地鐵隧道頂部跨線橋引道設計與附加荷載計算分析

李 鋒

（中國鐵建港航局集團有限公司第一工程分公司，廣東 廣州 511442）

0 引言

輕質泡沫混凝土具有重量輕、強度高，能有效減少建筑荷載的優點。廣州機場第2高速G106國道快捷化改造項目引道施工中，跨線橋南側路基段需同步抬高并與跨線橋接順，為減小對地鐵的影響，路基填土采用輕質泡沫混凝土。本文對跨線橋進行引道設計，通過附加荷載的計算，分析引道填土荷載對隧道頂部附加荷載的影響，進一步分析地鐵結構上方施工輕質泡沫混凝土引道對地鐵既有結構產生的影響，驗證地鐵結構上方建設輕質泡沫混凝土引道的可行性，所得經驗可為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 基本情況

G106 國道快捷化改造(白云五線-人和大橋)為 G106快捷化改造工程中段，起點對接白云五線越嘴立交，沿著現狀G106路線向北，經南村、南勝莊，北村等，終點為人和橋，路線長約5.14km。

G106國道（白云五線-人和大橋）與機場第2高速、在運營的地鐵三號線共線，目前機場第2高速北段已開始施工，南段正在開展設計，國道106 改造、機場第2高速建設的實施條件受限，兩個項目相互影響、制約，涉及到設計方案、征地拆遷、勘察等各方面協調。設置跨線橋跨越北太路，在北太路跨線橋設置北村中橋跨越沙坑河，該段跨線橋與機場第2高速橋墩共墩，共墩段采用雙層橋設計，下部結構均為雙層門式墩；上層蓋梁支撐機場二高上部結構，下層蓋梁支撐北太路跨線橋上部結構。共墩段平面位置如圖1所示。

圖1 共墩段平面位置圖

1.2 自然條件

1.2.1 地質

本項目線位北段位于珠三角斷陷區，屬于廣花平原區，地表覆蓋層較厚，未見有對線路影響較大的斷裂穿過，地質構造較簡單。地勢較為平坦，為沖積平原地帶，地表為淤泥質土、粉質黏土，表現為耕植土層，以種植蔬菜為主，下部為淤泥質土、殘積粉質黏土層。淤泥、淤泥質土多為流～軟塑狀，殘坡積層多為可～硬塑狀，下伏基巖為泥巖、頁巖、泥質粉砂巖、鈣質泥巖、泥質灰巖。淤泥質土工程性能較差，殘坡積層工程性質稍好，下伏基巖工程性質比較好，可作為基礎持力層。

1.2.2 氣象和水文

項目地處北回歸線以南，屬南亞熱帶季風性氣候。全年降水豐沛，雨季明顯日照充足。夏季炎熱，冬季一般比較溫暖。項目地處華南沿海臺風區 (IV)，年平均降雨量1696.5mm，歷年最大降雨量2864.7mm，最大月平均降雨量288.7mm，最大日降雨量284.9mm，年平均風速1.91m/s。

2 跨線橋引道設計

2.1 引道工程總體設計

北太路跨線橋北側引道左幅起點接橋臺側墻端部，樁號為K11+273.902，終點樁號為K11+380，長度為106.099m。右幅起點接橋臺側墻端部，樁號為K11+269.518，終點樁號為K11+392，長度為122.483m。引道在地鐵正上方，屬于地鐵特別保護區，按廣州地鐵集團有限公司（穗鐵地?！?018〕65號）“施工堆載對地鐵既有結構產生的附加荷載不得大于20kPa[1]?！钡囊?，對跨線橋進行引道設計，并確保引道填土荷載對隧道頂部附加荷載影響能滿足相關要求[2]。

由于縱斷面抬高，橋臺處填土高約1.5m，跨線橋南側路基段需同步抬高并與跨線橋接順，為減小對地鐵的影響，路基填土采用輕質泡沫混凝土。引道填土平面位置如圖2所示。

圖2 引道填土平面位置圖

2.2 引道擋土墻結構設計

左幅西側引道擋墻高度為0.386～2.63m，每隔15m設置一道沉降縫，分為7段，編號為Z-W1-W7。左幅東側引道擋墻高度為0.621～2.865m，每隔15m 設置一道沉降縫，分為7段，編號為Z-E1-E7。右幅西側引道擋墻高度為0.682～3.643m，每隔15m 設置一道沉降縫，分為8 段，編號為Y-W1-W7。右幅東側引道擋墻高度為0.448～3.408m，每隔15m設置一道沉降縫，分為8段，編號為YE1-E7。擋墻地基承載力要求不小于80kPa，引道擋土墻采用鋼筋混凝土懸臂式擋土墻，混凝土強度等級為C30[3]。

