某跨线桥风险评估研究

马小科 MA Xiao-ke

（中铁十六局集团路桥工程有限公司，北京 101500）

0 引言

近年来，国民经济快速发展，城市道路的建设规模也随之扩大。在交通流量较大的公路交叉部位大都采用立交形式，在既有线路上方跨越的桥梁简称为跨线桥。由于跨线桥周围交通环境复杂，桥梁施工工序繁多，导致其施工风险因素众多，风险灾害层出不穷，因此研究跨线桥的风险评价具有重要的现实意义。

不少学者就桥梁风险评价展开了研究。王磊[1]等采用层次分析-模糊综合评判方法估计黄土山区冲沟地形桥梁下部结构的安全风险概率和损失；孙建诚[2]等建立了基于改造的层次分析法和接近理想点法的桥梁施工方案风险评价模型；张建国[3]等建立了基于Vague 集理论的风险评价模型，用以评价复杂干扰环境桥梁建设风险；李怡辰[4]等提出基于网络分析法和二维云模型的风险评价方法，结合ALARP 风险矩阵确定风险等级，从而有效地控制公路桥梁施工风险；刘洋[5]等将云模型引入桥梁结构安全预评价体系中，构建了运营桥梁结构稳定性评价云模型；洪流[6]等运用作业分解结构-风险分解结构耦合矩阵分析法对施工风险和作业活动间的映射关系进行耦合分析，构建了改进的LEC 桥梁工程施工风险评价模型；李德航[7]等构建了基于区间模糊理论、群体决策理论和突变理论的施工安全风险评估模型；施洲[8]等针对桥梁施工风险动态评估问题，构建风险元传递网，对风险元传递网进行贝叶斯概率计算，并结合逆向推理和敏感性分析获得关键风险元及主要风险链。

由上述研究可知，目前针对桥梁风险评价大都采用调查法、数学评价方法，采用数值模拟定量评估较少，同时研究跨线桥施工风险较少。因此，定量研究跨线桥施工安全风险，对此类桥梁施工具有较大的理论意义和工程价值。本文依托某城市跨线桥，采用数值模拟手段研究了该跨线桥的应力、应变情况，评价该跨线桥建立对周边环境的安全性影响，以此为同类桥梁工程的设计施工提供借鉴。

1 工程概况

1.1 项目背景

某城市跨线桥属于总体项目中的一部分。该项目处于珠江三角洲到粤北山区过渡地带上，路线总体呈东西走向，起点段旧路两侧建筑物密集，主要为民居、商铺，路线后半段两侧多为农田、工厂。该跨线桥中心里程为K2+912.5，桥梁全长为378m，宽度为2x13.5=27m，总体设计跨线桥总宽度为28m，引道293.16m。跨线桥所处环境俯视图如图1 所示。

图1 拟建跨线桥俯视图

1.2 某跨线桥施工组织设计

跨线桥总宽度为28m，其桥跨布置与结构型式如表1所示。

表1 桥跨布置和结构型式一览表

2 评估内容

采用ANSYS 三维有限元方法，研究跨线桥挖桩及深孔灌注桩对周边建筑物及原有路线安全性、稳定性的影响，评价本次项目的安全性，对现场施工进行反馈和改进。

3 数值模拟定量评估

3.1 控制标准

根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363-2019），《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB10093-2017）桥梁变形允许值应按表2 进行控制；桥梁采用C40 混凝土，其轴心抗压强度为29.5MPa，弯曲抗压强度为36.9MPa，轴心抗拉强度为2.7MPa。

表2 安全控制指标单位：mm

3.2 数值模拟

3.2.1 三维有限元模型

①建模原则。

1）采用ANSYS 静力学计算，预测桩基开挖及建设引起的位移及结构的受力。

2）岩土材料采用理想弹塑性模型。

3）开挖土体、原始地层、桩基、桥墩等结构均采用SOLID 三维实体单元。

4）不考虑地下水和围岩结构面的影响。

②三维模型计算范围。

为了确保三维模型有足够计算精度并尽量减少计算工作量，对计算范围进行了一定限制，将跨线桥建于模型中部位置，沿横向取420m，径向取100m，从地表向下取62m，地层按照设计图纸及地勘资料进行模拟，地层参数按照资料进行选取，并根据路面、跨线桥的空间位置关系建立有限元计算模型，如图2 所示。

