基坑開挖對既有軌道橋梁結(jié)構(gòu)的影響分析①

文 慶

(重慶市設(shè)計院,重慶 400015)

0 引 言

由于城市軌道交通網(wǎng)范圍廣，密度大，城市建設(shè)過程中的施工難免會進(jìn)入既有城市軌道交通結(jié)構(gòu)的保護(hù)線，而城市軌道交通結(jié)構(gòu)一旦受到影響，其后果不堪設(shè)想。因此，為了保證城市中這一重要交通設(shè)施的安全，對鄰近軌道交通結(jié)構(gòu)的施工安全影響研究就成了一項必不可少的工作[1]。依托重慶市新燕尾山隧道工程，建立三維數(shù)值模型模擬近接軌道橋梁結(jié)構(gòu)的基坑開挖[2]，得到在無支護(hù)及有支護(hù)條件下軌道結(jié)構(gòu)變形曲線[3～4]，認(rèn)為即便是在地質(zhì)條件較好的情況下，合理的支護(hù)方式對施工過程中近接軌道橋梁結(jié)構(gòu)的變形有較好的約束作用，以確保在不影響軌道交通結(jié)構(gòu)條件下順利實施新建工程。

1 工程概況

新燕尾山隧道工程東接在建渝黔復(fù)線高速，實現(xiàn)都市區(qū)路網(wǎng)與高速射線的聯(lián)通，西接在建的快速路五橫線白居寺長江大橋，是快速路五橫線向東的延伸，全線長約6.8km，主要工程包括長隧道1座(新燕尾山隧道，長約2.6km)，互通式立交2座(南溫泉立交、苦竹壩立交)。項目建成后可與渝黔復(fù)線高速和白居寺大橋進(jìn)行順接，增強該通道的輻射能力，形成貫通性通道，同時縮短了內(nèi)環(huán)的距離，是五縱線、六縱線等縱向快速路的重要轉(zhuǎn)換通道。

重慶軌道交通3號線，南起重慶市巴南區(qū)魚洞，北至重慶市渝北區(qū)舉人壩，采用跨座式單軌交通制式，是重慶軌道交通線網(wǎng)中最繁忙的線路，也是世界上最長的跨座式單軌交通線路。項目南溫泉立交位于重慶軌道交通3號線花溪輕軌站附近，岔路口站-大山村站高架區(qū)間控制保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，立交主線、匝道均與該軌道線路存在相交關(guān)系。其中，C匝道于CK0+286.544處與軌道3號線中心線平面交叉，C匝道車行地通道與軌道相交處位于軌道3號線橋墩軸號NQ06D05與橋墩軸號NQ06D06之間。地通道主體結(jié)構(gòu)邊線距離軌道承臺最小平面距離為7.018m，距離軌道樁基最小平面距離為8.534m。兩者平面及斷面關(guān)系如圖1、圖2所示。

圖1 地通道結(jié)構(gòu)與軌道交通結(jié)構(gòu)平面關(guān)系圖

項目土層厚度較小，約2～3m，考慮最不利情況，模型選取土層厚度為3m，巖層巖性主要為泥巖，由于地質(zhì)條件相對較好，無不良地質(zhì)，故計算考慮了無支護(hù)條件下開挖的工況，工序為：1.分層開挖土體，每層2m；2.地通道結(jié)構(gòu)施作；3.回填至原狀地面標(biāo)高。由于項目與既有軌道交通結(jié)構(gòu)距離較近，故最后擬對開挖基坑兩側(cè)進(jìn)行支護(hù)，擬定工序為：1.施作支護(hù)樁，支護(hù)樁尺寸為2m×2.5m，間距為5m；2.施作冠梁，冠梁高1.5m；3.分層開挖土體，每層2m；4.地通道結(jié)構(gòu)施作；5.回填至原狀地面標(biāo)高。

圖2 地通道結(jié)構(gòu)與軌道交通結(jié)構(gòu)斷面關(guān)系圖

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計算模型

運用有限元軟件Midas GTS進(jìn)行有限元數(shù)值模擬計算，基于圣維南理論，建立項目C匝道車行地通道與軌道高架結(jié)構(gòu)的實體模型，模型尺寸為58m×55m×32m,計算模型如圖3所示。

圖3 地通道結(jié)構(gòu)與軌道交通結(jié)構(gòu)三維數(shù)值模型圖

2.2 計算參數(shù)取值

根據(jù)地勘報告，并結(jié)合工程經(jīng)驗，地層及結(jié)構(gòu)參數(shù)選取如表1所示。

表1 地層及結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 巖土本構(gòu)關(guān)系

計算分析中巖體力學(xué)模型采用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。

2.4 荷載擬定

根據(jù)類似項目獲取的軌道橋墩荷載取值如表2。

表2 軌道橋墩荷載取值

工程影響范圍內(nèi)的軌道三號線為雙線雙跨橋梁，故其豎向荷載按照單墩5930.6kN進(jìn)行取值；軌道保護(hù)范圍內(nèi)本項目主要結(jié)構(gòu)為地通道結(jié)構(gòu)及支護(hù)，施工過程中的開挖和結(jié)構(gòu)施工以單元的鈍化和激活來實現(xiàn)。

