上跨公路立交主匝道橋施工對既有城際鐵路隧道的影響分析與對策

王永輝

（中國葛洲壩集團(tuán)國際工程有限公司，北京100000）

上跨公路立交主匝道橋施工對既有城際鐵路隧道的影響分析與對策

王永輝

（中國葛洲壩集團(tuán)國際工程有限公司，北京100000）

以中川機(jī)場進(jìn)出口公路立交改造工程主匝道橋上跨蘭州至中川城際鐵路機(jī)場隧道工程為背景，分別從前期樁基施工擾動及后期車輛荷載擾動兩方面分析了上跨公路主匝道橋?qū)扔谐请H鐵路隧道的影響，得出橋梁與城際鐵路隧道交叉段落的樁基中，距離隧道最近為3m的樁基對隧道影響最大，但隧道周邊土體最大位移為0.76mm，樁周最大塑性區(qū)半徑為1.42m且塑性區(qū)未與隧道周邊土體貫通，隧道襯砌主應(yīng)力及安全系數(shù)有小幅波動，均在規(guī)范要求值范圍內(nèi)，因此主匝道橋距離隧道凈距大于3m施工時(shí)，不會對城際鐵路隧道正常運(yùn)營造成影響，最后強(qiáng)調(diào)施工時(shí)應(yīng)注意嚴(yán)禁在隧道上方堆載，加強(qiáng)監(jiān)控量測，設(shè)置隧道兩側(cè)截排水設(shè)施及橋梁水集中引排設(shè)施，以此為同類工程施工提供參考。

上跨；公路主匝道橋；城際鐵路隧道；施工擾動；結(jié)構(gòu)安全分析

DOI10.3969/j.issn.1672-6375.2016.10.018

1　工程概況

中川機(jī)場進(jìn)出口公路立交改造工程位于蘭州新區(qū)境內(nèi)，距離蘭州市區(qū)約67km。改造工程路線起點(diǎn)位于原機(jī)場高速中川收費(fèi)站管理所南600m處，終點(diǎn)位于機(jī)場T2航站樓南約1.25km處，終點(diǎn)順接機(jī)場迎賓大道。中川機(jī)場互通立交改造工程自現(xiàn)有收費(fèi)站處向右側(cè)改移機(jī)場高速主匝道，采用高架橋跨過緯一路口、中川城際鐵路、后落地與迎賓大道中心車道對接，實(shí)現(xiàn)機(jī)場高速與T1、T2航站樓交通快速連接，其余方向通過設(shè)置匝道連接。互通立交改造主匝道橋，橋面寬度20.0m，按雙向四車道設(shè)計(jì)，全長1066.42m。

既有機(jī)場隧道起訖里程為DK60+700～DK63+089.1，全長2389.1m。隧道全部采用明挖法施工，斷面形式為矩形斷面。

中川機(jī)場進(jìn)出口公路立交改造工程主匝道橋與既有機(jī)場隧道交叉里程K1+910（機(jī)場隧道與之對應(yīng)交叉里程DK61+540），交叉角度26.55°。交叉段落上部結(jié)構(gòu)采用兩跨50m波形鋼腹板鋼混組合連續(xù)箱梁，下部采用鋼蓋梁門架式橋墩，橋梁墩臺基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁，根據(jù)受力需要布設(shè)D150cm或D180cm的鉆孔灌注樁。交叉段落處橋梁基礎(chǔ)與隧道的距離關(guān)系見表1所示，平面關(guān)系見圖1所示。

表1　各墩承臺及墩柱離既有線的距離統(tǒng)計(jì)表

圖1　立交段落平面圖

2　機(jī)場隧道質(zhì)量監(jiān)測

為準(zhǔn)確查明機(jī)場隧道現(xiàn)狀質(zhì)量，對本工程影響范圍內(nèi)K60+470～K60+770段落（交叉點(diǎn)前166m，交叉點(diǎn)后134m）的隧道襯砌厚度及襯砌背后空洞情況進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)檢測，使用的儀器為美國GSSI公司研制生產(chǎn)的SIR-4000型地質(zhì)雷達(dá)（序列號：0320），并配用400MHz天線（序列號：327）。

本次檢測共布置了5條測線，即底板、左邊墻、右邊墻、左右拱頂，見圖2所示。

圖2　隧道橫斷面地質(zhì)雷達(dá)測線位置示意圖

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果和相關(guān)內(nèi)部缺陷的判斷方法，測試段內(nèi)襯砌厚度滿足設(shè)計(jì)要求，該段隧道襯砌背后無空洞和不密實(shí)情況。

