預留橋位不同橋型對臨近隧道的影響研究①

熊 剛, 魏孟春, 王艷寧, 戴少雄

(天津市市政工程設計研究院，天津 300392)

0 引 言

橋梁樁基與盾構隧道近接施工會引起周圍地層的變形，從而引起隧道結構或臨近橋梁樁基的附加變形和內力?？茖W預測這種附加變形和內力，有利于既有結構采取安全措施和新建工程合理制定施工方案，將橋梁樁基與隧道近接施工造成的影響減到最低[1]。目前關于新建橋梁基礎施工對既有隧道的影響或新建隧道施工對既有橋梁基礎影響的文獻較多[1～4]，研究預留橋位不同橋型方案對臨近隧道的影響相關文獻尚不多見。

1 工程背景

1.1 基本情況

城市軌道交通發(fā)展經常帶來一系列橋隧相交或近距離穿越的問題[5]。北方某市在建地鐵隧道穿越現(xiàn)狀河道，根據城市總體規(guī)劃安排，將在隧道穿越河流位置適時啟動修建跨河橋梁。

由于規(guī)劃橋梁位置與在建地鐵線位較近，橋梁基礎荷載容易對臨近既有隧道造成影響[6～9]。為避免后期實施橋梁對已建成的隧道造成較大影響而影響橋梁實施的可能性，需要在隧道設計階段，研究預留橋位不同橋型后實施的可能性。并評估不同橋型可能對既有隧道的影響，以便在橋型選擇時，兼顧考慮對既有隧道結構的影響。

圖1 隧道與橋梁關系

橋位處河道水面寬180m，航道等級為IV級，通航水位1.5m，航道凈空5.5m，航道寬度30m。地鐵盾構隧道穿越該河道段為雙洞雙線隧道，兩孔中心距為59m，盾構外輪廓直徑為6.20m。橋梁與隧道的平面位置關系見圖1所示。

1.2 預留橋型方案

規(guī)劃橋梁全寬40m，樁基、承臺及墩柱基礎布置信息，根據不同橋型方案，按規(guī)范要求的反力組合綜合確定。結合規(guī)劃對預留橋型的意見，分別對中等跨徑連續(xù)梁、大跨徑斜拉橋和自錨式懸索橋等幾種常見橋型進行方案設計。在此基礎上確定合理的基礎布置，見表1所示。

六個方案中，A1和A2為中等跨徑方案，部分橋墩在水中。由于橋梁分幅設置的緣故，基礎距離隧道最小凈距較小。此類橋型重點分析水中墩對隧道的影響，尤其水中基礎施工過程中基坑開挖引起的隧道變形影響。而B1、B2、B3和C1四個方案均為大跨徑特種橋梁結構，重點關注主塔基礎施工及運營期間引起的隧道變形影響。其中獨塔雙柱斜拉橋由于塔柱在橋面邊線以外，相應塔柱基礎距離隧道位置距離最近，應予以重點關注。

2 數(shù)值計算分析

計算采用空間有限元軟件PLAXIS3D進行。隧道與橋梁基礎幾何尺寸、橋隧位置關系以及橋梁上部結構恒活載反力均按實際建模，確保結果可靠。為最大限度減小邊界條件對計算結果的影響，土體模型尺寸為200×120×100m，詳見圖2所示。

圖2 數(shù)值計算模型

為考慮樁土作用非線性效應，采用接觸單元模擬樁土作用。為準確反映土體的彈塑性效應，選用修正摩爾庫侖模型反映土體的本構關系。地基土層的物理力學指標如表2所示。

表2 地基土層的物理力學指標

3 隧道影響分析

3.1 隧道安全控制指標

根據規(guī)范[10]要求，隧道結構安全控制指標應包括位移、變形和差異沉降等。其中水平位移和豎向位移分別按預警值和控制值進行控制。水平變形和豎向變形的預警值均為10mm，控制值均為20mm。

3.2 后期實施橋梁對隧道的影響分析

橋梁施工階段引起的隧道變形與施工工藝密切相關。計算假定施工均嚴格按照既定工序進行，且支護措施得當。理論分析認為，施工階段六個橋型引起的隧道水平與豎向變形均小于5mm。

橋梁正常使用階段，六個橋型引起的隧道水平變形均小于5mm。等截面連續(xù)梁和獨塔自錨式懸索橋引起的隧道豎向變形在5mm以下。變截面連續(xù)梁和獨塔單柱斜拉橋引起的隧道豎向變形在5-10mm之間。獨塔雙柱斜拉橋和獨塔單柱斜拉橋引起的隧道豎向變形超過預警值而小于控制值，應引起關注。橋梁基礎對隧道的影響如表3所示。

表3 橋梁基礎對隧道的變形影響(mm)

相對連續(xù)梁，獨塔單柱斜拉橋跨徑較大，塔柱傳遞到基礎的荷載反力大，對引起的隧道變形相應增加。獨塔雙柱與獨塔單柱相比，由于塔柱布置更靠外的原因，樁基距離隧道更近，因此引起的隧道變形進一步增加。

分析可以看出，橋梁使用階段對隧道的影響大于施工階段的影響。若選用大跨徑獨塔雙柱斜拉橋方案，應加強隧道變形監(jiān)測，確保隧道運營安全。

3.3 隧道影響范圍分析

同一橋型樁基位置相對固定的情況下，隧道距離橋梁基礎位置越近受到影響最大。隨著隧道位置距離橋梁基礎的增加，隧道產生的變形影響快速降低。對引起隧道變形值超過預警值的，應分析超過預警值的范圍，以便供隧道監(jiān)控時參考。分析表明，獨塔雙柱斜拉橋引起的隧道變形超過預警值的范圍為±35m，獨塔單柱斜拉橋引起的隧道變形超過預警值的范圍為±33m，如圖3所示。

圖3 橋梁使用階段引起的隧道豎向變形

4 結 語

(1)六個預留橋型方案施工階段引起的隧道水平與豎向變形均小于規(guī)范規(guī)定的預警值。表明只要嚴格按既定施工方案施工，尤其水中基礎施工采取合理的防護措施，施工期間可以確保隧道結構受到的影響在許可范圍之內。

(2)六個預留橋型橋梁運營階段引起的隧道變形大于施工期間引起的隧道變形，其主要原因是大跨徑橋梁的活載效應大。但引起的變形值均未超過規(guī)范規(guī)定的控制值。

(3)后期具體選擇該橋橋型時，應將不同橋型對隧道變形的影響作為考慮因素。對跨徑較大的橋梁，建議進一步優(yōu)化基礎布置形式，以降低橋梁運營期間對隧道生產的不利影響。

(4)當橋梁運營引起的隧道變形值大于預警值時，應加強隧道變形監(jiān)控，確保隧道結構和城市軌道交通運營安全。