某跨線橋風險評估研究

馬小科 MA Xiao-ke

（中鐵十六局集團路橋工程有限公司，北京 101500）

0 引言

近年來，國民經濟快速發(fā)展，城市道路的建設規(guī)模也隨之擴大。在交通流量較大的公路交叉部位大都采用立交形式，在既有線路上方跨越的橋梁簡稱為跨線橋。由于跨線橋周圍交通環(huán)境復雜，橋梁施工工序繁多，導致其施工風險因素眾多，風險災害層出不窮，因此研究跨線橋的風險評價具有重要的現(xiàn)實意義。

不少學者就橋梁風險評價展開了研究。王磊[1]等采用層次分析-模糊綜合評判方法估計黃土山區(qū)沖溝地形橋梁下部結構的安全風險概率和損失；孫建誠[2]等建立了基于改造的層次分析法和接近理想點法的橋梁施工方案風險評價模型；張建國[3]等建立了基于Vague 集理論的風險評價模型，用以評價復雜干擾環(huán)境橋梁建設風險；李怡辰[4]等提出基于網絡分析法和二維云模型的風險評價方法，結合ALARP 風險矩陣確定風險等級，從而有效地控制公路橋梁施工風險；劉洋[5]等將云模型引入橋梁結構安全預評價體系中，構建了運營橋梁結構穩(wěn)定性評價云模型；洪流[6]等運用作業(yè)分解結構-風險分解結構耦合矩陣分析法對施工風險和作業(yè)活動間的映射關系進行耦合分析，構建了改進的LEC 橋梁工程施工風險評價模型；李德航[7]等構建了基于區(qū)間模糊理論、群體決策理論和突變理論的施工安全風險評估模型；施洲[8]等針對橋梁施工風險動態(tài)評估問題，構建風險元傳遞網，對風險元傳遞網進行貝葉斯概率計算，并結合逆向推理和敏感性分析獲得關鍵風險元及主要風險鏈。

由上述研究可知，目前針對橋梁風險評價大都采用調查法、數(shù)學評價方法，采用數(shù)值模擬定量評估較少，同時研究跨線橋施工風險較少。因此，定量研究跨線橋施工安全風險，對此類橋梁施工具有較大的理論意義和工程價值。本文依托某城市跨線橋，采用數(shù)值模擬手段研究了該跨線橋的應力、應變情況，評價該跨線橋建立對周邊環(huán)境的安全性影響，以此為同類橋梁工程的設計施工提供借鑒。

1 工程概況

1.1 項目背景

某城市跨線橋屬于總體項目中的一部分。該項目處于珠江三角洲到粵北山區(qū)過渡地帶上，路線總體呈東西走向，起點段舊路兩側建筑物密集，主要為民居、商鋪，路線后半段兩側多為農田、工廠。該跨線橋中心里程為K2+912.5，橋梁全長為378m，寬度為2x13.5=27m，總體設計跨線橋總寬度為28m，引道293.16m。跨線橋所處環(huán)境俯視圖如圖1 所示。

圖1 擬建跨線橋俯視圖

1.2 某跨線橋施工組織設計

跨線橋總寬度為28m，其橋跨布置與結構型式如表1所示。

表1 橋跨布置和結構型式一覽表

2 評估內容

采用ANSYS 三維有限元方法，研究跨線橋挖樁及深孔灌注樁對周邊建筑物及原有路線安全性、穩(wěn)定性的影響，評價本次項目的安全性，對現(xiàn)場施工進行反饋和改進。

3 數(shù)值模擬定量評估

3.1 控制標準

根據(jù)《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》（JTG 3363-2019），《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》（TB10093-2017）橋梁變形允許值應按表2 進行控制；橋梁采用C40 混凝土，其軸心抗壓強度為29.5MPa，彎曲抗壓強度為36.9MPa，軸心抗拉強度為2.7MPa。

表2 安全控制指標單位：mm

3.2 數(shù)值模擬

3.2.1 三維有限元模型

①建模原則。

1）采用ANSYS 靜力學計算，預測樁基開挖及建設引起的位移及結構的受力。

2）巖土材料采用理想彈塑性模型。

3）開挖土體、原始地層、樁基、橋墩等結構均采用SOLID 三維實體單元。

4）不考慮地下水和圍巖結構面的影響。

②三維模型計算范圍。

為了確保三維模型有足夠計算精度并盡量減少計算工作量，對計算范圍進行了一定限制，將跨線橋建于模型中部位置，沿橫向取420m，徑向取100m，從地表向下取62m，地層按照設計圖紙及地勘資料進行模擬，地層參數(shù)按照資料進行選取，并根據(jù)路面、跨線橋的空間位置關系建立有限元計算模型，如圖2 所示。

