道路穿越既有軌道交通工程橋梁安全風險評估及控制

摘 要：由于城市道路建設的不確定性、橋梁結構的復雜性，以及軌道交通車輛運行對軌道平順性的嚴格要求，使得城市道路工程下穿軌道交通工程橋梁的施工安全風險的顯著增加。針對城市道路路塹開挖施工對鄰近既有軌道交通橋梁的安全影響問題，對比了開挖前、后樁及承臺的變形及受力，并識別可能存在的風險，依托A道路下穿既有軌道交通工程橋梁項目，提出道路施工過程中的控制方案，密切關注施工引起的地面沉降及橋墩變形等。

關鍵詞：道路工程；軌道交通工程；安全評估；控制

1 概述

城市軌道交通正面向多元化發展，軌道交通、地鐵、軌道交通等構成了城市綜合軌道交通網絡，其中軌道交通作為一種快速、高效、環保、高技術含量的運輸方式，正受到社會越來越廣泛的重視。

軌道交通車輛運行對軌道平順度要求極高，對下穿既有軌道交通工程橋梁的城市道路的施工關乎軌道交通工程運營安全和行車舒適度。道路以路塹下穿軌道交通工程橋梁，如果交叉處開挖深度較深，其施工過程中可能會對軌道交通工程橋梁基礎及墩身產生影響，并會反映到橋上設置的軌道結構上。

文章基于A道路下穿軌道交通工程橋梁項目，研究道路施工時橋梁的基礎受力、墩頂位移等，分析其對軌道交通工程橋梁的影響是否安全可控，并對A道路的設計和施工提出意見及措施。

2 工程概況

軌道交通工程A道路特大橋采用（35+55+35）m連續梁跨越A道路，A道路在中墩7號墩和8號墩之間穿過，軌道交通工程橋墩均采用矩形橋墩，墩底尺寸3.6×3.8m，橋墩高度17.5m，承臺尺寸寬×長×厚=8.0×9.0×3.0m，承臺接8-Φ1.2m鉆孔樁，樁長分別為20.0m（7號墩）、18.5m（8號墩）。

交叉處A道路為路塹，開挖深度約6.5m。A道路與軌道交通工程線路軸線之間夾角約為85°，A道路人行道邊線與軌道交通橋墩最小距離0.17m。（如圖1所示）

3 有限元模型

文章采用大型通用有限元軟件ABAQUS建立施工區域有限元模型進行數值分析，并充分考慮巖土材料非線性、樁土共同作用等因素。取軌道交通工程A道路特大橋7#、8#橋墩與其周邊土體為主要分析對象建立有限元數值分析模型。

模型Model-1、Model-2分別用于分析7#、8#橋墩受A道路開挖的影響。模型中建立了橋墩、承臺及承臺底面以下的土體。承臺頂面以上土體以荷載形式施加，通過調整土面上的壓力分布形式模擬整個路面開挖過程。土體模型尺度為（長、寬、高）：60m×60m×40m。模型整體如圖2（a）所示，橋墩及基礎如圖2（b）所示。

Model-1模型共有150074個節點，143660個單元；Model-2模型共有119098個節點，111446個單元。模型中包括了土體、橋墩基礎兩個部分，全部由六面體單元C3D8R組成。土體與基礎之間采用面對面接觸形式連接以模擬樁土作用。

4 計算結果

4.1 對軌道交通工程7號橋墩的影響

4.1.1 基礎受力分析

根據Model-1的計算結果，提取了7#橋墩基礎3#角樁的側摩阻力、樁身軸力等參數，以評估橋梁樁基承載力是否受到影響。

由圖3可知，樁基下部樁側摩阻力在開挖后有較明顯的減小，且靠近開挖土體一側的樁基下部在挖后出現了一定程度的負摩阻力。其原因是，上部土體開挖后，下部土體的地應力得到釋放，土體向上隆起，并通過承臺將基礎向上抬起，故而樁基下端與樁周土體發生一定程度的反向滑移，引起樁端摩阻力降低。但樁側摩阻力絕對值較小，不大于3Kpa，可以認為開挖前、后的樁側摩阻力變化對樁基承載力影響不大。

從圖4可知，開挖后樁身軸力小于開挖之前樁身軸力。其原因是，土體開挖后，土體局部隆起，向上擠壓承臺底部，引起樁身軸力減小。此時基礎承臺底與樁底承受的荷載重新分配，承臺底部土體承載增大，樁端土體承受荷載減小。樁身軸力的減小對于樁基本身以及樁端下部的土體是有利的，但仍需要研究承臺底部土體承載力是否滿足要求。提取了開挖前、后承臺底土體上表面接觸壓力云圖，如圖5所示。

由圖5知，開挖前承壓土面區域最大壓應力為36.8Kpa，局部最大壓應力可達55.3Kpa；開挖后承壓土面區域最大壓應力增大為45.3Kpa，局部最大壓應力可達67.9Kpa，滿足規范要求。

4.1.2 基礎變形分析

圖6則為開挖前、后基礎與土體之間的變形關系圖，土體在橋墩基礎位置處發生不均勻隆起，引起承臺上浮并使得承臺朝開挖段相反方向發生偏轉，基礎的隆起和偏轉會導致橋墩發生豎向及順橋向位移。

