某海底隧道下穿海灣大橋連接線匝道橋安全性評估

馬宇平

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團股份有限公司,廣東 廣州 510507)

1 工程概況

1.1 項目平面位置

某海底隧道全長8280 m，進口里程DK407+850，出口里程DK416+130。其中除進口1427 m、出口1000 m采用明挖法施工外，其他段落采用盾構(gòu)法施工。隧道水域段左側(cè)80～280 m位置為海灣大橋；隧道穿出海灣后繼續(xù)下穿海灣大橋連接線A匝道橋。隧道與海灣大橋連接線A匝道橋的相對位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 隧道與海灣大橋連接線A匝道橋相對位置關(guān)系

隧道左線在DK412+762里程處下穿海灣大橋連接線匝道A3#橋墩樁基，隧道與樁基最小凈距1.4 m；右線在DK412+782.5里程處下穿A4橋墩樁基，隧道與樁基最小凈距1.30 m?？紤]對A3、A4橋墩樁基進行托換，區(qū)間隧道埋穿越<5-4>粉質(zhì)黏土，管頂深約19.5 m。隧道管片內(nèi)徑12.6 m，外徑13.8 m，管片厚0.6 m，左、右路線設(shè)計線間距4.6 m。隧道與海灣大橋連接線 A 匝道橋橋墩的相對位置關(guān)系如圖2所示。

(a)DK412+762位置

1.2 方案設(shè)計

方案設(shè)計擬對既有海灣大橋連接線A匝道橋A3、A4橋墩樁基進行托換加固。海底隧道外徑1380 cm，與A3、A4橋墩樁基凈距分別為140 cm、130 cm。隧道路線設(shè)計線與A匝道設(shè)計線斜交，根據(jù)托換樁與舊樁之間樁間距以及托換樁與隧道邊凈距的要求，托梁承臺設(shè)計長3000 cm。A3、A4原承臺尺寸為300 cm×300 cm×200 cm，托換梁豎向需滿足包住原承臺且預(yù)留預(yù)應(yīng)力豎彎空間，因而托換梁高設(shè)計為350 cm。同時托換梁橫向在扣除原樁基(180 cm)后的凈寬需滿足鋼束平彎布置空間，因而托換梁寬設(shè)計為350 cm。

方案采用2根φ200 cm托換樁，樁基采用φ220 cm鋼護筒跟進，新建托換承臺跨越隧道。為保證施工期間既有橋梁及行人、車輛的安全，同時為便于施工過程中位移、變形的控制，被托換橋墩在頂升過程期間對既有橋梁交通進行管制，禁止汽車通行，待托換體系完成后方可通行。樁基托換平面圖及立面圖如圖3所示。

圖3 海灣大橋連接線A匝道橋樁基托換平面圖(單位：cm)

2 安全風(fēng)險評估

根據(jù)《公路橋梁和隧道工程設(shè)計安全風(fēng)險評估指南》(試行)進行公路橋梁工程設(shè)計安全風(fēng)險評估[1]。一是通過調(diào)查類似結(jié)構(gòu)工程的安全風(fēng)險發(fā)生情況，確定關(guān)鍵風(fēng)險源及將要風(fēng)險源；二是采用定性與定量相結(jié)合的方法，對風(fēng)險源的風(fēng)險發(fā)生概率及損失進行分析和評估，確定其發(fā)生的可能性及嚴(yán)重程度；三是根據(jù)已確定的風(fēng)險發(fā)生概率等級和風(fēng)險損失等級，按照相關(guān)要求確定安全風(fēng)險等級；四是針對不同的安全風(fēng)險等級，研究提出相應(yīng)的應(yīng)對措施。

在選定風(fēng)險源時，需確認(rèn)推測的風(fēng)險源是否存在不確定性，并推測該不確定性帶來的各種可能事故。本文風(fēng)險源以是否影響結(jié)構(gòu)安全的角度進行選定，不考慮結(jié)構(gòu)受力以外的人為因素。結(jié)合海灣大橋連接線A匝道橋A3、A4橋墩樁基托換設(shè)計方案，具體從托換承臺受力狀況、托換樁基承載力、墩柱與承臺連接受力進行分析；并根據(jù)計算分析結(jié)果對風(fēng)險的發(fā)生概率進行判定；最后根據(jù)風(fēng)險發(fā)生概率等級和風(fēng)險損失等級確定安全風(fēng)險等級。

