市政道路明挖下穿鐵路橋梁施工安全影響分析

黃 偉

(中鐵二院華東勘察設計有限責任公司,浙江 杭州 310004)

1 工程概況

新建廣化南路工程位于溫州市主城區西北部,該段道路為城市主干道,設計時速50 km/h,全長約8.14 km,車道寬度3.5 m,雙向八車道,標準橫斷面寬度約51.5 m,廣化南路下穿鐵路立交橋工程下穿[1]市域鐵路S1橋梁結構,道路涵洞主體結構進入鐵路規劃控制區,且基坑圍護結構與S1線承臺結構凈距僅為0.9 m。

下穿市域鐵路處的道路涵洞橫斷面為：中孔行車主道和輔道橫斷面布置均為0.4 m(內襯、裝飾面層及防撞設施)+0.25 m+3.5×2兩車道+0.25 m+0.4 m(內襯及防撞設施)=8.30 m；邊孔人非車道橫斷面布置為敞開段。

由于下穿鐵路段道路所處地層主要以淤泥為主,這類土強度低、含水量高、壓縮性高,滲透系數非常小,并且具有明顯的流變性,多數還具有高靈敏度的結構性。基坑開挖引起的變形主要是圍護結構的變形、基坑底部土體的變形以及基坑外土體的變形,將對基坑周邊的環境產生一定的影響。因此,需對廣化南路下穿溫州市域鐵路S1線橋梁結構施工安全進行影響分析,以確保溫州市域鐵路S1線結構安全和運營安全。

2 工程地質條件

本工程場地沿線為軟土路段,均有軟土分布,工程地質性質差—極差,具有高壓縮性、低承載力、抗剪強度低、含水量高、孔隙比大、靈敏度高等特點。下穿市域鐵路處的道路框架涵洞位于淤泥層,路基填筑時易產生過量的沉降及不均勻沉降,屬軟土路基,須進行軟基處理。下穿段橋梁為摩擦樁,樁底位于⑥1黏土層。

3 設計概況

市域鐵路S1線位于溫州特大橋163號墩至164號墩之間上跨廣化南路,線路交叉處鐵路里程為DK12+089.5,廣化南路里程為XK3+564,兩條線路夾角約為88°。上跨廣化南路處橋梁孔跨采用連續梁60 m主跨跨越廣化南路。連續梁為單箱單室預應力混凝土結構,采用分段支架法現澆施工,橋墩采用矩形實體橋墩,主跨承臺尺寸為8.4 m(順橋向)×12.3 m(橫橋向),厚度2.5 m,采用10根1.25 m樁基礎,梅花式布置。見圖1。

圖1 廣化南路下穿鐵路橋梁段圍護結構橫斷面圖

下穿市域鐵路處立交橋為(8.3+8.3+8.3+8.3)m四孔分離式框架涵洞[2],涵洞中心線與鐵路中心線交角約88°,主車道箱身高度為7.25 m,輔道箱身高度為7.45 m,箱身沿線路方向長度為15 m一節。由于溫州地區特殊的深厚層淤泥地質,本工程基坑采用雙排φ1 000 mm鉆孔灌注樁,樁長30 m,樁間距1.2 m,排樁距2.5 m,兩排樁均設1.4 m(寬)×0.8 m(高)的冠梁,兩排冠梁間每隔2.4 m設一道1.0 m(寬)×0.8 m(高)的連梁,雙排樁間土采取0.6 m旋噴樁滿堂加固,加固土體28 d無側限抗壓強度應不小于1 MPa,加固深度12 m。坑底設旋噴樁裙邊+抽條加固,最小加固厚度12 m。旋噴樁28 d無側限抗壓強度不小于1.0 MPa,加固后復合地基承載力不小于120 kPa。鐵路橋下框架結構基底設φ800 mm承載樁,橫向樁間距2.4 m,縱向(公路線路方向)間距為5～7 m,承載樁兼作抗浮樁。基坑設一道鋼筋混凝土支撐(基坑縱向設兩排立柱樁),基坑內坑底以上約5.0 m處設置一道φ609 mm×16 mm鋼管支撐,市域鐵路影響范圍內基坑支護后排樁施工時采用全樁長鋼護筒跟進(不拔除),以減小基坑支護結構變形引起鐵路橋梁傾斜、沉降。

4 控制標準

任何的基坑開挖都必然會引起基坑周邊地層發生不均勻的沉降變形[3],周邊建筑結構就會發生很大的反應,特別是對于市政工程的影響最大,例如造成市政管網的破壞。

結合鐵路沉降觀測技術規程以及鐵路線路維修管理標準中對橋梁變形限值的要求,并參考浙江省《城市軌道交通結構安全保護技術規程(DB 33/T 1139—2017)》《鐵路沉降變形觀測及評估技術規程(Q/CR 9230—2016)》《鐵路線路修理規則(鐵運[2006]146)》等規范對橋梁結構變形要求,綜合分析并考慮監控量測技術措施,采用橋墩頂位移值和墩身傾斜率作為廣化南路施工對鐵路橋梁的安全控制指標,具體見表1。

表1 安全控制指標及限值

5 影響分析

5.1 基坑變形、穩定性驗算

根據浙江省標準《建筑基坑支護技術規程(DB 33/1096—2014)》和國家標準《建筑基坑支護技術規程(JGJ 120—2012)》及工程經驗確定基坑安全等級：有重要保護建筑物及基坑深度h≥10 m時為一級支護基坑；基坑深度h≤5 m且無特別要求時為三級基坑；其余為二級基坑。采用同濟啟明星深基坑支擋結構分析計算軟件FRWS對廣化南路下穿鐵路橋梁基坑進行基坑變形、穩定性驗算,基坑開挖深度為7.85 m,基坑安全等級定為一級。基坑驗算結果見表2。

