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1、地道桥与地铁工程技术比较地道桥与地铁工程技术比较 杨功勤 摘 要：地道桥是桥梁工程中较常见到的结构形式，而地铁工程可以归为结构及隧道工程 的一个门类，两者间有着相当多的类似之处，如果将两者的设计施工技术很好的结合，将 为两类工程的安全、质量、效率等水平的提升带来帮助。 关键词：地道桥；地铁；盾构；管棚1 1 概述概述在日常设计工作中，下穿铁路、公路，地道桥工程非常普遍。盖板涵、圆涵、框架涵都可以归为地道桥。盖板涵跨度一般不大于 6 米跨度；圆涵主要用于过水及护管，直径也可达 6 米，以 3 米以内最常见；框架结构因为其基底应力要求低，普通钢筋混凝土结构跨度可达 16 米，方便预制后顶进施工，应
2、用更为广泛。地铁工程在城市建设中越来越成为各大中城市解决交通问题的首要手段。在城市街道交叉的下方，往往也是地铁车站设置的最佳位置，这种情况有时非常类似于地道桥的状况；而盾构法施工的地铁区间，其圆形断面在结构受力分析及施工方法方面与圆形涵洞都有相近之处。1.11.1 矩形断面地道桥和地铁车站矩形断面地道桥和地铁车站1.1.11.1.1 结构形式结构形式图 1：典型的地铁车站断面图 2：典型的盖板涵洞断面从结构形式来看，如果地铁车站顶板做成明挖加盖的形式，则和地道桥中的盖板涵结构非常类似，单孔、双孔、三孔盖板涵，均为顶部简支盖板形式，而边墙，因为所使用材料的不同才有些差别。而如图 1，这种截面与地
3、道桥中的框架类几乎一致。框架地道桥的典型断面可参考图 3 的受力分析图式，本文省略。1.1.21.1.2 受力形式受力形式图 3 框架地道桥简化计算模型比较图 3 的地道桥受力模式，地铁车站的受力情况要复杂些。结构外侧荷载基本类似，结构内侧为地铁、人群及设备荷载，而框架地道桥内部也有汽车、火车、人群、水流等荷载。两者在计算分析手段上，基本都以平面杆系计算为主，辅助以厚或薄壳板单元分析；使用的工程材料，都以普通钢筋混凝土结构为主，少量采用预应力技术；都需要考虑地下水的影响，考虑地下工程的耐腐蚀、抗渗等问题。1.1.31.1.3 施工技术施工技术在施工技术方面，地铁车站，工法有很多，基本可以归类为
4、基坑支护后开挖，有暗挖、明挖等。而地道桥，除大开挖外，还有顶进施工法。为避免对既有道路交通的影响，对被顶进道路采取了很多的预先加固措施，使得在高速铁路下、高速公路下的地道桥施工对交通运输的干扰最小。框架类地道桥，顶进施工时，多采用纵挑横抬法，为了减少对桥上行车干扰，又相继使用了类似矩形盾构的技术。图 4 为纵挑横抬加固图。图 4 纵挑横抬法加固铁路（枕木垛下设置钢板，再下面就是框架地道桥）1.21.2 圆涵与地铁区间隧道圆涵与地铁区间隧道1.2.11.2.1 结构形式及施工方法结构形式及施工方法图 5.典型地铁隧道横断面从截面形式来看，以圆形为主的地铁隧道，和圆涵比较，主要是孔径较大，可以采用
5、预制管片拼装，盾构机（或矿山法开挖）在前，挖开圆形断面后，预制好的管片及时跟进支撑，有的还有二次衬砌；而圆涵为整节涵管预制，节长一般一米，现场拼装或顶进，也有开挖设备在前，跟管施工，涵洞长的，设置许多中继间，连续顶进。1.2.21.2.2 受力形式受力形式2eqqW2qW11qe荷载反力自重反力水压 土压1pepW1水 压压土2eeqq1gwW2qW1q2qgq0HDpHW图 6.典型地铁隧道计算模式从横断面的计算形式看，地铁隧道考虑了土体对结构的作用外还考虑了约束作用，而圆涵因为孔径较小，一般不考虑土的弹性约束作用；在计算方法上，隧道与圆涵均可采用平面杆系，只是在结构配筋时，隧道考虑了轴向力
