斜拉橋支架施工對既有地下隧道的受力影響分析

康廣朝 劉海寬 張代 胡鋒

（河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南 鄭州 450000 ）

斜拉橋支架施工對既有地下隧道的受力影響分析

康廣朝 劉海寬 張代 胡鋒

（河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南 鄭州 450000 ）

橋梁支架施工方便，能較好的確保橋梁的設(shè)計線形，但當(dāng)支架地基范圍內(nèi)有地下結(jié)構(gòu)物時，應(yīng)考慮支架附加荷載對既有地下結(jié)構(gòu)的影響。以鄭州市鄭東新區(qū)北三環(huán)跨西運河斜拉橋為例，應(yīng)用布西奈斯克公式計算了土體應(yīng)力，并結(jié)合有限元軟件對緊鄰橋梁的地下隧道進(jìn)行了受力分析，評估了支架附加荷載對地下隧道的影響。

支架施工；布西奈斯克；隧道；受力分析

斜拉橋是一種由塔、梁、索三種基本構(gòu)件組成的組合橋梁結(jié)構(gòu)體系，其施工方法多種多樣。對于一般大跨徑斜拉橋，上部主梁主要采用懸臂澆筑施工方法；對于中小跨徑斜拉橋，可結(jié)合橋位實際地形條件和結(jié)構(gòu)特點，采用支架法、頂推法或平轉(zhuǎn)施工等方法。

支架法是在橋位搭設(shè)滿堂支架，然后立模澆筑混凝土主梁的施工方法。支架法一般應(yīng)用于橋下凈空較低、搭設(shè)方便、不影響橋下通行的橋梁，支架法施工方便，能較好的確保橋梁的設(shè)計線形。支架施工要求支架應(yīng)有足夠的承載能力和穩(wěn)定性，并在澆筑混凝土前進(jìn)行預(yù)壓試驗，以檢驗其承載能力和穩(wěn)定性，并消除非彈性變形。當(dāng)支架地基范圍內(nèi)有地下結(jié)構(gòu)物時，應(yīng)考慮支架附加荷載對既有地下結(jié)構(gòu)的影響。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

鄭州市鄭東新區(qū)北三環(huán)跨西運河橋設(shè)計為獨塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，跨越西運河。受北三環(huán)道路規(guī)劃用地和已建成地下北三環(huán)隧道的影響，該橋緊鄰隧道兩側(cè)采用分離式雙幅橋，并在跨徑組合上采用反對稱布置，其中左幅跨徑組合為（40+109+70）m，右幅跨徑組合為（70+109+40）m，橋梁左幅箱梁全寬29.0m，右幅箱梁全寬26.5m。橋梁左幅立面布置如圖1.1所示。橋梁支架橫斷面布置如圖1.2所示。

1.2 施工方法

鄭州市鄭東新區(qū)北三環(huán)跨西運河橋主梁采用滿堂支架施工，主塔采用翻模節(jié)段澆筑，待塔、梁施工完成后從主塔向兩側(cè)對稱掛斜拉索張拉，完成體系轉(zhuǎn)換后拆除主梁滿堂支架。由于左右兩幅橋梁緊鄰隧道，且橋梁部分支架落在隧道上部填土之上，橋梁施工過程中上部梁體重量對土體產(chǎn)生的附加應(yīng)力將對隧道結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生一定的影響。

1.3 地下隧道結(jié)構(gòu)

北三環(huán)地下隧道橫斷面采用雙孔箱涵形式，單孔凈寬13.5m，隧道結(jié)構(gòu)全寬30.6m，隧道全長4520m，隧道洞身采用C40防水混凝土。該地下隧道采用明挖施工，每隔22～30m設(shè)置一道沉降縫，隧道主體施工完成回填土方將隧道埋于地下。橋梁施工時該隧道已建成通車，橋梁施工區(qū)范圍內(nèi)隧道頂部填土厚度平均為1m左右。

圖1.1 北三環(huán)跨西運河橋立面圖（左幅，單位：cm）

圖1.2 橋梁橫斷面布置圖（單位：cm）

2 土中應(yīng)力的計算

橋梁施工支架荷載將引起隧道頂部、側(cè)面土體應(yīng)力的增加，引起隧道受力的變化。橋梁左右幅非同步施工，當(dāng)橋梁左幅先行支架施工時，隧道受力最不利，因此驗算在左幅橋支架荷載附加作用下隧道受力和變形情況。

