宁波站改建工程位于浙江省宁波市中心城区既有火车站站场, 工程总建筑面积为119 634m², 站房结构形式为预应力钢筋混凝土框架梁+大跨度钢梁钢屋盖体系, 结构形式极为复杂。该工程上部为国铁站房, 下部为地铁站房, 主基坑体量巨大, 长245m、宽75m, 平均深度24m, 最大深度27m。国家铁路干线横穿施工现场 (见图1) , 为现场施工带来巨大技术难度。为解决该难题, 工程研发并应用了上跨软土深基坑“钢格构柱+现浇梁板”新型双线铁路临时栈桥, 该栈桥横跨深基坑, 全长133m, 宽13m, 高24m。

杭深线横跨国铁、地铁深基坑, 属于国家干线铁路, 在施工期间必须保证上、下行两条铁路运营线不降速正常通行。确保营业线下方深基坑整体开挖、列车不降速通行存在巨大困难。

1) 宁波站既有线如采用常规分半两次施工 (即在深基坑中间先施工临时分隔墙, 采用南北分区实施, 先施工铁路一侧深基坑, 待其完成后, 进行铁路拨线, 再施工剩余区域深基坑) , 总工期最短也需60个月, 无法满足宁波站38个月的实际要求工期。为了保证按时通车运营, 因此必须保证深基坑一次性整体开挖。

2) 宁波站位于市中心, 外建临时过渡线涉及拆迁费用巨大, 铁路预算无法满足。

3) 传统的铁路桥梁一般采用钢便梁或大型混凝土桥墩加梁板式结构^[1,2,3,4], 上述临时栈桥存在造价高、跨度小、通行慢、维修费用高、拆除麻烦、影响深基坑主体结构衔接和防水等缺点, 不能满足宁波站改建工程深基坑一体化开挖、工期紧的要求。

4) 列车行驶中对下部结构动荷载大, 路基振幅要求严, 且宁波地处沿海软土地区, 保证列车不降速安全通过难度极大^[5,6], 在国际上尚无可参考的工程先例、技术参数和试验数据依据。

5) 既有线横穿施工现场, 给现场带来大量的天窗点施工, 增加了施工难度。

为保证车站按时通车运营, 深基坑一次性整体开挖成为必然选择。结合宁波站软土深、基坑跨度大、开挖深、工期紧、营业线速度高等实际情况, 经过多次专家论证及方案比选, 最终采用了“钻孔灌注桩+钢格构柱+现浇钢筋混凝土梁板”的连续刚构体系上跨深基坑新型双线高速铁路临时栈桥技术^[7] (见图2) 。

该新型双线铁路栈桥结构由桥梁支撑体系 (地下连续墙、桩基支撑) 和桥面结构两部分组成, 桩基支撑体系下部采用钻孔灌注桩, 上部插入钢格构柱直接支撑桥面, 竖向钢格构柱支撑由纵、横向剪刀撑连接, 形成稳定的支撑体系。上部桥面采用现浇梁板式钢筋混凝土结构形式 (见图3) 。

该栈桥形式为“钻孔灌注桩+钢格构柱+现浇钢筋混凝土梁板”连续刚构体系, 施工时先施工下部支撑体系及进行地基处理 (即先施工地下连续墙, 然后用三轴搅拌桩进行地基加固, 后施工钻孔灌注桩, 上部插有钢格构柱) , 再进行桥面施工, 最后进行道砟轨道铺设, 随后铁路拨线至临时栈桥上部运行。当桥体结构施工完毕后进行桥面下部土方开挖, 并随土方开挖跟进钢格构柱间剪刀撑体系安装, 直至基坑设计标高。具体施工流程如图4所示。

地下连续墙作为地铁深基坑的围护结构, 巧妙地作为栈桥竖向支撑体系, 局部区域浇筑至地面, 地面标高约为-2.800m (相对标高) , 共计5幅, 总长27.5m。地下连续墙宽800mm, 顶部标高为-4.200m, 深度达40m, 采用C35P8混凝土进行浇筑。

地下连续墙开挖完毕后, 凿除顶部混凝土并浇筑圈梁, 在圈梁顶部栈桥混凝土梁底安装单项活动耐蚀球形支座, 共安装6个, 东、西侧各3个。

在栈桥区域采用三轴搅拌桩 (ф850@600) 对地基进行加固, 加固宽度为18m (栈桥宽度为12.9m) , 长度为地铁深基坑范围区域42.1m, 加固深度深入基坑底部3m。-11.0~-27.5m, 单桩水泥掺量为20%;地面至-11.0m加固, 单桩水泥掺量为10%。

栈桥共有89根灌注桩作为支撑结构, 其中直径1m桩69根、1.5m桩20根, 桩基埋深约83m, 进入砾石层≥3m;桥梁两侧有承台的12根桩未设置钢格构柱, 其余桩基均设置有钢格构柱。钢格构柱长度为7~27.6m。钢格构柱采用4根∟200×20和厚12mm腹板焊接在一起, 插入灌注桩内6m, 同桩的钢筋焊接后一起下放入孔内。钢格构柱锚入桩基的深度及加工图如图5所示。

栈桥桥面结构采用现浇钢筋混凝土梁板形式, 主梁为1 000mm×1 000mm, 次梁为1 000mm×600mm和600mm×800mm, 边梁为350mm×600mm, 梁上为350mm厚面板, 钢格构柱嵌入梁内长度为850mm, 桥面采用C45混凝土浇筑, 结构形式如图6, 7所示。

