道路開挖對既有軌道區(qū)間結(jié)構(gòu)影響分析

李明樾

（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530216）

引言

隨著城市品質(zhì)的提升，軌道交通已成為居民日常出行必不可少的交通工具，其流暢的線形設(shè)計已成為城市的標志風(fēng)景軸。為打造高品質(zhì)的市政設(shè)施景觀效果，市政道路常敷設(shè)于既有軌道結(jié)構(gòu)下，由于道路路幅寬度較大，受地形地貌的影響，部分路段需對軌道結(jié)構(gòu)兩側(cè)支擋、山體進行挖除處理，但道路開挖對既有軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響未知。

周智海[1]從市政道路施工對巖土的擾動出發(fā)，分析了其對軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力及變形，同時也對軌道車站出入口及活塞風(fēng)井進行了分析。崔陽華[2]對路塹開挖前、后對既有軌道橋梁樁基、承臺內(nèi)力及變形進行了分析，提出了合理的路塹開挖施工保護方案。朱世哲等[3]通過有限元計算，得出道路開挖易致使隧道結(jié)構(gòu)上浮，同時提出可采用分坑、快速開挖的方法進行施工，設(shè)計時可增設(shè)門式結(jié)構(gòu)控制既有隧道結(jié)構(gòu)上浮。劉策和宋郁民[4]通過有限元數(shù)值分析，得出基坑開發(fā)將會導(dǎo)致橋梁樁基附近彎矩增大，同時橫向位移較大，基坑開挖前應(yīng)先對橋墩采取加固保護措施。李麗[5]通過工程實例，針對基坑支護中的錨桿特性、施工工藝及安全監(jiān)測措施進行了綜合解讀分析。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)情況

擬建道路地表出露地層較為簡單，即由第四系全新統(tǒng)松散土層、嘉陵江沖積層和侏羅系中統(tǒng)上、下沙溪廟組、新田溝組，基巖為陸相河湖碎屑沉積，主要為砂質(zhì)泥巖、砂巖組成。場地主要屬丘陵地貌，局部為河谷侵蝕、堆積階地地貌。除局部地段有基巖露出外，大部分區(qū)域多被人工填土和黏性土所覆蓋，土層厚度變化大，基巖為砂質(zhì)泥巖、砂巖及局部互層的陸相碎屑巖。

多數(shù)地段均經(jīng)人工后期改造，沿線人類活動強烈，大部分地段為生產(chǎn)車間、現(xiàn)有居民生活區(qū)等，地形平緩、起伏小。地質(zhì)構(gòu)造屬觀音峽背斜東翼，軌道交通由南向北延伸，地質(zhì)構(gòu)造線走向一般呈小角度斜交，地質(zhì)構(gòu)造簡單。表層土體厚度一般在1～5 m， 局部溝槽地段較厚，下伏中風(fēng)化基巖強度高。場地內(nèi)地層層序正常，無滑坡、斷層等不良地質(zhì)現(xiàn)象，巖土體總體穩(wěn)定。各巖層參數(shù)見表1。

表1 巖土參數(shù)

1.2 工程概況

擬建道路下穿既有軌道交通，道路線位與軌道線位一致，并線敷設(shè)。道路全長約3 km，等級為城市主干路，標準路幅寬度38 m，雙向六車道，設(shè)計速度為50 km/h。軌道區(qū)間線路采用30 m跨徑雙線簡支箱梁，部分路段亦采用22.5 m、25 m、27.5 m跨徑雙向簡支箱梁，箱梁總寬9.8 m，基礎(chǔ)型式為樁基礎(chǔ)。道路與軌道箱梁結(jié)構(gòu)之間凈空約10 m，其中K1+520—K1+840段為拉槽施工，即在軌道線路兩側(cè)設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)以求節(jié)約占地，擬建道路在該軌道區(qū)間兩側(cè)為挖方，挖方深度較大，需拆除結(jié)構(gòu)兩側(cè)樁板式擋墻。

K1+850斷面邊坡開挖特點：（1）邊坡開挖高度大，軌道西側(cè)邊坡最大開挖高度約20 m；（2）軌道兩側(cè)邊坡開挖高度相差大，東側(cè)無須開挖邊坡。

K1+620斷面兩側(cè)邊坡開挖特點：（1）邊坡開挖高度大，軌道兩側(cè)邊坡最大開挖高度約20 m；（2）軌道兩側(cè)邊坡開挖高度基本相同，東、西側(cè)邊坡可對稱開挖。

現(xiàn)狀樁板擋墻位于擬建道路車行道上，該段擋墻距離軌道交通結(jié)構(gòu)較近，拆除過程中實施作業(yè)空間小，易損壞軌道交通結(jié)構(gòu)和運營設(shè)備。

2 有限元模型建立及分析

2.1 有限元數(shù)值分析

ABAQUS有限元軟件功能強大，在巖土結(jié)構(gòu)、汽車、海洋工程等領(lǐng)域均有應(yīng)用，對于高難度的非線性、耦合問題，均能進行全面模擬。ABAQUS有限元軟件由兩個求解器模塊構(gòu)成，計算速度快，精確度高，同時其幾何模型、材料模型單元庫較多。

2.2 材料參數(shù)

