较成熟,本结构设计的安全系数较大,在托换施工前认真进行托换加固的技术调查和施工设计,在施工过程中采用严格控制钻孔位置、垂直度和终孔条件,确保单桩承载力并保证托换桩不侵入隧道;梁柱界面的处理措施到位,使新旧混凝土紧密结合,确保界面上的抗剪力,防止相对滑移;施工监测工作贯穿始终,及时反馈监测信息,指导施工等措施,能够保证隧道施工中人行天桥的使用和安全。
参考文献:
[ 1 ] 孙伟亮. 双层大管棚托换法穿越楼房桩基隧道施工技术[J ] . 现代隧道技术,2003 ,40 (1) [ 2 ] 铁路工程设计技术手册[ M] . 中国铁道出版社,1995.
[ 3 ] 建筑桩基技术规范[ S] . 中国建筑工业出版社,1997.
