近接道路施工對(duì)軌道橋梁的影響分析

洪兆遠(yuǎn)，柏 湘，牛 牟，劉成章

(中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400050)

隨著我國城市化進(jìn)程的蓬勃發(fā)展，城市交通成了現(xiàn)代都市發(fā)展的關(guān)鍵支柱之一。軌道交通作為一種高效、便捷、環(huán)保的公共交通方式，成為緩解地面交通壓力的有效途徑，得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。與此同時(shí)，為了適應(yīng)城市人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，市政道路及公路建設(shè)也在不斷加速，其中包括了道路、橋梁等重要組成部分。然而，軌道交通及地面交通的快速發(fā)展也帶來了一系列復(fù)雜的問題，特別是在建設(shè)過程中經(jīng)常出現(xiàn)相互交叉的情況，如重慶Z4 北延伸段地通道下穿軌道交通6 號(hào)線高架橋[1]，渝長(zhǎng)復(fù)線下穿軌道4號(hào)線軌道高架區(qū)間[2]，蘇州某高速公路拓寬下穿京滬高鐵[3]。道路施工中的路基開挖，常常會(huì)對(duì)臨近的建筑物和地鐵軌道產(chǎn)生影響，引起了廣泛關(guān)注[4-5]。在這個(gè)背景下，本研究選擇了重慶市江津區(qū)某近接軌道的道路施工項(xiàng)目作為案例，深入研究了道路基坑開挖對(duì)臨近高架橋橋墩影響機(jī)理。

1 工程概況

重慶位于中國西南部，地處長(zhǎng)江上游經(jīng)濟(jì)帶核心地區(qū)，長(zhǎng)江、嘉陵江兩江環(huán)抱，域內(nèi)各式橋梁層出不窮，素有“橋都”美譽(yù)。又因地處丘陵地區(qū)，坡地較多，有“山城”之稱。江津位于重慶市西南部，是重慶市重點(diǎn)規(guī)劃建設(shè)的六大區(qū)域性中心城市之一，屬五大功能區(qū)的城市發(fā)展新區(qū)，是長(zhǎng)江上游重要的航運(yùn)樞紐和物資集散地。

本次設(shè)計(jì)道路位于江津區(qū)濱江新城，為濱江新城南部區(qū)域的城市支路。道路全長(zhǎng)1 200m，等級(jí)為城市支路，標(biāo)準(zhǔn)路幅寬度16m，雙向2 車道，包含120m 橋梁1 座，設(shè)計(jì)時(shí)速20km/h。

軌道交通5 號(hào)線延長(zhǎng)線跳磴至江津段（跳蹬至圣泉寺段）起于軌道交通5 號(hào)線跳磴站，止于濱江新城，全長(zhǎng)28.22km，該線共設(shè)6 座高架車站。該段線路主體結(jié)構(gòu)已基本完工。

軌道交通5 號(hào)線延長(zhǎng)線跳磴至江津段（圣泉寺至鼎山段）全長(zhǎng)4.61km，起于濱江新城圣泉寺站，止于鼎山廣場(chǎng)附近，設(shè)地下站鼎山站。該段線路處于規(guī)劃階段。

項(xiàng)目建設(shè)區(qū)出露的巖層為一套強(qiáng)氧化環(huán)境下的河湖相碎屑巖沉積建造。由砂巖—砂質(zhì)泥巖不等厚的正向沉積韻律層組成。以紫紅色、暗紫紅色泥巖、粉砂質(zhì)鈣質(zhì)泥巖為主，夾黃灰色、灰色中至薄層狀細(xì)粒砂巖。出露的地層由上而下依次可分為第四系全新統(tǒng)填土層（Q4ml）、殘坡積層（Q4el+dl）和侏羅系上統(tǒng)遂寧組（J3sn）的砂巖和泥巖互層地層。

如圖1 所示，擬建道路在下穿軌道5 號(hào)線延長(zhǎng)線圣泉寺站-幾江站高架段（已建成D08 號(hào)墩-規(guī)劃D09 號(hào)墩區(qū)間）為半填半挖路基，路基左側(cè)高于現(xiàn)狀地面標(biāo)高，右側(cè)低于現(xiàn)狀地面標(biāo)高，整體呈左填右挖的趨勢(shì)。為避免路基開挖放坡影響現(xiàn)狀橋墩結(jié)構(gòu)安全，該段道路路基左側(cè)采用折背式擋墻進(jìn)行支擋，右側(cè)采用樁板擋墻進(jìn)行支擋。左側(cè)路基擋墻開挖線距離軌道D08 號(hào)墩承臺(tái)距離最近約1.9m，右側(cè)路塹墻（抗滑樁）距離軌道D09 號(hào)墩承臺(tái)最近約10.85m。

