重慶軌道交通環(huán)線明槽段對鵝公巖公路橋錨錠影響分析

高洪飛

(中鐵建昆侖投資集團有限公司， 四川成都 610041)

隨著城市的發(fā)展，軌道交通的修建也面臨越來越多的復(fù)雜環(huán)境，工程建設(shè)對周邊建構(gòu)筑物的影響已經(jīng)成為關(guān)鍵的問題。本文對重慶軌道環(huán)線明挖段臨近鵝公巖長江大橋東錨碇的影響進行了仔細(xì)的分析論證，其結(jié)果已經(jīng)得到相關(guān)評審單位的認(rèn)可，從而保證了軌道工程的順利進行。其論證分析過程對其他工程具有一定借鑒作用。

1 工程概述

重慶軌道環(huán)線二期工程起點為上浩站，終點為重慶西站。環(huán)線二期工程線路敷設(shè)方式基本以地下線路為主。海峽路至謝家灣區(qū)間，線路跨越長江后下穿鵝公巖立交后接入謝家灣站。該區(qū)間里程CK39+147～CK39+511為U型槽結(jié)構(gòu)(后簡稱：環(huán)線明槽段)，明挖施工，開挖深度為0～6.9 m。明槽段西側(cè)是運營中的鵝公巖大橋。鵝公巖大橋東錨碇與環(huán)線明槽段的平面關(guān)系如下圖1所示。

圖1 橋東錨錠與軌道環(huán)線明槽段平面關(guān)系

重慶鵝公巖長江大橋為重慶城市東西干道之重要市政設(shè)施，為確保東錨碇的安全，鵝公巖大橋100 m范圍為基礎(chǔ)保護線。由平面圖1中可知(虛線圓圈部分)，當(dāng)前環(huán)線明槽段有約49 m的區(qū)段(里程YDK39+462～CK39+511)位于鵝公巖基礎(chǔ)保護線范圍內(nèi)。東錨碇與環(huán)線明槽段的最近距離為58.49 m。圖2為沿軌道環(huán)線明槽段縱向截面所做的縱剖面圖，圖中環(huán)線明槽段的開挖深度為1.6～3.1 m；東錨碇錨固段端部高程約為214.0 m。兩者的立面關(guān)系如圖2。

圖2 東錨錠與明槽段縱斷面

環(huán)線明槽段結(jié)構(gòu)采用板肋式錨桿擋墻支護，U型結(jié)構(gòu)側(cè)墻厚度0.5～0.7 m，底板厚度0.6～0.8 m，典型截面如圖3。

圖3 軌道環(huán)線明槽段典型截面

重慶長江鵝公巖大橋為懸索橋，懸索橋東側(cè)錨錠位于鷹嘴巖斜坡上，地質(zhì)條件為砂巖、泥巖互層。東錨碇為隧道式錨錠形式，錨結(jié)構(gòu)全長92 m，傾斜向下，錨錠重心線與水平線夾角26°。隧道錨錠立面布置如圖4所示。

圖4 鵝公巖大橋錨錠布置立面

鵝公巖大橋錨體總長42 m采用矩形拱截面，截面尺寸9.5 m×10.5 m頂部為圓弧形。錨體尾部長12 m，截面呈楔形放大至12.5 m×13.5 m，每側(cè)錨體體積5 000 m3。錨體中設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)，每根主纜纜力約為130 000 kN。錨錠圍巖采用錨桿+噴射混凝土支護。為使錨體混凝土與圍巖密貼，施工中預(yù)埋壓漿管進行了水泥漿壓注處理。錨室尺寸為6 m×4.5 m～9.5 m×10.5 m，復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)。

由于鵝公巖大橋為懸索橋結(jié)構(gòu)，其東錨碇對大橋整體結(jié)構(gòu)有決定性影響。因此有關(guān)部門要求東錨碇基礎(chǔ)保護線100 m范圍內(nèi)新建的大型工程施工前必須論證，并制定相關(guān)的施工控制要求。本文通過三維有限元仿真方法模擬環(huán)線明槽段結(jié)構(gòu)施工中東錨碇應(yīng)力、位移和預(yù)加錨固力的變化判斷東錨碇的安全性。

