地铁隧道在顶进式公铁立交桥下通过时技术处理的分析和探讨.doc

地铁隧道在顶进式公铁立交桥下通过时技术处理的分析和探讨
摘  要：以北京市南中轴路下穿京山铁路立交工程建设为例，就地铁隧道在顶进式公铁立交桥下通过时的几个主要技术问题加以论述。这是目前北京市遇到的首座在新建公铁立交桥下预留地铁穿越条件的工程，对今后类似工程的建设有重要的示范和借鉴作用。
关键词：地铁；隧道；立交桥；技术处理

      近年来，城市交通问题一直是社会各界普遍关注的一个热点问题。北京市提出了按照高速公路系统、城市快速道路和主干道系统、城区路网加密系统三大系统，同时加快地铁、城市铁路建设的思路，全盘考虑，统一规划，以解决首都道路交通拥堵问题。在工作实践中，遇到地铁与公铁立交桥交叉建设的问题，为使近远期工程互相配合协调建设，发挥社会和投资的最佳效益，本文以北京市南中轴路下穿京山铁路立交工程建设为例，就地铁隧道在顶进式公铁立交桥下通过时的几个主要技术问题加以论述。
      北京市南中轴路下穿京山铁路立交工程，位于北京南站东部，紧邻永定门外大街，为规划的南中轴路道路工程的一部分。拟建立交桥下穿京山上行线、京山下行线、到发线、安全线以及规划的京津城际客运专线等。按照北京市2030年地铁远期规划，地铁8号线将由本立交桥下穿越，地铁隧道的中线大致与本立交桥轴线平行。
      南中轴路市政工程是北京市重点工程，而下穿京山铁路立交桥又是重点工程中的重点建设项目。该立交桥规模为（17.5 m+20.0 m+20.0 m+17.5 m）四孔连续钢筋混凝土框构桥。其主要设计尺寸：使用净高4.5 m，结构净高5.4 m，全高7.9 m；顶板、中墙厚度为1.2 m，边墙厚度、底板厚度为1.3 m；框构桥沿道路方向长度为33.273 m，沿铁路线路方向总宽度为81.2 m，南中轴路中线与铁路京山线下行线角为81o。设计计算顶力约为250 MN。经检索，无论规模或计算顶力，本立交桥目前在国内同类工程中均居首位。
      由于后期建设的地铁8号线于本立交桥下通过，当地铁隧道施工引起其上覆土沉降时，对已投入运营的立交桥会造成什么样的影响、如何将此影响控制到最小程度，给本立交桥设计提出了一个新的课题。
      在本立交桥的前期工作中，本着“安全第一，统筹考虑，确保质量”的原则，在保证铁路运输安全的同时，综合考虑市政道路建设和远期地铁8号线建设的因素，力求达到铁路、市政道路、地铁综合经济效益和社会效益尽可能最优，重点研究了以下几个主要技术问题。
1南中轴路立交桥采用整体结构设计方案
      结构设计考虑了两个方案：分体结构方案和整体结构方案。南中轴路立交桥的设计对施工方案的选择不仅有重要影响，而且对其下将要修建的地铁8号线区间隧道的设计和施工也有很大影响。
      分体结构方案是把立交桥设计为四个独立的单孔框架，其两侧为1～17.5 m，中部为2×(1～20.0)m，采用分箱并列顶进。
      四孔整体结构方案是把立交桥设计为（17.5 m+20.0 m+20.0 m+17.5m）四孔连续结构，采用一次顶入法顶进。
      对上述两个方案进行了以下分析比较：在施工方面，立交桥按分体设计后，单孔框构的自重与整体结构相比减少了很多，在施工时便于顶进，顶进就位后若发生地层不均匀沉降对结构是有利的。但是分箱顶进会延长顶进施工时间，顶进施工中高程和方向控制难度大、要求高，且四个箱体组合时各自的施工误差不易统一，极可能会造成外观的永久缺陷。采用整体结构一次顶进则不存在上述问题，但整体连续结构，由于立交桥的规模大、体量大、顶力大，需要大量的顶进设备，施工会存在一定的技术难度。
      从远期地铁隧道施工的安全方面看，由于整体结构的总宽度和体量比隧道宽度和体量大得多，在一个大型结构的保护下，地铁隧道开挖显然比在分体结构下安全得多。
      从该立交桥对地基的压应力的分析来看，采用整体结构时压应力小，顶进变化小，有效地将地基压应力降到最小；而采用分体结构时压应力大，顶进变化大。
      由于四孔整体连续立交桥横截面面积及刚度与下面的地铁隧道横截面面积及刚度相比，相差很大，整体立交桥先于地铁8号线施工时，建成的整体立交桥对地铁隧道结构起到了保护作用。同时，进行整体
连续立交桥的设计时，框构桥底板的厚度取1.3 m，比立交桥下没有考虑地铁穿越情况时的厚度1.2 m增加了0.1 m，框构桥底板的刚度增大。
      经分析比较，立交桥采用整体结构形式优于分体结构，做成四孔整体式对结构的稳定及安全是有利的，因而确定采用整体结构方案。
2 不同覆土厚度条件下地铁施工引起地层下沉对立交桥结构的影响
      为了保证地铁8号线在南中轴路立交桥下安全穿越，同时不影响该立交桥的正常使用及上部既有铁路的运营安全，地铁隧道的最小覆土厚度应依据工程地质水文条件、施工方法、开挖断面大小等因素的不同而异。同时，覆土厚度对地铁施工作业效率、施工成本和建成后地铁线路的纵坡以及长期运营成本的影响很大。因此，地铁隧道的最小覆土厚度宜在保证铁路运输安全和地铁运营安全的情况下，将覆土厚度尽量减小。
      由于地铁8号线在已经运营的立交桥下通过，在施工时覆土的下沉必然造成立交桥结构的垂直位移而引起有异于正常设计条件下的内力。为了在地铁施工时确保本立交桥结构的安全，设计时必须预先考虑上述因素。这是本立交桥采取预先保护的有效方法，同时也可为今后地铁8号线通过本立交桥区段的设计和施工提供必要的依据。
      为解决这个问题，北京交通大学土建学院就地铁隧道在不同的覆土厚度下开挖造成土体沉降时，对其上的框架结构产生变形的影响进行了分析研究。
      研究结果表明，当两个宽度为6 m的单线隧道在框架结构中部两孔的跨中通过时，不同的覆土厚度造成结构底板的垂直变位情况如表1所示。

