摘 要：由于城市道路建設(shè)的不確定性、橋梁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，以及軌道交通車輛運(yùn)行對(duì)軌道平順性的嚴(yán)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(fēng)險(xiǎn)的顯著增加。針對(duì)城市道路路塹開挖施工對(duì)鄰近既有軌道交通橋梁的安全影響問題，對(duì)比了開挖前、后樁及承臺(tái)的變形及受力，并識(shí)別可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，依托A道路下穿既有軌道交通工程橋梁項(xiàng)目，提出道路施工過程中的控制方案，密切關(guān)注施工引起的地面沉降及橋墩變形等。

關(guān)鍵詞：道路工程；軌道交通工程；安全評(píng)估；控制

1 概述

城市軌道交通正面向多元化發(fā)展，軌道交通、地鐵、軌道交通等構(gòu)成了城市綜合軌道交通網(wǎng)絡(luò)，其中軌道交通作為一種快速、高效、環(huán)保、高技術(shù)含量的運(yùn)輸方式，正受到社會(huì)越來越廣泛的重視。

軌道交通車輛運(yùn)行對(duì)軌道平順度要求極高，對(duì)下穿既有軌道交通工程橋梁的城市道路的施工關(guān)乎軌道交通工程運(yùn)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(huì)對(duì)軌道交通工程橋梁基礎(chǔ)及墩身產(chǎn)生影響，并會(huì)反映到橋上設(shè)置的軌道結(jié)構(gòu)上。

文章基于A道路下穿軌道交通工程橋梁項(xiàng)目，研究道路施工時(shí)橋梁的基礎(chǔ)受力、墩頂位移等，分析其對(duì)軌道交通工程橋梁的影響是否安全可控，并對(duì)A道路的設(shè)計(jì)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(xù)梁跨越A道路，A道路在中墩7號(hào)墩和8號(hào)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(tái)尺寸寬×長×厚=8.0×9.0×3.0m，承臺(tái)接8-Φ1.2m鉆孔樁，樁長分別為20.0m（7號(hào)墩）、18.5m（8號(hào)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(qū)域有限元模型進(jìn)行數(shù)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(duì)象建立有限元數(shù)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(tái)及承臺(tái)底面以下的土體。承臺(tái)頂面以上土體以荷載形式施加，通過調(diào)整土面上的壓力分布形式模擬整個(gè)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(chǔ)如圖2（b）所示。

Model-1模型共有150074個(gè)節(jié)點(diǎn)，143660個(gè)單元；Model-2模型共有119098個(gè)節(jié)點(diǎn)，111446個(gè)單元。模型中包括了土體、橋墩基礎(chǔ)兩個(gè)部分，全部由六面體單元C3D8R組成。土體與基礎(chǔ)之間采用面對(duì)面接觸形式連接以模擬樁土作用。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 對(duì)軌道交通工程7號(hào)橋墩的影響

4.1.1 基礎(chǔ)受力分析

根據(jù)Model-1的計(jì)算結(jié)果，提取了7#橋墩基礎(chǔ)3#角樁的側(cè)摩阻力、樁身軸力等參數(shù)，以評(píng)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(cè)摩阻力在開挖后有較明顯的減小，且靠近開挖土體一側(cè)的樁基下部在挖后出現(xiàn)了一定程度的負(fù)摩阻力。其原因是，上部土體開挖后，下部土體的地應(yīng)力得到釋放，土體向上隆起，并通過承臺(tái)將基礎(chǔ)向上抬起，故而樁基下端與樁周土體發(fā)生一定程度的反向滑移，引起樁端摩阻力降低。但樁側(cè)摩阻力絕對(duì)值較小，不大于3Kpa，可以認(rèn)為開挖前、后的樁側(cè)摩阻力變化對(duì)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(tái)底部，引起樁身軸力減小。此時(shí)基礎(chǔ)承臺(tái)底與樁底承受的荷載重新分配，承臺(tái)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(duì)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(tái)底部土體承載力是否滿足要求。提取了開挖前、后承臺(tái)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(qū)域最大壓應(yīng)力為36.8Kpa，局部最大壓應(yīng)力可達(dá)55.3Kpa；開挖后承壓土面區(qū)域最大壓應(yīng)力增大為45.3Kpa，局部最大壓應(yīng)力可達(dá)67.9Kpa，滿足規(guī)范要求。

4.1.2 基礎(chǔ)變形分析

圖6則為開挖前、后基礎(chǔ)與土體之間的變形關(guān)系圖，土體在橋墩基礎(chǔ)位置處發(fā)生不均勻隆起，引起承臺(tái)上浮并使得承臺(tái)朝開挖段相反方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，基礎(chǔ)的隆起和偏轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致橋墩發(fā)生豎向及順橋向位移。

表1列出了各工況下7號(hào)墩墩頂中心位置的各個(gè)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(jìn)方向?yàn)檎?/p>