2 三維有限元模型

2.1 計算范圍和單元劃分

計算采用有限元程序進行數(shù)值模擬。根據(jù)影響范圍為開挖半徑至少5倍的原則[1]，計算模型的尺寸為沿線路縱向取300 m，沿線路橫向取330 m，從地表向下取140 m，計算模型尺寸如圖5所示。東錨碇與計算模型的左右邊界距離分別為96.25 m和183.75 m，錨錠端部與模型邊界的距離分別為79.2 m、128.5 m和150.9 m。計算范圍內(nèi)的土體SOLID45三維實體單元計算；錨室襯砌采用SHELL63三維殼體單元計算，預(yù)應(yīng)力錨筋采用BEAM188三維梁單元。三維有限元計算模型如圖6所示。

2.2 計算參數(shù)

重慶長江鵝公巖大橋東錨碇區(qū)位于龍王洞背斜的東南翼，地層傾向175°，地層傾角7°，地層為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組(J2S)巖性為砂質(zhì)泥巖。有限元計算參數(shù)見表1。

圖5 模型尺寸

圖6 三維有限元計算模型

表1 原有限元計算參數(shù)

2.3 計算荷載及邊界條件

2.3.1 計算荷載

(1)結(jié)構(gòu)自重。

(2)東錨碇和環(huán)線明槽段施工產(chǎn)生的圍巖釋放荷載。

(3)東錨碇預(yù)加錨固力荷載，根據(jù)設(shè)計資料，左右錨體每根主纜纜力約為130 000 kN。

(4)環(huán)線明槽段軌道運營車輛荷載，軌道運營作用在明槽段底板上的附加荷載按30 kPa計算。

2.3.2 三維模型的計算邊界條件

計算模型的底面約束豎直方向Y方向的自由度，側(cè)面約束側(cè)向X、Z方向的自由度，地表為自由面。

2.4 計算工況和計算步

鵝公巖長江大橋于2000年運營至現(xiàn)在已經(jīng)十余年，海峽路至謝家灣區(qū)間為軌道環(huán)線二期工程項目，當(dāng)時處于設(shè)計階段。由于兩個項目施工先后順序明確，所以本次計算僅采用一種工況模擬環(huán)線明槽段施工過程對東錨碇的影響。即有限元計算先模擬鵝公巖東錨碇施工，在此基礎(chǔ)上模擬環(huán)線明槽段施工，最后模擬軌道環(huán)線運營對東錨碇的影響。整個工況分析過程由12個計算步組成：

(1)計算步1，模擬自重應(yīng)力場作用下的初始狀態(tài)。

(2)計算步2至計算步5，模擬東錨碇的施工。

(3)計算步6，模擬東錨碇錨固力施加后的狀態(tài)。

(4)計算步7至計算步11，模擬環(huán)線明槽段施工。

(5)計算步12，模擬軌道環(huán)線運營。

其中錨洞的開挖和支護在ANSYS可采用“死”“生”單元的方法實現(xiàn)[2]。

2.5 位移計算結(jié)果比較

根據(jù)上面所述的計算工況和開挖步計算，計算結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 計算步11 模型位移云圖(單位:m)

圖8 計算步11 錨體位移云圖(單位:m)

圖9 計算步12 錨體位移云圖(單位:m)

根據(jù)計算結(jié)果，錨碇和地表的位移結(jié)果如表2所示。

表2 位移計算結(jié)果 mm

由表2所列計算結(jié)果中可知，軌道環(huán)線明槽段施工引起的位移主要在明槽基坑的地表附近產(chǎn)生。由于東錨碇影響范圍內(nèi)明槽開挖最大深度不足5.5 m，并且采用肋板式錨桿擋墻支護，所以地表位移小于2.0 mm。環(huán)線明槽段與東錨碇距離較遠(yuǎn)(水平距離41.16 m，豎向距離34.838 m)，所以明槽段施工引起東錨碇的變形均不足0.1 mm，因此軌道環(huán)線明槽段施工引起東錨碇的變形基本可以忽略。

