摘要
市政道路工程通常以下穿、伴行等形式侵入临近轻轨高架桥结构的影响范围内，针对管沟开挖、路基铺设等限制性施工活动，必须进行施工影响评估。本文依托某市政道路施工下次轻轨高架桥工程，采用有限元建模分析方法，利用 MIDAS-GTS 软件建立三维模型，依据施工次序设置计算工况，分析新建道路管线施工对轻轨高架桥结构变形的影响。通过合理布设结构变形监测措施，一方面提高轻轨高架桥结构安全保障，另一方面验证有限元分析评估结果，为不断提高评估准确度和指导施工作业提供参考。
Abstract
Municipal road projects usually under the form of penetration, accompanying and other forms of intrusion into the adjacent light rail structure within the scope of influence, for pipe trenching, roadbed paving and other restrictive construction activities, must be carried out construction impact assessment. This paper analyses the impact of the construction of new road pipelines on the structural deformation of the light rail viaduct by finite element modeling analysis method and using MIDAS-GTS software to establish a three-dimensional model of someone municipal road construction under the light rail viaduct project. Through the reasonable deployment of structural deformation monitoring measures, it could improve the structural safety of the light rail viaduct, and verify the results of the finite element analysis and assessment. It’s helpful to improve the accuracy of the assessment and to provide a reference for the construction work.
Keywords
0 引言
市政道路管线工程与高架桥常存在下穿、伴行等相对关系，在道路下穿高架桥形式中经常存在一个或多个桥墩位于道路中央位置，在道路伴行高架桥形式中更是将某一区段高架包围在道路中间。由于轻轨高架桥承台埋深相对较浅，此类工程在施工过程中难免将会对高架桥结构产生影响。在道路管线工程施工前对其影响进行评估分析，并制订专项的预防控制措施，对轻轨高架桥结构安全保护尤其重要。
轻轨高架桥作为城市轨道交通的一种基建形式，随着城市基础设施的不断完善和城市更新的不断推进，其结构安全受到越来越多的挑战。建（构） 筑物的相邻影响是新建工程设计工作中必须解决的重要问题之一，基于数值模拟结果分析讨论建 （构）筑物的相邻影响，指导建立设计施工控制措施 （连小良，2022）。施工过程中，需采用施工前地层详勘、施工中参数控制和施工后沉降监测等措施进行风险控制（刘强等，2022）。
本文结合市政道路工程特点，介绍了基于有限元分析模型开展市政道路工程施工影响评估的基本流程，依托某市政道路下穿轻轨高架桥工程详细论述了有限元三维建模流程、参数设置和结果解译等内容，并结合变形监测理论方法验证评估分析结果的有限性，对于后续开展此类工程具有一定的指导意义。
1 市政道路工程特点
市政道路工程多修建在人口和建（构）筑物相对较为密集的城区，所以导致工程项目的场内及周边环境较为复杂（王江宁，2020）。需要协调的部门多、影响施工的因素多、施工限制及防护措施多是造成实际周期远超于理论工期的3个主要方面。由于市政道路工程存在工期紧的问题，在施工阶段往往存在多项内容同步作业的情况。
