橋梁施工對既有鐵路隧道的影響分析

方建強(qiáng)

（北京中鐵誠業(yè)工程建設(shè)監(jiān)理有限公司 北京 100070）

為了保證高鐵運(yùn)行的安全性，在工程建設(shè)中往往采用橋梁方案，而非采用路基方案上跨高速鐵路的隧道。在廣州從化—黃埔高速公路上，穿越廣州樞紐東北方向的大梅山隧道段，采用MIDAS GTS NX 有限元軟件，對跨梅山隧道段進(jìn)行了數(shù)值仿真，預(yù)測了隧道的收斂性、二次襯砌的穩(wěn)定性。

1 道路橋梁隧道工程施工的特點

1.1 依賴性

路面橋梁隧道建設(shè)的施工內(nèi)容大多包括了大橋、隧洞等復(fù)雜路段，所以在一般情況下需要進(jìn)一步熟悉現(xiàn)場的地質(zhì)條件要求。其中，在路面橋梁隧道工程施工前，工作人員必須仔細(xì)勘查場地上可能產(chǎn)生的地質(zhì)問題，并以此為基準(zhǔn)形成完備的預(yù)防事故措施，從而可以為各項工程建設(shè)的順利實施提供技術(shù)指導(dǎo)，也可保證在現(xiàn)場施工事故產(chǎn)生時能及時處理，以減少工程的經(jīng)濟(jì)損失。

1.2 差異性

通常情況下，由于道路、橋梁、隧道的建設(shè)要求的不同，選用的結(jié)構(gòu)形式也不盡相同。除了工程因素之外，技術(shù)上的差別也是道路、橋梁、隧道的主要特點。在隧道施工中，由于隧道的地質(zhì)條件十分復(fù)雜，施工人員要不斷地調(diào)整施工方法，以確保施工的有序、高效，同時避免施工中發(fā)生的安全事故，提高施工的質(zhì)量。

1.3 未知性

基于實際的道路橋梁隧道項目施工過程，由于施工現(xiàn)場多存在著相當(dāng)復(fù)雜的地質(zhì)條件，因此在施工過程中非常容易發(fā)生各類意外，特別是隧道碎石問題，不但會給工作人員造成生命危險，同時也不利于大型機(jī)械設(shè)備在施工中的正常使用，進(jìn)而嚴(yán)重影響了施工效果，這也是道路橋梁隧道項目施工中的一個難題。

2 道路橋梁隧道工程施工的難點

2.1 防給排水安全性主要問題

在城市交通橋梁隧道工程施工過程中，防給排水安全性問題一直是工程建設(shè)的首要難題之一。其中，因為各種道路及橋梁隧道的水文、地貌等條件都具有很大不同，從而導(dǎo)致一旦在橋梁隧道建筑施工發(fā)生地下水突涌及巖體破碎等重大問題，輕則妨礙了建筑施工的持續(xù)開展，重則造成了巨大的建筑施工事故，從而危及了現(xiàn)場施工人員的身體安全，并且給建筑施工機(jī)械設(shè)備造成了很大的損失。在一般情況下，對于防排水問題可以通過防水構(gòu)件和防水材料提高施工的防水特性，但是目前由于中國在該領(lǐng)域內(nèi)的科研力量不足，導(dǎo)致防水技術(shù)運(yùn)用過程中仍存在著很多困難，從而無法達(dá)到防水施工的基本條件。

2.2 砼開裂預(yù)防問題

在現(xiàn)實交通橋梁隧洞工程施工過程中，因為澆筑期普遍較長，所以澆筑中難免存在因溫度而變形的問題。在低溫氣候下，很容易出現(xiàn)混凝土開裂問題。為了保證砼施工的穩(wěn)定性，通?？梢酝ㄟ^控制砼水化熱程度及把控制砼模板拆除時間等方式進(jìn)行作業(yè)，但是從現(xiàn)實的施工效果出發(fā)，由于砼工程質(zhì)量會受施工素質(zhì)和施工方法合理性等諸多因素的影響，使得目前砼開裂預(yù)防問題也成為道路橋梁隧洞工程施工的技術(shù)難題。另外，盡管預(yù)應(yīng)力技術(shù)的運(yùn)用可以對砼開裂問題產(chǎn)生一定的預(yù)防效果，但目前該技術(shù)還未能獲得普及和廣泛使用。