表1列出了各工況下7號墩墩頂中心位置的各個方向上的位移增量，可知工況1引起墩頂中心上浮量和順橋向位移量最大，最大值分別為1.149mm和3.031mm；工況4引起的橫橋向位移最大，最大值為1.050mm。

表1中豎向位移向上為正，順橋向位移指向線路前進方向為正。

4.2 對軌道交通工程8號橋墩的影響

4.2.1 基礎受力分析

根據Model-2的計算結果，提取了8#橋墩基礎1#角樁的側摩阻力、樁身軸力等參數，以評估橋梁樁基承載力是否受到影響。

由圖7可知，樁基下部樁側摩阻力在開挖后有較明顯的減小。其原因是，上部土體開挖后，下部土體的地應力得到釋放，土體向上隆起，并通過承臺將基礎向上抬起。故而樁基下端與樁周土體發生一定程度的反向滑移，引起樁端摩阻力降低。整體上看，樁側摩阻力絕對值較小，不大于3.5Kpa。所以認為該樁基在道路開挖前后的樁側摩阻力變化程度對基礎整體承載力影響不大。

從圖8可知，樁基角樁的軸力在土體開挖后也減小了。其原因是，開挖后土體局部隆起，向上擠壓承臺底部，引起樁身軸力減小，樁端土體承受荷載減小。雖然樁身軸力的減小對于樁基本身以及樁端下部的土體是有利的，但此時基礎承臺底與樁底承受的荷載重新分配，承臺底部土體承載增大，特提取了開挖前、后承臺底土體上表面接觸壓力云圖，如圖9所示。

如圖9（a）所示，開挖前承壓土面區域最大壓應力為35.6Kpa，局部最大壓應力可達55.3Kpa。如圖9（b）所示，開挖后承壓土面區域最大壓應力增大為39.5Kpa，局部最大壓應力可達59.2Kpa，滿足規范要求。

4.2.2 基礎變形分析

圖10則為開挖前后基礎與土體之間的變形關系圖，可以發現，土體在橋墩基礎位置處發生不均勻隆起，引起承臺上浮并使得承臺朝開挖段相反方向發生偏轉，基礎的隆起和偏轉會導致橋墩發生豎向及順橋向位移。

表2列出了各工況下8號墩墩頂中心位置的各方向位移增量，可知工況1引起的墩頂中心上浮量和順橋向位移量最大，其值分別為0.562mm和1.843mm；工況4引起的橫橋向位移量最大，其值為1.13mm。

表2中豎向位移向上為正，順橋向位移指向線路前進方向為正。

5 控制方案

（1）軌道交通工程橋墩范圍為人工填土，應采用坡度較小的邊坡，以保證邊坡穩定，并減小軌道交通工程橋墩承受的土壓力。

（2）道路開挖時應分層開挖，每層同步下降，避免產生過大土壓力。

（3）軌道交通工程橋墩附近人行道與道路之間高差大于40cm，軌道交通工程橋墩安裝防撞裝置，以避免車輛直接撞擊軌道交通工程橋墩。

（4）軌道交通工程橋墩附近路面禁止采用重型機械碾壓，應采取小型機械夯實，施工機械嚴禁碰撞橋墩。

（5）嚴禁在軌道交通工程橋墩附近堆放土方。

（6）施工過程中嚴禁抽取地下水。

（7）加強施工監測，對軌道交通工程橋墩附近一定范圍土體以及墩身進行動態化監控量測，密切關注施工引起的地面沉降及橋墩變形。

（8）道路施工完成后，應及時對該段軌道交通橋梁上軌道平順性進行復測，根據測量結果決定是否進行軌道標高調整。

6 結論

文章對A道路下穿軌道交通工程A道路特大橋施工現場及橋梁基礎進行了三維仿真建模分析，模擬了A道路路塹開挖施工對橋梁所造成的影響。分析了橋梁基礎受力、變形等相關參數，可以得到以下結論：

（1）道路及管線開挖后，基礎及土體內力重新分布，樁體及樁端土體持荷降低，承臺底部及其下的土體持荷上升。計算結果表明，軌道交通工程橋梁基礎受力滿足相關規范要求。

（2）道路及管線開挖過程中引起7號橋墩短期豎向最大隆起

1.666mm、8號橋墩短期豎向最大隆起0.988mm，小于其上連續梁計算采用的基礎非均勻沉降值10mm，滿足連續梁結構安全需要。

（3）道路開挖后，6號墩基礎后期總的沉降量為0.8mm，7號墩

基礎后期總的沉降量為0.1mm，8號墩基礎后期總的沉降量為0.7mm，9號墩基礎后期總的沉降量為1.1mm，滿足墩臺均勻沉降量不大于30mm、相鄰墩臺沉降量之差不大于5mm的要求。

（4）開挖引起7號墩產生的順橋向位移3.031mm，8號墩產生順橋向位移1.843mm，由于7號墩為活動墩，8號墩為制動墩，梁體將跟隨制動墩發生移動，但實際情況下活動支座仍可對梁體產生一定的摩阻力，7#墩將限制整個梁體的順橋向位移，故梁體的移動距離必將小于1.843mm，該值在軌道交通軌道接頭位移變化容許范圍內。

（5）車輛輪載作用在承臺上引起的偏壓可能造成橋墩產生順橋向位移0.163mm（指向道路側），滿足規范要求。

參考文獻

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作者簡介：崔陽華（1983-），男，工程師，2010年畢業于中南大學，橋梁與隧道專業，碩士。