6、作用，因此其管片实际是压弯构件，而圆涵一般只考虑弯剪作用，把轴力作为安全储备。2 2 在地道桥工程中利用地铁技术在地道桥工程中利用地铁技术地道桥施工技术，在当今高速铁路分布范围越来越广，里程越来越长的今天，面临着许多的挑战。实际工作中必须不断地研究新的设计施工方法，以适应高速铁路越来越快的发展势头。2.12.1 地道桥利用盾构技术地道桥利用盾构技术高铁运输，希望干扰越少越好，在速度限制方面，基本不希望低于 80 公里/小时，同时，路基沉降量的控制值也越来越严格，包括路基的横向变形量，均在新出版的铁路大修管理规定中有详尽说明。地铁技术在位移及沉降控制方面有着很长久的经验和方法。如果引入地道桥顶进
7、施工，则获益非浅。某城市，在火车站咽喉区，一条城市次干道下穿，为此，设计中采用了框架地道桥形式。由于地道共一百多米长，地下管线复杂，地面上有多处道岔及站台墙基础，一直难以找到合适的施工方法，让地道桥穿过铁路。首先，设计中使用了纵挑横抬法，缺点在于：限速条件不能满足 80 公里的控制标准；用钢梁大，造价不菲；横抬梁难以施工，要穿过 100 多米长的站场，大尺度的工字钢横梁几乎不可能。这些因素使得纵挑横抬法被排除。然后，借鉴盾构技术，设计制造了矩形盾构，将框架桥的巨大断面分成若干小矩形断面，使用小的盾构设备，小进度，小断面开挖。这种加固方式基本能保证铁路运输速度不低于 80 公里/小时。但是，矩形
8、盾构法存在一些不足。其一，由于覆土厚度太小，并且以松散道碴为主，难以保证路基的稳定。一般认为，如果覆土在 1.5 米及以上，路基的稳定性将大大提高，结合土质情况，应该可以不增加其他防护措施，只用这种方式就能起到加固线路、保证施工正常进行的效果。其二，由于是小断面开挖，程序非常多，速度不快，如果地道桥太长，则施工工期较长。其三，因为整个结构完全埋在土中，顶进过程土体的摩阻力很大，地道桥必须多设中继间，以保证顶力足够，这样也增加了接缝数量，不利于将来的结构防水，同时增加了施工工序。矩形盾构见图 7。图 7 矩形盾构图2.22.2 地道桥利用管棚技术地道桥利用管棚技术鉴于矩形盾构存在许多不足，为克服
9、上述问题，引入了地铁及隧道工程中的管棚技术。在框架桥顶位置，设置了密布的 30 厘米直径的钢管，采用精确导向顶管技术将钢管先期顶入道床，并注入水泥浆，这样解决了顶部松散道碴在顶进过程中塌陷的问题，也有效地控制了线路的竖直向及横向位移（管棚将整个站场线路横向上连接为整体）。在框架桥侧面及底面也设置了直径一米的大型管棚，用同样办法顶入路基。这样，侧面的管棚可以防止侧面土体的坍塌，而下部管棚可以有效防止地道桥栽头。设计中，从安全角度考虑，仍然采用矩形盾构作为主要开挖手段。工程非常完满顺利迅速地结束，施工方取得了很好的经济和社会效益；建设方顺利的攻克了项目瓶颈；设计方也从中汲取了很好的加固防护经验。实
10、际上，管棚的引入，可以说是将原来的纵挑横抬技术和矩形盾构技术有机的结合了。密排的 30 厘米钢管并注满泥浆，管棚一端支撑在框架上，一端支撑在前方土体上，其刚度远大于原来的横抬梁，就是 D 型便梁的横梁也无法与它的刚度相比，有效地控制了线路的位移。如果地质条件允许，顶进前方土体不易坍塌，只需要使用管棚技术及普通的钢筋混凝土刃脚，就能将框架地道桥顺利地顶进高速铁路线路下。管棚加固图详见图 8。图 8 框架桥管棚图2.32.3 地道桥工程借鉴地铁基坑防护技术地道桥工程借鉴地铁基坑防护技术在地道桥设计中，因为地理环境大部分在较宽阔的地区，其基坑支护往往被以往的设计单位忽略。而在城市中车站咽喉区，周围高
