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，為了適應(yīng)城市人口的增長和經(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 號線高架橋[1]，渝長復(fù)線下穿軌道4號線軌道高架區(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，常常會對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目作為案例，深入研究了道路基坑開挖對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，地處長江上游經(jīng)濟(jì)帶核心地區(qū)，長江、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)，是長江上游重要的航運樞紐和物資集散地。

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

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

項目建設(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 號線延長線圣泉寺站-幾江站高架段（已建成D08 號墩-規(guī)劃D09 號墩區(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。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 號墩承臺距離最近約1.9m，右側(cè)路塹墻（抗滑樁）距離軌道D09 號墩承臺最近約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在近軌道側(cè)將形成深約1.5m 的臨時挖方土質(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)一步分析計算。

3 數(shù)值模擬及分析

針對擬建項目對緊鄰軌道區(qū)間結(jié)構(gòu)風(fēng)險影響，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)施工及運營階段引起的軌道結(jié)構(gòu)變形，用以評估軌道結(jié)構(gòu)的安全性。

本模型根據(jù)道路設(shè)計平縱及軌道交通5 號線相關(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)合地勘報告及相關(guān)工程當(dāng)?shù)亟?jīng)驗，具體如表1 所示。

表1 計算采用巖土力學(xué)參數(shù)

根據(jù)GB 50157-2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》、DBJ50-244-2016《重慶地鐵設(shè)計規(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，對各項荷載進(jìn)行計算。

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)行計算，支座按10kN/個計算，二期（鋪裝）荷載按1.96kN/m 進(jìn)行計算。軌道交通5 號線延長線該段高架區(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 列車豎向動力作用時，列車豎向靜活載應(yīng)乘以動力系數(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%計算。軌道梁設(shè)計按單線計算列車制動力或牽引力。軌道梁橋下部結(jié)構(gòu)設(shè)計時制動力或牽引力應(yīng)移至支座中心處，雙線時應(yīng)采用二線的制動力或牽引力；三線或三線以上時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軌道結(jié)構(gòu)的安全影響，在確保三維模型有足夠計算精度并盡量減少計算量前提下，本次計算對模型范圍進(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體單元計算；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，冠梁采用一維梁單元進(jìn)行模擬，三維有限元整體計算模型如圖3所示。

圖3 三維實體模型

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 號線延伸段圣泉寺站-幾江站區(qū)間高架建成（激活D07-08 號墩），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 號墩）。

由于軌道5 號線延長線圣泉寺至鼎山段尚還處于前期規(guī)劃階段，施工時序晚于擬建道路，故在本次分析中不考慮擬建項目施工對其產(chǎn)生的影響。擬建道路施工影響的軌道5 號線延長線墩柱由北向南分別為：已建成QJ08-D07、已建成QJ08-D08，共2 個軌道高架橋墩。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營過程中，位移最大值發(fā)生在第④步，此時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5 號線延長段區(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差異沉降發(fā)生在QJ08-D07 與QJ08-D-08 之間，為0.093mm。道路實施及運營過程中，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)檢測監(jiān)測技術(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，墩臺差異沉降≤10mm。上述變形滿足規(guī)范要求。

本項目通過實施樁板擋墻來減小道路基坑開挖及回填對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，不僅可以保證本項目的順利實施，同樣保障了軌道的安全運營。在實施過程中，還應(yīng)注意以下幾點：①路基土石方采用分段、分層、對稱平衡開挖，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；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，并采取保護(hù)措施；④施工及項目建成投入使用后，應(yīng)對施工影響區(qū)內(nèi)既有軌道交通結(jié)構(gòu)物進(jìn)行實時監(jiān)測，動態(tài)監(jiān)測軌道交通結(jié)構(gòu)物和邊坡的變形、震動、應(yīng)力、裂縫等情況，監(jiān)測結(jié)果應(yīng)定期向軌道公司反饋，發(fā)生監(jiān)測預(yù)警或報警應(yīng)及時通知軌道公司相關(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。本研究以近接道路路基施工對軌道橋梁橋墩及樁基的影響為切入點，全面探討了道路基坑開挖施工對軌道橋梁結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理。這不僅對于類似城市軌道交通與道路交叉項目提供了實用的理論參考和實踐指導(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。