2.3 爆炸塌方預(yù)防問題

以隧道施工為例，因為隧洞施工時必須對巖體實施不同程度的爆破，所以在爆炸破碎以前，工作人員就需對現(xiàn)場地質(zhì)要求進(jìn)行多次核實，以防爆破作業(yè)時引發(fā)坍塌事件。不過，由于各個隧洞施工的水文地質(zhì)要求都有著很大不同，導(dǎo)致工作人員在進(jìn)行爆破作業(yè)時普遍沒有足夠的經(jīng)驗指導(dǎo)，從而不得不依靠更加細(xì)致的勘查來優(yōu)化作業(yè)方法，而在此過程中，如果工作人員的安全意識淡漠或?qū)ΜF(xiàn)場勘查欠缺，便很容易造成爆破坍塌事件，威脅工作人員的安全，從而導(dǎo)致施工工作無法順利開展。

3 橋梁隧洞工程施工難易產(chǎn)生的影響因素

3.1 施工安全意識薄弱

從實際調(diào)研中不難發(fā)現(xiàn)，施工安全意識欠缺也是導(dǎo)致目前道路橋梁隧道施工中存在著諸多問題的主要因素之一。就目前的道路橋梁隧道工程施工公司的施工隊伍組成狀況分析來看，不但大部分施工不具有專業(yè)的施工資質(zhì)證，同時也因為沒有系統(tǒng)的教學(xué)訓(xùn)練，導(dǎo)致大部分施工的人員文化素質(zhì)普遍較低，難以滿足公路、橋梁、隧道工程施工中安全技術(shù)質(zhì)量等級的要求。然而，在實際施工中，由于存在著相對薄弱的施工隱患，致使他們未能及時地發(fā)現(xiàn)存在的安全隱患，這種情況不僅會影響到施工的質(zhì)量，還會危及到工人的生命安全，嚴(yán)重地制約著施工企業(yè)的健康發(fā)展。

3.2 施工企業(yè)管理體系的不足問題

在道路橋梁隧道建設(shè)項目施工管理過程中，建立健全的企業(yè)管理體系是保證所有工程建設(shè)作業(yè)正常有序、高效開展的關(guān)鍵和前提條件。但從實踐上出發(fā)，目前大部分的道路橋梁隧道建設(shè)項目建筑施工公司都無法根據(jù)復(fù)雜施工現(xiàn)場具體情況形成比較明確的施工企業(yè)管理體系，特別是對質(zhì)量、建筑安全性等工程建設(shè)條件的管控不足，從而導(dǎo)致在施工管理過程中時常發(fā)生各類施工問題，很易影響工程建設(shè)的順利開展。另外，在具體施工流程中，大部分建筑施工公司的管理觀念主要停留在成本管理和效益管理之上，但在這樣一味追求施工速度的管理模式下，不但建筑施工品質(zhì)很難獲得保證，同時在面對常見施工難點時也并無法做出合理的化解與管理，從而嚴(yán)重影響了路面橋梁隧道施工的總體施工效果。

3.3 現(xiàn)場監(jiān)督不足

在高速公路橋梁隧道工程施工中缺少系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)督，是導(dǎo)致施工過程產(chǎn)生多個現(xiàn)場施工難點的主要因素。因為缺乏兼具安全技術(shù)管理和品質(zhì)管控功能的監(jiān)督模式，也導(dǎo)致了許多建筑施工公司無法有效處理在現(xiàn)場碰到的難點，輕則影響施工進(jìn)度，重則留下不小的施工管理隱患，為建筑后期交付使用時造成負(fù)面影響。另外，關(guān)于建筑施工過程，盡管目前建筑施工行業(yè)已具備了相對科學(xué)的質(zhì)量管理規(guī)范，但由于不同類型的工程項目存在著截然不同的施工特點，導(dǎo)致施工過程仍會存在著相應(yīng)的違規(guī)操作，不但極易發(fā)生施工安全問題，而且還會嚴(yán)重危害建筑品質(zhì)和施工效果。

4 道路橋梁隧道工程施工技術(shù)人員的使用要求

4.1 GPS測量技術(shù)

面對著復(fù)雜多變的路面橋梁隧道施工，GPS 技術(shù)不失為一個針對該類施工問題的十分有用的手段。以隧道建設(shè)為例，在使用了GPS技術(shù)系統(tǒng)后，施工者就可以更加全面地對隧道周圍的水文地質(zhì)條件進(jìn)行測量，不但能合理優(yōu)化設(shè)計方案，從而避免了施工過程中發(fā)生爆炸破碎坍塌等問題，同時還可以縮短工作內(nèi)容，從而減少因各種施工問題所造成的施工耽誤問題。另外，基于GPS技術(shù)系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的測量技術(shù)，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息也可以進(jìn)行更加準(zhǔn)確、合理的計算與記錄，從而可以對交通橋梁隧道建設(shè)項目施工過程進(jìn)行更加全面的指導(dǎo)，并可以帶動建設(shè)項目施工效益的提高。

