桥梁上跨既有隧道工程的设计方式分析

李玲

莱阳市建筑设计研究院有限责任公司 山东 烟台 265200

摘要：随着国民经济的不断发展，交通运输日益繁忙，公路、城市道路与既有隧道交叉，要求设置立体交叉的数量日益增多。在新建桥梁近距离上跨已有隧道时，在施工过程中不可避免地将对下方隧道产生影响，因此正确评估新建公路施工期间对既有隧道的影响状况和影响程度，掌握既有隧道的变形规律，才能保证既有线的安全运营。基于此，本文就新建桥梁上跨既有隧道工程设计进行分析探讨。

关键词：新建桥梁；上跨；既有隧道；工程设计

前言：对于新建结构物跨越既有隧道的设计方案评估，许多专家学者通过数值模拟、理论计算和现场实测等多种手段，对新建结构物对既有隧道的影响进行了详细的分析，并取得了一定的成果。本文以某公路桥梁工程为例，通过有限元软件 MIDAS/GTS，研究了新建公路桥梁上跨既有隧道时，对隧道造成的影响，并依据计算结果提出了相应的安全防护措施，为类似工程提供经验和参考。

1工程概况

以某公路桥梁工程为例，该桥上部构造采用 3×40m 预应力混凝土 T 梁，先简支后结构连续，下部构造墩采用双柱式墩，基础均采用灌注桩基础，墩台桩基础采用回旋钻成孔施工，由于道路开挖后隧洞覆土层变薄，开挖后对隧道上部有卸载作用，桥梁施工时的桩基开挖及卸载作用，和运营的车辆、行人荷载通过桩基进距离作用于邻近土体，也会影响到隧道。本文采用三维非线性有限元软件对公路施工过程中主要施工步对隧道影响进行分析，判定其对隧道安全的影响。

2工程设计

为了尽量减少公路桥梁的建设对路基的影响及满足上跨净空要求，采用桥孔布置为右幅 3×40m、左幅 3×40m 预应力混凝土 T 梁桥上跨龙形隧道的方案，该方案桥面高程为 310.668m，梁底高程为 307.968m( 不包括桥下净空 )，桥下隧道顶高程为294.47m，桥梁底至隧道顶的净空高度为 13.498m，桥墩边缘距隧道外墙边缘的最小距离为 9.8m。

桥梁孔跨现布置方案为：

右幅 3×40m、左幅 3×40m 预应力混凝土T梁(梁高2.5m，铺装层厚0.2m)，下部构造采用直径为1.6m双柱墩、直径为 1.8m 桩基础，桥台采用桩柱式桥台。该桥型方案从隧道上方通过，桥墩桩基离隧道外墙边缘有较大的距离，主梁采用现场预制，架桥机架设的施工方案，施工期间对列车运行产生影响小。桥址区第四系覆盖层为坡积含碎石粉质黏土，多沿缓坡面分布，厚度较小，下伏基岩为震旦系坝里组、沙坝黄组 (Z1^s －Z2b) 板岩。第四系 (Q)。粉质黏土 (Q4dl)：黄褐色、红褐色，可塑，土质不均匀，含较多石英颗粒，韧性、干强度中等，分布于两侧桥台山坡上。震旦系坝里组、沙坝黄组 (Z1^s － Z2b)。强风化板岩(Z1^s － Z2b)：灰黄色，细粒变余结构，板状构造，岩体破碎，岩芯以砂土状、碎块状为主，块径 3 ～ 7cm，质软易碎，承载力基本容许值［fa0］=500~600kPa，摩阻力标准值 qik=120~140kPa。中风化板岩 (Z1^s － Z2b)：青灰色，细粒变余结构，板状构造，板状劈理发育，见变质矿物条带，岩体较破碎，岩芯以块状、短柱状为主，节长一般 5~12cm、块径 5~8cm。强风化板岩，层厚38m~40m。桥位区地表水不发育，地下水类型主要为松散堆积层孔隙水及基岩裂隙水，勘察期间未量测到稳定地下水埋深。1）松散层孔隙水：主要赋存于 (Q4dl) 粉质粘土中，接受大气降水补给，顺地形向低洼处排泄，其透水好、赋水性差，水量贫乏。2）基岩裂隙水：不均匀地赋存于板岩裂隙中，主要接受大气降水的渗入补给，其次为地下水的相互转换补给、第四系松散堆积物孔隙水的渗入补给等。基岩节理、裂隙和层面是地下水的主要赋存场所和运动通道。地下水的流向受地形的控制，地形上的分水岭也是地下水的分水岭，总体流向与现代水系的地表水流向基本一致，主要以渗水的形式排泄于地形低洼处。据调查，本次未发现该类地下水出露点，故该类地下水贫乏。依据《公路工程地质勘察规范》(JTG C20 － 2011) 中规定，项目区环境类型属于Ⅱ类，根据水样水质分析报告判定，场区内地表水及地下水对混凝土结构及混凝土中钢筋具有微腐蚀性，对钢结构具微腐蚀性。根据勘测部门的结论，评估范围内地下水不发育，故暂不考虑地下水对隧道的影响。