為了建模方便和加快計算收斂速度，模型中的地表與實際剖面中反映的地表略有出入，但對最終結(jié)果影響較小。計算中巖土體全部采用泥巖，忽略表層填土。由于泥巖容重大于填土，因此，計算得出的結(jié)構(gòu)位移要略大于實際位移，最終結(jié)論是偏于安全的，模型參數(shù)見表2。

表2 模型參數(shù)取值

2.3 有限元模型建立及施工模擬

選取最不利斷面（K1+850、K1+620）進行分析，有限元模型見圖1、圖2。

圖1 K1+850斷面有限元模型

圖2 K1+620斷面有限元模型

為了模擬整個施工開挖過程中軌道結(jié)構(gòu)的位移變化，計算步序：（1）第一步：自重應(yīng)力場平衡； （2）第二至六步：開挖①→⑤部分；（3）第七至十一步：開挖⑥部分、相應(yīng)抗滑樁→開挖⑩部分、相應(yīng)抗滑樁。兩側(cè)邊坡應(yīng)采用對稱開挖，施工過程中，兩側(cè)邊坡坡底高差控制在2.0 m以內(nèi)。為了模擬整個施工開挖過程中軌道結(jié)構(gòu)的位移變化，計算步序： （1）第一步：自重應(yīng)力場平衡；（2）第二至十一步：開挖①部分、相應(yīng)抗滑樁→開挖⑩部分、相應(yīng)抗滑樁。

3 有限元結(jié)果分析

3.1 K1+850斷面

該斷面開挖過程中軌道區(qū)間結(jié)構(gòu)的位移變化見圖3～圖6（由于開挖步序較多，有限元分析云圖間隔三步序選取）。

圖3 開挖第三步軌道結(jié)構(gòu)橫、豎向位移云圖

圖4 開挖第六步軌道結(jié)構(gòu)橫、豎向位移云圖

圖5 開挖第九步軌道結(jié)構(gòu)橫、豎向位移云圖

圖6 開挖第十一步軌道結(jié)構(gòu)橫、豎向位移云圖

工程施工最需要關(guān)注的是軌道的幾何尺寸偏差，可認為軌道位移與相應(yīng)位置蓋梁結(jié)構(gòu)位移相等。在不同的道路邊坡開挖深度下，軌道相應(yīng)位置蓋梁結(jié)構(gòu)的橫向位移與豎向位移變化曲線，見圖7。

圖7 軌道蓋梁結(jié)構(gòu)位移變化曲線

由圖7可以看出，結(jié)構(gòu)的位移隨著道路工程邊坡開挖深度增加而增大，最大豎向位移約2.5 mm，最大橫向位移約1.5 mm，可認為軌道的最大豎向位移與橫向位移分別為2.5 mm和1.5 mm。

3.2 K1+620斷面

該斷面開挖過程中軌道區(qū)間結(jié)構(gòu)的位移變化見圖8～圖11（由于開挖步序較多，有限元分析云圖間隔三步序選取）。

圖8 開挖第三步軌道結(jié)構(gòu)橫、豎向位移云圖

圖9 開挖第六步軌道結(jié)構(gòu)橫、豎向位移云圖

圖10 開挖第九步軌道結(jié)構(gòu)橫、豎向位移云圖

圖11 開挖第十一步軌道結(jié)構(gòu)橫、豎向位移云圖

可以認為軌道最大位移與墩頂位移相等，在不同的道路邊坡開挖深度下，墩頂結(jié)構(gòu)的橫向位移與豎向位移變化曲線見圖12、圖13。

圖12 軌道橋梁墩頂橫向位移變化曲線

圖13 軌道橋梁墩頂豎向位移變化曲線

由圖12、圖13可以看出，由于對稱開挖，區(qū)間橋梁墩頂橫向位移由圖12、圖13在一個較小范圍內(nèi)波動，開挖過程中墩頂?shù)淖畲笪灰苾H0.7 mm；豎向位移隨邊坡開挖深度增加而增加，區(qū)間橋梁墩頂?shù)淖畲筘Q向位移約6.4 mm，可以認為軌道的最大豎向位移與橫向位移分別為6.4 mm 和0.7 mm。

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T202—2013）、《城市軌道交通結(jié)構(gòu)檢測監(jiān)測技術(shù)文件》（DBJ50/T-271—2017）線路軌道靜態(tài)幾何尺寸存在的容許偏差，橫向位移容許偏差為4 mm， 豎向位移的容許偏差為9 mm。因此，道路工程施工不影響軌道安全運營。

4 結(jié)語

（1）道路單側(cè)邊坡開挖會導(dǎo)致軌道區(qū)間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移，開挖深度越大，位移量越大；相同開挖深度下，軌道結(jié)構(gòu)豎向位移大于橫向位移，且深度越大，豎橫向位移相差越大。（2）道路雙側(cè)邊坡對稱開挖時，軌道結(jié)構(gòu)橫向水平位移影響較小，但豎向位移影響較大；不同開挖高度下，雙側(cè)邊坡致使軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生豎向位移均大于單側(cè)邊坡開挖，且其豎向位移變化率較大。（3）擋墻拆除應(yīng)前先釋放應(yīng)力，采取邊卸土邊拆除擋墻的方式分層施工；高架區(qū)間橋墩頂端豎向位移控制值為9 mm，水平位移的控制值為4 mm。道路開挖時需對軌道結(jié)構(gòu)進行監(jiān)控，建議取控制值的80%作為監(jiān)測報警值。