4.2 鋼筋混凝土工程技術(shù)問題

在實際的交通橋梁隧道工程施工過程中，鋼筋混凝土工程技術(shù)也非常重要。其中，針對以往鋼筋砼施工中常出現(xiàn)的鋼筋腐蝕問題，除需通過加強(qiáng)現(xiàn)場混凝土管理工作、定期維護(hù)來保證水泥和鋼材質(zhì)量之外，還應(yīng)嚴(yán)格控制水泥材質(zhì)的選用，盡可能從配比、澆筑技術(shù)等方面加以改進(jìn)。例如，水泥拌和流程應(yīng)該嚴(yán)格遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)比例進(jìn)行拌和，同時澆筑環(huán)節(jié)應(yīng)該避免堆積問題發(fā)生，并在適宜氣溫和潮濕環(huán)境下保證水泥的質(zhì)量，以便延長水泥壽命，提高施工的總體質(zhì)量。

4.3 支護(hù)防水技術(shù)

在國家高速公路橋梁隧洞工程施工過程中，支護(hù)防水技術(shù)由于在預(yù)防隧洞滲漏問題上的巨大優(yōu)越性，而受到了工程建設(shè)行業(yè)的廣泛關(guān)注。錨噴支護(hù)技術(shù)也是支護(hù)防水技術(shù)研究的重點內(nèi)容，該技術(shù)通過利用增強(qiáng)支護(hù)圍巖穩(wěn)定性來提高隧洞總體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，可以有效遏制隧洞的坍塌問題，并可防止其他隧洞施工重大安全事故出現(xiàn)。但是，在支護(hù)防水技術(shù)使用過程中，三臺階施工和初期保護(hù)工作必須同步進(jìn)行而且同時完成，并要求施工人員必須在施工完成后及時就施工情況進(jìn)行檢驗，以避免因施工條件不合理而造成的施工重大安全事故。

4.4 防水工藝技術(shù)

根據(jù)防水層面的特點，在公路橋梁、隧道工程中，除支護(hù)等防水技術(shù)外，還應(yīng)采取相應(yīng)的防水措施。在工程建設(shè)中，為了避免長期的雨水對混凝土、鋼筋、混凝土等建筑物的損壞，需要利用具有柔性特征的防水材料對建筑加以保護(hù)。因此，在砼澆筑過程，可選用瀝青材料或藥用高分子材料保護(hù)砼，從而延長砼的使用壽命。另外，鑒于我國材料產(chǎn)業(yè)尚處在蓬勃發(fā)展時期，因此需要對現(xiàn)有防水工藝進(jìn)行深入的研發(fā)與實驗推廣，從而為高速公路橋梁隧道項目工程建設(shè)提供充分的科技保證。

4.5 鋪涂層防脫工藝技術(shù)

面對由于長時間超負(fù)載而造成的鋪涂層剝落問題，也可以通過鋪涂層防脫技術(shù)進(jìn)行處理。一方面，要盡可能地選擇具有良好曲線特征的鋪裝層，以減少由鋪裝層引起的彎曲開裂；另一方面，應(yīng)該選擇具有防水性能的或具有抗裂性能的混凝土鋪裝層，以保證鋪裝層的使用壽命。此外，建筑材料的選用也要依據(jù)建筑環(huán)境的不同而科學(xué)合理，比如面對冷凍區(qū)域采用瀝青砼、面對非冷凍區(qū)域采用保護(hù)砼等，并且為了確保對鋪裝層的有效性，通常可把鋪裝層厚度限制在8～10cm。

5 工程概況

廣州市內(nèi)從化至官洲公路與廣州樞紐東北貨車道外繞制相交于DIIK34+617.8，軌頂標(biāo)高為81.193m，地面標(biāo)高為106.408m，大橋上段使用了25m+40m+3×的裝配式預(yù)應(yīng)力砼簡支小箱梁、簡支T柱，該橋的樁基高度距隧洞外緣凈差最少為12.2m，且左右幅1號、2號與該橋的樁底高度差均小于隧洞外仰拱高度。大梅山隧洞在交叉節(jié)點附近段落采取ⅴb型模筑襯砌，φ42超前小導(dǎo)管注漿方式夯實土質(zhì)巖層，三臺階臨時仰拱法澆筑，總埋深約為17m，按土質(zhì)巖層分布自上而下為砂子黏性土、全風(fēng)化作用花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗石。隧道洞身則位于強(qiáng)風(fēng)化花崗石之中。