3　主匝道橋施工對既有機(jī)場隧道影響分析

3.1計(jì)算方法

為考慮樁基施工空間效應(yīng)對既有框架隧道的影響［1，2］，計(jì)算采用三維地層結(jié)構(gòu)法逐根施工鄰近隧道的樁基，并最終得到地層、框架的應(yīng)力及位移在樁基施工前后分布情況，然后取框架結(jié)構(gòu)受荷最不利斷面采用荷載-結(jié)構(gòu)法分析框架內(nèi)力變化情況。

3.2計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，選取距計(jì)算段落最近鉆孔ZK18的土層信息作為計(jì)算參數(shù)來源。模型計(jì)算參數(shù)見表2、表3所示。

3.3計(jì)算模型

計(jì)算范圍內(nèi)土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算，樁、承臺、隧道襯砌采用彈性本構(gòu)模型，為保證模型有足夠計(jì)算精度并盡量減少計(jì)算工作量，本次計(jì)算對計(jì)算范圍進(jìn)行了一定限制，計(jì)算模型尺寸為：從地表向下取80m，橫向取150m，縱向150m。所建立的三維有限元模型見圖3所示。

表2　土層物理力學(xué)參數(shù)

表3　結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

圖3　計(jì)算模型

3.4計(jì)算工況

目前中川城際鐵路處于運(yùn)營狀態(tài)，所以其兩側(cè)的樁基施工產(chǎn)生的圍巖松動和橋墩上部結(jié)構(gòu)傳遞的壓力超載會對隧道造成變形影響。立交工程主匝道橋是在中川城際隧道修建完畢的基礎(chǔ)上進(jìn)行施工的，所以立交工程主匝道橋施工前的地應(yīng)力場需要通過模擬中川城際隧道開挖得到。計(jì)算步1～6計(jì)算中川城際隧道施工完畢后的地應(yīng)力場，其中計(jì)算步1計(jì)算自重作用下的初始應(yīng)力場；計(jì)算步2～6計(jì)算中川城際隧道施工后的二次應(yīng)力場；計(jì)算步7～43模擬橋梁施工。

3.5計(jì)算分析

由于16號墩離隧道最近，且通過計(jì)算16號墩所在樁基開挖對隧道影響較其他墩大，本論述限于篇幅僅從最不利的工況分析16號墩所屬4根樁基開挖對隧道造成的不利影響。通過上述計(jì)算可得如下結(jié)果，見表4所示。

表4　計(jì)算結(jié)果比對

為準(zhǔn)確反應(yīng)機(jī)場隧道在橋梁施工前后襯砌結(jié)構(gòu)的安全性，現(xiàn)按照荷載-結(jié)構(gòu)法將上述地層-結(jié)構(gòu)模式得出的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，施加在襯砌結(jié)構(gòu)上，并按照《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10003—2005）11.2.3可以計(jì)算受彎構(gòu)件各截面的安全系數(shù)，據(jù)各斷面的配筋形式，可以得到截面指定位置的裂縫寬度［3，4］。結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算見圖4所示。

圖4　襯砌內(nèi)力

根據(jù)計(jì)算可提取襯砌各關(guān)鍵位置的內(nèi)力值，通過內(nèi)力值可驗(yàn)算襯砌強(qiáng)度，驗(yàn)算結(jié)果見表5所示。

表5　結(jié)構(gòu)內(nèi)力及強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

由上述計(jì)算得到表4、表5，可看出：

（1）樁基逐根開挖時(shí)，近隧道側(cè)土體向樁內(nèi)側(cè)移動，但土體位移較小，最大僅為0.156mm，發(fā)生在2號樁鉆孔完成后；在所有樁基施工完成后，施加上部結(jié)構(gòu)自重荷載和車輛荷載后，荷載傳遞到樁基及地層中，使樁周土體受到擠壓，近隧道側(cè)土體位移因擠密而略微減?。?/p>

（2）計(jì)算中樁基單次挖方至設(shè)計(jì)高程，荷載一次性釋放，屬于大體積卸荷現(xiàn)象，會造成襯砌結(jié)構(gòu)的局部隆起，且不均勻分布，但隆起量均較小，最大隆起量僅為0.113mm，發(fā)生在1號樁鉆孔完成后，隨后在樁基灌注完成后，隆起量隨之減小；在施加上部結(jié)構(gòu)自重荷載和車輛荷載后，荷載傳遞到樁基及地層中，樁周土受到摩擦帶動及基底土受到擠壓而使襯砌周邊土發(fā)生向下移動的趨勢，并最終沉降0.76mm；