2.1 荷載與計算簡圖

橋梁和隧道在順橋向均為長條形結(jié)構(gòu)，可取單位長度作為計算單元，并將支架荷載作用于地面，土中應(yīng)力按均布條形荷載計算［1］。根據(jù)支架方案，支架系統(tǒng)和模板系統(tǒng)的重量按混凝自重的15%計。施工人員及施工設(shè)備、施工材料等荷載按2.5kN/m2計算，振搗混凝土產(chǎn)生的振動荷載水平面板按2.0kN/ m2計算，垂直面板按4.0kN/m2計算。計算上部支架作用于地面的荷載組合值p=57.4kN/m，荷載分布寬度32.4m。隧道填土容重取γ=19.0kN/m3，內(nèi)摩擦角取φ=25°，地下水位按隧道底面以上3m考慮。隧道計算簡圖如圖2.1所示，隧道頂部填土按1m進(jìn)行計算。

圖2.1 隧道受力計算簡圖（單位：m）

2.2 土體對隧道作用力計算

隧道兩側(cè)填土均為人工回填、分薄層碾壓的勻質(zhì)土。將支架地基看成勻質(zhì)、各向同性的線彈性半無限體。如圖2.2所示，對于垂直荷載引起的土體內(nèi)應(yīng)力，采用布西奈斯克（Boussinesq）公式按均布條形荷載作用計算土中應(yīng)力，圖中p為在土體表面作用的均布條形荷載，b為荷載其分布寬度［1～4］。計算土中任一點M（x，z）的豎向應(yīng)力為σz：

圖2.2 均布條形荷載作用下土中σz計算

表2-1 均布條形荷載α0

考慮支架均布荷載和土的作用，土中隧道各特征點總的豎向應(yīng)力，對于地面以下土體容重取浮重度。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）中的計算公式，土體作用效應(yīng)分項系數(shù)取為1.4，土的側(cè)向土壓力系數(shù)［5］

如圖2.1中所示，計算隧道各特征點總的豎向應(yīng)力和測壓應(yīng)力統(tǒng)計于表2-2，對于E點以外遠(yuǎn)離支架的隧道洞身不計支架荷載影響。

表2-2 隧道特征點應(yīng)力值計算

3 有限元模型計算

采用midas/Civil有限元軟件建立隧道的實體計算模型，取30m長隧道作為計算單元。隧道洞身混凝土強(qiáng)度等級為C40，隧道洞身外部荷載按表2-2計算值施加，兩特征點之間線形內(nèi)插。隧道底板鋪裝層作為均布荷載作用于底板。

如圖3.1所示，計算結(jié)果顯示隧道洞身結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為1.497Mpa，位于隧道中墻和底板交接處；靠支架側(cè)隧道隧道洞身頂板計算豎向變形最大值為1.322mm，計算洞身橫向水平位移最大值為0.916mm。

圖3.1 隧道應(yīng)力云圖及變形

在支架附加荷載和土壓力共同作用下，隧道洞身最大拉應(yīng)力小于洞身混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計值1.71Mpa，隧道洞身變形量較小，橋梁支架施工不會對隧道洞身結(jié)構(gòu)造成不利影響。

4 結(jié)論

支架施工除要求支架地基應(yīng)有足夠的承載能力和穩(wěn)定性外，尚應(yīng)考慮支架附加荷載對地基范圍內(nèi)內(nèi)既有地下結(jié)構(gòu)物的影響。對于人工回填、分薄層碾壓的勻質(zhì)土看成勻質(zhì)、各向同性的線彈性半無限體，可采用布西奈斯克公式計算土體應(yīng)力。對現(xiàn)有地下結(jié)構(gòu)物的受力計算應(yīng)同時考慮附加荷載和土壓力的共同作用，選擇合理的計算簡圖和計算模型。經(jīng)計算分析，鄭州市鄭東新區(qū)北三環(huán)跨西運河橋主梁支架施工不會對隧道洞身結(jié)構(gòu)造成不利影響。

［1］ 李廣信，張丙印，于玉貞著.土力學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2013.

LI Guangxin，ZHANG Bingyin，YU Yuzhen. Soil Mechanics. Beijing：Tsinghua University Press， 2013 .

［2］ 符金庫，梁發(fā)云，李彥初.基于布西奈斯克解的堆載土體水平位移解答［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2012年4月第28卷第2期，106-110頁.

FU Jinku，LIANG Fayun，LI Yanchu. Analytical Expression of Lateral Soil Movement due to Surcharge Loadings Based on Boussinesq's Solution［J］. Structural Engineers，Vol.28，No. 2 Apr.2012.

［3］ GB 50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.

GB 50007-2011，Code for design of building foundation［S］.

［4］ JTG D63-2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.JTG D63-2007，Code for Design of Ground Base and Foundation of Highway Bridges and Culverts［S］.

［5］ JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范［S］.

JTG D60-2004， General Code for Design of Highway Bridges and Culverts ［S］.

康廣朝，男，工程碩士，工程師，研究方向：橋梁檢測與加固設(shè)計、施工。

U455

A

1003-5168（2015）11-040-03