5.1 有限元數(shù)值模擬

按照《路面工程技術(shù)規(guī)范》（JTG B01-2014），高速機(jī)動車道設(shè)計負(fù)荷為普通公路工程的ⅰ級別時，負(fù)荷平均值為=10.5kN/m。在建模中，將大橋的上部構(gòu)件和支承臺上回填覆土轉(zhuǎn)換為效應(yīng)于支承臺頂上面的垂直均布壓力，經(jīng)估算左右側(cè)在支撐承臺頂面上的相互作用負(fù)荷依次為230kPa、200kPa。

在有限元仿真中，單元數(shù)為98 433，結(jié)點55 546個，自由度為171 435。在這些工程中，隧道二次襯砌共1558個單元，節(jié)點1599個。隧道周圍的網(wǎng)格分布比較密集，而從隧道外部逐漸稀疏。對大梅山隧道與橋墩之間的相互作用進(jìn)行了有限元仿真。

5.2 計算參數(shù)及邊界條件

因為樁承臺所穿過的全風(fēng)化花崗巖土層很稀薄，結(jié)構(gòu)模型中只選擇由砂質(zhì)黏性土和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖土層所構(gòu)成。而土體選擇彈塑性，因此使用莫爾－庫倫本構(gòu)模型；而大橋樁承臺和隧洞的二次模筑襯砌則使用了彈性本構(gòu)模型。有限元模型上施作加法向壓力界限，在模具的各側(cè)及下方施以法向移動約束界限。以仿真施工過程為“產(chǎn)生墻體的自重地應(yīng)變場→隧洞開鑿產(chǎn)生一定壓力→施作二襯砌產(chǎn)生剩余荷載→大橋樁承臺施工→再產(chǎn)生橋梁壓力”。其中，可以使用鈍化土壤地層的實體單位、二襯片單位，以實現(xiàn)對隧洞施工的仿真；采用活化基樁施工梁單體和改變支承臺等實物單位的結(jié)構(gòu)屬性，以完成對大橋樁承臺施工的仿真。

5.3 數(shù)值模擬計算結(jié)果

5.3.1 位移分析

大橋上部結(jié)構(gòu)荷載直接作用于承臺上，再經(jīng)由樁承臺傳導(dǎo)到附近地層構(gòu)造中，從而間接地對大梅山隧道構(gòu)成了影響。在隧道內(nèi)接近樁承臺的一段，就會受的影響比較明顯。在大橋上部結(jié)構(gòu)荷載影響下，樁承臺和大梅山隧道內(nèi)模筑襯砌之間都產(chǎn)生了豎向位移，且樁承臺的豎向位移又高于隧洞內(nèi)模筑襯砌的豎向位移。左邊樁承臺的豎向位移又高于右邊樁承臺的豎向位移，這是因為左側(cè)承臺上部的回填土厚度較大，所以其承載力也比較大，因此，左支承臺處的結(jié)構(gòu)荷載大于右側(cè)支座。所以，深圳市梅山中學(xué)隧道在施工過程和結(jié)構(gòu)荷載作用下，會在一定程度上影響到大梅山隧道。深圳市梅山中學(xué)的隧道襯砌最大垂直位移為1.1mm左右，比既有線路施工控制要求的5mm小。

5.3.2 應(yīng)力分析

在橋梁施工條件及上部構(gòu)造荷載的影響下，近樁或基礎(chǔ)段落隧道工程圍巖中勢必出現(xiàn)的內(nèi)部應(yīng)力重分布現(xiàn)象。在評價隧道工程穩(wěn)定性時，就有必要對其圍巖的內(nèi)部應(yīng)力狀況加以分析。在仰拱應(yīng)力最集中的位置，主應(yīng)力最大值分別為73.407kPa和-195.020kPa。

6 結(jié)論

（1）大梅山隧道的襯砌構(gòu)件，在橋梁施工條件及上部構(gòu)造荷載的影響下出現(xiàn)了嚴(yán)重豎向偏移，豎向位移范圍最大約1.1mm，遠(yuǎn)小于國家規(guī)范要求的5mm 的最大控制標(biāo)準(zhǔn)差。（2）大梅山隧道在樁基周圍的圍巖應(yīng)力狀態(tài)沒有明顯的變化。（3）采用最大影響斷面的內(nèi)力分析方法，對已有隧道模筑襯砌的截面剛度進(jìn)行了檢驗，其強(qiáng)度值滿足設(shè)計規(guī)范。