江北区武江路立交临时支架基础验算.docx

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江北区武江路立交临时支架基础验算

第一章前言

1.1工程项目背景

重庆市江北区位于嘉陵江、长江交汇处北岸，东、南、西三面分别与巴南、南岸、渝中、沙坪坝等区隔江相望，北与渝北区接壤。

江北区是重庆重要的工业、商贸大区。

项目所在石马河片区为江北区城市拓展区域，是三大商圈之一江北嘴商圈的重要组成部分。

周边交通路线路网环绕，外接重庆外环高速公路、江北滨江路、大石路、盘溪路、金开大道等几条高等级道路，畅连重庆主城各区，距市中心、机场及市内各区均在20分钟左右车程；区域规划建筑面积将达到700多万平方米，住宅面积将达到460多万平方米，规划人口是35万，加上成形的高尔夫球场和宽广的江岸线，其区域将成为重庆市高档生态住宅区，现已成为众多本地及外地开发企业关注的焦点。

石马河片区部分现状节点如：

盘溪路交叉口、南桥寺转盘，远期规划为立交形式，以前修建时，综合考虑当时的交通量、地块开发进度、工程投资等因素，暂时按平交口修建，并预留了远期立交的走廊，且控制了道路红线。

随着周边路网建设的不断完善，地块开发的加速发展及汽车保有量的不断攀升，部分节点已无法承担其日益增加的通行压力，形成了交通瓶颈，对其进行改造的时机已经成熟。

武江路立交西接武江路三期及“两双工程”，东接冉家坝片区，北接大竹林、南接盘溪，是南桥寺片区向西进出城，及周围片区之间交通转换的重要节点，现状交叉口已拥堵不堪，武江路三期通车后将进一步加剧其交通压力。

因此，武江路立交的建设迫在眉睫。

1.2项目区位

本项目位于江北区南桥寺——重庆市中医院转盘处。

图1.1项目区位图

图1.2桥梁施工临时支墩布置图

1.3工程概况

根据规划，并结合周边用地和现状地形情况，本工程将现状南桥寺平交转盘改造为“菱形”立交：

盘溪路上跨直行，武江路下穿直行，其余方向在渠化后的平交口转换。

盘溪路改造长度约为810m，其中，上跨桥长约309.22m（钢箱梁），双向四车道，设计车速60km/h，上跨桥标准路幅宽度为19m。

A、B匝道与盘溪路主线平行，全长均为475.833m，设计车速40km/h。

武江路改造长度约为760m，其中，车行下穿道长约140m,双向四车道，设计车速50km/h（与武江路三期一致）,下穿道标准路幅宽度为18.5m。

C、D匝道与武江路主线平行，C匝道长477.875m，D匝道长484.126m，设计车速40km/h。

盘溪路改造长度约为810m，其中，上跨桥长约310.62m（钢箱梁），双向四车道，设计车速60km/h，上跨桥标准路幅宽度为19m。

1.4工作内容

依据相关规范要求，采用数值模拟的结构稳定性评价方法对桥梁施工期间的地铁主体结构稳定性状态进行分析，得出地铁结构稳定性分析结果，为桥梁安全施工提供保障。

1.5工作方法

（1）已有研究资料收集及分析

系统收集并研究现有的地理、气候、地震、地质等区域资料，重点查找出建立数值模型所需各项材料物理力学参数。

（2）桥梁施工下研究区数值模拟分析

桥梁施工增设临时墩时，对地铁结构体进行数值模型模拟分析。

采用三维有限元软件（Midas/GTS）进行数值模拟分析，分别对初始状态和施加临时墩荷载作用两种状态下地铁主体结构应力、变形进行分析，并依据计算结果结合相关规范要求，综合分析评价桥梁施工增设临时墩时，地铁主体结构稳定性状态。