在路基及沟槽开挖阶段，开挖的本质就是土体的位移，土体的位移必然会使土的自然应力状态发生改变（李向群和张兆辉，2015）。近年来的许多研究表明，作用在挡土结构物上的土压力不是一个定值，其大小不仅与挡土结构的高度、刚度、土体性质有关，而且随着挡土结构物的变形而变化，土压力有一个渐变的范围（王伟，2020）。当施工区域与轻轨高架桥关系接近时，土体的位移影响可能波及高架承台结构。在软土地基环境中，基坑开挖引起周围环境的变化在 2.5~4倍开挖深度范围内。在道路填方及路面施工阶段，本质是在施工区域添加一定的荷载，借助机械外力进行压实，同样会改变土体受力，对周围既有的建筑结构产生一定变形影响 （叶锡钧等，2017；潘坤，2018）。
2 施工影响预评估
施工影响预评估的目是分析施工过程对轻轨结构产生的安全风险，忽略不必要的细节过程，重点分析新建道路施工对下穿、伴行轻轨结构可能造成安全风险的环节设计算工况。目前，有限元分析是开展施工影响评估的主要技术手段，评估分析的主要工作分为以下3个方面：
（1）基础资料收集与分析，主要是道路工程涉及资料、既有轻轨高架桥竣工资料、工程施工情况等；
（2）有限元仿真模拟分析，主要是工程实施对既有轻轨高架桥结构引起的内力及变形分析；
（3）根据数值计算结果，结果工程理论，对工程实施提出建议措施并给出高架桥结构的变形控制指标，指导后续工程实施。
以某轻轨保护区范围内的市政道路工程为例，介绍此类工程对轻轨高架桥结构的影响分析方法。该市政道路工程下穿轻轨高架桥，工程范围长 140 m、宽 37 m。工程施工区域内涉及 3个高架桥墩，其中1个高架桥墩位于道路中央，2个桥墩位于道路两侧人行道范围内。该区域高架桥承台埋深约2.5 m，路基开挖深度约 2 m。为便于模拟分析，收集了该区域详细的地质勘察数据。
2.1 建立评估方法与计算模型
用于地下结构理论计算的力学模型可归纳为2 种：（1）连续介质模型，即地层-结构模型；（2）作用-反作用模型，即荷载-结构模型。这2种力学模型各有特点，地层-结构模型由于考虑地层与结构的共同作用，多用于结构的变形分析；荷载-结构模型只将结构作为计算对象，多用于结构内力及变形分析 （陈倩岚，2020；王庭博，2022）。具体到此次的工程，考虑到施工引起的轻轨线路结构沉降与地层关系密切，因此采用地层-结构模型进行变形分析（陆培毅等，2004；应宏伟和郭跃，2008；杨丽春等， 2015）。本文评估计算采用大型通用软件 MIDAS-GTS。
计算模拟区域以新建道路与轨道交通结构交叉为中心向四周扩展，范围包括既有高架区间结构及部分新建道路、管线道路、管线结构。依据轨道交通安全保护规定，轻轨高架桥两侧30 m范围为保护区，施工监测区应纳入连续箱梁整体结构，此工程涉及监测的连续箱梁最长 75 m。考虑到施工过程中的空间效应，结合施工范围、轻轨保护区范围和监测要求，三维计算分析地层-结构模型范围长 160 m（沿高架桥方向）、宽 140 m（垂直高架桥方向）。依据详细地质勘察数据建立的地层模型，包含素填土、黏土、粉质黏土 1、粉质黏土 2、粉质黏土 3、粉砂共 6 个土层；依据轻轨高架桥结构设计和竣工验收资料建立的高架桥结构模型，包含支撑桩、承台、墩身、支座、箱梁等 5类结构，具体如图1、图2所示。
根据设计资料，数值计算模拟按照如下步骤进行：①生成模型，计算初始地应力位移清零（图3）； ②道路清表及管线沟槽开挖（图4）；③管线施工及回填（图5）；④道路填方施工（图6）；⑤道路面施工； ⑥道路运营（图7）。
计算新建道路施工对既有地铁结构的变形及内力时，首先需要应力平衡计算，获得初始地应力。从计算结果可以看出，地层应力分层较为均匀，计算结果可靠。
图1整体有限元模型
图2结构空间位置模型
图3初始状态模型及应力计算
图4道路挖方及管线沟槽开挖阶段桥墩位移变化
图5管线施工及回填阶段桥墩位移变化
图6道路填方及路面施工阶段桥墩位移变化
图7道路运营阶段桥墩位移变化
从模型计算结果来看，道路工程不同施工工况对轻轨高架桥结构产生的影响主要体现在桥墩墩身，在数据统计方面即以桥墩墩身变形作为主要数据统计对象，分别从竖向变形、横向变形和纵向变形3个方面分别统计了每个工况影响下的桥墩墩身最大变形值，具体如表1~表3所示。
表1桥墩墩身最大竖向变形
表2桥墩墩身横向位移变形
表3桥墩墩身纵向位移变形
