劉惠華

(福建長(zhǎng)大建設(shè)有限公司 福州市 350100)

0 引言

隨著城市交通的快速發(fā)展，軌道交通已成為人們常用的交通工具。站場(chǎng)整體地勢(shì)較為平整，而部分站場(chǎng)周邊市政道路建設(shè)較晚，新建道路與軌道站場(chǎng)間常存在三種邊坡處理方式，即挖方、填方、支擋結(jié)構(gòu)。若在道路外側(cè)盲目增設(shè)支擋結(jié)構(gòu)擴(kuò)大其與軌道站場(chǎng)的安全距離，不僅會(huì)增加工程造價(jià)，同時(shí)也會(huì)對(duì)市政設(shè)施的景觀性帶來影響。

周智海[1]以實(shí)際工程為依托，利用三維有限元軟件，將新建道路對(duì)既有軌道交通設(shè)施的安全性影響進(jìn)行了評(píng)估與論證，得出了軌道市政設(shè)施的保護(hù)安全范圍。丁祖德等[2]考慮基坑開挖及土中殘余應(yīng)變等影響，提出了地層加固、抗拔樁等方式對(duì)既有隧道進(jìn)行保護(hù)。張文超[3]對(duì)既有車站附近新建基坑開挖進(jìn)行了模擬分析，得出了基坑開挖對(duì)既有車站位移及彎矩的影響。劉輝[4]針對(duì)不同施工條件下基坑邊坡防護(hù)的力學(xué)特征，結(jié)合工程實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)，利用相關(guān)軟件，分析了地鐵隧道施工對(duì)周邊基坑的影響規(guī)律。

以某軌道站場(chǎng)旁新建道路為研究對(duì)象，分析了新建道路三種邊坡處理方式下對(duì)既有軌道站場(chǎng)的影響，以供類似工程設(shè)計(jì)、施工參考。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)情況

泥巖(J3s-Ms)：褐紅色。主要由粘土礦物組成，含砂質(zhì)、鈣質(zhì)及水云母。泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，局部夾砂質(zhì)條帶或砂巖團(tuán)塊。厚度1.30～28.40m。

砂巖(J3s-Ss)：灰黃、淺灰色。礦物成分以石英為主，次為長(zhǎng)石并含云母等。中粒結(jié)構(gòu)，鈣質(zhì)膠結(jié)，中厚層狀構(gòu)造。厚度2.50～15.7m。

各巖層參數(shù)如表1所示。

表1 巖土參數(shù)表

1.2 項(xiàng)目概況

擬建道路全長(zhǎng)960m，道路等級(jí)為城市主干路，標(biāo)準(zhǔn)路幅寬度為50.5m，雙向八車道，設(shè)計(jì)速度為60km/h。道路沿軌道站場(chǎng)敷設(shè)，道路邊線距站場(chǎng)邊線約20～30m，道路起點(diǎn)高程301.184m，終點(diǎn)高程為319.544m。軌道站場(chǎng)場(chǎng)平標(biāo)高為317.25m，站場(chǎng)現(xiàn)狀邊坡坡高最大約18m，挖方邊坡采用格構(gòu)式錨桿擋墻支護(hù)，邊坡坡率為1∶0.75，填邊坡采用截水骨架護(hù)坡，邊坡坡率為1∶1.5、1∶1.75、1∶2，邊坡每8m為一級(jí)，兩級(jí)間設(shè)2m寬馬道。

站場(chǎng)沿東西向展布，長(zhǎng)約960m，寬110～300m，面積約0.17km2，站場(chǎng)主要包括停車列檢庫、牽引降壓混合變電所、不落輪鏇庫、洗車庫、雜品庫、工程車庫、材料棚、綜合樓、物資分庫等建筑物及擋墻等構(gòu)筑物。