1.6评价依据

（1）《城市轨道交通工程测量规范》（GB/T50308-2017）；

（2）《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013）；

（3）《建筑变形测量规范》（JGJ8-2016）；

（4）《城市轨道交通运营管理规范》（GB/T30012-2013）；

（5）《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）；

（6）《建筑地基基础设计规范》（DBJ50-040-2006）；

（7）《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）；

（8）《地铁设计规范》（GB50157-2013）；

（9）《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）；

（10）《重庆轨道交通环线~南桥寺区间岩土工程勘察报告（YDK11+328.598~YDK12+807.625）》（补充勘察）（2014.11）；

（11）《工程测量规范》（GB50026-93）；

（12）重庆市轨道交通公司相关要求等。

第二章江北区武江路立交工程地质特征

2.1江北区武江路立交工程地质概况

2.1.1气象水文

根据重庆市气象局的气象观测资料，勘察区内的气象特征具有空气湿润，春早夏长、冬暖多雾、秋雨连绵的特点，年无霜期349天左右。

多年平均气温18.3℃，月平均最高气温是8月为28.1℃，月平均最低气温在1月为5.7℃，日最高气温43.0℃（2006年8月15日），日最低气温-1.8℃（1955年1月11日）。

多年平均降水量1082.8mm，降雨多集中在5～9月，其降雨最高达746.1mm左右，日最大降雨量266.7mm（出现在2007年7月17日），小时最大降雨量可达65mm。

多年平均相对湿度79%左右，绝对湿度17.7hPa左右，最热月份相对湿度70%左右，最冷月份相对湿度81%左右。

全年主导风向为北，频率13%左右，夏季主导风向为北西，频率10%左右，年平均风速为1.3m/s左右，最大风速为26.7m/s。

根据调查，拟建武江路立交附近无河流，湖泊等大型地表水体。

2.1.2地形地貌

拟建武江路立交附近地貌宏观上属嘉陵江Ⅳ级阶地，地形总体较平缓，后来在长期地质作用下，呈构造剥蚀浅丘地貌。

因地处城区，人类活动频繁，原始地形遭到破坏，地面经人工改造成城市道路（南桥寺转盘）或城市绿化用地，在场地周边原始地貌区，仍可见卵石分布，具有典型的阶地沉积特征。

目前，场地地形平缓，地形总体趋势北高南低，地形总体坡角2～5°。

目前地面高程293～304m，相对高差约11m。

2.1.3地层岩性

拟建武江路立交位于川东南弧形构造带，华蓥山帚状褶皱束东南部的次一级构造，构造骨架形成于燕山期晚期褶皱运动。

地质构造隶属沙坪坝背斜西翼。

构造线呈北北东走向，构造形态向北逐渐收敛向南撒开，因而两翼宽缓，受应力作用相对微弱，场地内未发现断层通过。

岩体结构面主要受构造裂隙控制，根据地面地质调绘，岩体特征如下：

岩层产状：

倾向290，倾角7，岩层面层间结合一般，无充填，属硬性结构面。

场地内主要发育两组构造裂隙：

J1：

335∠65～75，延伸3～7m，微张1~2mm，间距1.5～2.50m，偶见钙质充填，结合差，属硬性结构面；J2：

268∠60～70，延伸2～8m，一般闭合～微张，平直，间距1～2m，偶见泥质充填，结合差，属硬性结构面。

2.1.4地层岩性

区内分布地层为第四系全新统人工填土（Q4ml）和残坡积粉质粘土（Q4el+dl）和侏罗系中统沙溪庙组（J2S）泥岩、粉砂岩及砂岩组成。

各岩土层具体描述详见地勘报告。

2.1.5水文地质条件

拟建场地位于嘉陵江IV级阶地，场地内第四系覆盖层主要为素填土、粉质粘土，分布广泛，基岩为砂岩、泥岩互层的陆相碎屑岩，地下水富水性受地形地貌、岩性及裂隙发育程度的控制。

场地内地下水受大气降雨补给。

根据地下水的赋存条件、水理性质及水力特征，可将其划分为第四系松散层孔隙水和碎屑岩类孔隙裂隙水两种类型。

（1）第四系松散层孔隙水

该类地下水主要分布于原始沟谷低凹地带的第四系残坡积层和素填土层中，为上层滞水，水量大小不一，动态幅度大，水质成分由含水介质的性质决定。

具就近补给、就近排泄特点，且受季节影响显著，水量较小。

地下水接受大气降雨补给，向地势更低的溪河排泄。

本场地素填土层呈松散～稍密状（N63.5修正后锤击数，1.7～13.4击，厚度加权平均锤击数5.78击，变异系数0.300～0.527，变异性大），主要成分为粉质粘土、砂岩、泥岩块碎石，粒径20～350mm，块碎石含量25～40%，根据地区经验，本场地填土渗透系数可取经验值2.3m/d。

