淺談華福立交對(duì)軌道五號(hào)線高架橋的影響評(píng)價(jià)

尹恒

重慶市設(shè)計(jì)院有限公司 重慶 400015

1 概況

1.1 項(xiàng)目概況

華福立交地處重慶九龍坡區(qū)，為金建路和華福路相交形成的節(jié)點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)三層菱形立交，金建路下穿華福路，軌道交通五號(hào)線沿華福路方向上跨擬建華福立交。立交方案含金建路下穿道1座、華福路上跨橋1座、人行天橋2座。

1.2 華福立交與軌道交通的關(guān)系

金建路下穿道、華福路上跨橋和1號(hào)人行天橋均位于軌道五號(hào)線華巖新城站至中梁山站區(qū)間高架段保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)。

（1）金建路下穿道位于軌道五號(hào)線QJ27-D43#和D44#橋墩之間，下穿道基坑圍護(hù)樁基與軌道五號(hào)線高架橋承臺(tái)最小水平凈距為5.12m，最大豎向高差為2.781m，樁基之間無(wú)傳力影響。

（2）華福路上跨橋左、右線與軌道五號(hào)線高架橋平行，與軌道高架的墩臺(tái)基本處于同一斷面，上跨橋橋面標(biāo)高均低于軌面標(biāo)高，最小高差為0.5m。

（3）1號(hào)人行天橋下穿軌道五號(hào)線高架橋，共有6個(gè)橋墩位于軌道保護(hù)線范圍內(nèi)，其中Z4和Z5橋墩與軌道橋墩距離最近，均位于軌道QJ27-D44#橋墩南側(cè)，橋墩樁基最小水平間距為12.58m，最小豎向高差為1.42m，樁基之間無(wú)相互傳力。軌道梁底與對(duì)應(yīng)人行天橋橋面高差為2.77m，滿足人行天橋橋面凈空大于2.5m的要求。

1.3 風(fēng)險(xiǎn)源辨識(shí)

華福立交所含金建路下穿道、華福路上跨橋和1號(hào)人行天橋?qū)壍牢逄?hào)線高架段影響分別為特級(jí)、特級(jí)、二級(jí)，主要風(fēng)險(xiǎn)在于施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)引起軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力重分布及變形，可能對(duì)軌道結(jié)構(gòu)安全與穩(wěn)定造成不利影響。

2 計(jì)算分析

2.1 評(píng)估內(nèi)容

根據(jù)擬建華福立交施工步序，預(yù)測(cè)立交下穿道和橋梁的施工過(guò)程中軌道交通五號(hào)線D42#～D48#軸區(qū)間高架橋的結(jié)構(gòu)變形情況，并分析華福路上跨橋施工與運(yùn)營(yíng)對(duì)軌道安全的影響，對(duì)設(shè)計(jì)方案可行性與軌道五號(hào)線結(jié)構(gòu)的安全性做出評(píng)價(jià)，并提出相應(yīng)的建議及要求。

2.2 計(jì)算模型

采取三維計(jì)算模型來(lái)模擬分析華福立交工程對(duì)軌道交通五號(hào)線的影響，計(jì)算采用Midas/GTS有限元分析軟件進(jìn)行。由于金建路下穿道開(kāi)挖對(duì)軌道區(qū)間影響較大[2]，考慮華福路上跨橋與軌道平行，且逐墩對(duì)應(yīng)，各墩臺(tái)位置高架橋與軌道相互關(guān)系相近，故對(duì)三維模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，選取軌道D43～D44高架區(qū)間進(jìn)行建模分析，如下圖1所示。

計(jì)算范圍內(nèi)的圍巖采用3D實(shí)體單元計(jì)算；華福路上跨橋、1號(hào)人行天橋、軌道五號(hào)線高架橋的下部結(jié)構(gòu)采用3D實(shí)體單元計(jì)算；金建路下穿道基坑的樁板式擋墻采用3D實(shí)體單元，擋板采用2D板單元計(jì)算；金建路下穿道主體結(jié)構(gòu)采用2D板單元計(jì)算。為了確保三維模型有足夠計(jì)算精度并盡量減少計(jì)算工作量，本次計(jì)算對(duì)計(jì)算范圍進(jìn)行了一定的限制。沿金建路下穿道基坑縱向、橫向均取100m，從地表向下取30m。

圖1 三維計(jì)算模型透視圖

2.3 計(jì)算參數(shù)

結(jié)合本工程地勘巖土參數(shù)建議值，計(jì)算模型所采用巖土參數(shù)見(jiàn)下表1。

表1 計(jì)算模型參數(shù)

考慮到施工過(guò)程對(duì)圍巖有一定擾動(dòng)，所用實(shí)際計(jì)算參數(shù)在地勘提供的最低參數(shù)基礎(chǔ)上按0.8進(jìn)行折減，即巖土體的彈性模量E、內(nèi)聚力c、內(nèi)摩擦角φ、抗拉強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度乘以0.8的折減系數(shù)。

2.4 計(jì)算工況

模擬建設(shè)時(shí)序?yàn)檐壍牢逄?hào)線高架橋結(jié)構(gòu)先施工，再依次進(jìn)行金建路下穿道、1號(hào)人行天橋、華福路上跨橋結(jié)構(gòu)的施工。金建路下穿道采用明挖法施工，基坑開(kāi)挖、下穿道主體結(jié)構(gòu)修筑、基坑回填，以及1號(hào)人行天橋和華福路上跨橋下部結(jié)構(gòu)的修筑都將會(huì)引起軌道五號(hào)線高架橋結(jié)構(gòu)的變形。