圖1 軌道與道路位置關(guān)系圖

2 路基施工風(fēng)險(xiǎn)定性分析

道路在下穿軌道高架段標(biāo)高約為208.48m，現(xiàn)狀地面標(biāo)高為206.8～213.3m，該段路基為半填半挖路基，路基挖方高度約4.7m，填方高度約1.8m，左側(cè)填方采用折背式擋墻進(jìn)行支護(hù)，右側(cè)挖方采用樁板擋墻進(jìn)行支護(hù)，折背式擋墻開挖施工時(shí)在近軌道側(cè)將形成深約1.5m 的臨時(shí)挖方土質(zhì)邊坡。

從道路路基施工整體填挖方進(jìn)行分析，路基開挖量遠(yuǎn)大于回填量，道路施工將對(duì)地基產(chǎn)生卸載的影響。軌道高架樁基位于新建道路路基及擋墻基礎(chǔ)的應(yīng)力擴(kuò)散角范圍以內(nèi)，根據(jù)設(shè)計(jì)資料，折背式擋墻基底應(yīng)力不大于100kPa，基底擴(kuò)散應(yīng)力對(duì)軌道結(jié)構(gòu)有輕微影響，具體還需通過有限元數(shù)值模擬進(jìn)一步分析計(jì)算。

3 數(shù)值模擬及分析

針對(duì)擬建項(xiàng)目對(duì)緊鄰軌道區(qū)間結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)影響，利用MIDAS GTS NX 軟件建立三維有限元模型進(jìn)行分析，模擬道路路基開挖，支擋結(jié)構(gòu)施工及運(yùn)營階段引起的軌道結(jié)構(gòu)變形，用以評(píng)估軌道結(jié)構(gòu)的安全性。

本模型根據(jù)道路設(shè)計(jì)平縱及軌道交通5 號(hào)線相關(guān)資料為基礎(chǔ)，采用MIDAS GTS NX 有限元數(shù)值分析軟件進(jìn)行3D 建模。巖土相關(guān)參數(shù)取值結(jié)合地勘報(bào)告及相關(guān)工程當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，具體如表1 所示。

表1 計(jì)算采用巖土力學(xué)參數(shù)

根據(jù)GB 50157-2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》、DBJ50-244-2016《重慶地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》和DBJ50T-259-2017《山地城市A 型地鐵車輛通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，對(duì)各項(xiàng)荷載進(jìn)行計(jì)算。

3.1 軌道結(jié)構(gòu)荷載

1）軌道墩柱荷載 鋼筋混凝土構(gòu)件自重γ=26kN/m3，素混凝土構(gòu)件自重γ=23kN/m3，鋼構(gòu)件自重γ=78.5kN/m3。軌道梁二期（電纜及電纜橋架）荷載均按較大值2.8kN/m 進(jìn)行計(jì)算，支座按10kN/個(gè)計(jì)算，二期（鋪裝）荷載按1.96kN/m 進(jìn)行計(jì)算。軌道交通5 號(hào)線延長(zhǎng)線該段高架區(qū)間橋墩跨度為40m，軌道梁恒載172.2×40=6887.92kN；二期荷載總和：（2.8+1.96）×40+20=210.4kN。

2）列車豎向靜荷載 山地城市As 型車動(dòng)荷載：遠(yuǎn)期按8 節(jié)編組考慮，軸重取P=150kN，列車豎向靜活載圖示如圖2 所示。根據(jù)影響線，列車豎向靜荷載為1 191kN。

圖2 軌道交通車輛活載示意及影響線

3）沖擊荷載 列車豎向動(dòng)力作用時(shí)，列車豎向靜活載應(yīng)乘以動(dòng)力系數(shù)（1+μ），μ=20/（50+L），L為橋梁跨度（m）。沖擊荷載為（40m 跨）264.67kN。

4）列車制動(dòng)力或牽引力 作用于車輛重心位置，應(yīng)按列車豎向靜活載的15%計(jì)算。軌道梁設(shè)計(jì)按單線計(jì)算列車制動(dòng)力或牽引力。軌道梁橋下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)制動(dòng)力或牽引力應(yīng)移至支座中心處，雙線時(shí)應(yīng)采用二線的制動(dòng)力或牽引力；三線或三線以上時(shí)按照最不利情況考慮，不做折減。

綜上，輕軌橋墩豎向荷載為（40m 跨）3 681.5kN，水平向制動(dòng)力為89.33kN，將以上荷載施加在軌道墩頂進(jìn)行分析。

3.2 擬建項(xiàng)目荷載

道路車行荷載取20kPa，人行荷載取5kPa。為了分析擬建道路施工對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的安全影響，在確保三維模型有足夠計(jì)算精度并盡量減少計(jì)算量前提下，本次計(jì)算對(duì)模型范圍進(jìn)行了一定的限制。軌道縱向取165m，沿橫向取110m，從地表向下取65m。模型中的巖土體、軌道結(jié)構(gòu)、南北大道橋梁結(jié)構(gòu)及擬建路肩擋墻采用三維實(shí)體單元計(jì)算；樁板擋墻擋土板采用二維板單元進(jìn)行模擬，樁板擋墻支護(hù)樁，冠梁采用一維梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，三維有限元整體計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 三維實(shí)體模型