2 有限元模型建立及分析

2.1 有限元軟件簡(jiǎn)介

工程設(shè)計(jì)常用的有限元軟件有ANSYS、Midas GTS、FLAC 3D等，而對(duì)于巖土工程而已，Midas GTS運(yùn)用較為廣泛，其巖土本構(gòu)模型構(gòu)成豐富，操作簡(jiǎn)單，用戶界面清晰，且計(jì)算結(jié)果可靠性大，貼合工程實(shí)際。因此，采用Midas GTS有限元軟件對(duì)新建道路三種邊坡處理方式下對(duì)既有軌道站場(chǎng)的影響進(jìn)行分析。

2.2 材料參數(shù)

對(duì)于巖土結(jié)構(gòu)采用常規(guī)的摩爾—庫倫模型，軌道地基采用線彈性模型[5]，結(jié)合工程地質(zhì)情況，模型相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 模型參數(shù)取值表

2.3 施工階段模擬

本次有限元施工階段模擬過程如下所示：

(1)初始應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算，位移清零、應(yīng)力計(jì)算。

(2)施工軌道車輛段基坑。

(3)位移清零、應(yīng)力計(jì)算。

(4)道路施工，位移計(jì)算、應(yīng)力計(jì)算。

(5)道路加載，位移計(jì)算、應(yīng)力計(jì)算。

3 有限元結(jié)果分析

3.1 填方邊坡

若道路標(biāo)高高于軌道站場(chǎng)邊坡底標(biāo)高低于站場(chǎng)場(chǎng)平標(biāo)高時(shí)，需對(duì)道路進(jìn)行填方放坡處理，有限元模型如圖1所示。

圖1 填方邊坡有限元模型

當(dāng)?shù)缆坊靥詈?，建模分析其?duì)軌道地基基床的豎向、橫向變形的影響可知，軌道基床最大豎向變形為0.75mm，最大橫向變形為1.66mm。

當(dāng)?shù)缆方ǔ赏ㄜ嚭?，建模分析其?duì)軌道地基基床的豎向、橫向變形的影響可知，軌道基床最大豎向變形為0.76mm，最大橫向變形為1.97mm。

同時(shí)，道路回填完成與道路通車后對(duì)軌道基床的變形影響相差不大，交通量不大的情況下，可忽略行車荷載對(duì)軌道的影響，基床最大變形量位于站場(chǎng)邊坡坡頂處，變形量均小于10mm，滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 挖方邊坡

若軌道站場(chǎng)現(xiàn)狀為挖方邊坡，而道路標(biāo)高又位于站場(chǎng)場(chǎng)平標(biāo)高以下時(shí)，需對(duì)道路及站場(chǎng)間進(jìn)行挖除邊坡處理，主要有兩種處理方式。

(1)設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)避免開挖站場(chǎng)邊坡

為避免對(duì)軌道站場(chǎng)邊坡產(chǎn)生影響，采用排樁式錨索擋墻分臺(tái)階進(jìn)行支擋，如圖2所示。每級(jí)臺(tái)階高度≤8m，每級(jí)臺(tái)階之間設(shè)置2.0m寬平臺(tái)。排樁采用樁徑為1.0m的圓樁，樁間距4.0m，樁頂設(shè)置80cm高壓頂梁，第一排錨索距離樁頂高度為3.0m，錨索間距為4.0m(水平)×2.5m(豎向)，且最下排錨索距離地面不大于1.0m，保證錨索豎向間距不大于2.5m。

圖2 排樁式錨索擋墻斷面圖(單位：m)

該邊坡赤平投影圖如圖3所示。

圖3 邊坡赤平投影分析圖

根據(jù)平面滑裂面假定，主動(dòng)巖土側(cè)向壓力合力標(biāo)準(zhǔn)值可按公式Eak=0.5γH2Ka計(jì)算，如圖4所示。

圖4 側(cè)向巖土壓力計(jì)算簡(jiǎn)圖及分布圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，錨索設(shè)計(jì)采用7束1×7Φ15.2鋼絞線，錨固段長(zhǎng)度為8.5m，滿足規(guī)范要求。

(2)開挖站場(chǎng)邊坡

綜合考慮道路與軌道站場(chǎng)間的景觀協(xié)調(diào)性及工程造價(jià)，可對(duì)站場(chǎng)邊坡進(jìn)行挖除處理，有限元模型如圖5所示。

