地鐵某區間隧道穿越天橋托換結構設計與施工
摘 要:深圳地鐵僑—華區間隧道需穿越兩座人行天橋,因天橋基礎為擴大基礎,允許沉降30mm , 而相似地層礦山法暗挖施工降水、開挖引起的地表沉降達60～102mm , 因此,必須采取必要的加固或托換措施,才能保證隧道穿越時該人行天橋的安全。根據該段工程的地質情況,經認真研究和多方面的分析比較,設計采用鋼管樁托換方案,天橋實際沉降為23mm , 順利解決了隧道穿越兩座人行天橋的關鍵問題。
關鍵詞: 隧道;天橋;托換結構;設計;施工技術
1 工程概況
深圳地鐵一期工程延長段僑城東—華僑城區間隧道需穿越兩座允許沉降為30mm 的人行天橋,而根據沉降觀測,采用一般礦山法暗挖施工的相似地層,因降水、開挖引起的地表沉降達60～133mm , 不能滿足人行天橋基礎的允許沉降要求,因此,必須采取必要的加固或托換措施,才能保證隧道穿越時人行天橋的安全。
僑城東—華僑城區間隧道全長873. 2m , 在SK15 + 438 、SK15 + 731 處,需穿越兩座基礎為擴大基礎的人行天橋,每座天橋有2 個橋墩座落在隧道的正上方,天橋基底部距地鐵隧道洞頂8. 6～ 11m 。天橋基礎置于粘土層上,其下為礫砂層、礫(砂) 質粘性土層、全風化花崗巖等,土質分布不均,結構分散,厚度變化大,地下水位較高。
由于兩座人行天橋均為鋼筋混凝土連續梁結構,橋墩沉降對其結構安全的影響較大。為保證地鐵施工地面沉降≤30mm 、保證人行天橋的結構安全和深南大道正常通行,從鋼管樁托換方案、旋噴樁止水帷幕止水加洞內大管棚支護方案、地表跟蹤注漿及洞內大管棚支護方案中,通過分析比較,選擇了鋼管樁托換方案。
2 設計方案
2. 1 鋼管樁托換方案原理
鋼管樁托換方案是由微型嵌巖鋼管灌注樁及包樁托梁組成的剛性結構體系,對人行天橋橋墩基礎進行托換,并通過預壓穩壓封樁技術措施,預先完成包樁托換梁和鋼管托換樁的變形,讓大部分橋墩荷載在隧道暗挖前預先轉移到托換體系,并傳遞到受暗挖隧道施工影響較小的巖層上,從而保證人行天橋的安全。
2. 2 托換結構設計
托換樁設在隧道兩側距隧道開挖線50cm 以外,每側各設3 根?300mm 鋼管灌注樁,下鋼管?219mm , 樁端低于隧道底5m , 且入中風化巖1m , 設計單樁承載力692kN 。鋼筋砼托梁位于地面下原擴大基礎上,托梁與橋墩柱固定連接,形成剛性支撐。托換梁與隧道中線垂直布置,為8m ×2. 9m ×1. 0m 的C30 雙肢鋼筋混凝土框架結構,單肢截面為500mm × 1000mm , 托梁中部與橋墩墩柱錨結,鋼管樁與托梁在預壓封樁后,用同級砼填充樁梁間預留間隙,連接成整體。托換及加固結構示意見圖1 。
圖1 天橋基礎托換及加固結構斷面圖
1.2. 3 托換結構計算托換結構示意見圖2 。
2.2. 3. 1 托梁受力計算
(1) 荷載: 集中荷載P= 恒載+ 活載= 1660 kN ×1. 2 +
221kN ×1. 4 = 2301. 4 kN 均布荷載( 托梁自重) q = 0. 65 ×1 ×26 ×2
33. 8 kN /m
(2) 單肢斷面:b ×h = 650 ×1000mm , 4I = bh3/ 12 = 650 ×10003 ÷12 = 5. 42 ×1010mm混凝土為C30 ,fc = 9. 6N/ mm2 鋼筋選用HRB335 級,fy ! = 300N/ mm2
(3) 受力圖見圖3 。
(4) 受力計算:
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
圖2 天橋托換結構示意圖
圖3 受力圖
RB= QB= Pa/L + qL1/2 = 2301 ×3. 1 ÷7. 0 + 16. 9 ×2 ×8/2 = 1154. 2kN
②內力計算:
