道路与地铁共线段地铁保护设计方案比选

马 辉

中都工程设计有限公司华南分公司 广东 广州 510095

城市建设日新月异，地下轨道交通建设蓬勃发展，不可避免地与市政道路建设交叉或共线。如果市政道路先于地铁隧道实施，则地铁设计施工时需考虑对市政道路的影响。如果地铁隧道先于市政道路实施，则需要考虑交叉或共线的市政道路施工对已盾构隧道结构安全造成的影响。

1 工程概况

槎神大道（鸦岗大道-凤凰大道）工程北起鸦岗大道，南至凤凰大道，全线长5.15km，道路等级为城市主干道，设计车速为60km/h，道路红线规划宽度为50m，横断面按双向8车道布置。槎神大道全线与地铁十三号二期基本共线。

本工程范围内地铁设朝阳站与庆丰站两座车站，包含朝庆区间（朝阳-庆丰）与庆凰区间（庆丰-凰岗）两段盾构区间。盾构隧道轮廓边线外扩5m为地铁盾构施工保护范围[1]。

2 道路与地铁共线

庆丰-凰岗区间段地铁结构位于岩层内，埋深大，软基处理及路基填筑对其影响轻微。经与地铁部门沟通，该路段地铁盾构隧道无需特殊保护，软土路基按非保护区的方式进行处理。

朝庆区间的地铁结构埋深较浅，在软土路段内的隧道结构顶部以上均为软弱土层，地铁已先行盾构施工，为避免道路进行软基处理及路基填筑对其造成影响，软土路段内的盾构保护区需进行特殊处理。

槎神大道（鸦岗大道-凤凰大道）市政工程项目局部路基段与已盾构完成的地铁隧道共线，部分区间的地铁结构埋深较浅，而路基段填土较高，在软土路段内的隧道结构顶部以上均为软弱土层，常规的软基处理如搅拌桩、旋喷桩、预应力管桩，如要满足路基承载力要求，桩底均接近地铁结构顶部，施工或使用过程中，均可能对地铁结构安全产生影响。

为减小路基填土荷载对地铁隧道管片造成破坏，需对地铁共线段软基进行专项设计，从而对地铁隧道进行保护。以下通过四个设计方案进行比选论证。

3 地铁保护设计方案比选

3.1 预制板+灌注桩方案

地铁隧道保护范围采用密铺预制板进行保护，预制板承担上部填土路基荷载，荷载通过基础传递下去。基础采用灌注桩，为避免钻孔施工过程中土体震动对盾构结构产生破坏，采用旋挖成孔工艺，并设置钢护筒跟进穿过淤泥层。

考虑到盾构结构偏位和施工误差，灌注桩与隧道结构预留1.5m安全净距。灌注桩桩径80cm，桩身强度C30混凝土，纵向间距4.8m，横向间距为10.2m。旋挖桩顶部设置纵向冠梁，冠梁采用C35混凝土，冠梁尺寸为宽100cm×高80cm和宽120cm×高80cm。灌注桩和冠梁通过钢筋连接。设置锚栓套筒连接预制板冠梁。

因地铁隧道保护区域采用预制板+刚性桩处理，非保护区域采用水泥搅拌桩处理，地基基础刚度不同，为减少两者间差异沉降，在预制板之间及板外侧与非保护区之间的区域采用素混凝土桩进行过渡处理。桩径40cm，纵向间距1.6m，横向间距根据左右线盾构隧道的间距进行调整。非地铁保护范围按采用水泥搅拌桩处理[2]。

灌注桩和冠梁形成框架受力体系，整体性好，同时灌注桩配置受力钢筋，抗弯能力强，满足抗震设计要求。旋挖成孔施工工艺对土体震动小，不产生挤土效应，从而对地铁结构影响小。但灌注桩方案造价高。

图1 预制板+灌注桩方案

3.2 预制板+素混凝土桩方案

地铁隧道保护范围采用密铺预制板进行保护，预制板承担上部填土路基荷载，荷载通过基础传递下去。基础选用长螺旋钻孔成桩的素混凝土桩。基础采用C25素混凝土桩，桩与隧道净距为1.5m，桩径50cm，纵向间距为1.2～1.8m，横向间距为9.9m。 素混凝土桩需打至岩面。桩顶部设置桩帽，桩帽采用C30混凝土，桩帽尺寸为长100cm×宽100cm×高30cm。

因地铁隧道保护区域采用预制板+刚性桩处理，非保护区域采用水泥搅拌桩处理，地基基础刚度不同，为减少两者间差异沉降，在预制板之间及板外侧与非保护区之间的区域采用素混凝土桩进行过渡处理。桩径40cm，纵向间距1.6m，横向间距根据左右线盾构隧道的间距进行调整。非地铁保护范围按采用水泥搅拌桩处理[3]。

长螺旋钻孔压灌桩成桩施工工艺是我国国内近些年开发研究的且应用较为广泛的一种新型施工工艺，能很好地适用于在地下水位以上的素填土、粘性土、粉土、密实性中等以上的砂性土,是一种非挤土成桩施工工艺。

长螺旋钻孔成桩的施工工艺有以下优点①穿透能力强②噪音低③对土体没有振动④没有泥浆污染⑤施工成桩效率高。

但长螺旋钻孔桩存在以下缺点：1）施工控制相对与钻孔桩较为困难，若成桩出现断桩、管径变小及孔壁塌陷、桩头不完整和偏位等问题，补救加固措施难度大；2）桩身为素混凝土，没有配置受力钢筋，抗弯性能不如灌注桩。

