道路邊坡施工對既有軌道站場影響分析

劉惠華

(福建長大建設(shè)有限公司 福州市 350100)

0 引言

隨著城市交通的快速發(fā)展，軌道交通已成為人們常用的交通工具。站場整體地勢較為平整，而部分站場周邊市政道路建設(shè)較晚，新建道路與軌道站場間常存在三種邊坡處理方式，即挖方、填方、支擋結(jié)構(gòu)。若在道路外側(cè)盲目增設(shè)支擋結(jié)構(gòu)擴大其與軌道站場的安全距離，不僅會增加工程造價，同時也會對市政設(shè)施的景觀性帶來影響。

周智海[1]以實際工程為依托，利用三維有限元軟件，將新建道路對既有軌道交通設(shè)施的安全性影響進行了評估與論證，得出了軌道市政設(shè)施的保護安全范圍。丁祖德等[2]考慮基坑開挖及土中殘余應(yīng)變等影響，提出了地層加固、抗拔樁等方式對既有隧道進行保護。張文超[3]對既有車站附近新建基坑開挖進行了模擬分析，得出了基坑開挖對既有車站位移及彎矩的影響。劉輝[4]針對不同施工條件下基坑邊坡防護的力學特征，結(jié)合工程實際檢測數(shù)據(jù)，利用相關(guān)軟件，分析了地鐵隧道施工對周邊基坑的影響規(guī)律。

以某軌道站場旁新建道路為研究對象，分析了新建道路三種邊坡處理方式下對既有軌道站場的影響，以供類似工程設(shè)計、施工參考。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)情況

泥巖(J3s-Ms)：褐紅色。主要由粘土礦物組成，含砂質(zhì)、鈣質(zhì)及水云母。泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，局部夾砂質(zhì)條帶或砂巖團塊。厚度1.30～28.40m。

砂巖(J3s-Ss)：灰黃、淺灰色。礦物成分以石英為主，次為長石并含云母等。中粒結(jié)構(gòu)，鈣質(zhì)膠結(jié)，中厚層狀構(gòu)造。厚度2.50～15.7m。

各巖層參數(shù)如表1所示。

表1 巖土參數(shù)表

1.2 項目概況

擬建道路全長960m，道路等級為城市主干路，標準路幅寬度為50.5m，雙向八車道，設(shè)計速度為60km/h。道路沿軌道站場敷設(shè)，道路邊線距站場邊線約20～30m，道路起點高程301.184m，終點高程為319.544m。軌道站場場平標高為317.25m，站場現(xiàn)狀邊坡坡高最大約18m，挖方邊坡采用格構(gòu)式錨桿擋墻支護，邊坡坡率為1∶0.75，填邊坡采用截水骨架護坡，邊坡坡率為1∶1.5、1∶1.75、1∶2，邊坡每8m為一級，兩級間設(shè)2m寬馬道。

站場沿東西向展布，長約960m，寬110～300m，面積約0.17km2，站場主要包括停車列檢庫、牽引降壓混合變電所、不落輪鏇庫、洗車庫、雜品庫、工程車庫、材料棚、綜合樓、物資分庫等建筑物及擋墻等構(gòu)筑物。

2 有限元模型建立及分析

2.1 有限元軟件簡介

工程設(shè)計常用的有限元軟件有ANSYS、Midas GTS、FLAC 3D等，而對于巖土工程而已，Midas GTS運用較為廣泛，其巖土本構(gòu)模型構(gòu)成豐富，操作簡單，用戶界面清晰，且計算結(jié)果可靠性大，貼合工程實際。因此，采用Midas GTS有限元軟件對新建道路三種邊坡處理方式下對既有軌道站場的影響進行分析。

2.2 材料參數(shù)

對于巖土結(jié)構(gòu)采用常規(guī)的摩爾—庫倫模型，軌道地基采用線彈性模型[5]，結(jié)合工程地質(zhì)情況，模型相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 模型參數(shù)取值表

2.3 施工階段模擬

本次有限元施工階段模擬過程如下所示：

(1)初始應(yīng)力狀態(tài)計算，位移清零、應(yīng)力計算。

(2)施工軌道車輛段基坑。

(3)位移清零、應(yīng)力計算。

(4)道路施工，位移計算、應(yīng)力計算。

(5)道路加載，位移計算、應(yīng)力計算。

3 有限元結(jié)果分析

3.1 填方邊坡

若道路標高高于軌道站場邊坡底標高低于站場場平標高時，需對道路進行填方放坡處理，有限元模型如圖1所示。

圖1 填方邊坡有限元模型

當?shù)缆坊靥詈?，建模分析其對軌道地基基床的豎向、橫向變形的影響可知，軌道基床最大豎向變形為0.75mm，最大橫向變形為1.66mm。

當?shù)缆方ǔ赏ㄜ嚭螅７治銎鋵壍赖鼗驳呢Q向、橫向變形的影響可知，軌道基床最大豎向變形為0.76mm，最大橫向變形為1.97mm。

同時，道路回填完成與道路通車后對軌道基床的變形影響相差不大，交通量不大的情況下，可忽略行車荷載對軌道的影響，基床最大變形量位于站場邊坡坡頂處，變形量均小于10mm，滿足相關(guān)規(guī)范標準要求。