4.2 對(duì)軌道交通工程8號(hào)橋墩的影響

4.2.1 基礎(chǔ)受力分析

根據(jù)Model-2的計(jì)算結(jié)果，提取了8#橋墩基礎(chǔ)1#角樁的側(cè)摩阻力、樁身軸力等參數(shù)，以評(píng)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(cè)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(yīng)力得到釋放，土體向上隆起，并通過承臺(tái)將基礎(chǔ)向上抬起。故而樁基下端與樁周土體發(fā)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(cè)摩阻力絕對(duì)值較小，不大于3.5Kpa。所以認(rèn)為該樁基在道路開挖前后的樁側(cè)摩阻力變化程度對(duì)基礎(chǔ)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(tái)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(duì)于樁基本身以及樁端下部的土體是有利的，但此時(shí)基礎(chǔ)承臺(tái)底與樁底承受的荷載重新分配，承臺(tái)底部土體承載增大，特提取了開挖前、后承臺(tái)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(qū)域最大壓應(yīng)力為35.6Kpa，局部最大壓應(yīng)力可達(dá)55.3Kpa。如圖9（b）所示，開挖后承壓土面區(qū)域最大壓應(yīng)力增大為39.5Kpa，局部最大壓應(yīng)力可達(dá)59.2Kpa，滿足規(guī)范要求。

4.2.2 基礎(chǔ)變形分析

圖10則為開挖前后基礎(chǔ)與土體之間的變形關(guān)系圖，可以發(fā)現(xiàn)，土體在橋墩基礎(chǔ)位置處發(fā)生不均勻隆起，引起承臺(tái)上浮并使得承臺(tái)朝開挖段相反方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，基礎(chǔ)的隆起和偏轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致橋墩發(fā)生豎向及順橋向位移。

表2列出了各工況下8號(hào)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(jìn)方向?yàn)檎?/p>

5 控制方案

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

（2）道路開挖時(shí)應(yīng)分層開挖，每層同步下降，避免產(chǎn)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(jī)械碾壓，應(yīng)采取小型機(jī)械夯實(shí)，施工機(jī)械嚴(yán)禁碰撞橋墩。

（5）嚴(yán)禁在軌道交通工程橋墩附近堆放土方。

（6）施工過程中嚴(yán)禁抽取地下水。

（7）加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)，對(duì)軌道交通工程橋墩附近一定范圍土體以及墩身進(jìn)行動(dòng)態(tài)化監(jiān)控量測(cè)，密切關(guān)注施工引起的地面沉降及橋墩變形。

（8）道路施工完成后，應(yīng)及時(shí)對(duì)該段軌道交通橋梁上軌道平順性進(jìn)行復(fù)測(cè)，根據(jù)測(cè)量結(jié)果決定是否進(jìn)行軌道標(biāo)高調(diào)整。

6 結(jié)論

文章對(duì)A道路下穿軌道交通工程A道路特大橋施工現(xiàn)場(chǎng)及橋梁基礎(chǔ)進(jìn)行了三維仿真建模分析，模擬了A道路路塹開挖施工對(duì)橋梁所造成的影響。分析了橋梁基礎(chǔ)受力、變形等相關(guān)參數(shù)，可以得到以下結(jié)論：

（1）道路及管線開挖后，基礎(chǔ)及土體內(nèi)力重新分布，樁體及樁端土體持荷降低，承臺(tái)底部及其下的土體持荷上升。計(jì)算結(jié)果表明，軌道交通工程橋梁基礎(chǔ)受力滿足相關(guān)規(guī)范要求。

（2）道路及管線開挖過程中引起7號(hào)橋墩短期豎向最大隆起

1.666mm、8號(hào)橋墩短期豎向最大隆起0.988mm，小于其上連續(xù)梁計(jì)算采用的基礎(chǔ)非均勻沉降值10mm，滿足連續(xù)梁結(jié)構(gòu)安全需要。

（3）道路開挖后，6號(hào)墩基礎(chǔ)后期總的沉降量為0.8mm，7號(hào)墩

基礎(chǔ)后期總的沉降量為0.1mm，8號(hào)墩基礎(chǔ)后期總的沉降量為0.7mm，9號(hào)墩基礎(chǔ)后期總的沉降量為1.1mm，滿足墩臺(tái)均勻沉降量不大于30mm、相鄰墩臺(tái)沉降量之差不大于5mm的要求。

（4）開挖引起7號(hào)墩產(chǎn)生的順橋向位移3.031mm，8號(hào)墩產(chǎn)生順橋向位移1.843mm，由于7號(hào)墩為活動(dòng)墩，8號(hào)墩為制動(dòng)墩，梁體將跟隨制動(dòng)墩發(fā)生移動(dòng)，但實(shí)際情況下活動(dòng)支座仍可對(duì)梁體產(chǎn)生一定的摩阻力，7#墩將限制整個(gè)梁體的順橋向位移，故梁體的移動(dòng)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(nèi)。

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

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