基坑开挖对既有轨道桥梁结构的影响分析①

文 庆

(重庆市设计院,重庆 400015)

0 引 言

由于城市轨道交通网范围广，密度大，城市建设过程中的施工难免会进入既有城市轨道交通结构的保护线，而城市轨道交通结构一旦受到影响，其后果不堪设想。因此，为了保证城市中这一重要交通设施的安全，对邻近轨道交通结构的施工安全影响研究就成了一项必不可少的工作[1]。依托重庆市新燕尾山隧道工程，建立三维数值模型模拟近接轨道桥梁结构的基坑开挖[2]，得到在无支护及有支护条件下轨道结构变形曲线[3～4]，认为即便是在地质条件较好的情况下，合理的支护方式对施工过程中近接轨道桥梁结构的变形有较好的约束作用，以确保在不影响轨道交通结构条件下顺利实施新建工程。

1 工程概况

新燕尾山隧道工程东接在建渝黔复线高速，实现都市区路网与高速射线的联通，西接在建的快速路五横线白居寺长江大桥，是快速路五横线向东的延伸，全线长约6.8km，主要工程包括长隧道1座(新燕尾山隧道，长约2.6km)，互通式立交2座(南温泉立交、苦竹坝立交)。项目建成后可与渝黔复线高速和白居寺大桥进行顺接，增强该通道的辐射能力，形成贯通性通道，同时缩短了内环的距离，是五纵线、六纵线等纵向快速路的重要转换通道。

重庆轨道交通3号线，南起重庆市巴南区鱼洞，北至重庆市渝北区举人坝，采用跨座式单轨交通制式，是重庆轨道交通线网中最繁忙的线路，也是世界上最长的跨座式单轨交通线路。项目南温泉立交位于重庆轨道交通3号线花溪轻轨站附近，岔路口站-大山村站高架区间控制保护区范围内，立交主线、匝道均与该轨道线路存在相交关系。其中，C匝道于CK0+286.544处与轨道3号线中心线平面交叉，C匝道车行地通道与轨道相交处位于轨道3号线桥墩轴号NQ06D05与桥墩轴号NQ06D06之间。地通道主体结构边线距离轨道承台最小平面距离为7.018m，距离轨道桩基最小平面距离为8.534m。两者平面及断面关系如图1、图2所示。

图1 地通道结构与轨道交通结构平面关系图

项目土层厚度较小，约2～3m，考虑最不利情况，模型选取土层厚度为3m，岩层岩性主要为泥岩，由于地质条件相对较好，无不良地质，故计算考虑了无支护条件下开挖的工况，工序为：1.分层开挖土体，每层2m；2.地通道结构施作；3.回填至原状地面标高。由于项目与既有轨道交通结构距离较近，故最后拟对开挖基坑两侧进行支护，拟定工序为：1.施作支护桩，支护桩尺寸为2m×2.5m，间距为5m；2.施作冠梁，冠梁高1.5m；3.分层开挖土体，每层2m；4.地通道结构施作；5.回填至原状地面标高。

图2 地通道结构与轨道交通结构断面关系图

2 数值模拟分析

2.1 计算模型

运用有限元软件Midas GTS进行有限元数值模拟计算，基于圣维南理论，建立项目C匝道车行地通道与轨道高架结构的实体模型，模型尺寸为58m×55m×32m,计算模型如图3所示。

图3 地通道结构与轨道交通结构三维数值模型图

2.2 计算参数取值

根据地勘报告，并结合工程经验，地层及结构参数选取如表1所示。

表1 地层及结构参数

2.3 岩土本构关系

计算分析中岩体力学模型采用理想弹塑性本构关系，服从Mohr-Coulomb屈服准则。

2.4 荷载拟定

根据类似项目获取的轨道桥墩荷载取值如表2。

表2 轨道桥墩荷载取值

工程影响范围内的轨道三号线为双线双跨桥梁，故其竖向荷载按照单墩5930.6kN进行取值；轨道保护范围内本项目主要结构为地通道结构及支护，施工过程中的开挖和结构施工以单元的钝化和激活来实现。

2.5 边界条件

对计算模型的底面进行z向位移约束，侧面分别对x、y向约束位移，地面为自由面。

2.6 计算结果分析

根据施工方案可知，当基坑开挖完成开挖并未施作地通道结构时，项目风险最高，故提取此时位移云图进行分析。

图4、图5为基坑开挖至设计标高后，地层及轨道结构位移云图，由图可知，无论有无支护，变形最大处均为基坑底部，呈隆起趋势，且其变形范围已经蔓延到两侧的轨道结构。基坑底部隆起主要是由于基坑竖向卸荷而改变坑底土体原始应力状态的反应，卸荷及土体的应力释放引起坑底土体向上回弹。在无支护的情况下，坑底最大位移约为5.97mm，有支护时该值约为5.10mm，较前者降低了约14.6%，表明支护桩对坑底隆起有一定的抑制作用。

根据计算结果，绘制出有无支护条件下，轨道下部结构位移与施工步曲线关系图，如图6-图8所示(每一施工步序号对应施工步如表3所示)

表3 施工步序号设置

图4 无支护条件下地层及轨道结构位移(mm)

图5 有支护条件下地层及轨道结构位移(mm)

图6 施工引起轨道下部结构顺桥向位移曲线

根据图6-图8可知，基坑开挖均导致轨道下部结构存在一定的位移，随着开挖深度的加大，轨道结构下部位移呈上升趋势，其主要由基坑底隆起与基坑开挖土体卸载引起。当地通道结构施作完成后，轨道结构下部位移开始减小，表明地通道施作完成后，其自重对基坑变形有一定的抑制作用，从而使轨道结构位移降低。当进行覆土回填时，轨道结构位移变化较小，此时的轨道位移已趋于稳定。

图7 施工引起轨道下部结构横桥向位移曲线

图8 施工引起轨道下部结构竖向位移曲线

对比有无支护条件下的施工过程，在无支护的条件下进行基坑开挖，导致的轨道位移上升幅度明显较有支护时高，表明支护桩对控制轨道结构位移有显著效果。但图6、图7中第一步开挖时，有支护时开挖引起的轨道结构位移高于无支护，究其原因，考虑的支护结构为桩基支护，较无支护条件施工，多了一步桩基开挖的施工步序，由于桩基开挖距离轨道结构较近，其开挖必然引起轨道结构位移，该步序引起的轨道位移叠加到施工步1便导致施工步1中有支护开挖引起的轨道结构位移偏大。

2.7 既有结构安全性评估

由计算结果可知，在有支护桩的情况下，基坑开挖引起轨道结构最大顺桥向位移约为0.98mm，最大横桥向位移约为0.24mm，最大竖向位移约为0.88mm， 考虑到轨道墩NQ06D05与NQ06D06距离为42m， 根据《城市轨道交通结构检测监测技术标准》(DBJ50/T-271-2017)中附录G可知，基坑开挖引起的轨道桥墩墩顶水平位移满足要求(≤2)，墩台差异沉降值满足要求(≤10mm)。

故认为地通道基坑开挖对既有轨道结构影响较小，风险可控。

3 结 语

支护桩对基坑开挖引起的既有轨道桥梁结构位移有较好的抑制作用；基坑开挖过程中，引起轨道桥梁结构最大顺桥向位移约为0.98mm，最大横桥向位移约为0.24mm，最大竖向位移约为0.88mm，远小于规范要求最大允许变形量，认为车行地通道基坑开挖及结构施作对既有轨道桥梁结构影响较小，风险可控。