公路旱橋上跨既有淺埋隧道的方案研究

劉京

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600）

1 工程概況

新建合陽(yáng)至銅川高速公路合陽(yáng)北聯(lián)絡(luò)線于LIK2+466處設(shè)置旱橋，旱橋走向與既有黃韓侯鐵路張莊隧道K61+479.12在平面上呈約74°角的斜交關(guān)。既有鐵路隧道K61+479.12處為Ⅴ級(jí)圍巖大跨襯砌斷面。其斷面設(shè)計(jì)跨度為B=13.04m，高度為H=11.42m，初支與二襯結(jié)構(gòu)的厚度分別為25cm與55cm。邊墻處采用φ22砂漿錨桿，長(zhǎng)度為3.5m，隧道的結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示[1]。

圖1 隧道襯砌斷面（單位：cm）

本工程項(xiàng)目所處區(qū)域地層主要為馬蘭黃土（Q3eol3）與離石黃土（Q2eo）l。馬蘭黃土（Q3eol3）：層厚5～10m，黃土土質(zhì)疏松，含大孔隙、植物根莖、姜石，具Ⅲ～Ⅳ級(jí)自重濕陷性。下部離石黃土（Q2eo）l含多層古土壤，堅(jiān)硬呈塊狀，孔隙不發(fā)育，其中上部具有濕陷性。

原旱橋方案采用3跨（每孔跨度20m）連續(xù)梁橋。橋梁的中心里程為L(zhǎng)1K2+466，起點(diǎn)里程為L(zhǎng)IK2+432.68，終點(diǎn)里程為L(zhǎng)IK2+499.32，全長(zhǎng)66.64m，采用17.56‰的單面下坡。橋梁上部為3×20m的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，旱橋方案的平、縱面分別如圖2、圖3所示。

圖2 橋梁方案平面（單位：cm）

圖3 橋梁方案縱斷面（單位：cm）

2 理論分析與方案優(yōu)化

由圖2和圖3可以看出，原設(shè)計(jì)方案橋梁主跨跨度較小，橋梁樁基幾乎緊貼隧道結(jié)構(gòu)邊緣且與隧道邊墻錨桿相交。若按此方案施工，則隧道必然處于橋樁的力學(xué)影響范圍內(nèi)且樁基施工極有可能損害既有隧道結(jié)構(gòu)。因此，需對(duì)此方案進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 理論分析

2.1.1 旱橋施工期理論分析

樁基成孔的施工過(guò)程可以看作是在地層中垂直開(kāi)挖洞室的過(guò)程，這種分析方法在錦屏水電站等水利工程中已經(jīng)得到相關(guān)應(yīng)用[2]。而在等圍壓作用下，圓形洞室開(kāi)挖后，周邊圍巖的應(yīng)力重分布范圍一般為3～5倍洞徑[3]，超過(guò)此范圍后，圍巖基本上仍處于初始應(yīng)力狀態(tài)。

考慮到本項(xiàng)目位于張莊隧道淺埋段，旱橋地基又為濕陷性黃土地層，地質(zhì)環(huán)境相對(duì)較差，因此取樁基成孔影響范圍為5倍的樁基孔徑[5]，如圖4所示。

圖4 樁基成孔力學(xué)影響范圍

2.1.2 旱橋運(yùn)營(yíng)期理論分析

據(jù)本項(xiàng)目地勘資料揭示，本段公路下方地基為較均勻的黃土地層，因此，旱橋橋樁為摩擦型樁。根據(jù)摩擦樁的受力特性：樁基在承受上部荷載時(shí)，會(huì)通過(guò)土對(duì)樁的側(cè)阻力將上部荷載以φ/4的應(yīng)力擴(kuò)散角向下擴(kuò)散傳遞到樁周土體中去[6]，如圖5所示。其中，φ為土層的綜合內(nèi)摩擦角。一般來(lái)說(shuō)，土的性質(zhì)越好、強(qiáng)度越大、相互之間的連接性越強(qiáng)，φ值越大，荷載傳遞擴(kuò)散的范圍越遠(yuǎn)，反之，則傳遞的范圍越近。

2.2 方案優(yōu)化

通過(guò)上述施工期及運(yùn)營(yíng)期兩方面的理論分析后，將原設(shè)計(jì)方案調(diào)整優(yōu)化如下：

方案調(diào)整后，橋型布置如圖6所示：保證橋梁樁基與隧道結(jié)構(gòu)之間有至少5倍以上樁徑d的凈距（樁基最外緣到隧道初支最外緣的距離），且讓隧道處于樁基φ/4的應(yīng)力擴(kuò)散范圍外。結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際情況，樁基與隧道結(jié)構(gòu)間最小凈距應(yīng)≥8.5m；橋上部箱梁的跨度隨之增加。按該布樁形式，則直接跨越隧道段上部箱梁的跨度增加為40m。同時(shí)，橋樁直徑增大為1.7m。

圖5 荷載傳遞

圖6 橋型方案優(yōu)化后平面（單位：cm）

優(yōu)化方案后，橋梁樁基樁徑為1.7m，樁基與隧道結(jié)構(gòu)間最小凈距約為9.04m≥8.5m。對(duì)該優(yōu)化方案進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)定量分析驗(yàn)算其對(duì)既有鐵路隧道的影響程度。

