道路边坡施工对既有轨道站场影响分析

刘惠华

(福建长大建设有限公司 福州市 350100)

0 引言

随着城市交通的快速发展，轨道交通已成为人们常用的交通工具。站场整体地势较为平整，而部分站场周边市政道路建设较晚，新建道路与轨道站场间常存在三种边坡处理方式，即挖方、填方、支挡结构。若在道路外侧盲目增设支挡结构扩大其与轨道站场的安全距离，不仅会增加工程造价，同时也会对市政设施的景观性带来影响。

周智海[1]以实际工程为依托，利用三维有限元软件，将新建道路对既有轨道交通设施的安全性影响进行了评估与论证，得出了轨道市政设施的保护安全范围。丁祖德等[2]考虑基坑开挖及土中残余应变等影响，提出了地层加固、抗拔桩等方式对既有隧道进行保护。张文超[3]对既有车站附近新建基坑开挖进行了模拟分析，得出了基坑开挖对既有车站位移及弯矩的影响。刘辉[4]针对不同施工条件下基坑边坡防护的力学特征，结合工程实际检测数据，利用相关软件，分析了地铁隧道施工对周边基坑的影响规律。

以某轨道站场旁新建道路为研究对象，分析了新建道路三种边坡处理方式下对既有轨道站场的影响，以供类似工程设计、施工参考。

1 工程概况

1.1 地质情况

泥岩(J3s-Ms)：褐红色。主要由粘土矿物组成，含砂质、钙质及水云母。泥质结构，中厚层状构造，局部夹砂质条带或砂岩团块。厚度1.30～28.40m。

砂岩(J3s-Ss)：灰黄、浅灰色。矿物成分以石英为主，次为长石并含云母等。中粒结构，钙质胶结，中厚层状构造。厚度2.50～15.7m。

各岩层参数如表1所示。

表1 岩土参数表

1.2 项目概况

拟建道路全长960m，道路等级为城市主干路，标准路幅宽度为50.5m，双向八车道，设计速度为60km/h。道路沿轨道站场敷设，道路边线距站场边线约20～30m，道路起点高程301.184m，终点高程为319.544m。轨道站场场平标高为317.25m，站场现状边坡坡高最大约18m，挖方边坡采用格构式锚杆挡墙支护，边坡坡率为1∶0.75，填边坡采用截水骨架护坡，边坡坡率为1∶1.5、1∶1.75、1∶2，边坡每8m为一级，两级间设2m宽马道。

站场沿东西向展布，长约960m，宽110～300m，面积约0.17km2，站场主要包括停车列检库、牵引降压混合变电所、不落轮镟库、洗车库、杂品库、工程车库、材料棚、综合楼、物资分库等建筑物及挡墙等构筑物。

2 有限元模型建立及分析

2.1 有限元软件简介

工程设计常用的有限元软件有ANSYS、Midas GTS、FLAC 3D等，而对于岩土工程而已，Midas GTS运用较为广泛，其岩土本构模型构成丰富，操作简单，用户界面清晰，且计算结果可靠性大，贴合工程实际。因此，采用Midas GTS有限元软件对新建道路三种边坡处理方式下对既有轨道站场的影响进行分析。

2.2 材料参数

对于岩土结构采用常规的摩尔—库伦模型，轨道地基采用线弹性模型[5]，结合工程地质情况，模型相关参数如表2所示。

表2 模型参数取值表

2.3 施工阶段模拟

本次有限元施工阶段模拟过程如下所示：

(1)初始应力状态计算，位移清零、应力计算。

(2)施工轨道车辆段基坑。

(3)位移清零、应力计算。

(4)道路施工，位移计算、应力计算。

(5)道路加载，位移计算、应力计算。

3 有限元结果分析

3.1 填方边坡

若道路标高高于轨道站场边坡底标高低于站场场平标高时，需对道路进行填方放坡处理，有限元模型如图1所示。

图1 填方边坡有限元模型

当道路回填后，建模分析其对轨道地基基床的竖向、横向变形的影响可知，轨道基床最大竖向变形为0.75mm，最大横向变形为1.66mm。

当道路建成通车后，建模分析其对轨道地基基床的竖向、横向变形的影响可知，轨道基床最大竖向变形为0.76mm，最大横向变形为1.97mm。

同时，道路回填完成与道路通车后对轨道基床的变形影响相差不大，交通量不大的情况下，可忽略行车荷载对轨道的影响，基床最大变形量位于站场边坡坡顶处，变形量均小于10mm，满足相关规范标准要求。