圖2 某跨線橋安全評估立體透視圖

③三維模型的模擬工況。

1）跨線橋樁基開挖引起地層與周邊建筑的應力及位移變化；

2）跨線橋樁基的澆筑及建立引起地層與周邊建筑的應力及位移變化。

④三維模型的計算邊界條件。

模型的底面約束豎直方向Y 方向的自由度，側面約束側向X、Z 方向的自由度，地表為自由面。

⑤計算方法和收斂準則。

計算采用使用“生死”單元的方法實現(xiàn)樁基的開挖與澆筑。圍巖材料的屈服條件采用摩爾庫倫屈服準則。

⑥有限元計算參數(shù)取值見表3。

表3 某跨線橋巖土體設計參數(shù)建議值一覽表

3.2.2 三維模型工況模擬步驟

模擬步驟1，建立未開挖前現(xiàn)有路面及地層模型；模擬步驟2，根據(jù)現(xiàn)有路面與地層的空間位置關系，建立跨線橋樁基模型；模擬步驟3，三維模型網格劃分，底面約束豎直方向Y 方向的自由度，側面約束側向X、Z 方向的自由度，地表為自由面，并向跨線橋橋墩、橋基面上施加Y方向的均布荷載，模擬橋面的重力荷載；模擬步驟4，進入求解器，計算樁基未開挖前模型的初始重力狀態(tài)；模擬步驟5，使用“生死”單元約束地層中的樁基單元，模擬樁基開挖對路面及地層的應力及位移變化，重啟上一步并進行計算（工況1 模擬）；模擬步驟6，激活地下樁基單元，模擬樁基澆筑成型后對路面及地層的應力及位移變化（工況2模擬）。

4 模擬結果

4.1 工況1

從模擬結果來看，跨線橋樁基開挖引起地層在X 方向的最大位移為0.27mm，Y 方向的最大位移為-5.68mm，如圖3 所示，Z 方向的最大位移為0.24mm。各方向位移均遠小于10mm 的變形控制要求。樁基開挖使得地層承受的最大等效應力為1.15MPa，如圖4 所示，該等效應力對由C40 混凝土建造的路面影響較小。

圖3 工況1 的Y 方向位移云圖

圖4 工況1 的等效應力云圖

4.2 工況2

從工況2 的模擬結果來看，跨線橋樁基澆筑及建造引起路面與周邊環(huán)境在X 方向的最大位移為0.026mm，Y 方向最大位移為0.00049mm，Z 方向最大位移為0.023mm，各方向的位移均遠遠小于10mm 的變形控制要求。跨線橋樁基的澆筑與建造使得路面承受最大等效應力為0.24MPa，該等效應力對由C40 混凝土建造的路面影響較小。

5 結果分析

表4 為三維分析結果匯總表。通過某跨線橋樁基開挖、澆筑兩個施工工況對既有地層與原有路面安全性影響的三維有限元模擬，表明兩個施工工況使得地層與原有路面產生最大位移為-5.68mm，遠小于10mm 的控制范圍。另一方面兩個施工工況對周邊圍巖體的破壞作用均較小，使得地層與原有路面所受的最大等效應力為1.1MPa，該作用力不會影響C40 混凝土結構的正常使用，因此跨線橋工程建設過程對周邊環(huán)境的影響較小，可以確保該結構處于安全狀態(tài)。

表4 三維分析結果匯總表

6 結論

通過對擬建跨線橋的計算分析，對結構安全進行了評估，結論如下：①根據(jù)三維有限元計算位移結果，項目施工對土體及周圍環(huán)境影響較小，最大位移為-5.68mm，位移較小，風險可控，滿足規(guī)范要求。②根據(jù)三維有限元計算應力結果，樁基開挖與澆筑引起的圍巖與周圍環(huán)境承受的最大等效應力為1.1MPa，說明項目施工對既有路面、圍巖擾動較小，滿足規(guī)范要求。

綜上，本次跨線橋項目的施工對于周邊環(huán)境的安全影響較小，橋梁結構滿足設計規(guī)范要求，該結構處于安全狀態(tài)，項目方案可行。