近接道路施工对轨道桥梁的影响分析

洪兆远，柏 湘，牛 牟，刘成章

(中机中联工程有限公司，重庆 400050)

随着我国城市化进程的蓬勃发展，城市交通成了现代都市发展的关键支柱之一。轨道交通作为一种高效、便捷、环保的公共交通方式，成为缓解地面交通压力的有效途径，得到了广泛应用和发展。与此同时，为了适应城市人口的增长和经济的快速发展，市政道路及公路建设也在不断加速，其中包括了道路、桥梁等重要组成部分。然而，轨道交通及地面交通的快速发展也带来了一系列复杂的问题，特别是在建设过程中经常出现相互交叉的情况，如重庆Z4 北延伸段地通道下穿轨道交通6 号线高架桥[1]，渝长复线下穿轨道4号线轨道高架区间[2]，苏州某高速公路拓宽下穿京沪高铁[3]。道路施工中的路基开挖，常常会对临近的建筑物和地铁轨道产生影响，引起了广泛关注[4-5]。在这个背景下，本研究选择了重庆市江津区某近接轨道的道路施工项目作为案例，深入研究了道路基坑开挖对临近高架桥桥墩影响机理。

1 工程概况

重庆位于中国西南部，地处长江上游经济带核心地区，长江、嘉陵江两江环抱，域内各式桥梁层出不穷，素有“桥都”美誉。又因地处丘陵地区，坡地较多，有“山城”之称。江津位于重庆市西南部，是重庆市重点规划建设的六大区域性中心城市之一，属五大功能区的城市发展新区，是长江上游重要的航运枢纽和物资集散地。

本次设计道路位于江津区滨江新城，为滨江新城南部区域的城市支路。道路全长1 200m，等级为城市支路，标准路幅宽度16m，双向2 车道，包含120m 桥梁1 座，设计时速20km/h。

轨道交通5 号线延长线跳磴至江津段（跳蹬至圣泉寺段）起于轨道交通5 号线跳磴站，止于滨江新城，全长28.22km，该线共设6 座高架车站。该段线路主体结构已基本完工。

轨道交通5 号线延长线跳磴至江津段（圣泉寺至鼎山段）全长4.61km，起于滨江新城圣泉寺站，止于鼎山广场附近，设地下站鼎山站。该段线路处于规划阶段。

项目建设区出露的岩层为一套强氧化环境下的河湖相碎屑岩沉积建造。由砂岩—砂质泥岩不等厚的正向沉积韵律层组成。以紫红色、暗紫红色泥岩、粉砂质钙质泥岩为主，夹黄灰色、灰色中至薄层状细粒砂岩。出露的地层由上而下依次可分为第四系全新统填土层（Q4ml）、残坡积层（Q4el+dl）和侏罗系上统遂宁组（J3sn）的砂岩和泥岩互层地层。

如图1 所示，拟建道路在下穿轨道5 号线延长线圣泉寺站-几江站高架段（已建成D08 号墩-规划D09 号墩区间）为半填半挖路基，路基左侧高于现状地面标高，右侧低于现状地面标高，整体呈左填右挖的趋势。为避免路基开挖放坡影响现状桥墩结构安全，该段道路路基左侧采用折背式挡墙进行支挡，右侧采用桩板挡墙进行支挡。左侧路基挡墙开挖线距离轨道D08 号墩承台距离最近约1.9m，右侧路堑墙（抗滑桩）距离轨道D09 号墩承台最近约10.85m。

图1 轨道与道路位置关系图

2 路基施工风险定性分析

道路在下穿轨道高架段标高约为208.48m，现状地面标高为206.8～213.3m，该段路基为半填半挖路基，路基挖方高度约4.7m，填方高度约1.8m，左侧填方采用折背式挡墙进行支护，右侧挖方采用桩板挡墙进行支护，折背式挡墙开挖施工时在近轨道侧将形成深约1.5m 的临时挖方土质边坡。

从道路路基施工整体填挖方进行分析，路基开挖量远大于回填量，道路施工将对地基产生卸载的影响。轨道高架桩基位于新建道路路基及挡墙基础的应力扩散角范围以内，根据设计资料，折背式挡墙基底应力不大于100kPa，基底扩散应力对轨道结构有轻微影响，具体还需通过有限元数值模拟进一步分析计算。

3 数值模拟及分析

针对拟建项目对紧邻轨道区间结构风险影响，利用MIDAS GTS NX 软件建立三维有限元模型进行分析，模拟道路路基开挖，支挡结构施工及运营阶段引起的轨道结构变形，用以评估轨道结构的安全性。

本模型根据道路设计平纵及轨道交通5 号线相关资料为基础，采用MIDAS GTS NX 有限元数值分析软件进行3D 建模。岩土相关参数取值结合地勘报告及相关工程当地经验，具体如表1 所示。

表1 计算采用岩土力学参数

根据GB 50157-2013《地铁设计规范》、DBJ50-244-2016《重庆地铁设计规范》和DBJ50T-259-2017《山地城市A 型地铁车辆通用技术标准》规定，对各项荷载进行计算。

3.1 轨道结构荷载

1）轨道墩柱荷载 钢筋混凝土构件自重γ=26kN/m3，素混凝土构件自重γ=23kN/m3，钢构件自重γ=78.5kN/m3。轨道梁二期（电缆及电缆桥架）荷载均按较大值2.8kN/m 进行计算，支座按10kN/个计算，二期（铺装）荷载按1.96kN/m 进行计算。轨道交通5 号线延长线该段高架区间桥墩跨度为40m，轨道梁恒载172.2×40=6887.92kN；二期荷载总和：（2.8+1.96）×40+20=210.4kN。