數(shù)值模擬分析采用施工階段分析，具體各施工階段為：①市政橋梁建成及荷載施加，軌道5 號(hào)線延伸段圣泉寺站-幾江站區(qū)間高架建成（激活D07-08 號(hào)墩），軌道結(jié)構(gòu)荷載施加；②位移清零；③道路樁板擋墻施工及路基開挖；④道路路肩墻施工及路基回填；⑤道路路面施工及路面荷載施加；⑥軌道二期施工（激活D09-D10 號(hào)墩）。

由于軌道5 號(hào)線延長(zhǎng)線圣泉寺至鼎山段尚還處于前期規(guī)劃階段，施工時(shí)序晚于擬建道路，故在本次分析中不考慮擬建項(xiàng)目施工對(duì)其產(chǎn)生的影響。擬建道路施工影響的軌道5 號(hào)線延長(zhǎng)線墩柱由北向南分別為：已建成QJ08-D07、已建成QJ08-D08，共2 個(gè)軌道高架橋墩。不考慮周邊其他既有建、構(gòu)筑物的影響，因此從第④步開始提取計(jì)算結(jié)果，僅示意軌道高架橋墩結(jié)構(gòu)位移及應(yīng)力部分計(jì)算云圖，如下圖4 所示。

圖4 軌道橋墩step4的位移與應(yīng)力云圖

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果可以看出，在擬建道路施工和運(yùn)營過程中，位移最大值發(fā)生在第④步，此時(shí)墩柱順橋向位移最大值出現(xiàn)在QJ08-D08墩，為0.879mm；橫橋向位移最大值出現(xiàn)在QJ08-D08 墩，為0.007mm；豎向位移最大值出現(xiàn)在QJ08-D08 墩，為0.108mm，位移均很小，說明擬建道路基坑開挖對(duì)5 號(hào)線延長(zhǎng)段區(qū)間高架結(jié)構(gòu)附加影響較小。由橋墩豎向位移差引起的墩臺(tái)差異沉降發(fā)生在QJ08-D07 與QJ08-D-08 之間，為0.093mm。道路實(shí)施及運(yùn)營過程中，軌道結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力及第三主應(yīng)力均遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)的抗拉、抗壓強(qiáng)度。根據(jù)DBJ50/T-271-2017《城市軌道交通結(jié)構(gòu)檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》外部作業(yè)引起的軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)：橋墩墩頂水平位移≤12.65mm，墩臺(tái)差異沉降≤10mm。上述變形滿足規(guī)范要求。

本項(xiàng)目通過實(shí)施樁板擋墻來減小道路基坑開挖及回填對(duì)既有軌道橋梁橋墩及樁基的影響，將既有結(jié)構(gòu)變形控制在合理范圍，不僅可以保證本項(xiàng)目的順利實(shí)施，同樣保障了軌道的安全運(yùn)營。在實(shí)施過程中，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①路基土石方采用分段、分層、對(duì)稱平衡開挖，在軌道交通控制保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)嚴(yán)禁堆載，土方開挖后應(yīng)立即裝運(yùn)；②在基坑施工前，應(yīng)解決好基坑的排水問題，避免水滲入巖體中，造成巖體強(qiáng)度降低；③施工前對(duì)施工范圍內(nèi)電力管線、通信管線、給水管線等進(jìn)行排查、檢測(cè)，并采取保護(hù)措施；④施工及項(xiàng)目建成投入使用后，應(yīng)對(duì)施工影響區(qū)內(nèi)既有軌道交通結(jié)構(gòu)物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)軌道交通結(jié)構(gòu)物和邊坡的變形、震動(dòng)、應(yīng)力、裂縫等情況，監(jiān)測(cè)結(jié)果應(yīng)定期向軌道公司反饋，發(fā)生監(jiān)測(cè)預(yù)警或報(bào)警應(yīng)及時(shí)通知軌道公司相關(guān)部門協(xié)同處理。

4 結(jié)語

在城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速推進(jìn)過程中，道路施工與軌道交通建設(shè)頻繁交叉，成為當(dāng)前城市建設(shè)的一大特點(diǎn)。本研究以近接道路路基施工對(duì)軌道橋梁橋墩及樁基的影響為切入點(diǎn)，全面探討了道路基坑開挖施工對(duì)軌道橋梁結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理。這不僅對(duì)于類似城市軌道交通與道路交叉項(xiàng)目提供了實(shí)用的理論參考和實(shí)踐指導(dǎo)，也為未來類似工程的施工與管理提供了有力的參考。通過在城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中綜合考慮道路施工與軌道交通的相互影響，可以推動(dòng)城市交通建設(shè)朝著更加安全、高效、可持續(xù)的方向邁進(jìn)，為城市的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。