（2）碎屑岩类孔隙裂隙水

包括风化裂隙水和构造裂隙水。

风化裂隙水分布在浅表层基岩强风化带中，为上层滞水或小区域潜水，水量小，受季节影响大，各含水层自成补给、径流、排泄系统。

构造裂隙水主要分布于砂岩层中，以层间裂隙水或脉状裂隙水形式储存，而泥岩相对隔水。

该类地下水的特点是分布广泛，不具大范围内水力联系，水量稍大，动态较稳定。

收集钻孔HNQZ16的压水试验成果，见表2.3，砂岩的渗透系数为0.021～0.064m/d，属弱透水层，结合地区经验，本场地砂岩渗透系数可取0.05m/d。

2.1.6不良地质

场地内岩土层层序正常，未发现断层，滑坡、软弱夹层等不良地质现象，工程地质条件较好。

桥址区不良地质主要为强震区，不存在滑坡、泥石流、采空区等其他不良地质。

2.1.7地震

根据《城市桥梁抗震设计规范》CJJ166-2011、《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）及《中国地震动参数区划图》（GB18306—2001），拟建场地抗震设防基本烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组第一组。

盘溪路为主干路，其上跨桥单孔跨径52m，属大桥，桥梁抗震设防类别为丙类，桥梁抗震措施设防烈度为7度。

2.2工程地质条件评价

2.2.1岩土工程参数

根据现场钻探、原位测试、室内试验成果及查阅相关规范，结合地区经验，综合确定项目场区地层设计参数见表2.1。

2.1岩土工程设计参数表

岩土名称

参数

粉质粘土

素填土

砂岩

砂质泥岩

裂隙面

岩层面

强风化

中等风化

强风化

中等风化

重度（kN/m3）

19.9*

19.5*

24.0*

24.8

24.0*

25.60

天然抗压强度（MPa）

41.7

8.7

饱和抗压强度（MPa）

31.4

5.3

岩石地基承载力基本容许值（kPａ）

120*

400*

2500

300*

1000

岩石地基承载力特征值（kPａ）

120*

300*

9420

200*

1590

内摩擦角φ（ο）

12*

综合28*

30*

42

29*

32

18*

15*

内聚力C（kPa）

30*

150*

2190

80*

624

50*

25*

锚杆砼与岩石的粘结强度（MPａ）

1.2*

0.36*

弹性模量（MPa）

4692

1225

变形模量（MPa）

3878

822

泊松比μ

0.45*

0.40*

0.12

0.45*

0.37

围岩弹性反力系数（MPa/m）

100*

150*

500*

100*

300*

岩层水平地基系数（MN/m3）

60*

320*

30*

60*

水平方向土质地基系数m和m0（MN/m4）

3*

3*

抗拉强度（kPa）

720

148

岩土与圬工的摩擦系数

0.20*

0.25*

0.35*

0.55*

0.30*

0.40*

渗透系数k（m/d）

/

2.3*

/

0.05

/

/

注：

带“*”的参数为经验值。

2.2.2水土的腐蚀性评价

根据地勘报告，地下水对混凝土结构有微腐蚀性。

对钢筋混凝土结构中钢筋有微腐蚀性。

第三章桥梁施工对地铁主体结构稳定性影响分析

3.1采用软件介绍

Midas/GTS（GeotechnicalandTunnelanalysisSystem）是将通用的有限元分析内核与岩土结构的专业性要求有机地结合而开发的岩土与隧道结构有限元分析软件。

其特点主要包括：

全面的岩土领域分析功能，既能提供二维的也能提供三维的岩土分析功能；拥有高效的前处理能力，软件内置各种建模助手、并含有丰富多样的网格划分能力；拥有专业的单元库和本构模型；后处理功能强大。

