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(tuán)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)為上浩站，終點(diǎn)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(yùn)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?yàn)橹貞c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(hù)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(hù)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(hù)，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?yàn)閼宜鳂颍瑧宜鳂驏|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(hù)。為使錨體混凝土與圍巖密貼，施工中預(yù)埋壓漿管進(jìn)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?yàn)閼宜鳂蚪Y(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(hù)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(jì)算范圍和單元劃分

計(jì)算采用有限元程序進(jìn)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(jì)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(jì)算模型尺寸如圖5所示。東錨碇與計(jì)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(jì)算范圍內(nèi)的土體SOLID45三維實(shí)體單元計(jì)算；錨室襯砌采用SHELL63三維殼體單元計(jì)算，預(yù)應(yīng)力錨筋采用BEAM188三維梁單元。三維有限元計(jì)算模型如圖6所示。

2.2 計(jì)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(jì)算參數(shù)見表1。

圖5 模型尺寸

圖6 三維有限元計(jì)算模型

表1 原有限元計(jì)算參數(shù)

2.3 計(jì)算荷載及邊界條件

2.3.1 計(jì)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(jì)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(yùn)營車輛荷載，軌道運(yùn)營作用在明槽段底板上的附加荷載按30 kPa計(jì)算。

2.3.2 三維模型的計(jì)算邊界條件

計(jì)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(jì)算工況和計(jì)算步

鵝公巖長江大橋于2000年運(yùn)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(xiàng)目，當(dāng)時(shí)處于設(shè)計(jì)階段。由于兩個(gè)項(xiàng)目施工先后順序明確，所以本次計(jì)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(jì)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(yùn)營對東錨碇的影響。整個(gè)工況分析過程由12個(gè)計(jì)算步組成：

(1)計(jì)算步1，模擬自重應(yīng)力場作用下的初始狀態(tài)。

(2)計(jì)算步2至計(jì)算步5，模擬東錨碇的施工。

(3)計(jì)算步6，模擬東錨碇錨固力施加后的狀態(tài)。

(4)計(jì)算步7至計(jì)算步11，模擬環(huán)線明槽段施工。

(5)計(jì)算步12，模擬軌道環(huán)線運(yùn)營。

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

2.5 位移計(jì)算結(jié)果比較

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

圖7 計(jì)算步11 模型位移云圖(單位:m)

圖8 計(jì)算步11 錨體位移云圖(單位:m)

圖9 計(jì)算步12 錨體位移云圖(單位:m)

根據(jù)計(jì)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(jì)算結(jié)果 mm

由表2所列計(jì)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(hù)，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(yùn)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(jìn)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(gè)剖面)如圖10所示，進(jìn)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(jì)算，得到東錨碇錨固力張拉后和軌道環(huán)線明槽段施工運(yùn)營后的應(yīng)力分布變化，并以此進(jìn)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(jì)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(yùn)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(jì)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(jì)算模型在計(jì)算步6為左、右錨體的錨索施加設(shè)計(jì)錨固力1.3×105kN，然后鎖定此時(shí)錨索變形達(dá)到鎖定錨固力的目的。在計(jì)算步7～12模擬軌道環(huán)線明槽段的開挖和運(yùn)營后計(jì)算錨索軸力。將計(jì)算錨索軸力與設(shè)計(jì)錨固力相比判斷軌道環(huán)線明槽段施工和運(yùn)營是否會使東錨碇錨固力產(chǎn)生較大損失。根據(jù)計(jì)算判斷軌道環(huán)線明槽段在施工和運(yùn)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(yùn)營。

圖12 明槽開挖運(yùn)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(jì)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(hù)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(yùn)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(yùn)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(jìn)行，施工中采用了機(jī)械分段開挖，控制明槽施工開挖長度，加強(qiáng)監(jiān)控量測等措施保證了鵝公巖長江大橋的正常運(yùn)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。