淺埋偏壓隧道下穿橋梁的施工方案研究

李 訊，何 川，陳 菲

(西南交通大學(xué)地下工程系，成都 610031)

隨著交通事業(yè)的快速發(fā)展，公路、鐵路路線相互交叉，新建隧道近距離穿越既有結(jié)構(gòu)物的情況越來越多[1-6]。隧道施工過程中需要同時(shí)保證新建隧道的安全和既有結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定，尤其是對(duì)于隧道下穿既有橋梁這一問題更加突入，施工不慎甚至可能造成橋梁垮塌、車毀人亡的嚴(yán)重后果。目前相關(guān)技術(shù)人員與學(xué)者針對(duì)這一問題開展了多方面的研究:吳波[7]采用流固耦合分析，針對(duì)北京地鐵5號(hào)線隧道過河過橋段研究了降水對(duì)橋基的影響，并對(duì)隧道加固方案進(jìn)行了比選;蘇東[8]等結(jié)合北京軌道交通機(jī)場(chǎng)線盾構(gòu)法穿越三元橋的實(shí)際工況，提出了針對(duì)北京地區(qū)典型地質(zhì)條件下的沉降控制措施;李奎[9]采用三維數(shù)值模擬方法，對(duì)北京地鐵5號(hào)線過河過橋隧道施工可能采用的4種超前支護(hù)方案進(jìn)行了分析。目前針對(duì)淺埋偏壓隧道下穿既有橋梁的相關(guān)研究較少，施工時(shí)既有橋的力學(xué)行為有何特點(diǎn)、究竟應(yīng)該先施工淺埋側(cè)還是深埋側(cè)尚不明確。以某高速公路出口淺埋段隧道下穿既有橋梁段為對(duì)象，按先施工淺埋側(cè)和先施工深埋側(cè)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)隧道施工過程中地表沉降、橋墩位移、橋梁受力等方面進(jìn)行了研究，為隧道的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1工程概況

如圖1及圖2所示，新建隧道線路與已建高架橋相交穿過，左線隧道(埋深較深的隧道)從5、6號(hào)橋墩之間穿過，右線隧道(埋深較淺的隧道)從4、5號(hào)橋墩之間穿過。

圖1 隧道與橋梁設(shè)計(jì)平面相對(duì)位置(單位:m)

圖2 隧道與橋墩剖面位置(單位:m)

已建橋梁跨徑布置為7×30 m共1聯(lián)，上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù);下部結(jié)構(gòu)橋墩采用柱式墩、灌注樁基礎(chǔ);橋臺(tái)采用U形橋臺(tái)，擴(kuò)大基礎(chǔ)。新建隧道路面寬度8.5 m，為單線2車道，建筑界限寬度為10 m，高度為5 m，隧道初襯厚27 cm，二襯厚50 cm。

地質(zhì)情況分層從上到下依次為含砂亞黏土、全風(fēng)化黑云母花崗斑巖、弱風(fēng)化黑云母花崗斑巖以及微風(fēng)化黑云母花崗斑巖。地層結(jié)構(gòu)松散，圍巖穩(wěn)定性差，一般無自穩(wěn)能力，容易發(fā)生松動(dòng)變形、小塌方，進(jìn)而發(fā)展成為大塌方。

為確保施工過程中既有橋梁安全，橋墩進(jìn)行了深孔注漿，并對(duì)隧道拱頂采用深孔注漿和超前小導(dǎo)管加固。隧道施工方法為環(huán)形導(dǎo)坑法(圖3)，施工工序?yàn)樯习牖￠_挖，初支→兩側(cè)弧開挖，初支→核心土開挖→下半斷面內(nèi)側(cè)導(dǎo)洞開挖，初支→下半斷面外側(cè)導(dǎo)洞開挖，初支→上二襯。