      由表中数字可以看出，随着覆土厚度的增加，所引起上方立交桥结构的垂直变位随之减小。在覆土厚度由6 m增加到7 m时，变位减小较明显。考虑到结构承载能力应具有必要的储备，本立交桥覆土厚度应在7 m以上。
      把7 m覆土时的变位值作为主力进行立交桥结构分析和结构配筋的设计，这样在地铁隧道开挖时可以保证立交桥的结构安全。
3 对远期地铁8号线下穿南中轴立交桥时设计和施工的技术要求
      在中轴路立交桥的结构设计中，考虑了地铁8号线施工的因素，但是在内力分析中只考虑了一些特定的条件。为保证立交桥的安全，在地铁8号线下穿本立交桥地段的设计和施工时，应考虑以下技术要求。
      （1）下穿立交桥的地铁区间隧道应采取两个平行单洞形式，每个单洞分别设于中部两孔的跨中部位。
      （2）隧道开挖面的顶部至立交桥底板底的距离应结合路段纵断面考虑，一般不宜小于8 m，在困难条件下亦不应小于7 m；开挖时上部覆土的沉降量控制在30 mm以内。
      （3）隧道开挖施工时应对隧道顶部至立交桥底板范围的土体采取固化措施，两个隧道开挖不宜齐头并进，应前后错开一定距离。
      （4）地铁隧道施工时，必须对立交桥及桥上线路状态进行监控测量，监控测量工作应有铁路有关部门的人员参加，以便掌握情况及时采取处理措施，保证铁路运营的安全。
      南中轴路立交桥工程于2004年6月1日采用顶进法开始施工，于6月19日顶进就位，施工质量良好，已于同年9月开通使用。北京开通了中国首条建设成本低、行驶速度快、智能化水平堪称全国第一的快速公交线路就位于南中轴路上，而南中轴路立交桥是这条快速路上规模最大的立交桥，已成为北京市中轴路上市政道路与铁路立交的亮点工程。随着北京地铁工程的建设，在不远的将来，北京市南中轴路下穿
京山铁路立交工程将形成京山铁路等线路在上、南中轴路公铁立交桥居中、北京地铁8号线区间隧道在下的三层立体交通。