11、楼林立，站场内运输专业设备密布，其基坑支护的要求应当不低于地铁工程对基坑支护的要求。在上文所述地道桥施工中，地道桥在预制前，基坑采用了大量的桩板墙，土钉墙，锚索加固等措施，有效地控制了周围建筑结构的稳定。多种多样的基坑防护技术，应当更多地融入地道桥尤其是城市铁路地道桥的设计施工中。圆涵的顶进施工中，如果能采用盾构法，对保证铁路线路的位移水平及加快施工进度，起到非常好的作用。有工程实例证明，同样 3 米直径的圆管，如果采用盾构法施工，工期可缩短一半以上，对铁路安全运输带来了极大的保证。工程造价也比原来的钢刃脚支护，人工开挖降低了许多。3 3 在地铁工程中也可利用顶进法施工在地铁工程中也可利用顶进
12、法施工当设计地铁车站时，地面上两条道路其车流量有时是不对等的，一条非常繁忙通过能力已经饱和，另一条通过能力则尚有余地。这时，如果采用以往的施工及结构形式，则对两条道路都会产生很大的影响。此时，如果我们采用地道桥的预制后顶进施工技术，在不繁忙的一条道路上预制地铁框架结构，顶入道路交叉口，则可使得其中一条较繁忙的道路几乎不受施工影响，而另一条的影响也不比在交叉点暗挖法施工更大，对于道路交叉点的影响时间可以最短。对于希望在既有国铁车站下，实现国铁零换乘地铁方式的地铁工程来说，这项顶进技术如果辅助以更完善的结构设计、更细致的施工组织，则可能起到更加巨大的现实意义。在很多的城市中，尤其是很多中小城市，不
13、必要新建国铁客运站，再同时预留好地铁结构及功能，以方便零换乘。在既有车站下的地铁也能做到零换乘，对于铁路客运组织，城市交通管理带来更大的灵活度，又能节省投资。另外，在地铁区间隧道中，大量地使用了盾构机设备。这种设备速度快，安全系数高，但是也存在着购置和维护费用昂贵的缺陷。对于某些特殊地段，在矿山法施工进度较慢的前提下，可以考虑采用圆管涵的顶进施工方法。例如，地铁最靠近地面车辆段的一个区间上，地下部分不长，为这样的一个区段配置一台盾构机是很不划算的。这时如果采用圆形钢刃脚，用预制好的钢筋混凝土圆管直接跟进，一定长度的管节间设置顶进中继间，并用钢套管处理管节间接缝，长度在 6070 米范围的地铁区
14、间在两个月内就能顶进就位，成本比矿山法高，比盾构法低，而工期也居中。综合看来，有其使用的合理性。4 4 建议与结论建议与结论通过大量的工程实践证明，不同门类的工程确有其共通性。在不同门类的工程中采用相互的技术取长补短，有可能获得意外的收获，对于结构设计施工技术都是很好的拓展和提高。地道桥结构从地铁技术中可以获得更好的安全控制技术，地铁工程也可利用地道桥顶进技术与既有环境更有效地衔接。 参考文献参考文献: :1 刘志义，杨立新，崔彦凯，李建华 地铁设计实践与探索 中国铁道出版社 2009.北京2 铁路工程设计技术手册涵洞与拱桥 铁道部第一勘测设计院 兰州铁道学院 主编 中国铁道出版社 1994.北京3朱彦鹏，罗晓辉，周勇 支挡结构设计 高等教育出版社 2008 北京4张凤祥，傅德明，杨国祥，项兆池 盾构隧道施工手册 人民交通出版社 2005 北京杨功勤杨功勤 南昌铁路勘测设计院有限责任公司南昌铁路勘测设计院有限责任公司 高级工程师高级工程师 13870838016 地址：江西省南昌铁路五村工人新村地址：江西省南昌铁路五村工人新村2路路27号号 330002