图2 预制板+素混凝土桩方案

3.3 预制板+预应力管桩方案

地铁隧道保护范围采用密铺预制板进行保护，预制板承担上部填土路基荷载。基础采用预应力管桩，型号为PHC-A600(110)，桩与隧道净距为0.8m，纵向间距为3m，横向间距为8.6m。桩顶部设置桩帽，桩帽采用C30混凝土，桩帽尺寸为长100cm×宽100cm×高30cm。

因地铁隧道保护区域采用预制板+刚性桩处理，非保护区域采用水泥搅拌桩处理，地基基础刚度不同，为减少两者间差异沉降，在预制板之间及板外侧与非保护区之间的区域采用管桩进行过渡处理，型号为PHC-A400(95)，纵向间距2.5m，横向间距根据左右线隧道的间距进行调整。非地铁保护范围按采用水泥搅拌桩处理[4]。

钢筋混凝土预应力管桩是一种预制桩，管桩在预制工厂加工预制，在合格的养护条件下，满足设计规范和要求后，运输到施工场地，采用施工机械捶打进入土中。钢筋混凝土预应力管桩具有制作简易方便、承载能力高、桩身刚度大和适应各种横断面要求的特点和优点，在工程建设中已经广泛运用。

但预应力管桩存在以下缺点：1）施工要求高，施工控制相对与钻孔桩较为困难，若出现①单桩承载能力低于设计值；②桩倾斜过大；③断桩；④桩接头之间断离；⑤桩位偏离过大等五种质量问题，补救加固措施难度大；2）锤击沉桩施工工艺产生挤土效应并对土体产生较大震动，对地铁结构造成影响。

图3 预制板+预应力管桩方案

3.4 轻质土方案

根据地铁部门提出的附加荷载不超过2.5m填土荷载的要求，在地铁隧道保护区域范围内采用轻质土进行填筑（容重6kN/m3），保证附加荷载满足要求。

为了解决路基填筑后沉降问题，地铁盾构隧道保护区域内仍采用搅拌桩进行处理，布桩方式与非保护区域内一致。隧道区域（盾构结构外净距1.5m范围内）搅拌桩打至距盾构隧道顶部1.5m，其余区域打入持力层50cm。盾构隧道向顶部1.5m范围进行注浆加固处理。

气泡轻质土（气泡混合轻质土）是指水泥、水、细砂或砂性土（也可以不加）和气泡按照一定的比例，经过充分混合、搅拌并最终凝固成型的一种轻型填筑材料（英文简称FCB）。

对于气泡混合轻质土可通过调整起泡剂和固化材料（稳定材料）的量，设定符合使用目的的单位体积重量和强度。一般气泡混合轻质土的密度可以在5-15 kN/m³的范围内进行调整，其抗压强度可以在0.1-1.5 MPa的范围内进行调整。更具有以下特点：①具有高流动性；②施工简便，不需要碾压和振捣；③具有自硬性；④耐久性好，属水泥类材料。

虽然泡沫轻质土主要的工程应用优势---低容重，但同时也存在一些问题。主要有以下几个方面：

1）存在软弱夹层：气泡轻质土在施工过程中，如果施工湿密度控制不稳定，将会导致不同浇注层施工质量不稳定，从而一些浇筑层会比较疏松，强度不足，容易导致软夹层问题。

2）存在隐性剪切裂缝：如果同一浇注层没有在初凝时间内完成浇注施工，那么分层浇注过程中将导致在气泡轻质土内部形成大量的隐性剪切裂缝，影响气泡轻质土浇注的整体性和稳定性，形成不可预见的巨大工程质量隐患。

3）沉陷和沉陷式裂缝：施工过程中出现的消泡现象，将导致上一层的气泡轻质土沉降、开裂，影响气泡轻质土浇注的整体性和稳定性。

泡沫轻质土存在的以上问题将会导致强度不足、透水，整体稳定性低、耐久性差，在保护区域范围内采用轻质土进行填筑，存在安全风险。同时，在地铁隧道盾构顶部注浆加固效果难以检验[5]。

图4 气泡轻质土方案

4 四个方案比选优缺点介绍

表1 方案比选优缺点介绍

经过多方论证，综合各方面意见，从地铁结构安全保护方面考虑，为解决软土路段沉降问题及减小路基填土对地铁隧道的压载，采用预制空心板+旋挖桩的方案，保护桥承受路基土压载，从而对地铁隧道进行保护。因保护区域采用刚性桩处理，非保护区域采用柔性桩处理，为减少两者间差异沉降的影响，在预制板之间及板外侧与非保护区之间的区域采用素混凝土桩进行过渡处理。

根据地铁部门要求，进行地铁保护处理的路段，需在地铁轨道铺设前完成道路软基处理及路基填筑。

5 结语

新建道路与已盾构完成的地铁隧道共线，若地铁结构埋深较浅，为避免道路进行软基处理及路基填筑对其造成影响，软土路段内的盾构保护区需进行特殊处理。通过槎神大道（鸦岗大道-凤凰大道）市政工程与地铁共线段地铁保护软基处理设计方案比选，为类似市政道路和地铁隧道共线情况提供参考方案。