道路穿越既有轨道交通工程桥梁安全风险评估及控制

摘 要：由于城市道路建设的不确定性、桥梁结构的复杂性，以及轨道交通车辆运行对轨道平顺性的严格要求，使得城市道路工程下穿轨道交通工程桥梁的施工安全风险的显著增加。针对城市道路路堑开挖施工对邻近既有轨道交通桥梁的安全影响问题，对比了开挖前、后桩及承台的变形及受力，并识别可能存在的风险，依托A道路下穿既有轨道交通工程桥梁项目，提出道路施工过程中的控制方案，密切关注施工引起的地面沉降及桥墩变形等。

关键词：道路工程；轨道交通工程；安全评估；控制

1 概述

城市轨道交通正面向多元化发展，轨道交通、地铁、轨道交通等构成了城市综合轨道交通网络，其中轨道交通作为一种快速、高效、环保、高技术含量的运输方式，正受到社会越来越广泛的重视。

轨道交通车辆运行对轨道平顺度要求极高，对下穿既有轨道交通工程桥梁的城市道路的施工关乎轨道交通工程运营安全和行车舒适度。道路以路堑下穿轨道交通工程桥梁，如果交叉处开挖深度较深，其施工过程中可能会对轨道交通工程桥梁基础及墩身产生影响，并会反映到桥上设置的轨道结构上。

文章基于A道路下穿轨道交通工程桥梁项目，研究道路施工时桥梁的基础受力、墩顶位移等，分析其对轨道交通工程桥梁的影响是否安全可控，并对A道路的设计和施工提出意见及措施。

2 工程概况

轨道交通工程A道路特大桥采用（35+55+35）m连续梁跨越A道路，A道路在中墩7号墩和8号墩之间穿过，轨道交通工程桥墩均采用矩形桥墩，墩底尺寸3.6×3.8m，桥墩高度17.5m，承台尺寸宽×长×厚=8.0×9.0×3.0m，承台接8-Φ1.2m钻孔桩，桩长分别为20.0m（7号墩）、18.5m（8号墩）。

交叉处A道路为路堑，开挖深度约6.5m。A道路与轨道交通工程线路轴线之间夹角约为85°，A道路人行道边线与轨道交通桥墩最小距离0.17m。（如图1所示）

3 有限元模型

文章采用大型通用有限元软件ABAQUS建立施工区域有限元模型进行数值分析，并充分考虑岩土材料非线性、桩同作用等因素。取轨道交通工程A道路特大桥7#、8#桥墩与其周边土体为主要分析对象建立有限元数值分析模型。

模型Model-1、Model-2分别用于分析7#、8#桥墩受A道路开挖的影响。模型中建立了桥墩、承台及承台底面以下的土体。承台顶面以上土体以荷载形式施加，通过调整土面上的压力分布形式模拟整个路面开挖过程。土体模型尺度为（长、宽、高）：60m×60m×40m。模型整体如图2（a）所示，桥墩及基础如图2（b）所示。

Model-1模型共有150074个节点，143660个单元；Model-2模型共有119098个节点，111446个单元。模型中包括了土体、桥墩基础两个部分，全部由六面体单元C3D8R组成。土体与基础之间采用面对面接触形式连接以模拟桩土作用。

4 计算结果

4.1 对轨道交通工程7号桥墩的影响

4.1.1 基础受力分析

根据Model-1的计算结果，提取了7#桥墩基础3#角桩的侧摩阻力、桩身轴力等参数，以评估桥梁桩基承载力是否受到影响。

由图3可知，桩基下部桩侧摩阻力在开挖后有较明显的减小，且靠近开挖土体一侧的桩基下部在挖后出现了一定程度的负摩阻力。其原因是，上部土体开挖后，下部土体的地应力得到释放，土体向上隆起，并通过承台将基础向上抬起，故而桩基下端与桩周土体发生一定程度的反向滑移，引起桩端摩阻力降低。但桩侧摩阻力绝对值较小，不大于3Kpa，可以认为开挖前、后的桩侧摩阻力变化对桩基承载力影响不大。

从图4可知，开挖后桩身轴力小于开挖之前桩身轴力。其原因是，土体开挖后，土体局部隆起，向上挤压承台底部，引起桩身轴力减小。此时基础承台底与桩底承受的荷载重新分配，承台底部土体承载增大，桩端土体承受荷载减小。桩身轴力的减小对于桩基本身以及桩端下部的土体是有利的，但仍需要研究承台底部土体承载力是否满足要求。提取了开挖前、后承台底土体上表面接触压力云图，如图5所示。

由图5知，开挖前承压土面区域最大压应力为36.8Kpa，局部最大压应力可达55.3Kpa；开挖后承压土面区域最大压应力增大为45.3Kpa，局部最大压应力可达67.9Kpa，满足规范要求。

4.1.2 基础变形分析

图6则为开挖前、后基础与土体之间的变形关系图，土体在桥墩基础位置处发生不均匀隆起，引起承台上浮并使得承台朝开挖段相反方向发生偏转，基础的隆起和偏转会导致桥墩发生竖向及顺桥向位移。