软件所适用的范围非常广泛，在岩土工程施工阶段、渗流分析、固结分析、边坡稳定性分析、动力分析、衬砌与锚杆结构分析和设计方面均能适用。

岩土工程施工阶段模拟

①复杂的地层和地形、地下结构开挖和临时结构的架设与拆除②基坑、矿山巷道、井建的开挖、支护③隧道口、T型/Y型连接部、陡坡、竖井或横向通道与隧道的连接等

渗流分析

①隧道、大坝、边坡的稳态/非稳态渗流分析②将达西定律的应用从饱和区域扩展到非饱和区域③应力渗流耦合分析

固结分析

①排水（非粘性土）分析与非排水（粘性土）分析②各阶段的孔隙水压和固结沉降结果

边坡稳定分析

①强度折减法②极限平衡法

动力分析

①地震、爆破等任意荷载的动力分析②振型分析、反应谱分析、时程分析

衬砌、锚杆的结构分析与设计

①荷载-结构模式的二衬的内力、应力、变形计算与设计②锚杆单元内力、应力、变形计算与设计

3.2地铁区间段有限元分析

根据地勘资料，采用Midas/GTS有限元软件建立地铁区间段三维数值计算模型，计算模型如图3.1，模型底长90m，宽30m，高75m，节点数11916，单元数14474。

边界条件为前后左右边界水平方向（X、Y方向）约束，底边界全约束，重力加速度取9.80m/s2，模型地层分为两层，由地表至地下15m范围为素填土，素填土以下部分均为砂岩地层，隧道衬砌采用C40混凝土，地表临时支墩基础采用C30混凝土，各模型材料参数见表3.1。

每个临时支墩施加750kN集中力，通过等效法施加面荷载于支墩基础上表面，荷载施加过程见图3.3。

计算结果分析分为两个阶段，即初始状态应力分析与临时支墩荷载下应力分析。

表3.1模型各材料物理性质参数

模型材料

E（Mpa）

c（kpa）

φ（°）

μ

γ（KN/m3）

砂岩

4692

2190

42

0.12

24.8

素填土

5

28

28

0.45

19.5

C40混凝土

32500

/

/

0.2

23.9

C25混凝土

28000

/

/

0.2

23.7

图3.1地铁区间段有限元模型

图3.2隧道衬砌结构

（a）立体图（b）正面图

图3.3临时支墩荷载施加过程

3.2.1应力分析

图3.4初始状态最大主应力云图

图3.5临时支墩荷载下最大主应力云图

从计算结果图3.4-3.5可知，隧道拱顶与上层底板处最大主应力均为拉应力，提取拱顶与上层底板处主应力值得：

初始状态拱顶拉应力为36.61kpa，上层底板拉应力为148.27kpa，施加临时支墩荷载下拱顶拉应力为38.71kpa，上层底板拉应力为149.50kpa。

由此可得施加荷载后拱顶拉应力增加2.1kpa，上层地板拉应力增加1.23kpa，拉应力改变量均未超过20kpa，满足要求，隧道结构体稳定。

图3.6初始状态最小主应力云图

图3.7临时支墩荷载下最小主应力云图

从计算结果图3.6-3.7可知，隧道拱顶与下层左边墙处最小主应力均为压应力，提取拱顶与下层左边墙处主应力值得：

初始状态拱顶压应力为463.29kpa，下层左边墙压应力为2626.09kpa，施加临时支墩荷载下拱顶压应力为468.09kpa，下层左边墙压应力为2640.10kpa。

由此可得施加荷载后拱顶压应力增加4.8kpa，下层左边墙压应力增加14.01kpa，压应力改变量均未超过20kpa，满足要求，隧道结构体稳定。

3.2.2位移分析

图3.8临时支墩荷载下位移云图

根据图3.10数值模拟计算结果可知，施加临时支墩荷载后，Z方向最大位移发生在临时支墩基础上，最大位移为55mm，隧道拱顶处位移为-0.0352mm。

地铁区间隧道衬砌结构体基本无变形，隧道安全稳定。

3.3地铁车站段有限元分析

根据设计资料，采用Midas/GTS有限元软件建立地铁车站段三维数值计算模型，计算模型如图3.9，模型底长23.4m，宽16m，高1.6m，节点数7106，单元数7916。

