市政道路明挖下穿铁路桥梁施工安全影响分析

黄 伟

(中铁二院华东勘察设计有限责任公司,浙江 杭州 310004)

1 工程概况

新建广化南路工程位于温州市主城区西北部,该段道路为城市主干道,设计时速50 km/h,全长约8.14 km,车道宽度3.5 m,双向八车道,标准横断面宽度约51.5 m,广化南路下穿铁路立交桥工程下穿[1]市域铁路S1桥梁结构,道路涵洞主体结构进入铁路规划控制区,且基坑围护结构与S1线承台结构净距仅为0.9 m。

下穿市域铁路处的道路涵洞横断面为：中孔行车主道和辅道横断面布置均为0.4 m(内衬、装饰面层及防撞设施)+0.25 m+3.5×2两车道+0.25 m+0.4 m(内衬及防撞设施)=8.30 m；边孔人非车道横断面布置为敞开段。

由于下穿铁路段道路所处地层主要以淤泥为主,这类土强度低、含水量高、压缩性高,渗透系数非常小,并且具有明显的流变性,多数还具有高灵敏度的结构性。基坑开挖引起的变形主要是围护结构的变形、基坑底部土体的变形以及基坑外土体的变形,将对基坑周边的环境产生一定的影响。因此,需对广化南路下穿温州市域铁路S1线桥梁结构施工安全进行影响分析,以确保温州市域铁路S1线结构安全和运营安全。

2 工程地质条件

本工程场地沿线为软土路段,均有软土分布,工程地质性质差—极差,具有高压缩性、低承载力、抗剪强度低、含水量高、孔隙比大、灵敏度高等特点。下穿市域铁路处的道路框架涵洞位于淤泥层,路基填筑时易产生过量的沉降及不均匀沉降,属软土路基,须进行软基处理。下穿段桥梁为摩擦桩,桩底位于⑥1黏土层。

3 设计概况

市域铁路S1线位于温州特大桥163号墩至164号墩之间上跨广化南路,线路交叉处铁路里程为DK12+089.5,广化南路里程为XK3+564,两条线路夹角约为88°。上跨广化南路处桥梁孔跨采用连续梁60 m主跨跨越广化南路。连续梁为单箱单室预应力混凝土结构,采用分段支架法现浇施工,桥墩采用矩形实体桥墩,主跨承台尺寸为8.4 m(顺桥向)×12.3 m(横桥向),厚度2.5 m,采用10根1.25 m桩基础,梅花式布置。见图1。

图1 广化南路下穿铁路桥梁段围护结构横断面图

下穿市域铁路处立交桥为(8.3+8.3+8.3+8.3)m四孔分离式框架涵洞[2],涵洞中心线与铁路中心线交角约88°,主车道箱身高度为7.25 m,辅道箱身高度为7.45 m,箱身沿线路方向长度为15 m一节。由于温州地区特殊的深厚层淤泥地质,本工程基坑采用双排φ1 000 mm钻孔灌注桩,桩长30 m,桩间距1.2 m,排桩距2.5 m,两排桩均设1.4 m(宽)×0.8 m(高)的冠梁,两排冠梁间每隔2.4 m设一道1.0 m(宽)×0.8 m(高)的连梁,双排桩间土采取0.6 m旋喷桩满堂加固,加固土体28 d无侧限抗压强度应不小于1 MPa,加固深度12 m。坑底设旋喷桩裙边+抽条加固,最小加固厚度12 m。旋喷桩28 d无侧限抗压强度不小于1.0 MPa,加固后复合地基承载力不小于120 kPa。铁路桥下框架结构基底设φ800 mm承载桩,横向桩间距2.4 m,纵向(公路线路方向)间距为5～7 m,承载桩兼作抗浮桩。基坑设一道钢筋混凝土支撑(基坑纵向设两排立柱桩),基坑内坑底以上约5.0 m处设置一道φ609 mm×16 mm钢管支撑,市域铁路影响范围内基坑支护后排桩施工时采用全桩长钢护筒跟进(不拔除),以减小基坑支护结构变形引起铁路桥梁倾斜、沉降。

4 控制标准

任何的基坑开挖都必然会引起基坑周边地层发生不均匀的沉降变形[3],周边建筑结构就会发生很大的反应,特别是对于市政工程的影响最大,例如造成市政管网的破坏。

结合铁路沉降观测技术规程以及铁路线路维修管理标准中对桥梁变形限值的要求,并参考浙江省《城市轨道交通结构安全保护技术规程(DB 33/T 1139—2017)》《铁路沉降变形观测及评估技术规程(Q/CR 9230—2016)》《铁路线路修理规则(铁运[2006]146)》等规范对桥梁结构变形要求,综合分析并考虑监控量测技术措施,采用桥墩顶位移值和墩身倾斜率作为广化南路施工对铁路桥梁的安全控制指标,具体见表1。

表1 安全控制指标及限值

5 影响分析

5.1 基坑变形、稳定性验算

根据浙江省标准《建筑基坑支护技术规程(DB 33/1096—2014)》和国家标准《建筑基坑支护技术规程(JGJ 120—2012)》及工程经验确定基坑安全等级：有重要保护建筑物及基坑深度h≥10 m时为一级支护基坑；基坑深度h≤5 m且无特别要求时为三级基坑；其余为二级基坑。采用同济启明星深基坑支挡结构分析计算软件FRWS对广化南路下穿铁路桥梁基坑进行基坑变形、稳定性验算,基坑开挖深度为7.85 m,基坑安全等级定为一级。基坑验算结果见表2。

