新建橋梁上跨既有隧道工程的探討

郝東洪

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，交通運(yùn)輸日益繁忙，城市道路、高速公路網(wǎng)、鐵路網(wǎng)的建設(shè)而由此產(chǎn)生的立體交叉的數(shù)量越來(lái)越多。在既有隧道工程上新建橋梁已經(jīng)是較常見(jiàn)的事情，如何減少對(duì)下方隧道產(chǎn)生影響，此時(shí)就需要在設(shè)計(jì)及施工新建橋梁時(shí)對(duì)既有隧道采取切實(shí)可行的評(píng)估和安全措施。只有這樣既可以確保已有隧道的正常運(yùn)行，而且還可以保證新建橋梁的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：新建橋梁 既有隧道工程 設(shè)計(jì)

在城市土地有限的情況下，為了更好的推動(dòng)城市化進(jìn)程，就需要對(duì)既有隧道的空間和土體進(jìn)行有效的利用。但是，在既有隧道周?chē)陆蛄簳r(shí)，會(huì)導(dǎo)致隧道受力狀態(tài)發(fā)生改變，既有隧道在橋梁施工及運(yùn)營(yíng)階段附加應(yīng)力作用下，會(huì)導(dǎo)致隧道出現(xiàn)二次變形，為減少對(duì)既有隧道的受力狀態(tài)及安全運(yùn)營(yíng)考慮，本文將以某新建公路橋梁工程為例，來(lái)探究橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的基坑開(kāi)挖、樁基施工、車(chē)輛行車(chē)荷載，對(duì)隧道的影響，以便為新建橋梁的設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

一、新建橋梁上跨既有隧道的影響

（一）基坑施工卸載對(duì)既有隧道的影響

通常情況下，新建橋梁基坑開(kāi)挖卸載后不僅會(huì)影響既有隧道結(jié)構(gòu)的安全，而且還會(huì)影響地下交通設(shè)施的正常運(yùn)營(yíng)。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外大量工程施工理論和資料進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，開(kāi)挖卸荷對(duì)既有隧道所產(chǎn)生的豎向變形主要包括下述幾個(gè)方面的影響因素：（1）既有隧道本身的卸載及開(kāi)挖卸荷，其往往會(huì)導(dǎo)致隧道自身的豎向變形和隧道周?chē)馏w的變形；（2）地基中土體被開(kāi)挖，會(huì)引發(fā)土體應(yīng)力場(chǎng)改變，導(dǎo)致既有隧道下部土體出現(xiàn)一定幅度的隆起。由于受到土體的作用，會(huì)導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)豎向位移，則發(fā)生隆起現(xiàn)象，而土體強(qiáng)度越低且土質(zhì)越松軟，所產(chǎn)生的土體應(yīng)力場(chǎng)變化越大，從而引發(fā)的隧道結(jié)構(gòu)隆起越明顯。（3）新建橋梁基坑施工過(guò)程中，由于地面超載會(huì)加劇土體應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，從而提升隧道的豎向變形量。

（二）上部結(jié)構(gòu)施工加載對(duì)既有隧道產(chǎn)生的影響

在新建橋梁施工過(guò)程中，為了降低新建橋梁工程對(duì)既有隧道所產(chǎn)生的影響，設(shè)計(jì)人員一般會(huì)根據(jù)自己在既有工作過(guò)程中所積累下的經(jīng)驗(yàn)來(lái)開(kāi)展工程設(shè)計(jì)。存在一定的局限性。應(yīng)當(dāng)有效評(píng)估新橋梁工程施工過(guò)程中對(duì)既有隧道所產(chǎn)生的各種不利影響。新建橋梁工程對(duì)既有隧道所產(chǎn)生的影響主要包括下述兩個(gè)方面：（1）新建橋梁基礎(chǔ)開(kāi)挖過(guò)程中，施工卸荷變化對(duì)隧道所產(chǎn)生的影響；（2）新建橋梁施工過(guò)程中，施加荷載對(duì)隧道所產(chǎn)生的影響，其通常會(huì)導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力出現(xiàn)改變，從而引發(fā)隧道側(cè)壁收斂變形。