2.5 邊界條件

對計算模型的底面進(jìn)行z向位移約束，側(cè)面分別對x、y向約束位移，地面為自由面。

2.6 計算結(jié)果分析

根據(jù)施工方案可知，當(dāng)基坑開挖完成開挖并未施作地通道結(jié)構(gòu)時，項目風(fēng)險最高，故提取此時位移云圖進(jìn)行分析。

圖4、圖5為基坑開挖至設(shè)計標(biāo)高后，地層及軌道結(jié)構(gòu)位移云圖，由圖可知，無論有無支護(hù)，變形最大處均為基坑底部，呈隆起趨勢，且其變形范圍已經(jīng)蔓延到兩側(cè)的軌道結(jié)構(gòu)?；拥撞柯∑鹬饕怯捎诨迂Q向卸荷而改變坑底土體原始應(yīng)力狀態(tài)的反應(yīng)，卸荷及土體的應(yīng)力釋放引起坑底土體向上回彈。在無支護(hù)的情況下，坑底最大位移約為5.97mm，有支護(hù)時該值約為5.10mm，較前者降低了約14.6%，表明支護(hù)樁對坑底隆起有一定的抑制作用。

根據(jù)計算結(jié)果，繪制出有無支護(hù)條件下，軌道下部結(jié)構(gòu)位移與施工步曲線關(guān)系圖，如圖6-圖8所示(每一施工步序號對應(yīng)施工步如表3所示)

表3 施工步序號設(shè)置

圖4 無支護(hù)條件下地層及軌道結(jié)構(gòu)位移(mm)

圖5 有支護(hù)條件下地層及軌道結(jié)構(gòu)位移(mm)

圖6 施工引起軌道下部結(jié)構(gòu)順橋向位移曲線

根據(jù)圖6-圖8可知，基坑開挖均導(dǎo)致軌道下部結(jié)構(gòu)存在一定的位移，隨著開挖深度的加大，軌道結(jié)構(gòu)下部位移呈上升趨勢，其主要由基坑底隆起與基坑開挖土體卸載引起。當(dāng)?shù)赝ǖ澜Y(jié)構(gòu)施作完成后，軌道結(jié)構(gòu)下部位移開始減小，表明地通道施作完成后，其自重對基坑變形有一定的抑制作用，從而使軌道結(jié)構(gòu)位移降低。當(dāng)進(jìn)行覆土回填時，軌道結(jié)構(gòu)位移變化較小，此時的軌道位移已趨于穩(wěn)定。

圖7 施工引起軌道下部結(jié)構(gòu)橫橋向位移曲線

圖8 施工引起軌道下部結(jié)構(gòu)豎向位移曲線

對比有無支護(hù)條件下的施工過程，在無支護(hù)的條件下進(jìn)行基坑開挖，導(dǎo)致的軌道位移上升幅度明顯較有支護(hù)時高，表明支護(hù)樁對控制軌道結(jié)構(gòu)位移有顯著效果。但圖6、圖7中第一步開挖時，有支護(hù)時開挖引起的軌道結(jié)構(gòu)位移高于無支護(hù)，究其原因，考慮的支護(hù)結(jié)構(gòu)為樁基支護(hù)，較無支護(hù)條件施工，多了一步樁基開挖的施工步序，由于樁基開挖距離軌道結(jié)構(gòu)較近，其開挖必然引起軌道結(jié)構(gòu)位移，該步序引起的軌道位移疊加到施工步1便導(dǎo)致施工步1中有支護(hù)開挖引起的軌道結(jié)構(gòu)位移偏大。

2.7 既有結(jié)構(gòu)安全性評估

由計算結(jié)果可知，在有支護(hù)樁的情況下，基坑開挖引起軌道結(jié)構(gòu)最大順橋向位移約為0.98mm，最大橫橋向位移約為0.24mm，最大豎向位移約為0.88mm， 考慮到軌道墩NQ06D05與NQ06D06距離為42m， 根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)檢測監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(DBJ50/T-271-2017)中附錄G可知，基坑開挖引起的軌道橋墩墩頂水平位移滿足要求(≤2)，墩臺差異沉降值滿足要求(≤10mm)。

故認(rèn)為地通道基坑開挖對既有軌道結(jié)構(gòu)影響較小，風(fēng)險可控。

3 結(jié) 語

支護(hù)樁對基坑開挖引起的既有軌道橋梁結(jié)構(gòu)位移有較好的抑制作用；基坑開挖過程中，引起軌道橋梁結(jié)構(gòu)最大順橋向位移約為0.98mm，最大橫橋向位移約為0.24mm，最大豎向位移約為0.88mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求最大允許變形量，認(rèn)為車行地通道基坑開挖及結(jié)構(gòu)施作對既有軌道橋梁結(jié)構(gòu)影響較小，風(fēng)險可控。