表1列出了各工况下7号墩墩顶中心位置的各个方向上的位移增量，可知工况1引起墩顶中心上浮量和顺桥向位移量最大，最大值分别为1.149mm和3.031mm；工况4引起的横桥向位移最大，最大值为1.050mm。

表1中竖向位移向上为正，顺桥向位移指向线路前进方向为正。

4.2 对轨道交通工程8号桥墩的影响

4.2.1 基础受力分析

根据Model-2的计算结果，提取了8#桥墩基础1#角桩的侧摩阻力、桩身轴力等参数，以评估桥梁桩基承载力是否受到影响。

由图7可知，桩基下部桩侧摩阻力在开挖后有较明显的减小。其原因是，上部土体开挖后，下部土体的地应力得到释放，土体向上隆起，并通过承台将基础向上抬起。故而桩基下端与桩周土体发生一定程度的反向滑移，引起桩端摩阻力降低。整体上看，桩侧摩阻力绝对值较小，不大于3.5Kpa。所以认为该桩基在道路开挖前后的桩侧摩阻力变化程度对基础整体承载力影响不大。

从图8可知，桩基角桩的轴力在土体开挖后也减小了。其原因是，开挖后土体局部隆起，向上挤压承台底部，引起桩身轴力减小，桩端土体承受荷载减小。虽然桩身轴力的减小对于桩基本身以及桩端下部的土体是有利的，但此时基础承台底与桩底承受的荷载重新分配，承台底部土体承载增大，特提取了开挖前、后承台底土体上表面接触压力云图，如图9所示。

如图9（a）所示，开挖前承压土面区域最大压应力为35.6Kpa，局部最大压应力可达55.3Kpa。如图9（b）所示，开挖后承压土面区域最大压应力增大为39.5Kpa，局部最大压应力可达59.2Kpa，满足规范要求。

4.2.2 基础变形分析

图10则为开挖前后基础与土体之间的变形关系图，可以发现，土体在桥墩基础位置处发生不均匀隆起，引起承台上浮并使得承台朝开挖段相反方向发生偏转，基础的隆起和偏转会导致桥墩发生竖向及顺桥向位移。

表2列出了各工况下8号墩墩顶中心位置的各方向位移增量，可知工况1引起的墩顶中心上浮量和顺桥向位移量最大，其值分别为0.562mm和1.843mm；工况4引起的横桥向位移量最大，其值为1.13mm。

表2中竖向位移向上为正，顺桥向位移指向线路前进方向为正。

5 控制方案

（1）轨道交通工程桥墩范围为人工填土，应采用坡度较小的边坡，以保证边坡稳定，并减小轨道交通工程桥墩承受的土压力。

（2）道路开挖时应分层开挖，每层同步下降，避免产生过大土压力。

（3）轨道交通工程桥墩附近人行道与道路之间高差大于40cm，轨道交通工程桥墩安装防撞装置，以避免车辆直接撞击轨道交通工程桥墩。

（4）轨道交通工程桥墩附近路面禁止采用重型机械碾压，应采取小型机械夯实，施工机械严禁碰撞桥墩。

（5）严禁在轨道交通工程桥墩附近堆放土方。

（6）施工过程中严禁抽取地下水。

（7）加强施工监测，对轨道交通工程桥墩附近一定范围土体以及墩身进行动态化监控量测，密切关注施工引起的地面沉降及桥墩变形。

（8）道路施工完成后，应及时对该段轨道交通桥梁上轨道平顺性进行复测，根据测量结果决定是否进行轨道标高调整。

6 结论

文章对A道路下穿轨道交通工程A道路特大桥施工现场及桥梁基础进行了三维仿真建模分析，模拟了A道路路堑开挖施工对桥梁所造成的影响。分析了桥梁基础受力、变形等相关参数，可以得到以下结论：

（1）道路及管线开挖后，基础及土体内力重新分布，桩体及桩端土体持荷降低，承台底部及其下的土体持荷上升。计算结果表明，轨道交通工程桥梁基础受力满足相关规范要求。

（2）道路及管线开挖过程中引起7号桥墩短期竖向最大隆起

1.666mm、8号桥墩短期竖向最大隆起0.988mm，小于其上连续梁计算采用的基础非均匀沉降值10mm，满足连续梁结构安全需要。

（3）道路开挖后，6号墩基础后期总的沉降量为0.8mm，7号墩

基础后期总的沉降量为0.1mm，8号墩基础后期总的沉降量为0.7mm，9号墩基础后期总的沉降量为1.1mm，满足墩台均匀沉降量不大于30mm、相邻墩台沉降量之差不大于5mm的要求。

（4）开挖引起7号墩产生的顺桥向位移3.031mm，8号墩产生顺桥向位移1.843mm，由于7号墩为活动墩，8号墩为制动墩，梁体将跟随制动墩发生移动，但实际情况下活动支座仍可对梁体产生一定的摩阻力，7#墩将限制整个梁体的顺桥向位移，故梁体的移动距离必将小于1.843mm，该值在轨道交通轨道接头位移变化容许范围内。

（5）车辆轮载作用在承台上引起的偏压可能造成桥墩产生顺桥向位移0.163mm（指向道路侧），满足规范要求。

参考文献

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作者简介：崔阳华（1983-），男，工程师，2010年毕业于中南大学，桥梁与隧道专业，硕士。