二、工程概況

以某城市公路橋梁工程為例，其上部構(gòu)造選擇了3×40m預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁，下部構(gòu)造墩選擇了花瓶式墩，墩臺(tái)樁基礎(chǔ)選擇回旋鉆成孔施工，基礎(chǔ)均選擇灌注樁基礎(chǔ)，在進(jìn)行橋梁承臺(tái)基坑開(kāi)挖過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致隧洞覆土層變薄，并對(duì)隧道上部有卸載作用。在進(jìn)行新建橋梁施工過(guò)程中，運(yùn)營(yíng)的車(chē)輛及行人荷載、樁基開(kāi)挖及卸載作用等一般會(huì)通過(guò)樁基傳輸?shù)洁徑馏w上，從而對(duì)已有隧道產(chǎn)生一定的影響。因此，在新建橋梁施工之前，需要對(duì)施工各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)隧道可能產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，然后制定針對(duì)性的措施盡可能將這種影響降到最小，以確保新建橋梁施工的順利進(jìn)行，確保新建橋梁和隧道的安全通行。

三、工程設(shè)計(jì)

在進(jìn)行新建橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了滿足上跨凈空要求，及降低對(duì)隧道的影響，本次工程施工選擇的橋孔布置為左幅3×40m、右幅3×40m的預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋上跨既有龍形隧道的設(shè)計(jì)方案，該新建橋梁的梁底高程為307.968m，橋梁底至隧道頂凈空高度達(dá)到了13.498m，橋面高程為310.668m，橋下隧道頂高程為294.47m，隧道外墻邊緣與橋墩邊緣距之間的最小距離為9.8m。其下部構(gòu)造選擇了直徑為1.8m樁基礎(chǔ)、雙柱式墩，橋臺(tái)選擇了重力式U臺(tái)。由于該新建橋梁需要從隧道上方通過(guò)，為了避免橋墩樁基對(duì)隧道產(chǎn)生影響，因此主梁選擇現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制，通過(guò)架橋機(jī)進(jìn)行架設(shè)的施工方案，這樣可減少因施工對(duì)車(chē)輛通行產(chǎn)生的影響。

四、評(píng)估方法與內(nèi)容

（一）數(shù)值分析計(jì)算假定與模型的構(gòu)建

（1）在分析和探究新建橋梁對(duì)既有隧道工程所產(chǎn)生的影響時(shí)，一般會(huì)把土層簡(jiǎn)化為水平層狀連續(xù)分布的材料。本次研究過(guò)程中，采用了在廣義胡克定律的基礎(chǔ)上構(gòu)建的彈性模型，選擇實(shí)體單元來(lái)對(duì)土體進(jìn)行模擬。在數(shù)值計(jì)算中，該彈性模型具有非常高的應(yīng)用效率，而且模擬效果比較理想，收斂很快，從得到的計(jì)算結(jié)果能夠?qū)Σ牧系恼w性能進(jìn)行很好的描述，因此在土木工程設(shè)計(jì)過(guò)程中得到了非常廣泛的應(yīng)用。（2）在模型構(gòu)建過(guò)程中，襯砌單元選擇了殼單元，混凝土選擇了線彈性模型。（3）為了實(shí)現(xiàn)對(duì)新建橋梁地質(zhì)地面進(jìn)行簡(jiǎn)化，選擇了最不利坡面進(jìn)行模擬。（4）對(duì)所建模型的左右邊界按照要求施工一定的水平約束，并在其底部施加豎向位移進(jìn)行約束，頂面未進(jìn)行任何約束。根據(jù)常年積累所得到的工作經(jīng)驗(yàn)，在進(jìn)行土體挖方和填方過(guò)程中，通過(guò)對(duì)其影響范圍進(jìn)行考慮后，可以適當(dāng)?shù)臏p少節(jié)點(diǎn)等因素，并把模型計(jì)算的范圍設(shè)定在50m×65m的土體單元。在該區(qū)域內(nèi)對(duì)橋梁樁基、隧道、土層進(jìn)行模擬，借助激活鈍化來(lái)對(duì)區(qū)域內(nèi)的土體單元、襯砌單元模擬進(jìn)行開(kāi)挖，并模擬樁基的施工過(guò)程及可能產(chǎn)生的影響。

（二）評(píng)估計(jì)算工況

對(duì)新建橋梁的施工工序進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模擬，按照要求對(duì)模型施加邊界條件，以實(shí)現(xiàn)對(duì)大區(qū)域天然地應(yīng)力場(chǎng)的有效模擬，隨后對(duì)表層粘土和強(qiáng)風(fēng)化板巖進(jìn)行依次開(kāi)挖；樁基的施工；樁基荷載加載同時(shí)輔以MIDAS/GTS軟件的激活，記住網(wǎng)格自適應(yīng)功能及鈍化技術(shù)能夠?qū)Χ喾N介質(zhì)及雜幾何邊界條件下的結(jié)構(gòu)、巖土等二維力學(xué)進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。