圖3 隧道施工工法

2 數(shù)值計(jì)算模型及計(jì)算工況

根據(jù)隧道施工圖及勘探資料，建立了數(shù)值計(jì)算模型，如圖4所示。由于隧道埋深較淺，計(jì)算中以自重應(yīng)力場(chǎng)為主?？紤]隧道開挖的影響范圍及“邊界效應(yīng)”[10-12]，左右取全橋結(jié)構(gòu)共210 m，高度方向(即y方向)取仰拱底部以下40 m、拱頂以上取實(shí)際埋深。在模型的下邊界施加豎向約束;左、右邊界施加水平約束。根據(jù)隧道特點(diǎn)，采用平面應(yīng)變分析，隧道圍巖材料特性按均質(zhì)彈塑性考慮，Druck-Prager屈服準(zhǔn)則，圍巖和二襯采用二維平面單元(plane42)，初期支護(hù)噴混凝土、橋梁、橋墩和樁基采用梁?jiǎn)卧?beam3)。

圍巖力學(xué)參數(shù)依據(jù)工程地質(zhì)勘查報(bào)告并參考已施工段隧道施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，取值如表1所示，深孔注漿區(qū)和小導(dǎo)管加固通過將圍巖物理力學(xué)參數(shù)提高半個(gè)到一個(gè)級(jí)別來實(shí)現(xiàn)。

圖4數(shù)值計(jì)算模型

表1 計(jì)算力學(xué)參數(shù)

計(jì)算工況:考慮到不同的施工方案對(duì)橋梁產(chǎn)生影響可能不同，分別按先施工淺埋側(cè)隧道(工況1)和先施工深埋側(cè)隧道(工況2)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 地表沉降

4號(hào)墩～6號(hào)橋墩之間的地表沉降如圖5所示，先施工淺埋側(cè)(右洞)與先施工深埋側(cè)(左洞)的地表沉降曲線類似，兩洞拱頂上方地表位移最大，后行洞施工對(duì)先行洞上方地表最大沉降值影響不大;導(dǎo)致地表沉降的主要施工步均為上半斷面中導(dǎo)洞和兩側(cè)弧導(dǎo)洞開挖，幾乎已完成了整個(gè)沉降量;5號(hào)墩～6號(hào)橋墩之間的地表沉降及范圍大于4號(hào)墩～5號(hào)橋墩，因此在設(shè)置地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)5號(hào)墩～6號(hào)橋墩之間的沉降觀測(cè)點(diǎn)間距應(yīng)設(shè)置得更小，同時(shí)在隧道中導(dǎo)洞和兩側(cè)弧導(dǎo)洞施工時(shí)應(yīng)提高監(jiān)測(cè)頻率。施工完成后，最大地表位移出現(xiàn)在右洞拱頂上方，先施工淺埋側(cè)為14.45 mm左右，先施工深埋側(cè)時(shí)為16.54 mm。

4.2 橋墩位移

先施工淺埋側(cè)時(shí)，4號(hào)墩～6號(hào)橋墩水平側(cè)移如圖6所示。位移分布從大到小依次為墩底、墩身、墩頂，由于橋梁上部結(jié)構(gòu)水平剛度較大，墩頂側(cè)移幾乎為零，而墩底由橋樁基帶動(dòng)發(fā)生側(cè)移，產(chǎn)生的位移最大;水平側(cè)移終值最大值的出現(xiàn)在6號(hào)墩，量值為3.91 mm，其次為5號(hào)墩，為2.18 mm，4號(hào)墩最小，為1.53 mm;施工過程中橋墩水平側(cè)移的最大值為5 mm，出現(xiàn)在右洞施工完時(shí)的5號(hào)墩。