表2 基坑穩定性驗算結果匯總

根據表2的結果可知,基坑變形及各項穩定性安全系數均滿足一級基坑的設計要求。圍坑圍護樁彎矩、變形包絡圖見圖2。基坑開挖引起基坑、地面變形包絡圖見圖3。

圖2 基坑圍護樁彎矩、變形包絡圖

圖3 基坑開挖引起基坑、地面變形包絡圖

5.2 三維數值分析

基坑開挖時,通過地層應力釋放與土層變形對周邊土層產生影響,因此基坑開挖的關鍵是分析其對周邊建筑物的環境影響。基坑開挖要對基坑的開挖方案與支護措施進行設計,并制訂基坑的開挖工序與合理的有效措施,確保基坑開挖和基礎施工順利、安全、可靠地實施。另外，基坑開挖的過程中,也要加強對周邊建筑物的沉降變形觀測,充分考慮基坑開挖對建筑物的影響,防止因基坑開挖導致周邊建筑物發生過大變形或不均勻沉降,從而導致建筑物開裂甚至倒塌,對于溫州市域S1線溫州特大橋而言,如果沉降過大,相鄰兩橋墩沉降差過大,則可能影響溫州城市域鐵路的行車舒適度、耐久性,更嚴重者可能發生安全事故。因此,控制基坑開挖對周邊建筑物的影響是避免周邊建筑物或構筑物變形過大從而造成安全隱患。

本文采用有限元軟件MIDAS GTS[4]進行三維計算分析,根據工程經驗和理論分析,取模型大小為180 m×50 m×100 m(長×寬×高),采用內力收斂條件,收斂精度為0.001。對巖土體、橋墩、承臺采用實體單元模擬,橋樁、冠梁采用梁單元,基坑圍護樁結構根據剛度等效原理采用板單元,鋼支撐也根據剛度等效原理采用板單元模擬。巖土體本構模型采用修正摩爾-庫倫(Modified Mohr-Coulomb)模型進行模擬,其余采用彈性模型。網格剖分時考慮了不同巖土的特性、圍護樁等介質的不同處理。整個三維有限元計算模型共75 402個單元,51 223個結構節點。模型采用標準約束型式,模型左右、前后邊界固定水平位移,底部邊界固定豎向位移,約束其豎向及水平向位移,上部邊界為地表自由面；自重荷載取重力加速度。橋面簡化為對橋墩的荷載,其中162號墩P1=9 500/(3.2×4.6)=645.4 kPa,163號墩和164號墩P2=P3=20 865/(3.0×4.6)=1 512 kPa,165號墩P4=8 784/(3.2×4.6)=597 kPa。基坑開挖引起橋梁樁基承臺水平位移云圖見圖4,基坑開挖引起橋梁樁基承臺豎向位移云圖見圖5。

圖4 基坑開挖引起橋梁樁基承臺水平位移云圖

圖5 基坑開挖引起橋梁樁基承臺豎向位移云圖

從以上結果圖可知,廣化南路基坑開挖完成后引起地層最大沉降量和隆起量分別發生在S1線橋梁處和廣化南路基坑開挖面,其中最大沉降值為4.81 mm,最大隆起值為100.7 mm。廣化南路基坑開挖對溫州市域鐵路的影響,主要以結構的沉降變形為主,其中橋墩最大沉降值為4.81 mm,余下的3處橋墩沉降變形也較為接近,其水平高差較小。基坑開挖完成后承臺頂面豎向位移最大值為4.10 mm,發生在163號墩；承臺頂面水平位移最大值為2.79 mm,發生在164號墩；承臺間差異沉降最大值為2.59 mm,發生在164號墩和165號墩之間；均滿足控制要求。但承臺頂面高低傾斜率最大值為0.598‰,已接近線路軌道允許的高低傾斜率0.6‰限制值；墩頂水平位移最大值5.00 mm,發生在164號墩,已達到《城市軌道交通結構安全保護技術規程(DB33/T 1139—2017)》規范中表A.0.1-C要求5 mm限值。建議加強施工現場的管控和監測。

6 結 語

1)根據基坑穩定性驗算,基坑自身變形及穩定性均滿足一級基坑的設計要求。若非機動車道路面標高無法降至現狀地面的,應在橋墩另一側設置永久的反壓平臺以平衡側土壓力。反壓平臺頂面與非機動車道路面等高,順道路方向設置長度應不小于市域鐵路橋梁投影范圍前后各加5 m,橫向寬度應通過計算確定,使橋墩處橫向土推力為0。反壓平臺表面設置混凝土或漿砌片石護面,以增加耐久性。

2)通過基坑支護方案數值模擬分析可得：承臺頂面豎向位移最大值和承臺頂面水平位移最大值分別為4.10 mm和2.79 mm；承臺間差異沉降最大值為2.59 mm；墩臺豎向位移最大值和水平位移最大值分別為4.83 mm和5.00 mm；均滿足本文擬定的各項限值。其中164號墩墩頂水平位移和墩身最大傾斜率已達到或接近本安全評估擬定的限值,建議加強施工現場的管控和監測。

3)為安全起見,結合本工程的基坑開挖深度,地面以下8 m范圍不計樁周側摩阻力,對163、164號墩樁基進行檢算,單樁承載力檢算結果滿足《鐵路橋涵地基和基礎設計規范(TB 10093—2017)》的相關要求。

4)依據道路橫斷面圖,非機動車道路面標高為7.628 m,較現狀地面4.5 m高3.128 m,填土較高且緊鄰市域鐵路163、164號墩的一側,本工程位于深厚軟土層地區,長時間的偏壓堆載會引起橋墩橫向的非彈性位移變形,對鐵路運營安全非常不利。