圖5 挖方邊坡有限元模型

忽略行車荷載對(duì)站場(chǎng)基床產(chǎn)生的影響，分析道路邊坡開挖對(duì)軌道地基基床的豎、橫向變形影響可知，邊坡開挖時(shí)，軌道基床的最大豎向變形為2.6mm，最大橫向變形為1.29mm。均位于站場(chǎng)挖方邊坡坡腳處。填方、挖方產(chǎn)生的橫向變形影響相差不大，對(duì)于豎向變形影響，挖方約為填方的3.5倍，但變形量均小于10mm，滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

通過對(duì)比分析以上兩種方案得出，挖方邊坡對(duì)軌道站場(chǎng)基床豎向變形影響較大，但均小于3mm，設(shè)計(jì)施工時(shí)，應(yīng)綜合考慮道路、站場(chǎng)間景觀協(xié)調(diào)性，條件允許時(shí)應(yīng)對(duì)道路及站場(chǎng)邊坡進(jìn)行挖除處理，不宜盲目設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)保護(hù)軌道站場(chǎng)現(xiàn)狀邊坡。

3.3 支擋結(jié)構(gòu)

若軌道站場(chǎng)現(xiàn)狀為填方邊坡，而道路標(biāo)高邊坡坡腳以下時(shí)，需增設(shè)支擋結(jié)構(gòu)，避免道路開挖施工對(duì)站場(chǎng)現(xiàn)狀邊坡產(chǎn)生影響，因放坡條件受限，支擋結(jié)構(gòu)按樁板擋墻設(shè)計(jì)，有限元模型如圖6所示。

圖6 道路支擋結(jié)構(gòu)有限元模型

由于軌道站場(chǎng)填方邊坡坡腳為護(hù)腳墻，且離道路較近，為最不利位置，因此以分析道路建成、通車后對(duì)現(xiàn)狀護(hù)腳墻的影響為主。

當(dāng)?shù)缆方ǔ珊?，分析其?duì)護(hù)腳墻產(chǎn)生的豎、橫向變形的影響可知，現(xiàn)狀軌道站場(chǎng)邊坡護(hù)腳墻的最大豎向變形為0.43mm，位于擋墻遠(yuǎn)離擬建道路側(cè)墻腳；最大橫向變形為2.8mm，位于擋墻靠近擬建項(xiàng)目側(cè)墻腳。

當(dāng)?shù)缆吠ㄜ嚭?，現(xiàn)狀軌道站場(chǎng)邊坡護(hù)腳墻的最大豎向變形為0.29mm，位于擋墻遠(yuǎn)離擬建項(xiàng)目側(cè)墻腳；最大橫向變形為2.9mm，位于擋墻靠近擬建項(xiàng)目側(cè)墻頂。

同時(shí)，道路支擋結(jié)構(gòu)對(duì)軌道站場(chǎng)護(hù)腳墻橫向變形影響較大，豎向變形影響較小，護(hù)腳墻最大變形量均小于10mm，滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，條件受限時(shí)，可設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)確保站場(chǎng)邊坡安全穩(wěn)定。

4 結(jié)語

通過有限元分析新建道路挖方、填方、支擋結(jié)構(gòu)對(duì)既有軌道站場(chǎng)的影響，得出以下結(jié)論：

(1)道路填、挖方對(duì)既有軌道站場(chǎng)的影響與行車荷載關(guān)系不大，其對(duì)站場(chǎng)基床產(chǎn)生的變形量均滿足規(guī)范要求，設(shè)計(jì)時(shí)可忽略行車荷載的影響。

(2)當(dāng)工程條件允許時(shí)，可將道路與軌道站場(chǎng)之間邊坡挖除而不設(shè)支擋結(jié)構(gòu)保護(hù)站場(chǎng)邊坡。在滿足工程需要的同時(shí)不僅能節(jié)省造價(jià)，更便于景觀打造。

(3)若條件受限，無法開挖軌道站場(chǎng)邊坡時(shí)，可于道路外側(cè)設(shè)置樁板擋墻，避免道路開挖對(duì)站場(chǎng)邊坡產(chǎn)生影響。