從施工過程中各個(gè)橋墩的側(cè)移發(fā)展歷程上看，橋墩側(cè)移最大增量均發(fā)生在隧道上半斷面兩側(cè)弧開挖階段;4號(hào)墩側(cè)移從施工后即持續(xù)增大，并指向右洞洞身，左洞施工對(duì)4號(hào)墩側(cè)移影響很小，位移基本保持不變;5號(hào)墩側(cè)移先隨著右洞施工而逐漸增大，在上半斷面施工完成后趨于平穩(wěn)，左洞施工后，側(cè)移開始逐漸減小，但最終側(cè)移始終指向右洞;右洞施工完成后，6號(hào)墩墩底向右洞方向產(chǎn)生了0.69 mm的位移，左洞施工后，6號(hào)墩向該方向的側(cè)移大幅增大，在左洞上半斷面完成后側(cè)移達(dá)到3.86 mm后趨于穩(wěn)定。對(duì)比圖中可以看出，左洞施工對(duì)4號(hào)橋墩的影響要大于右洞施工對(duì)5號(hào)墩的影響，這是因?yàn)榈匦纹珘菏箻蚨崭装l(fā)生順坡方向的位移。

先施工深埋側(cè)時(shí)，4號(hào)墩～6號(hào)橋墩水平側(cè)移如圖7所示。位移沿橋墩的分布規(guī)律與先施工淺埋側(cè)時(shí)一致，也表現(xiàn)為墩底最大，墩頂最小;施工完后，6號(hào)墩的側(cè)移量最大，為4.30 mm，較先施工淺埋側(cè)稍大;5號(hào)墩的側(cè)移發(fā)生了兩次轉(zhuǎn)向，左洞施工時(shí)，先偏向左洞洞身，右洞施工后，5號(hào)墩偏向左洞的位移逐漸減小，最終轉(zhuǎn)為偏向右洞洞身，墩底側(cè)移為3 mm。本施工方案5號(hào)墩的側(cè)移發(fā)生了多次轉(zhuǎn)向，可能使墩頂支座發(fā)生剪切破壞，同時(shí)墩身內(nèi)力變化復(fù)雜，混凝土也易開裂。

圖6 工況1橋墩側(cè)移隨施工的變化

圖7 工況二橋墩側(cè)移隨施工的變化

先施工淺埋側(cè)時(shí)橋墩沉降如圖8所示。4號(hào)墩在右洞施工完以后基本上不再變化;右洞施工過程中，5號(hào)墩的沉降始終大于6號(hào)墩，右洞施工完后，5號(hào)墩沉降為1.7 mm，6號(hào)墩為0.26 mm，左洞開始施工后，6號(hào)墩的沉降增速明顯大于5號(hào)墩，并最終超過5號(hào)墩的沉降量，施工完成后，3個(gè)橋墩的沉降量為6號(hào)墩(5.26 mm)＞5號(hào)墩(2.89 mm)＞4號(hào)墩(0.51 mm)。在采用該方案時(shí)，施工右洞，5號(hào)墩為重點(diǎn)監(jiān)控對(duì)象;施工左洞，5號(hào)墩和6號(hào)墩為重點(diǎn)監(jiān)控對(duì)象。

圖8 工況1橋墩沉降隨施工的變化

先施工深埋側(cè)時(shí)橋墩沉降如圖9所示。施工過程中3個(gè)橋墩的沉降量始終為6號(hào)墩＞5號(hào)墩＞4號(hào)墩。對(duì)6號(hào)墩而言，左洞施工完后即完成了主要的沉降量，其最終沉降為5.44 mm;對(duì)5號(hào)墩而言，左右隧道施工均產(chǎn)生了較大的沉降量，其中右洞產(chǎn)生的沉降量稍大于左洞，最終沉降為3.06 mm;左洞施工對(duì)4號(hào)墩基本上沒有影響，右洞施工后4號(hào)墩最終沉降為0.56 mm。在采用該施工方案時(shí)，應(yīng)始終將5號(hào)墩和6號(hào)墩作為重點(diǎn)監(jiān)控對(duì)象。