2.6 東錨碇圍巖應(yīng)力分布

軌道環(huán)線明槽段施工和運營后是否對東錨碇處圍巖應(yīng)力產(chǎn)生較大影響，文中采用的是施工前后錨體附近的應(yīng)力分布范圍比較進行判斷。如果施工前后錨體的應(yīng)力分布范圍變化較大，則軌道環(huán)線明槽段的建設(shè)對東錨碇的影響嚴(yán)重；反之，說明軌道環(huán)線明槽段的建設(shè)對東錨碇的影響輕微或者可以忽略。因此分別沿左右錨錠豎向和與明槽段垂直的豎向分別設(shè)置剖切面(評估選取3個剖面)如圖10所示，進行數(shù)值分析。

圖10 與明槽段垂直豎向剖切面示意

經(jīng)過計算，得到東錨碇錨固力張拉后和軌道環(huán)線明槽段施工運營后的應(yīng)力分布變化，并以此進行對比判斷明槽段的建設(shè)對東錨碇的影響程度。其中間剖面的計算結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11 錨錠施加錨固力后的圍巖應(yīng)力

由東錨碇典型剖面的應(yīng)力分布圖中看出，軌道環(huán)線明槽段施工僅引起距錨錠較遠(yuǎn)的低應(yīng)力分布范圍有一定改變；但是這種改變幾乎沒有影響到錨碇，其引起的塑性范圍距離錨碇也較遠(yuǎn)，因此靠近錨錠的應(yīng)力分布區(qū)在軌道環(huán)線明槽段施工前后均無明顯變化。由此可以斷定軌道環(huán)線明槽段施工運營沒有引起圍巖應(yīng)力的較大變化，不會影響東錨碇的應(yīng)力分布。

2.7 錨索錨固力

根據(jù)竣工資料，鵝公巖東錨碇為隧道錨，設(shè)計錨固力為1.3×105kN。評估通過施工前后錨索預(yù)應(yīng)力是否有較大損失判斷。計算模型在計算步6為左、右錨體的錨索施加設(shè)計錨固力1.3×105kN，然后鎖定此時錨索變形達(dá)到鎖定錨固力的目的。在計算步7～12模擬軌道環(huán)線明槽段的開挖和運營后計算錨索軸力。將計算錨索軸力與設(shè)計錨固力相比判斷軌道環(huán)線明槽段施工和運營是否會使東錨碇錨固力產(chǎn)生較大損失。根據(jù)計算判斷軌道環(huán)線明槽段在施工和運營階段對鵝公巖大橋東錨碇錨固力的影響很小，基本不會影響鵝公巖大橋的正常運營。

圖12 明槽開挖運營后的圍巖應(yīng)力

3 結(jié)論

通過軌道交通環(huán)線二期工程海峽路至謝家灣區(qū)間明槽施工對鵝公巖大橋東錨碇影響的有限元仿真計算可以得到如下結(jié)論：

(1)雖然環(huán)線明槽段部分區(qū)段位于鵝公巖大橋基礎(chǔ)保護區(qū)100 m范圍內(nèi)，但新建明槽區(qū)段與東錨碇水平、豎向有足夠的安全距離，所以明槽施工和軌道運營引起的錨定位移小于0.1 mm，附加變形不會影響東錨碇錨體的穩(wěn)定性。

(2)環(huán)線明槽施工前后的圍巖應(yīng)力對比表明，明槽施工僅引起距錨錠較遠(yuǎn)的低應(yīng)力分布范圍改變；靠近錨錠的高應(yīng)力分布區(qū)在軌道環(huán)線明槽段施工前后均無明顯變化。

(3)錨體預(yù)加錨固力分析表明，環(huán)線明槽施工前后錨體錨固力降低不足0.1 %，不會影響鵝公巖大橋的正常運營。

本文結(jié)論經(jīng)過評審后，軌道交通環(huán)線二期工程海峽路至謝家灣區(qū)間工程如期進行，施工中采用了機械分段開挖，控制明槽施工開挖長度，加強監(jiān)控量測等措施保證了鵝公巖長江大橋的正常運營，目前該工程已經(jīng)施工完畢，監(jiān)控結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)任何異常情況。