2.5 計(jì)算方法和屈服準(zhǔn)則

計(jì)算采用激活和鈍化單元的方法模擬施工過(guò)程中的開(kāi)挖、支護(hù)及結(jié)構(gòu)物的修建[1]。巖、土體材料的屈服條件采用莫爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 三維模型計(jì)算結(jié)果及安全評(píng)價(jià)

通過(guò)計(jì)算，軌道結(jié)構(gòu)最大變形主要發(fā)生在金建路下穿道基坑開(kāi)挖階段，軌道高架最大縱向樁底變形1.060mm，墩頂變形0.611mm；最大橫向樁底變形為0.685mm，墩頂變形0.397mm；最大豎向樁底變形0.395mm，墩頂變形0.399mm，滿足《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50157-2013）中高架結(jié)構(gòu)墩頂?shù)膹椥运轿灰祈槨M橋向分別小于5×L0.5、4×L0.5以及高架結(jié)構(gòu)墩臺(tái)均勻沉降量不應(yīng)超過(guò)50mm且相鄰墩臺(tái)沉降量之差不應(yīng)超過(guò)20mm的規(guī)定。

3.2 下穿道基坑施工優(yōu)化

為確保華福立交項(xiàng)目實(shí)施期間軌道結(jié)構(gòu)的安全，開(kāi)挖時(shí)，在金建路下穿道樁基頂部設(shè)置臨時(shí)橫向鋼支撐。優(yōu)化后，基坑樁基最大橫向變形較原方案中變形減少40.7%；軌道結(jié)構(gòu)最大變形量較原設(shè)計(jì)方案中變形均有減少，其中墩頂縱向最大變形減少17.8%。

3.3 二維計(jì)算分析

為了進(jìn)一步確定華福立交工程對(duì)軌道五號(hào)線的影響程度，同時(shí)驗(yàn)證三維模型的準(zhǔn)確性，根據(jù)本項(xiàng)目與軌道五號(hào)線相互關(guān)系，分別取金建路下穿道與軌道結(jié)構(gòu)、華福路上跨橋與軌道結(jié)構(gòu)距離較近的剖面進(jìn)行二維有限元計(jì)算。

（1）金建路下穿道與軌道結(jié)構(gòu)最不利剖面

模型計(jì)算參數(shù)、計(jì)算工況及步序同三維計(jì)算分析，二維計(jì)算模型如下圖2所示。

圖2 金建路下穿道與軌道結(jié)構(gòu)最不利剖面二維計(jì)算模型

表2 軌道結(jié)構(gòu)最大變形（mm）

根據(jù)該剖面二維有限元計(jì)算結(jié)果（表2），金建路下穿道施工過(guò)程引起軌道結(jié)構(gòu)縱向和豎向的最大變形小于2mm，軌道結(jié)構(gòu)變形遠(yuǎn)小于規(guī)范容許值縱向變形34.7mm，豎向變形50mm，下穿道施工期間軌道結(jié)構(gòu)安全。

下穿道施工期間基坑樁基樁頂最大橫向變形小于3 mm，基坑變形處于安全范圍。

（2）華福路上跨橋與軌道結(jié)構(gòu)最不利剖面

模型計(jì)算參數(shù)、計(jì)算工況及步序同三維計(jì)算分析，二維計(jì)算模型及各計(jì)算階段模型如下圖3所示。

圖3 金建路下穿道與軌道結(jié)構(gòu)最不利剖面二維計(jì)算模型

表3 軌道結(jié)構(gòu)最大變形（mm）

根據(jù)該剖面二維有限元計(jì)算結(jié)果（表3），華福路上跨橋施工過(guò)程引起軌道結(jié)構(gòu)橫向和豎向的最大變形小于1mm，軌道結(jié)構(gòu)變形遠(yuǎn)小于規(guī)范容許值縱向變形29.9mm，豎向變形50mm，上跨橋施工期間軌道結(jié)構(gòu)安全。

4 工程類比

通過(guò)對(duì)“青堡立交下穿道工程與軌道六號(hào)線高架段”、“綠夢(mèng)廣場(chǎng)公共人防工程項(xiàng)目與軌道三號(hào)線雙龍至碧津高架區(qū)間”兩個(gè)工程實(shí)例進(jìn)行類比，進(jìn)一步證實(shí)可以做到華福立交安全施工且不影響既有軌道結(jié)構(gòu)安全。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)建立三維有限元模型，對(duì)華福立交和軌道五號(hào)線華巖新城站至中梁山站區(qū)間高架段的相互影響進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)合以往相似工程進(jìn)行類比，可得如下結(jié)論：

（1）華福立交工程實(shí)施階段，軌道結(jié)構(gòu)各向最大變形均滿足《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50157-2013）中的相關(guān)要求。

（2）通過(guò)在下穿道基坑支護(hù)樁基頂部設(shè)置冠梁和增設(shè)臨時(shí)內(nèi)支撐，基坑樁基和軌道結(jié)構(gòu)物變形量與原方案相比都有減小。其中基坑樁基最大橫向變形減少40.7%，軌道結(jié)構(gòu)最大變形減小17.8%，施工優(yōu)化方案對(duì)軌道結(jié)構(gòu)物和基坑支護(hù)樁變形有顯著的控制作用。

（3）計(jì)算分析表明，華福立交工程的實(shí)施對(duì)軌道五號(hào)線區(qū)間高架的影響在安全范圍內(nèi)，華福立交工程設(shè)計(jì)方案基本可行，風(fēng)險(xiǎn)可控。通過(guò)在下穿道基坑開(kāi)挖階段增設(shè)臨時(shí)內(nèi)支撐，能有效減小下穿道基坑和軌道結(jié)構(gòu)變形，進(jìn)一步確保軌道五號(hào)線高架橋結(jié)構(gòu)的安全。