钢格构柱嵌入梁内850mm。为保证钢格构柱的承重效果和混凝土锚固质量, 在钢格构柱顶部焊接10mm厚, 长、宽均为750mm, 中间留310mm×310mm浇筑孔的压板;并在钢格构柱梁穿过段焊接托板, 托板采用∟100×63×10, 四周均设, 上、下2层, 并采用ф12圆钢箍筋环绕, 以提高锚固质量 (见图8) 。

桥面结构施工完成并达到设计强度后, 桥上铺设20cm厚底碴、30cm厚面碴, 分层压实并满足压实密度要求。轨道采用P60钢轨, ⅩⅢ型混凝土桥枕, 1km铺设1 760根。待上部接触网系统完成后进行验收, 验收合格后按照要求通车, 通车时逐步进行提速, 最后提速至设计时速。

根据铁路既有线管理规定, 既有线运营中的栈桥下方施工须在天窗点内进行, 即栈桥下土方开挖与格构柱剪刀撑施工只能利用夜间4h进行。在有限的时间内, 土方开挖采用“分区、分仓、分层、对称、跳孔”的开挖方式 (见图9, 10) , 剪刀撑采用“耳板式铰接法连接剪刀撑”取代常规的直接焊接连接方式, 加快了土方开挖和支撑施工进度, 并配合栈桥静态监测技术, 顺利完成基坑开挖及底板混凝土浇筑, 确保了营业线施工安全。

每单元开挖共分4个步骤施工: (1) 天窗点前3h, 将计划要开孔的栈桥下护壁土清理完成。 (2) 第1个天窗点从两侧由外向内同时开挖桥下1/2仓, 留出三角核心土, 南北对称同时开挖。竖向结构间连接施工时先安装“人”字形横向剪刀撑, 点内焊接耳板, 并连接[28a剪刀撑;点外对剪刀撑和耳板进行满焊。 (3) 第2个天窗点内, 采用HD512挖掘机将剩余半仓的下部土方全部清理出孔外, 焊接剩余的“V”字形槽钢, 第2步剪刀撑及时安装完毕;点内外施工同上, 同时将纵向剪刀撑耳板和槽钢焊接。 (4) 第1单元挖出来后, 在下个天窗点内凿除钢格构柱内梁部钢筋需要穿过的混凝土, 同时在点外时间不停地绑扎圈梁钢筋, 支设模板, 并及时进行混凝土浇筑。

其他仓的开挖方法同上述步骤。

天窗点内剪刀撑施工时间受限, 现场采用剪刀撑构件后台预制、现场拼装的方法。现场安装时运用了“耳板式铰接法快速连接剪刀撑”技术 (见图11) , 安装工人通过螺栓固定构件后即进行下个剪刀撑连接作业, 充分使安装与焊接分开作业, 提高效率近1倍。

1) 剪刀撑制作剪刀撑采用[28a制作, 开挖至单元格构底部节点位置后, 现场量测“人”字形剪刀撑安装尺寸, 尺寸不含两端耳板长度。

2) 铰接法耳板安装待格构柱角钢露出后, 将耳板与钢格构柱进行焊接。天窗点内先将槽钢采用螺栓连接固定, 天窗点外再进行满焊。

3) 剪刀撑安装利用栈桥梁底部作为固定点, 采用倒链将加工好的槽钢人工移至待焊格构柱附近。安装时槽钢大面与耳板密贴, 精确对准耳板, 采用螺栓固定槽钢。待恢复通车后, 点外再将槽钢与耳板结合缝采用满焊连接, 剪刀撑安装节点 (见图12) 。

土方开挖和钢剪刀撑均需天窗点内作业, 每次开挖最多2个作业单元、4个工作面, 每个单元设15人安装剪刀撑, 在1h内完成格构柱清理及钢剪刀撑安装作业。施工完成后总结当日施工情况, 分析各工况下的监测结果, 进一步优化施工方案。

在每道纵横向剪刀撑安装完成后, 因无机械干扰, 应尽快完成混凝土水平支撑结构的施工。钢筋绑扎按照先横向后纵向, 支撑最少养护7d, 达到设计强度后, 再组织下层土方开挖, 主撑截面尺寸1 200mm×1 000mm和1 000mm×1 000mm。下部剪刀撑及混凝土支撑施工方法同上。

工程采用了静、动态监测综合系统, 在静态监测的基础上增加了实时触发采集动态监测功能^[8,9]。整个桥面共布设84个监测控制点 (见图13) , 对栈桥从建成到拆除进行了全过程无间断实时监测。

工程对桥梁固有频率、跨中竖横向振幅和加速度、钢格构柱顶振幅和加速度及梁板、钢格构柱动应力等进行了全程监测。监测结果为结构振动加速度最大为0.68m/s² (竖向, 报警值为0.7m/s²) 和0.33m/s² (横向, 报警值为1.4m/s²) , 桥面板横向动位移最大为0.98mm (报警值为5mm) 、竖向动位移最大为1.82mm (报警值为10mm) (见图14, 15) , 均满足铁路桥梁轨道结构正常使用及行车安全性指标。

上跨软土深基坑新型双线高速铁路临时栈桥在宁波站改建工程中的成功应用, 打破了过去铁路站房改扩建施工中分区建设、D型铁路便梁架空线路的两种传统施工模式, 实现了铁路领域高铁列车上跨站房深基坑施工与运营同步零的突破, 成功解决了营业线下深基坑一体化开挖、栈桥隆沉及振动、列车不降速安全通过等技术难题。该技术的采用缩短工期19个月, 节约资金约1 300万元。