單肢梁彎矩M = Pab/L = 1/2 ×2301 ×3. 1 ×3. 9 ÷7. 0 = 1987kN·m 梁自重引起彎矩M自= 1/ 8 ×16. 9 ×72 = 103. 5kN·m M總= 1987 + 103. 5 = 2090. 58 kN·m
Pab
③撓度: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
滿足撓度要求。
2. 3. 2 鋼管樁承載力驗算
地基承載力見表1 。 單根鋼管樁允許承載力〔P〕= 1/ 2(UΣiLiατi+αAσR)
式中:U ———樁的周長,m ; α、
i α 樁周摩阻力和樁底承載力影響系數; Li ———各土層厚度,m ; τi 與Li對應土層與樁壁極限摩阻力,kPa ; A 樁底面積,m2 ; σR 樁尖處的極限承載力。〔P單〕= 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
滿足承載力要求。
表1 地基承載力表
托梁以下地層厚度時代成因液性指數極限摩阻力樁尖極限承載力
(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 托梁與天橋墩柱連接驗算加固托梁與人行天橋墩柱之間通過鋼筋嵌入連接。選? 25 的16Mn 螺紋鋼作為嵌入鋼筋,查表知:fv = 175N/ mm2 。N = n ×A ×fv
式中:n 嵌入墩柱鋼筋數; A 鋼筋截面積,mm2 ; fv ———鋼筋抗剪應力,N/ mm2 。按照鋼筋剪力計算N = n ×A ×fv = 30 ×490 ×175 = 2572. 5 > 2301kN 滿足剪力要求。
3 施工工藝和方法
3. 1 托換結構施工工藝及要點
托換結構施工工藝流程:施工準備→測量放樣、監測布點→ 鉆機就位(對中,找平) →鉆進成孔一次清孔吊放鋼管二次清孔注漿植鋼筋托梁施工預壓樁封樁。
施工要點為:
(1) 嚴格控制鉆孔位置、垂直度和終孔條件,以保證托換樁不侵入隧道,并保證單樁承載力。
(2) 保證橋墩連接部位的植筋及鑿毛質量,使新舊混凝土緊密結合。
(3) 待托梁砼強度達到設計強度后,對鋼管樁進行預壓,通過反力支架壓樁,完成托梁及鋼管樁的沉降、變形。張拉應對稱同時進行,分對角、對中三次張拉,而且張拉分三級進行,每次加載為設計的30 %左右。預壓時嚴密監測梁的變形,及時調整預壓荷載。
(4) 達到設計壓樁力后,通過預埋件將托梁與鋼管樁焊接,然后用C40 早強微膨脹細石混凝土灌注封樁,使樁梁連為一體。
(5) 施工過程中挖出管樁時,及時用型鋼進行橫向支撐,以防止鋼管樁受側向壓力產生壓曲。
3. 2 對相鄰橋墩的保護措施東天橋1# 、4# 墩距隧道開挖線約14m ,為擴大基礎;西天橋5# 、8# 墩距隧道開挖線約12m ,5 # 墩為樁基基礎,8 # 墩為擴大基礎。為防止由于隧道施工降水、開挖引起土層沉降的影響,對東天橋1# 、4# 墩、西天橋8# 墩采用旋噴樁止水帷幕加固,旋噴樁深度為基礎底面以上1m 至隧道底板的范圍。
3. 3 施工監測
監測內容包括托換樁的沉降監測、天橋墩柱的沉降、傾斜監測、鄰近橋墩的沉降監測、在托換過程中的托換梁跨內最大撓度變形監測和托換梁與被托換橋墩柱間節點滑移的監測。
3. 4 地面注漿
本天橋采用托換梁是永久結構,在隧道施工通過天橋基礎后,由于土的壓縮和地下水部分散失,天橋基礎下可能存在空隙, 采用從地表或擴大基礎上注漿的辦法填充和加固地層。
樁基托換技術比較成熟,本結構設計的安全系數較大,在托換施工前認真進行托換加固的技術調查和施工設計,在施工過程中采用嚴格控制鉆孔位置、垂直度和終孔條件,確保單樁承載力并保證托換樁不侵入隧道;梁柱界面的處理措施到位,使新舊混凝土緊密結合,確保界面上的抗剪力,防止相對滑移;施工監測工作貫穿始終,及時反饋監測信息,指導施工等措施,能夠保證隧道施工中人行天橋的使用和安全。
參考文獻:
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