表2 基坑稳定性验算结果汇总

根据表2的结果可知,基坑变形及各项稳定性安全系数均满足一级基坑的设计要求。围坑围护桩弯矩、变形包络图见图2。基坑开挖引起基坑、地面变形包络图见图3。

图2 基坑围护桩弯矩、变形包络图

图3 基坑开挖引起基坑、地面变形包络图

5.2 三维数值分析

基坑开挖时,通过地层应力释放与土层变形对周边土层产生影响,因此基坑开挖的关键是分析其对周边建筑物的环境影响。基坑开挖要对基坑的开挖方案与支护措施进行设计,并制订基坑的开挖工序与合理的有效措施,确保基坑开挖和基础施工顺利、安全、可靠地实施。另外，基坑开挖的过程中,也要加强对周边建筑物的沉降变形观测,充分考虑基坑开挖对建筑物的影响,防止因基坑开挖导致周边建筑物发生过大变形或不均匀沉降,从而导致建筑物开裂甚至倒塌,对于温州市域S1线温州特大桥而言,如果沉降过大,相邻两桥墩沉降差过大,则可能影响温州城市域铁路的行车舒适度、耐久性,更严重者可能发生安全事故。因此,控制基坑开挖对周边建筑物的影响是避免周边建筑物或构筑物变形过大从而造成安全隐患。

本文采用有限元软件MIDAS GTS[4]进行三维计算分析,根据工程经验和理论分析,取模型大小为180 m×50 m×100 m(长×宽×高),采用内力收敛条件,收敛精度为0.001。对岩土体、桥墩、承台采用实体单元模拟,桥桩、冠梁采用梁单元,基坑围护桩结构根据刚度等效原理采用板单元,钢支撑也根据刚度等效原理采用板单元模拟。岩土体本构模型采用修正摩尔-库伦(Modified Mohr-Coulomb)模型进行模拟,其余采用弹性模型。网格剖分时考虑了不同岩土的特性、围护桩等介质的不同处理。整个三维有限元计算模型共75 402个单元,51 223个结构节点。模型采用标准约束型式,模型左右、前后边界固定水平位移,底部边界固定竖向位移,约束其竖向及水平向位移,上部边界为地表自由面；自重荷载取重力加速度。桥面简化为对桥墩的荷载,其中162号墩P1=9 500/(3.2×4.6)=645.4 kPa,163号墩和164号墩P2=P3=20 865/(3.0×4.6)=1 512 kPa,165号墩P4=8 784/(3.2×4.6)=597 kPa。基坑开挖引起桥梁桩基承台水平位移云图见图4,基坑开挖引起桥梁桩基承台竖向位移云图见图5。

图4 基坑开挖引起桥梁桩基承台水平位移云图

图5 基坑开挖引起桥梁桩基承台竖向位移云图

从以上结果图可知,广化南路基坑开挖完成后引起地层最大沉降量和隆起量分别发生在S1线桥梁处和广化南路基坑开挖面,其中最大沉降值为4.81 mm,最大隆起值为100.7 mm。广化南路基坑开挖对温州市域铁路的影响,主要以结构的沉降变形为主,其中桥墩最大沉降值为4.81 mm,余下的3处桥墩沉降变形也较为接近,其水平高差较小。基坑开挖完成后承台顶面竖向位移最大值为4.10 mm,发生在163号墩；承台顶面水平位移最大值为2.79 mm,发生在164号墩；承台间差异沉降最大值为2.59 mm,发生在164号墩和165号墩之间；均满足控制要求。但承台顶面高低倾斜率最大值为0.598‰,已接近线路轨道允许的高低倾斜率0.6‰限制值；墩顶水平位移最大值5.00 mm,发生在164号墩,已达到《城市轨道交通结构安全保护技术规程(DB33/T 1139—2017)》规范中表A.0.1-C要求5 mm限值。建议加强施工现场的管控和监测。

6 结 语

1)根据基坑稳定性验算,基坑自身变形及稳定性均满足一级基坑的设计要求。若非机动车道路面标高无法降至现状地面的,应在桥墩另一侧设置永久的反压平台以平衡侧土压力。反压平台顶面与非机动车道路面等高,顺道路方向设置长度应不小于市域铁路桥梁投影范围前后各加5 m,横向宽度应通过计算确定,使桥墩处横向土推力为0。反压平台表面设置混凝土或浆砌片石护面,以增加耐久性。

2)通过基坑支护方案数值模拟分析可得：承台顶面竖向位移最大值和承台顶面水平位移最大值分别为4.10 mm和2.79 mm；承台间差异沉降最大值为2.59 mm；墩台竖向位移最大值和水平位移最大值分别为4.83 mm和5.00 mm；均满足本文拟定的各项限值。其中164号墩墩顶水平位移和墩身最大倾斜率已达到或接近本安全评估拟定的限值,建议加强施工现场的管控和监测。

3)为安全起见,结合本工程的基坑开挖深度,地面以下8 m范围不计桩周侧摩阻力,对163、164号墩桩基进行检算,单桩承载力检算结果满足《铁路桥涵地基和基础设计规范(TB 10093—2017)》的相关要求。

4)依据道路横断面图,非机动车道路面标高为7.628 m,较现状地面4.5 m高3.128 m,填土较高且紧邻市域铁路163、164号墩的一侧,本工程位于深厚软土层地区,长时间的偏压堆载会引起桥墩横向的非弹性位移变形,对铁路运营安全非常不利。