重庆轨道交通环线明槽段对鹅公岩公路桥锚锭影响分析

2018-04-11 09:08:56高洪飞
四川建筑 2018年5期
关键词:环线大桥围岩

高洪飞

(中铁建昆仑投资集团有限公司, 四川成都 610041)

随着城市的发展,轨道交通的修建也面临越来越多的复杂环境,工程建设对周边建构筑物的影响已经成为关键的问题。本文对重庆轨道环线明挖段临近鹅公岩长江大桥东锚碇的影响进行了仔细的分析论证,其结果已经得到相关评审单位的认可,从而保证了轨道工程的顺利进行。其论证分析过程对其他工程具有一定借鉴作用。

1 工程概述

重庆轨道环线二期工程起点为上浩站,终点为重庆西站。环线二期工程线路敷设方式基本以地下线路为主。海峡路至谢家湾区间,线路跨越长江后下穿鹅公岩立交后接入谢家湾站。该区间里程CK39+147~CK39+511为U型槽结构(后简称:环线明槽段),明挖施工,开挖深度为0~6.9 m。明槽段西侧是运营中的鹅公岩大桥。鹅公岩大桥东锚碇与环线明槽段的平面关系如下图1所示。

图1 桥东锚锭与轨道环线明槽段平面关系

重庆鹅公岩长江大桥为重庆城市东西干道之重要市政设施,为确保东锚碇的安全,鹅公岩大桥100 m范围为基础保护线。由平面图1中可知(虚线圆圈部分),当前环线明槽段有约49 m的区段(里程YDK39+462~CK39+511)位于鹅公岩基础保护线范围内。东锚碇与环线明槽段的最近距离为58.49 m。图2为沿轨道环线明槽段纵向截面所做的纵剖面图,图中环线明槽段的开挖深度为1.6~3.1 m;东锚碇锚固段端部高程约为214.0 m。两者的立面关系如图2。

图2 东锚锭与明槽段纵断面

环线明槽段结构采用板肋式锚杆挡墙支护,U型结构侧墙厚度0.5~0.7 m,底板厚度0.6~0.8 m,典型截面如图3。

图3 轨道环线明槽段典型截面

重庆长江鹅公岩大桥为悬索桥,悬索桥东侧锚锭位于鹰嘴岩斜坡上,地质条件为砂岩、泥岩互层。东锚碇为隧道式锚锭形式,锚结构全长92 m,倾斜向下,锚锭重心线与水平线夹角26°。隧道锚锭立面布置如图4所示。

图4 鹅公岩大桥锚锭布置立面

鹅公岩大桥锚体总长42 m采用矩形拱截面,截面尺寸9.5 m×10.5 m顶部为圆弧形。锚体尾部长12 m,截面呈楔形放大至12.5 m×13.5 m,每侧锚体体积5 000 m3。锚体中设置预应力锚固系统,每根主缆缆力约为130 000 kN。锚锭围岩采用锚杆+喷射混凝土支护。为使锚体混凝土与围岩密贴,施工中预埋压浆管进行了水泥浆压注处理。锚室尺寸为6 m×4.5 m~9.5 m×10.5 m,复合衬砌结构。

由于鹅公岩大桥为悬索桥结构,其东锚碇对大桥整体结构有决定性影响。因此有关部门要求东锚碇基础保护线100 m范围内新建的大型工程施工前必须论证,并制定相关的施工控制要求。本文通过三维有限元仿真方法模拟环线明槽段结构施工中东锚碇应力、位移和预加锚固力的变化判断东锚碇的安全性。

2 三维有限元模型

2.1 计算范围和单元划分

计算采用有限元程序进行数值模拟。根据影响范围为开挖半径至少5倍的原则[1],计算模型的尺寸为沿线路纵向取300 m,沿线路横向取330 m,从地表向下取140 m,计算模型尺寸如图5所示。东锚碇与计算模型的左右边界距离分别为96.25 m和183.75 m,锚锭端部与模型边界的距离分别为79.2 m、128.5 m和150.9 m。计算范围内的土体SOLID45三维实体单元计算;锚室衬砌采用SHELL63三维壳体单元计算,预应力锚筋采用BEAM188三维梁单元。三维有限元计算模型如图6所示。

2.2 计算参数

重庆长江鹅公岩大桥东锚碇区位于龙王洞背斜的东南翼,地层倾向175°,地层倾角7°,地层为侏罗系中统上沙溪庙组(J2S)岩性为砂质泥岩。有限元计算参数见表1。

图5 模型尺寸

图6 三维有限元计算模型

表1 原有限元计算参数

2.3 计算荷载及边界条件

2.3.1 计算荷载

(1)结构自重。

(2)东锚碇和环线明槽段施工产生的围岩释放荷载。

(3)东锚碇预加锚固力荷载,根据设计资料,左右锚体每根主缆缆力约为130 000 kN。

(4)环线明槽段轨道运营车辆荷载,轨道运营作用在明槽段底板上的附加荷载按30 kPa计算。

2.3.2 三维模型的计算边界条件

计算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。

2.4 计算工况和计算步

鹅公岩长江大桥于2000年运营至现在已经十余年,海峡路至谢家湾区间为轨道环线二期工程项目,当时处于设计阶段。由于两个项目施工先后顺序明确,所以本次计算仅采用一种工况模拟环线明槽段施工过程对东锚碇的影响。即有限元计算先模拟鹅公岩东锚碇施工,在此基础上模拟环线明槽段施工,最后模拟轨道环线运营对东锚碇的影响。整个工况分析过程由12个计算步组成:

(1)计算步1,模拟自重应力场作用下的初始状态。

(2)计算步2至计算步5,模拟东锚碇的施工。

(3)计算步6,模拟东锚碇锚固力施加后的状态。

(4)计算步7至计算步11,模拟环线明槽段施工。

(5)计算步12,模拟轨道环线运营。

其中锚洞的开挖和支护在ANSYS可采用“死”“生”单元的方法实现[2]。

2.5 位移计算结果比较

根据上面所述的计算工况和开挖步计算,计算结果如图7~图9所示。

图7 计算步11 模型位移云图(单位:m)

图8 计算步11 锚体位移云图(单位:m)

图9 计算步12 锚体位移云图(单位:m)

根据计算结果,锚碇和地表的位移结果如表2所示。

表2 位移计算结果 mm

由表2所列计算结果中可知,轨道环线明槽段施工引起的位移主要在明槽基坑的地表附近产生。由于东锚碇影响范围内明槽开挖最大深度不足5.5 m,并且采用肋板式锚杆挡墙支护,所以地表位移小于2.0 mm。环线明槽段与东锚碇距离较远(水平距离41.16 m,竖向距离34.838 m),所以明槽段施工引起东锚碇的变形均不足0.1 mm,因此轨道环线明槽段施工引起东锚碇的变形基本可以忽略。

2.6 东锚碇围岩应力分布

轨道环线明槽段施工和运营后是否对东锚碇处围岩应力产生较大影响,文中采用的是施工前后锚体附近的应力分布范围比较进行判断。如果施工前后锚体的应力分布范围变化较大,则轨道环线明槽段的建设对东锚碇的影响严重;反之,说明轨道环线明槽段的建设对东锚碇的影响轻微或者可以忽略。因此分别沿左右锚锭竖向和与明槽段垂直的竖向分别设置剖切面(评估选取3个剖面)如图10所示,进行数值分析。

图10 与明槽段垂直竖向剖切面示意

经过计算,得到东锚碇锚固力张拉后和轨道环线明槽段施工运营后的应力分布变化,并以此进行对比判断明槽段的建设对东锚碇的影响程度。其中间剖面的计算结果如图11和图12所示。

图11 锚锭施加锚固力后的围岩应力

由东锚碇典型剖面的应力分布图中看出,轨道环线明槽段施工仅引起距锚锭较远的低应力分布范围有一定改变;但是这种改变几乎没有影响到锚碇,其引起的塑性范围距离锚碇也较远,因此靠近锚锭的应力分布区在轨道环线明槽段施工前后均无明显变化。由此可以断定轨道环线明槽段施工运营没有引起围岩应力的较大变化,不会影响东锚碇的应力分布。

2.7 锚索锚固力

根据竣工资料,鹅公岩东锚碇为隧道锚,设计锚固力为1.3×105kN。评估通过施工前后锚索预应力是否有较大损失判断。计算模型在计算步6为左、右锚体的锚索施加设计锚固力1.3×105kN,然后锁定此时锚索变形达到锁定锚固力的目的。在计算步7~12模拟轨道环线明槽段的开挖和运营后计算锚索轴力。将计算锚索轴力与设计锚固力相比判断轨道环线明槽段施工和运营是否会使东锚碇锚固力产生较大损失。根据计算判断轨道环线明槽段在施工和运营阶段对鹅公岩大桥东锚碇锚固力的影响很小,基本不会影响鹅公岩大桥的正常运营。

图12 明槽开挖运营后的围岩应力

3 结论

通过轨道交通环线二期工程海峡路至谢家湾区间明槽施工对鹅公岩大桥东锚碇影响的有限元仿真计算可以得到如下结论:

(1)虽然环线明槽段部分区段位于鹅公岩大桥基础保护区100 m范围内,但新建明槽区段与东锚碇水平、竖向有足够的安全距离,所以明槽施工和轨道运营引起的锚定位移小于0.1 mm,附加变形不会影响东锚碇锚体的稳定性。

(2)环线明槽施工前后的围岩应力对比表明,明槽施工仅引起距锚锭较远的低应力分布范围改变;靠近锚锭的高应力分布区在轨道环线明槽段施工前后均无明显变化。

(3)锚体预加锚固力分析表明,环线明槽施工前后锚体锚固力降低不足0.1 %,不会影响鹅公岩大桥的正常运营。

本文结论经过评审后,轨道交通环线二期工程海峡路至谢家湾区间工程如期进行,施工中采用了机械分段开挖,控制明槽施工开挖长度,加强监控量测等措施保证了鹅公岩长江大桥的正常运营,目前该工程已经施工完毕,监控结果没有发现任何异常情况。

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