3 數(shù)值試驗(yàn)分析

3.1 模型的建立

根據(jù)優(yōu)化方案后橋隧的相對(duì)位置關(guān)系建立數(shù)值模型。既有鐵路隧道跨度約為11m，考慮到隧道的應(yīng)力重分布范圍一般為3～5倍洞徑[7]，從隧道左右兩側(cè)最外緣往兩邊各取35m為模型的左右邊界，模型的橫向尺寸約為83m；隧道仰拱最外側(cè)往下取35m為下邊界，上邊界為原地表面，模型的豎向尺寸約為67m。由于距隧道較遠(yuǎn)的樁基對(duì)隧道的影響相對(duì)很小，因此為提高分析效率并突出分析重點(diǎn)，模型整體如圖7所示。

圖7 數(shù)值模型整體

模型中，地層采用4節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體單元模擬；隧道襯砌及橋面板采用3節(jié)點(diǎn)三角形板單元模擬；樁頂蓋梁采用一維梁?jiǎn)卧M；樁基采用一維梁?jiǎn)卧?接觸單元模擬[8]。車道荷載直接施加在橋面板上。整個(gè)模型共有單元92648個(gè)，節(jié)點(diǎn)18124個(gè)，其中隧道襯砌單元1512個(gè)，節(jié)點(diǎn)777個(gè)。網(wǎng)格在既有隧道周圍分布較密，往外則逐漸變疏[9]，旱橋與隧道的相對(duì)位置關(guān)系如圖8所示。

圖8 相對(duì)位置關(guān)系

計(jì)算時(shí)，考慮外加荷載為自重+車道荷載[10]，荷載取值均按規(guī)范要求取值，其計(jì)算結(jié)果如下：

3.2 結(jié)果計(jì)算分析

3.2.1 位移數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

施加荷載后，模型的整體豎向位移的云圖如圖9所示。

圖9 地層整體豎向位移云圖

由圖9可以看出，施加荷載后，地層發(fā)生了較為明顯的豎向沉降。從模型的地表可清楚觀察到，樁基附近區(qū)域的豎向沉降相對(duì)較大，遠(yuǎn)離樁基的區(qū)域沉降相對(duì)較小，且離樁基越遠(yuǎn)的區(qū)域地層沉降趨勢(shì)越小。

樁基與隧道的豎向?qū)Ρ任灰茍D如圖10、圖11所示。

圖10 樁基蓋梁與襯砌對(duì)比豎向位移（一）

圖11 樁基蓋梁與襯砌對(duì)比豎向位移（二）

由圖10、圖11可以看出，樁基與隧道結(jié)構(gòu)都發(fā)生了相應(yīng)的豎向沉降。橋樁的沉降變形主要集中在各基樁上部，隧道結(jié)構(gòu)的豎向變形則集中在臨近樁基的兩側(cè)邊墻區(qū)域。

隧道襯砌的豎向位移變形如圖12所示。

圖12 隧道襯砌結(jié)構(gòu)豎向位移

由圖11、圖12均可看出，受臨近樁基的影響，隧道的主要沉降變形發(fā)生在離樁基較近的兩側(cè)邊墻部位，其余部位的變形量相對(duì)而言十分微小。

3.2.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果分析

加載后，既有隧道襯砌的軸力及彎矩分布分別如圖13、圖14所示。

在圖13、圖14軸力及彎矩分布圖中，取隧道結(jié)構(gòu)受力最不利特征區(qū)域進(jìn)行內(nèi)力檢算。即取既有隧道結(jié)構(gòu)臨近樁基一側(cè)的拱頂、左右邊墻及仰拱這些特征點(diǎn)處軸力與彎矩值[12]，按規(guī)范要求進(jìn)行安全系數(shù)檢算，其檢算結(jié)果如表1所示。

圖13 隧道襯砌軸力

圖14 隧道襯砌彎矩

表1 既有隧道臨近樁基側(cè)的襯砌安全系數(shù)檢算

由表1中檢算結(jié)果可知：既有隧道臨近樁基側(cè)的襯砌結(jié)構(gòu)各特征區(qū)域的破壞類型均為小偏心受壓破壞，且襯砌截面強(qiáng)度安全系數(shù)均滿足鐵路隧道規(guī)范2.0的要求。

4 結(jié)論

（1）合陽(yáng)至銅川高速公路聯(lián)絡(luò)線于LIK2+466處與張莊隧道正線K61+479.12處相交，高速公路采用旱橋形式從既有隧道上方通過(guò)。由于原設(shè)計(jì)方案旱橋主跨跨度較小，橋梁樁基幾乎緊貼隧道結(jié)構(gòu)邊緣且與隧道錨桿相交。若按此方案施工則極有可能損害既有隧道結(jié)構(gòu)從而影響鐵路后期的安全運(yùn)營(yíng)。因此，需對(duì)原橋梁設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，增大樁基與既有隧道間的凈距以及上部箱梁的跨度。

（2）通過(guò)分析并調(diào)整設(shè)計(jì)方案：將橋梁樁基與隧道之間凈距增加到9.04m后，鐵路隧道同時(shí)處于橋梁樁基的荷載擴(kuò)散范圍與施工擾動(dòng)范圍外，可極大的降低橋樁對(duì)隧道的影響。

（3）數(shù)值模擬結(jié)果顯示：優(yōu)化方案后，旱橋施工及運(yùn)營(yíng)引起的隧道沉降變形要遠(yuǎn)小于橋樁自身的沉降變形，說(shuō)明此時(shí)隧道受樁基的影響相對(duì)極小。隧道結(jié)構(gòu)最大沉降位移主要發(fā)生在臨近樁基的兩側(cè)邊墻部位，左右兩側(cè)邊墻的最大沉降值基本相同，約為1.17mm。

（4）綜上，可以總結(jié)出旱橋跨越淺埋隧道的基本原則：橋梁樁基與既有隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)保持5倍樁徑d以上的凈距（樁基最外緣到隧道初支最外緣的距離）。