3.2 挖方边坡

若轨道站场现状为挖方边坡，而道路标高又位于站场场平标高以下时，需对道路及站场间进行挖除边坡处理，主要有两种处理方式。

(1)设置支挡结构避免开挖站场边坡

为避免对轨道站场边坡产生影响，采用排桩式锚索挡墙分台阶进行支挡，如图2所示。每级台阶高度≤8m，每级台阶之间设置2.0m宽平台。排桩采用桩径为1.0m的圆桩，桩间距4.0m，桩顶设置80cm高压顶梁，第一排锚索距离桩顶高度为3.0m，锚索间距为4.0m(水平)×2.5m(竖向)，且最下排锚索距离地面不大于1.0m，保证锚索竖向间距不大于2.5m。

图2 排桩式锚索挡墙断面图(单位：m)

该边坡赤平投影图如图3所示。

图3 边坡赤平投影分析图

根据平面滑裂面假定，主动岩土侧向压力合力标准值可按公式Eak=0.5γH2Ka计算，如图4所示。

图4 侧向岩土压力计算简图及分布图

根据计算结果，锚索设计采用7束1×7Φ15.2钢绞线，锚固段长度为8.5m，满足规范要求。

(2)开挖站场边坡

综合考虑道路与轨道站场间的景观协调性及工程造价，可对站场边坡进行挖除处理，有限元模型如图5所示。

图5 挖方边坡有限元模型

忽略行车荷载对站场基床产生的影响，分析道路边坡开挖对轨道地基基床的竖、横向变形影响可知，边坡开挖时，轨道基床的最大竖向变形为2.6mm，最大横向变形为1.29mm。均位于站场挖方边坡坡脚处。填方、挖方产生的横向变形影响相差不大，对于竖向变形影响，挖方约为填方的3.5倍，但变形量均小于10mm，满足相关规范标准要求。

通过对比分析以上两种方案得出，挖方边坡对轨道站场基床竖向变形影响较大，但均小于3mm，设计施工时，应综合考虑道路、站场间景观协调性，条件允许时应对道路及站场边坡进行挖除处理，不宜盲目设置支挡结构保护轨道站场现状边坡。

3.3 支挡结构

若轨道站场现状为填方边坡，而道路标高边坡坡脚以下时，需增设支挡结构，避免道路开挖施工对站场现状边坡产生影响，因放坡条件受限，支挡结构按桩板挡墙设计，有限元模型如图6所示。

图6 道路支挡结构有限元模型

由于轨道站场填方边坡坡脚为护脚墙，且离道路较近，为最不利位置，因此以分析道路建成、通车后对现状护脚墙的影响为主。

当道路建成后，分析其对护脚墙产生的竖、横向变形的影响可知，现状轨道站场边坡护脚墙的最大竖向变形为0.43mm，位于挡墙远离拟建道路侧墙脚；最大横向变形为2.8mm，位于挡墙靠近拟建项目侧墙脚。

当道路通车后，现状轨道站场边坡护脚墙的最大竖向变形为0.29mm，位于挡墙远离拟建项目侧墙脚；最大横向变形为2.9mm，位于挡墙靠近拟建项目侧墙顶。

同时，道路支挡结构对轨道站场护脚墙横向变形影响较大，竖向变形影响较小，护脚墙最大变形量均小于10mm，满足相关规范标准要求，条件受限时，可设置支挡结构确保站场边坡安全稳定。

4 结语

通过有限元分析新建道路挖方、填方、支挡结构对既有轨道站场的影响，得出以下结论：

(1)道路填、挖方对既有轨道站场的影响与行车荷载关系不大，其对站场基床产生的变形量均满足规范要求，设计时可忽略行车荷载的影响。

(2)当工程条件允许时，可将道路与轨道站场之间边坡挖除而不设支挡结构保护站场边坡。在满足工程需要的同时不仅能节省造价，更便于景观打造。

(3)若条件受限，无法开挖轨道站场边坡时，可于道路外侧设置桩板挡墙，避免道路开挖对站场边坡产生影响。