2）列车竖向静荷载 山地城市As 型车动荷载：远期按8 节编组考虑，轴重取P=150kN，列车竖向静活载图示如图2 所示。根据影响线，列车竖向静荷载为1 191kN。

图2 轨道交通车辆活载示意及影响线

3）冲击荷载 列车竖向动力作用时，列车竖向静活载应乘以动力系数（1+μ），μ=20/（50+L），L为桥梁跨度（m）。冲击荷载为（40m 跨）264.67kN。

4）列车制动力或牵引力 作用于车辆重心位置，应按列车竖向静活载的15%计算。轨道梁设计按单线计算列车制动力或牵引力。轨道梁桥下部结构设计时制动力或牵引力应移至支座中心处，双线时应采用二线的制动力或牵引力；三线或三线以上时按照最不利情况考虑，不做折减。

综上，轻轨桥墩竖向荷载为（40m 跨）3 681.5kN，水平向制动力为89.33kN，将以上荷载施加在轨道墩顶进行分析。

3.2 拟建项目荷载

道路车行荷载取20kPa，人行荷载取5kPa。为了分析拟建道路施工对轨道结构的安全影响，在确保三维模型有足够计算精度并尽量减少计算量前提下，本次计算对模型范围进行了一定的限制。轨道纵向取165m，沿横向取110m，从地表向下取65m。模型中的岩土体、轨道结构、南北大道桥梁结构及拟建路肩挡墙采用三维实体单元计算；桩板挡墙挡土板采用二维板单元进行模拟，桩板挡墙支护桩，冠梁采用一维梁单元进行模拟，三维有限元整体计算模型如图3所示。

图3 三维实体模型

数值模拟分析采用施工阶段分析，具体各施工阶段为：①市政桥梁建成及荷载施加，轨道5 号线延伸段圣泉寺站-几江站区间高架建成（激活D07-08 号墩），轨道结构荷载施加；②位移清零；③道路桩板挡墙施工及路基开挖；④道路路肩墙施工及路基回填；⑤道路路面施工及路面荷载施加；⑥轨道二期施工（激活D09-D10 号墩）。

由于轨道5 号线延长线圣泉寺至鼎山段尚还处于前期规划阶段，施工时序晚于拟建道路，故在本次分析中不考虑拟建项目施工对其产生的影响。拟建道路施工影响的轨道5 号线延长线墩柱由北向南分别为：已建成QJ08-D07、已建成QJ08-D08，共2 个轨道高架桥墩。不考虑周边其他既有建、构筑物的影响，因此从第④步开始提取计算结果，仅示意轨道高架桥墩结构位移及应力部分计算云图，如下图4 所示。

图4 轨道桥墩step4的位移与应力云图

根据数值分析结果可以看出，在拟建道路施工和运营过程中，位移最大值发生在第④步，此时墩柱顺桥向位移最大值出现在QJ08-D08墩，为0.879mm；横桥向位移最大值出现在QJ08-D08 墩，为0.007mm；竖向位移最大值出现在QJ08-D08 墩，为0.108mm，位移均很小，说明拟建道路基坑开挖对5 号线延长段区间高架结构附加影响较小。由桥墩竖向位移差引起的墩台差异沉降发生在QJ08-D07 与QJ08-D-08 之间，为0.093mm。道路实施及运营过程中，轨道结构第一主应力及第三主应力均远小于结构的抗拉、抗压强度。根据DBJ50/T-271-2017《城市轨道交通结构检测监测技术标准》外部作业引起的轨道交通结构安全控制指标：桥墩墩顶水平位移≤12.65mm，墩台差异沉降≤10mm。上述变形满足规范要求。

本项目通过实施桩板挡墙来减小道路基坑开挖及回填对既有轨道桥梁桥墩及桩基的影响，将既有结构变形控制在合理范围，不仅可以保证本项目的顺利实施，同样保障了轨道的安全运营。在实施过程中，还应注意以下几点：①路基土石方采用分段、分层、对称平衡开挖，在轨道交通控制保护区范围内严禁堆载，土方开挖后应立即装运；②在基坑施工前，应解决好基坑的排水问题，避免水渗入岩体中，造成岩体强度降低；③施工前对施工范围内电力管线、通信管线、给水管线等进行排查、检测，并采取保护措施；④施工及项目建成投入使用后，应对施工影响区内既有轨道交通结构物进行实时监测，动态监测轨道交通结构物和边坡的变形、震动、应力、裂缝等情况，监测结果应定期向轨道公司反馈，发生监测预警或报警应及时通知轨道公司相关部门协同处理。

4 结语

在城市基础设施建设的快速推进过程中，道路施工与轨道交通建设频繁交叉，成为当前城市建设的一大特点。本研究以近接道路路基施工对轨道桥梁桥墩及桩基的影响为切入点，全面探讨了道路基坑开挖施工对轨道桥梁结构的影响机理。这不仅对于类似城市轨道交通与道路交叉项目提供了实用的理论参考和实践指导，也为未来类似工程的施工与管理提供了有力的参考。通过在城市基础设施建设中综合考虑道路施工与轨道交通的相互影响，可以推动城市交通建设朝着更加安全、高效、可持续的方向迈进，为城市的可持续发展贡献力量。