3.2 挖方邊坡

若軌道站場現(xiàn)狀為挖方邊坡，而道路標高又位于站場場平標高以下時，需對道路及站場間進行挖除邊坡處理，主要有兩種處理方式。

(1)設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)避免開挖站場邊坡

為避免對軌道站場邊坡產(chǎn)生影響，采用排樁式錨索擋墻分臺階進行支擋，如圖2所示。每級臺階高度≤8m，每級臺階之間設(shè)置2.0m寬平臺。排樁采用樁徑為1.0m的圓樁，樁間距4.0m，樁頂設(shè)置80cm高壓頂梁，第一排錨索距離樁頂高度為3.0m，錨索間距為4.0m(水平)×2.5m(豎向)，且最下排錨索距離地面不大于1.0m，保證錨索豎向間距不大于2.5m。

圖2 排樁式錨索擋墻斷面圖(單位：m)

該邊坡赤平投影圖如圖3所示。

圖3 邊坡赤平投影分析圖

根據(jù)平面滑裂面假定，主動巖土側(cè)向壓力合力標準值可按公式Eak=0.5γH2Ka計算，如圖4所示。

圖4 側(cè)向巖土壓力計算簡圖及分布圖

根據(jù)計算結(jié)果，錨索設(shè)計采用7束1×7Φ15.2鋼絞線，錨固段長度為8.5m，滿足規(guī)范要求。

(2)開挖站場邊坡

綜合考慮道路與軌道站場間的景觀協(xié)調(diào)性及工程造價，可對站場邊坡進行挖除處理，有限元模型如圖5所示。

圖5 挖方邊坡有限元模型

忽略行車荷載對站場基床產(chǎn)生的影響，分析道路邊坡開挖對軌道地基基床的豎、橫向變形影響可知，邊坡開挖時，軌道基床的最大豎向變形為2.6mm，最大橫向變形為1.29mm。均位于站場挖方邊坡坡腳處。填方、挖方產(chǎn)生的橫向變形影響相差不大，對于豎向變形影響，挖方約為填方的3.5倍，但變形量均小于10mm，滿足相關(guān)規(guī)范標準要求。

通過對比分析以上兩種方案得出，挖方邊坡對軌道站場基床豎向變形影響較大，但均小于3mm，設(shè)計施工時，應(yīng)綜合考慮道路、站場間景觀協(xié)調(diào)性，條件允許時應(yīng)對道路及站場邊坡進行挖除處理，不宜盲目設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)保護軌道站場現(xiàn)狀邊坡。

3.3 支擋結(jié)構(gòu)

若軌道站場現(xiàn)狀為填方邊坡，而道路標高邊坡坡腳以下時，需增設(shè)支擋結(jié)構(gòu)，避免道路開挖施工對站場現(xiàn)狀邊坡產(chǎn)生影響，因放坡條件受限，支擋結(jié)構(gòu)按樁板擋墻設(shè)計，有限元模型如圖6所示。

圖6 道路支擋結(jié)構(gòu)有限元模型

由于軌道站場填方邊坡坡腳為護腳墻，且離道路較近，為最不利位置，因此以分析道路建成、通車后對現(xiàn)狀護腳墻的影響為主。

當?shù)缆方ǔ珊?，分析其對護腳墻產(chǎn)生的豎、橫向變形的影響可知，現(xiàn)狀軌道站場邊坡護腳墻的最大豎向變形為0.43mm，位于擋墻遠離擬建道路側(cè)墻腳；最大橫向變形為2.8mm，位于擋墻靠近擬建項目側(cè)墻腳。

當?shù)缆吠ㄜ嚭螅F(xiàn)狀軌道站場邊坡護腳墻的最大豎向變形為0.29mm，位于擋墻遠離擬建項目側(cè)墻腳；最大橫向變形為2.9mm，位于擋墻靠近擬建項目側(cè)墻頂。

同時，道路支擋結(jié)構(gòu)對軌道站場護腳墻橫向變形影響較大，豎向變形影響較小，護腳墻最大變形量均小于10mm，滿足相關(guān)規(guī)范標準要求，條件受限時，可設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)確保站場邊坡安全穩(wěn)定。

4 結(jié)語

通過有限元分析新建道路挖方、填方、支擋結(jié)構(gòu)對既有軌道站場的影響，得出以下結(jié)論：

(1)道路填、挖方對既有軌道站場的影響與行車荷載關(guān)系不大，其對站場基床產(chǎn)生的變形量均滿足規(guī)范要求，設(shè)計時可忽略行車荷載的影響。

(2)當工程條件允許時，可將道路與軌道站場之間邊坡挖除而不設(shè)支擋結(jié)構(gòu)保護站場邊坡。在滿足工程需要的同時不僅能節(jié)省造價，更便于景觀打造。

(3)若條件受限，無法開挖軌道站場邊坡時，可于道路外側(cè)設(shè)置樁板擋墻，避免道路開挖對站場邊坡產(chǎn)生影響。