2.3 引道擋土墻基礎設計

根據地質資料揭示，工程位置處地質條件良好，天然地基承載力能滿足要求，采用換填30cm厚碎石墊層進行處理。根據地鐵部門要求，地鐵范圍地面附加荷載不能大于20kPa，故擋墻間填輕質泡沫混凝土[4]。擋土墻具體參數（H1、H2、h）詳見引道擋土墻橫斷面圖，擋土墻埋深60cm，擋墻范圍內填土采用輕質泡沫混凝土，回填高度為（h-0.6）m，輕質泡沫混凝土容重為6.5kN/m3。引道填土段平面圖見圖3，引道擋墻橫斷面圖見圖4～圖5，引道擋墻立面圖見圖6～圖9所示。

圖3 引道填土段平面圖

圖4 引道擋墻橫斷面圖(跨線橋左幅)

圖5 引道擋墻橫斷面圖(跨線橋右幅)

圖6 引道擋墻縱斷面圖(左幅-東側)

圖7 引道擋墻縱斷面圖(左幅-西側)

圖8 引道擋墻縱斷面圖(右幅-東側)

圖9 引道擋墻縱斷面圖(右幅-西側)

3 引道填土荷載對隧道頂部附加荷載的影響

3.1 計算依據

機場第2高速公路項目與國道106快捷化改造工程引道填土段見圖4～6，北太路跨線橋北側引道左幅起點接橋臺側墻端部，樁號為K11+273.902，終點樁號為K11+380，長度為106.099m。右幅起點接橋臺側墻端部，樁號為K11+269.518，終點樁號為K11+392，長度為122.483m。擋土墻埋60cm，擋墻范圍內填土采用氣泡混合輕質土，回填高度是（h-0.6）m，輕質泡沫混凝土容重是6.5kN/m3。引道填土最高為3.176m，引道長為124m，寬為 13m，采用氣泡輕質土回填（計算時重度按照10kN/m3）。根據現在路面，隧道埋深12m。參考《廣州市軌道交通三號線北延段（新機場線）龍歸～人和區間詳細勘察階段巖土工程勘察報告》進行隧道頂部附加荷載計算。參照《建筑地基處理規范JGJ79-2012》表4.2.2 土和砂石材料壓力擴散角，得到地基壓力擴散角θ取為23°。

3.2 計算信息

（1）基礎類型：矩形基礎。

（2）幾何參數:基礎寬度b=13.0m；基礎長度L=124m

（3）計算參數：基礎埋置深度dh=0.600m；地基壓力擴散角θ：23°；隧道埋深h=12m

考慮氣泡輕質土的吸水及施工誤差等復雜不利因素，計算時氣泡輕質土的重度取10kN/m3。

由于填土高度為0～3.2m，計算時沿長度方向（L=124m）分為5段，每段長24.8m，取填土高度2.56～3.2m段為最不利工況進行計算。

（4）荷載信息：填土自重F1=(24.8×13.0)×(3.2+2.56)/2×10kN=9285.12kN；

汽車活載F2=24.8×13.0×0.5×10kN=1612kN。

（5）計算基礎底面處的平均壓力值pk：

pk=(F1+F2)/(b×L)=(9285.12+1612)/(13.0×24.8)=33.8kPa

（6）計算相應于荷載效應標準組合時，隧道頂面處附加壓力值pz：

pz=L×b×pk/[（b2×z×tanθ）×（L+2×z×tanθ）]=24.8×13.0×33.8/[（13.0+2×12×tan23°）×（24.8+2×12×tan23°)]=13.43kPa＜20kPa

3.3 分析結果

經計算，機場第2高速公路項目與國道106 快捷化改造工程引道填土段施工引起地鐵上方隧道附加荷載為13.43kPa＜20kPa，荷載滿足規范要求。

4 結束語

通過收集地鐵3號線北延段龍歸-人和區間盾構隧道沉降監測資料，初步分析該部分地鐵隧道結構的健康狀態，引道在地鐵正上方，屬于地鐵特別保護區，引道擋土墻結構設計時，擋墻地基承載力要求不小于80kPa，引道擋土墻采用鋼筋混凝土懸臂式擋土墻，混凝土強度等級為C30。經計算，機場第2高速公路項目與國道106 快捷化改造工程引道填土段施工引起地鐵上方隧道附加荷載為13.43kPa＜20kPa，荷載滿足規范要求。從地鐵結構保護方面考慮，該工程設計方案基本可行，對地鐵的運營不會產生影響，所得經驗可為類似工程提供參考。