（3）開挖樁基會造樁周邊土體發(fā)生一定范圍的塑性屈服，但在隨后樁基澆筑后塑性區(qū)的范圍隨之減小，即對隧道最不利情況發(fā)生在樁基開挖過程中，整個(gè)開挖過程，塑性區(qū)最大半徑僅為0.76m，并未造成近隧道側(cè)土體屈服松動；在施加上部結(jié)構(gòu)自重荷載和車輛荷載后，塑性區(qū)半徑達(dá)到1.42m，但塑性區(qū)范圍并未與近隧道側(cè)土體貫通，對既有隧道結(jié)構(gòu)影響甚微；

（4）由表4可看出，逐根施工樁基的過程中，隧道襯砌主拉應(yīng)力會逐步增大，但增幅較小，最大主拉應(yīng)力為1.87Mpa；襯砌主壓應(yīng)力基本無波動，最大值為4.064Mpa；在施加上部結(jié)構(gòu)自重荷載和車輛荷載后，襯砌最大主拉應(yīng)力為1.897Mpa，最大主壓應(yīng)力為4.199Mpa，根據(jù)表6.2可知，C40混凝土極限抗拉強(qiáng)度為2.7Mpa，抗壓強(qiáng)度為29.5Mpa，能滿足隧道襯砌強(qiáng)度要求；

（5）樁基施工完畢施加上部結(jié)構(gòu)自重及車輛荷載后，主要變形發(fā)生在樁周，襯砌變形相對非常微小，不會影響其正常使用；

（6）樁基施工完畢施加上部結(jié)構(gòu)自重及車輛荷載后，15號墩所屬的1～4號樁造成的塑性區(qū)相對較明顯，且擾動范圍離隧道相對較近，屬施工重點(diǎn)控制對象，施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺，做好護(hù)壁，減少擾動，并嚴(yán)控施工用水，加強(qiáng)監(jiān)控量測；

（7）在樁基施工及后期運(yùn)營過程中，襯砌內(nèi)力會發(fā)生較小的波動，但波動值較小，且波動后襯砌安全系數(shù)及裂縫寬度均能滿足規(guī)范要求，不會影響襯砌正常使用。

4　結(jié)論與對策

（1）通過結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，主匝道橋跨越鐵路交叉段落橋樁距離隧道結(jié)構(gòu)邊線3m對鐵路隧道結(jié)構(gòu)的影響較小，不會對中川機(jī)場隧道的正常使用和安全運(yùn)營造成影響；

（2）上部結(jié)構(gòu)施工時(shí)臨時(shí)支墩不得架設(shè)于隧道上方，支墩距離隧道邊線至少5m，支墩上方采用軍便梁完成上部結(jié)構(gòu)施工；

（3）樁基礎(chǔ)施工宜采用旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)成孔，并保證樁基鉆設(shè)精度；

（4）施工時(shí)應(yīng)采取防塌孔的措施，對臨近鐵路隧道施工的樁基施工應(yīng)制定專項(xiàng)施工方案，保證施工和隧道安全；

（5）盡量減少振動擾動對隧道結(jié)構(gòu)的影響，施工過程中對既有機(jī)場隧道進(jìn)行變形和振動監(jiān)控量測，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)上報(bào)；

（6）在隧道兩側(cè)設(shè)置永久排水溝進(jìn)行導(dǎo)流，將橋梁集中排水水流引致附近路基側(cè)溝或涵洞內(nèi)分流；

（7）設(shè)計(jì)橋梁邊側(cè)防撞欄防護(hù)等級應(yīng)為SS級［5］，以降低交通事故導(dǎo)致車輛墜落造成對隧道結(jié)構(gòu)的影響。

［1］侯劍鋒.盾構(gòu)隧道施工對高架橋墩及樁基影響分析［J］.城市道橋與防洪，2010（3）:83-87.

［2］蔣超.盾構(gòu)隧道近鄰建筑物樁基的相互影響分析［J］.交通科技，2011（1）:43-45.

［3］TB10003-2005.鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［4］GB50010-2010.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［5］JTGD60-2015.公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2015.

［6］JTGD81-2006.公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

U445.4

A

2016-6-27

王永輝（1987-），男，漢族，河南周口人，碩士，助工，主要從事公路及水電站施工工作。