（三）新建橋梁對(duì)既有隧道產(chǎn)生的影響

（1）基坑開(kāi)挖對(duì)隧道的影響。在對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)表層土體進(jìn)行開(kāi)挖過(guò)程中，由于上層土體的卸載可能會(huì)引發(fā)下層土體出現(xiàn)不同程度的回彈變形，通常情況下，表層粘土卸載后會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)風(fēng)化巖的回彈值達(dá)到3.15mm。在對(duì)第二層強(qiáng)風(fēng)化巖進(jìn)行開(kāi)挖過(guò)程中，在近山頂側(cè)的土體所出現(xiàn)的回彈變形最大，并且回彈值與土方開(kāi)挖量呈現(xiàn)出正比例的關(guān)系，而與土體彈性模量呈現(xiàn)出反比例的關(guān)系，開(kāi)挖面能夠產(chǎn)生的最大回彈值達(dá)到了16.24mm。同時(shí)，開(kāi)挖到第二層強(qiáng)風(fēng)化巖后，也會(huì)導(dǎo)致隧道襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定量的位移，隨著地層回彈也會(huì)導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，而拱頂所發(fā)生的變形位移最大，達(dá)到了10.32mm，隧道仰拱位置的變形位移最小，達(dá)到了5.03mm。由于隧道回彈導(dǎo)致軌道位置隆起高達(dá)到了6mm，遠(yuǎn)超過(guò)了驗(yàn)收階段要求的4mm控制值。但是等于經(jīng)常保養(yǎng)的6mm控制值。

（2）樁基施工對(duì)隧道的影響。在進(jìn)行基墩臺(tái)樁基礎(chǔ)施工階段，一般會(huì)選擇回旋鉆成孔施工，其所選擇的樁徑為1.8m、2.0m。在進(jìn)行回旋鉆成孔過(guò)程中，要采取與之相對(duì)應(yīng)的防塌孔或護(hù)壁措施。通過(guò)實(shí)地對(duì)隧道洞身的襯砌進(jìn)行全面檢查后，發(fā)現(xiàn)隧道二襯外緣與樁基外緣最小距離為9.0m，隧道系統(tǒng)錨桿末端與樁基外緣凈距有6m，隧道系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)度為3m。在進(jìn)行樁基開(kāi)挖過(guò)程中，地層會(huì)出現(xiàn)各向位移應(yīng)變，在樁孔中心位置所發(fā)生的應(yīng)變最大，尤其是直徑為2m的樁身上，其應(yīng)變的最大值達(dá)到了2.48mm。因此，新建橋梁的樁基最好選擇了旱季進(jìn)行施工，而且施工階段嚴(yán)禁使用爆破作業(yè)，最好選擇人工鉆孔樁的施工作業(yè)方案，以保證新建橋梁樁基施工質(zhì)量的順利進(jìn)行，同時(shí)保證隧道結(jié)構(gòu)的安全性。

（3）車(chē)輛行車(chē)荷載對(duì)隧道的影響。該新建橋梁工程選擇了公路-Ⅰ級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)，其在既有隧道上跨段的跨度為40m，在進(jìn)行計(jì)算使取q_k=10.5kN/m；P_k=2（10+130）=340kN。為了避免之前各個(gè)環(huán)節(jié)施工對(duì)本次計(jì)算分析結(jié)果所產(chǎn)生的影響，需要先把初始位移進(jìn)行階段性清零，并模擬橋臺(tái)路基段車(chē)輛荷載，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)新建橋梁路基加載對(duì)隧道所產(chǎn)生的影響數(shù)量級(jí)僅達(dá)到了0-5mm，影響范圍相比較小，可以認(rèn)為新建橋梁路基加載對(duì)隧道未產(chǎn)生影響。

五、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在進(jìn)行新建橋梁上跨既有隧道工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要全面分析和掌握新建橋梁各個(gè)環(huán)節(jié)施工對(duì)既有隧道工程可能產(chǎn)生的影響，在掌握既有隧道的承載能力和變形規(guī)律的基礎(chǔ)上對(duì)新建橋梁施工進(jìn)行設(shè)計(jì)，以期確保新建橋梁正常施工過(guò)程中隧道可以安全運(yùn)營(yíng)。