3评估方法与内容

3.1数值分析计算假定与模型

1. 将土层简化为水平层状分布的连续材料。基于宏观行为，本构模型采用基于广义胡克定律的弹性模型，采用实体单元模拟土体。该模型在数值计算中效率很高，效果很好，收敛很快，计算相对稳定，能较好的描述材料的整体行为，在土木工程领域内得到了广泛的应用。

2. 混凝土采用线弹性模型，衬砌单元选用壳单元。

3. 为简化地形地面采用最不利坡面进行模拟。

4. 模型的左右边界施加水平约束，底部施加竖向位移约束，顶面自由。根据工程经验分析，考虑到挖方和填方土体的影响范围及尽可能简化减少节点等因素，计算范围选取 50m×65m 的土体单元。在此区域模拟土层、隧道、桥梁桩基，通过激活钝化开挖区域的土体单元，衬砌单元模拟开挖及桩基施工工程及其影响。

3.2评估计算工况

计算模拟施工步骤为：

1. 施加边界条件，模拟大区域天然地应力场；

2. 开挖表层粘土；

3. 开挖强风化板岩；

4. 施工桩基；

桩基荷载加载结合 MIDAS/GTS 软件的激活、钝化技术及网格自适应功能可有效准确的计算具有复杂几何边界及多种介质条件下的岩土、结构等二维力学运算。

3.3评估结论

3.3.1路堑开挖对隧道的影响

开挖表层土时，由于上层土的卸载下层土发生了一定程度的回弹变形，表层粘土卸载后强风化岩的回弹值约为 3.15mm。当开挖第二层强风化岩时，土体的最大变形回弹变形发生在近山顶侧，基本规律为回弹值与土方开挖量成正比，与土体弹性模量成反比。开挖面最大回弹值约为16.24mm。当开挖至第二层强风化岩时，隧道衬砌结构将发生一定量的位移，隧道结构也随着地层回弹发生变形，最大值位于拱顶，为 10.32mm，最小值位于隧道仰拱位置，约为 5.03mm。因此轨道位置因隧道回弹造成的隆起高约为 6mm。大于作业验收的 4mm控制值，等于经常保养的 6mm 控制值。

3.3.2桩基施工对隧道的影响

基墩台桩基础采用回旋钻成孔施工，桩径分别为 1.8m、2m。回旋钻成孔过程中需考虑一定的护壁或防塌孔措施。经实地对隧道洞身的衬砌的核查，确定桩基外缘与隧道二衬外缘最小距离为 9.0m。隧道系统锚杆长度为 3m，桩基外缘与隧道系统锚杆末端净距有 6m。开挖桩基时地层各向位移应变最大位置发生在桩孔中心位置，并且发生在直径为 2m 的桩身上，最大值为 2.48mm。具体施工时应尽可能选择在旱季施工，且禁止使用爆破计算，应采用人工钻孔桩施工方法，以确保桩基施工质量和隧道结构的安全性。

3.3.3车辆行车荷载对隧道的影响

该桥梁工程采用公路-Ⅰ级荷载标准，跨越段跨度 40m，取 Pk=2(l0+130)=340kN；取qk=10.5kN/m。计算时，为排除之前的施工步骤对计算分析的影响，先对初始位移阶段性清零。对桥台路基段车辆荷载进行了模拟，结果显示路基加载对隧道的影响数量级为 10mm-5mm。其影响非常微小，基本可认路基段车辆荷载对隧道基本没有影响。

结束语：

本文通过新建公路桥梁施工上跨既有隧道结构安全的影响分析，结合隧道的工程背景和地质概况，通过有限元理论对初始状态、岩土体挖方、桥梁桩基施工、桥面板等先后工况期间岩体的整体位移和隧道位移进行模拟试验，理论分析表明： 桥梁上跨既有隧道的设计方案是可行的，新建公路桥梁的施工运营不会影响既有隧道结构的安全性。

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