图2 某跨线桥安全评估立体透视图

③三维模型的模拟工况。

1）跨线桥桩基开挖引起地层与周边建筑的应力及位移变化；

2）跨线桥桩基的浇筑及建立引起地层与周边建筑的应力及位移变化。

④三维模型的计算边界条件。

模型的底面约束竖直方向Y 方向的自由度，侧面约束侧向X、Z 方向的自由度，地表为自由面。

⑤计算方法和收敛准则。

计算采用使用“生死”单元的方法实现桩基的开挖与浇筑。围岩材料的屈服条件采用摩尔库伦屈服准则。

⑥有限元计算参数取值见表3。

表3 某跨线桥岩土体设计参数建议值一览表

3.2.2 三维模型工况模拟步骤

模拟步骤1，建立未开挖前现有路面及地层模型；模拟步骤2，根据现有路面与地层的空间位置关系，建立跨线桥桩基模型；模拟步骤3，三维模型网格划分，底面约束竖直方向Y 方向的自由度，侧面约束侧向X、Z 方向的自由度，地表为自由面，并向跨线桥桥墩、桥基面上施加Y方向的均布荷载，模拟桥面的重力荷载；模拟步骤4，进入求解器，计算桩基未开挖前模型的初始重力状态；模拟步骤5，使用“生死”单元约束地层中的桩基单元，模拟桩基开挖对路面及地层的应力及位移变化，重启上一步并进行计算（工况1 模拟）；模拟步骤6，激活地下桩基单元，模拟桩基浇筑成型后对路面及地层的应力及位移变化（工况2模拟）。

4 模拟结果

4.1 工况1

从模拟结果来看，跨线桥桩基开挖引起地层在X 方向的最大位移为0.27mm，Y 方向的最大位移为-5.68mm，如图3 所示，Z 方向的最大位移为0.24mm。各方向位移均远小于10mm 的变形控制要求。桩基开挖使得地层承受的最大等效应力为1.15MPa，如图4 所示，该等效应力对由C40 混凝土建造的路面影响较小。

图3 工况1 的Y 方向位移云图

图4 工况1 的等效应力云图

4.2 工况2

从工况2 的模拟结果来看，跨线桥桩基浇筑及建造引起路面与周边环境在X 方向的最大位移为0.026mm，Y 方向最大位移为0.00049mm，Z 方向最大位移为0.023mm，各方向的位移均远远小于10mm 的变形控制要求。跨线桥桩基的浇筑与建造使得路面承受最大等效应力为0.24MPa，该等效应力对由C40 混凝土建造的路面影响较小。

5 结果分析

表4 为三维分析结果汇总表。通过某跨线桥桩基开挖、浇筑两个施工工况对既有地层与原有路面安全性影响的三维有限元模拟，表明两个施工工况使得地层与原有路面产生最大位移为-5.68mm，远小于10mm 的控制范围。另一方面两个施工工况对周边围岩体的破坏作用均较小，使得地层与原有路面所受的最大等效应力为1.1MPa，该作用力不会影响C40 混凝土结构的正常使用，因此跨线桥工程建设过程对周边环境的影响较小，可以确保该结构处于安全状态。

表4 三维分析结果汇总表

6 结论

通过对拟建跨线桥的计算分析，对结构安全进行了评估，结论如下：①根据三维有限元计算位移结果，项目施工对土体及周围环境影响较小，最大位移为-5.68mm，位移较小，风险可控，满足规范要求。②根据三维有限元计算应力结果，桩基开挖与浇筑引起的围岩与周围环境承受的最大等效应力为1.1MPa，说明项目施工对既有路面、围岩扰动较小，满足规范要求。

综上，本次跨线桥项目的施工对于周边环境的安全影响较小，桥梁结构满足设计规范要求，该结构处于安全状态，项目方案可行。