边界条件为前后左右边界水平方向（X、Y方向）约束，底边界全约束，重力加速度取9.80m/s2，模型包含三部分，从上至下依次为：

临时支墩基础（高度0.5m），混凝土垫层（厚度0.1m）、地铁车站顶板（厚度1m）。

地表临时支墩基础与垫层均采用C25素混凝土，地铁车站顶板采用C40混凝土。

各模型材料参数见表3.1。

每个临时支墩施加750kN集中力，通过等效法施加面荷载于支墩基础上表面，荷载施加过程见图3.10。

计算结果分析分为两个阶段，即初始状态应力分析与临时支墩荷载下应力分析。

表3.1模型各材料物理性质参数

模型材料

E（Mpa）

c（kpa）

φ（°）

μ

γ（KN/m3）

C40混凝土

32500

/

/

0.2

23.9

C25混凝土

28000

/

/

0.2

23.7

图3.9地铁车站段有限元模型

（a）立体图

（b）正面图

图3.10临时支墩荷载施加过程

3.3.1应力分析

图3.11初始状态Z方向应力云图

图3.12临时支墩荷载下Z方向应力云图

图3.13车站顶板与结构柱附近Z方向应力云图

根据图3.11-3.13数值模拟计算结果，提取车站顶板与结构柱附近Z方向应力值见表3.2。

表3.2车站顶板与结构柱附近Z方向应力值

位置

初始应力（Kpa）

加载后应力（Kpa）

传递应力（Kpa）

1#结构柱

20.34

231.56

211.22

2#结构柱

20.34

231.56

211.22

3#结构柱

20.32

236.41

216.09

1#顶板

20.27

37.82

17.55

2#顶板

20.26

39.12

18.86

3#顶板

20.26

29.39

9.13

由表3.2可知，施加临时支墩荷载后，1-3#结构柱上承受的传递力分别为211.22kpa、211.22kpa、216.09kpa，满足结构柱抗压强度，结构柱安全稳定；1-3#顶板上承受的传递力分别为17.55kpa、18.86kpa、9.13kpa，均未超过20kpa，满足相关要求，顶板安全稳定。

3.3.2位移分析

图3.14临时支墩荷载下位移云图

根据图3.14数值模拟计算结果可知，施加临时支墩荷载后，Z方向最大位移发生在1#临时支墩基础上，最大位移为0.0505mm，而地铁车站顶板结构几乎无位移，地铁车站结构安全稳定。

第四章结论

（1）地铁区间段上方施加临时支墩荷载后隧道拱顶与上层底板处最大主应力均为拉应力；施加荷载后拱顶拉应力增加2.1kpa，上层地板拉应力增加1.23kpa，拉应力改变量均未超过20kpa，满足《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013）及重庆市轨道交通公司相关要求，隧道结构体稳定。

（2）地铁区间段上方施加临时支墩荷载后隧道拱顶与下层左边墙处最小主应力均为压应力；施加荷载后拱顶压应力增加4.8kpa，下层左边墙压应力增加14.01kpa，压应力改变量均未超过20kpa，满足《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013）及重庆市轨道交通公司相关要求，隧道结构体稳定。

（3）地铁区间段上方施加临时支墩荷载后，Z方向最大位移发生在临时支墩基础上，最大位移为55mm，隧道拱顶处位移为-0.0352mm。

地铁区间隧道衬砌结构体基本无变形，满足《建筑变形测量规范》（JGJ8-2016）要求，隧道安全稳定。

（4）地铁车站上方施加临时支墩荷载后，1-3#结构柱上承受的传递力分别为211.22kpa、211.22kpa、216.09kpa，1-3#顶板上承受的传递力分别为17.55kpa、18.86kpa、9.13kpa，均未超过20kpa，满足《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013）及重庆市轨道交通公司相关要求，顶板及结构柱安全稳定。

（5）地铁车站上方施加临时支墩荷载后，Z方向最大位移发生在1#临时支墩基础上，最大位移为0.0505mm，而地铁车站顶板结构几乎无位移，满足《建筑变形测量规范》（JGJ8-2016）要求，地铁车站结构安全稳定。