圖9 工況2橋墩沉降隨施工的變化

從橋墩沉降隨施工步變化可知，無論采取先施工哪側(cè)隧道，造成橋墩沉降的施工步均為中導(dǎo)洞和兩側(cè)弧導(dǎo)洞開挖，因此，在施工中導(dǎo)洞和兩側(cè)弧導(dǎo)洞圍巖時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)橋墩的監(jiān)測(cè)頻率。

3.3 橋梁彎矩

圖10為隧道未施工前4號(hào)墩～6號(hào)墩之間梁體彎矩。先施工淺埋側(cè)時(shí)橋梁彎矩如圖11所示，墩梁位移和變形使橋梁內(nèi)力發(fā)生重分布，右洞完成后，墩梁連接處最大負(fù)彎矩增量為30 kN· m，跨中最大正彎矩稍有減小;左洞完成后，跨中最大正彎矩有所增大，其增量為200 kN·m，而墩梁連接處最大負(fù)彎矩有所減小。因此，在右洞施工過程中，應(yīng)注意觀測(cè)墩梁連接處有無裂縫產(chǎn)生或其他異常情況，在左洞施工過程中，應(yīng)將5號(hào)墩、6號(hào)墩之間梁體跨中截面作為重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。

圖10 隧道施工前橋梁彎矩(單位:N·m)

圖11 工況1橋梁彎矩(單位:N·m)

如圖12所示，先施工深埋側(cè)時(shí)，在左洞完成后，5號(hào)墩～6號(hào)墩梁體跨中最大正彎矩即增加了200 kN·m，右洞施工后，最大正彎矩與左洞施工后相比基本不變。墩梁連接處最大負(fù)彎矩先減小，后增大，但未增加到初始狀態(tài)的量值。與先施工淺埋側(cè)相比，由于本施工方案在施工先行洞時(shí)橋梁即開始承擔(dān)較大的附加正彎矩，且后行洞施工后該附加彎矩基本不變，因此，應(yīng)從施工開始到結(jié)束的整個(gè)階段對(duì)5號(hào)墩～6號(hào)墩之間梁體的跨中截面進(jìn)行密切的監(jiān)控和觀察。

4 結(jié)論

本文按2種不同的施工方案，對(duì)淺埋偏壓隧道施工近接既有橋梁進(jìn)行了研究，通過分析隧道施工對(duì)地表沉降、橋梁位移和受力等方面的影響，得到了如下結(jié)論。

(1)隧道上半斷面中導(dǎo)洞和兩側(cè)弧導(dǎo)洞開挖對(duì)地表沉降和橋墩位移影響最大，應(yīng)增加橋墩的監(jiān)測(cè)頻率;后行洞施工對(duì)先行洞上方地表最大沉降值影響不大。先施工淺埋側(cè)與先施工深埋側(cè)的地表沉降曲線類似，但前者的最大沉降值小于后者。

圖12 工況2橋梁彎矩(單位:N·m)

(2)橋墩側(cè)移從大到小依次為墩底、墩身、墩頂;施工完成后3個(gè)橋墩的水平側(cè)移以及沉降的最大值出現(xiàn)在6號(hào)墩;對(duì)于5號(hào)墩而言，若先施工深埋側(cè)隧道，橋墩從先偏向先行洞轉(zhuǎn)為偏向后行洞，若先施工淺埋側(cè)，橋墩始終偏向先行洞;隧道施工對(duì)4號(hào)墩的影響較小，無論是施工過程中還是施工完成后，其位移值均不大。受橋墩位移的影響，隧道施工使梁體內(nèi)力發(fā)生重分布，5號(hào)墩～6號(hào)墩梁體跨中最大正彎矩增加較大。

(3)綜合考慮地表沉降、橋梁位移和內(nèi)力的變化情況，宜采取先開挖淺埋側(cè)的施工方案。監(jiān)控量測(cè)中應(yīng)將5號(hào)墩和6號(hào)橋墩及之間的梁體作為重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，密切注意施工過程中橋墩位移的變化情況，觀察橋墩和梁體是否有裂縫產(chǎn)生。

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