（1）从计算结果来看，施工过程桥墩墩身最大竖向变形为-2.26 mm，方向为沉降变形，发生在道路填方及后续运营工况，最大差异沉降为 1.46 mm。此外，在道路填方至路面施工期间，桥墩竖向变形由抬升变为沉降，相对变化最为明显。
（2）从计算结果来看，施工过程桥墩墩身最大横向变形为 0.76 mm，发生在道路运营工况，最大差异变形为 0.12 mm。在道路填方至路面施工期间，桥墩墩身横向变形相对变化最为明显。
（3）从计算结果来看，施工过程桥墩墩身最大纵向变形为 0.78 mm，发生在道路运营工况，同样，在道路填方至路面施工期间，桥墩墩身纵向变形相对变化最为明显。
2.2 控制指标建议
根据城市轨道交通管理部门要求，在轨道交通结构安全保护区范围内实施限制性施工需采取一定的监测技术手段，保障施工作业对结构影响安全可控（蒙健等，2018；张月超等，2022）。监测控制指标的确定是一项重要的工作，在本工程实施前，依据评估分析结论，并参照地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理相关规定，确定工程施工过程中高架桥结构及轨道结构的变形控制指标值（中华人民共和国住房和城乡建设部，2013a，2013b，2017）。由于工程施工影响主要结构为桥墩墩身，其上部通过支座与箱梁连接，墩身变形直接影响箱梁结构，将影响列车运营安全，因此，在实际监测中需要将箱梁结构变形一并纳入。根据本工程特点，同时考虑到现有常规测量仪器的监精度，并为后期其他工程预留一定的安全储备，综合考虑确变形控制值如表4所示。
表4高架桥箱梁及桥墩
综合分析以上结果，市政道路工程施工对轻轨高架桥结构影响主要集中在桥墩墩身结构，结构变形最为激烈期均发生在道路清表至道路施工阶段，该施工过程中地层卸载、加载变化较大，对周边影响较大；路面施工完成至道路运营期间，桥墩变化逐渐趋于平稳；墩身结构变形直接影响上部箱梁结构，影响列车运营安全，在监测作业中有必要将箱梁结构变形一并纳入。
3 工程影响监测与分析
市政道路基坑开挖时的自身稳定和对周围建筑物的影响是道路工程中的重要问题，基坑工程施工现场监测的内容主要包括围护体系和基坑周边环境监测（丁莹莹等，2019）。根据现行的国家规范标准，对处于控制保护区内的关键外部作业，应对受其影响范围的城市轨道交通结构进行全过程监测，监测工作不应影响城市轨道交通的正常运营 （高鹏等，2024；黑君淼等，2024；龙四春等，2024）。
图8桥墩墩身竖向位移变化监测曲线图（+上升、-下降）
图9桥墩墩身水平位移变化监测曲线图（+远离施工区、-靠近施工区）
结合上述安全影响评估分析，对受市政道路施工影响的轻轨高架桥结构进行专项监测，监测对象为高架桥桥墩墩身和上部箱梁结构。重点监测内容包括桥墩竖向位移、墩顶水平位移。根据前一章节分析，道路工程施工主要影响结构为桥墩墩身，在监测数据统计方面也以桥墩墩身数据为主要分析对象，具体如图8、图9所示。
从监测数据变化图可以看出，轻轨高架桥结构竖向位移和水平位移变化主要分为2个阶段。第一阶段，从 6 月份至 8 月份，该阶段主要为道路清表、管线施工及回填，桥墩竖向位移发生轻微扰动，桥墩水平位移发生向施工侧轻微偏移，桥墩结构变化较小。第二阶段，从 8月份至次年 4月份，该阶段主要为道路填方、路面施工及运营，从数据变化情况可以看出高架桥结构变形是相对剧烈的，此时的风险等级最高；在施工后期，高架桥结构变形逐步平稳。监测数据变化情况与有限元模型评估分析结论基本一致，说明评估分析模型有效，并且在指导工程施工方面是十分必要的。同时，由于工程施工的特殊性及区域地层复杂性，现有的有限元模型分析方法尚不能完全体现其内部变化规律，仍有许多值得探讨和研究的内容。
4 结论
本文结合市政道路工程实际，通过有限元建模分析方法，针对不同施工工况模拟分析了对轻轨高架桥结构的影响状况。
（1）结构变形影响最大的施工工况为道路清表及填方施工阶段，累计最大变形延续至道路运营工程阶段，施工影响评估分析和施工变形监测是保障顺利施工和轻轨运营安全的基础。
（2）市政道路工程施工对周边结构物的影响程度受施工方法、区域土质力学性能参数影响较大。
轨道交通结构控制保护区范围内的外部施工作业，应严格控制其施工步骤及影响范围、开展详细的施工影响评估是十分必要的，根据工程影响评估结果结合必要的变形监测保障措施可以有效地降低不良施工对轻轨高架桥的影响。