2.1 下穿連接線A匝道橋A3、A4橋墩風(fēng)險源分析計算

2.1.1 A3、A4橋墩樁基托換計算模型

(1)計算方法。采用MIDAS有限元軟件對該托換工程建立空間桿系有限元模型：根據(jù)荷載組合內(nèi)容進行內(nèi)力、應(yīng)力、承臺極限承載力計算，按A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件驗算結(jié)構(gòu)的使用階段應(yīng)力、極限承載力是否符合規(guī)范要求。

(2)計算參數(shù)。計算模型分3個施工階段模擬樁基托換的實際受力情況(見圖4)：施工階段1為托換前，只有原樁基承受全部上部荷載；施工階段2為澆注新建樁基和承臺；施工階段3為截樁后，只有新樁和承臺受力的情況。

圖4 施工階段1～3模型

查閱竣工圖《連接線匝道橋橋墩參數(shù)一覽表》可得,樁頂容許承載力為7100 kN，將樁頂力容許值的30%充當(dāng)活載、70%充當(dāng)恒載加載至原樁帽上。托換承臺長寬高為3000 cm×350 cm×350 cm，采用C50混凝土，托換樁采用C35混凝土，直徑200 cm。承臺配置12根17-φs15.2 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線，管道采用金屬波紋管。隧頂埋深約為19.5 m，隧道主要穿越粉質(zhì)黏土，土質(zhì)可塑～硬塑狀，質(zhì)較均勻，韌性中等，干強度較高，切面較光滑，局部夾微薄層粉砂，屬于穩(wěn)定地層。

2.1.2 風(fēng)險源受力分析

(1)托換承臺。①根據(jù)MIDAS計算結(jié)果得知抗彎、抗剪承載能力滿足規(guī)范要求。②持久狀況和短暫狀況構(gòu)件的應(yīng)力計算結(jié)果見表1。由計算分析可知：承臺在承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下驗算結(jié)果均滿足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG 3362—2018)規(guī)范要求[2]。

表1 應(yīng)力計算結(jié)果

(2)托換樁。由計算模型得出支反力分別為6948 kN、10689 kN，反推托換樁樁頂力分別為6458 kN、10199 kN。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG 3363—2019)(6.3.3-1)計算可得近墩柱托換樁樁基承載力為19 196 kN，較10 199 kN富余53.2%，遠(yuǎn)離墩柱的托換樁樁基承載力為12 754 kN，較6458 kN富余65.9%，樁基承載能力滿足規(guī)范要求[3]。

(3)墩柱與承臺的連接。根據(jù)《公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范》(JTG/T J22—2008)(A.2.2-1～2和A.2.3)可得植筋膠抗拉承載力為50.3 kN，植筋抗拉承載力為103.7 kN；同時求出單根鋼筋抗剪承載力為47.9 kN。由此可見植筋受剪破壞早于抗拔破壞以及基材破壞。270根φ20 HRB400鋼筋抗剪承載力為13 025 kN，滿足剪力N=7100 kN的要求[4]。

2.3 風(fēng)險概率判定

結(jié)合以上計算分析結(jié)果及表2中的標(biāo)準(zhǔn)，可將風(fēng)險源發(fā)生的概率定性判斷為很少發(fā)生。根據(jù)安全風(fēng)險發(fā)生概率等級和損失等級，按表3確定風(fēng)險等級。

表2 風(fēng)險發(fā)生概率等級判斷標(biāo)準(zhǔn)

表3 風(fēng)險水平等級矩陣表

2.4 相似工程案例類比分析

某隧道工程東、西線盾構(gòu)隧道分別從(31+45+31)m預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋跨中穿越。區(qū)間東線隧道距橋樁最小凈距4.35 m，區(qū)間西線隧道距橋墩最近9.86 m。區(qū)間隧道與橋墩的關(guān)系見圖5。

依據(jù)某設(shè)計院提供資料，兩端橋墩下方樁長38 m，中間兩座橋墩下方樁長30 m，均為摩擦型鉆孔灌注樁，樁徑為1.5 m。西線、東線盾構(gòu)分別從45 m、31 m橋跨下平面正交穿越，穿越處地層主要為粉土、可硬塑粉質(zhì)黏土。其中，東線隧道距離樁基最小凈距約3.91 m，隧道穿越的地層以粉質(zhì)黏土及細(xì)砂層為主。由于隧道施工引起鄰近樁基周圍土體松動變形，造成樁基沉降和撓曲變形，對樁基及上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響，若變形過大就會影響橋梁的正常使用，因此需要制定鄰近樁基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，采取相應(yīng)保護措施，將隧道施工造成的影響控制在允許范圍內(nèi)。

圖5 隧道與橋梁平面關(guān)系圖

根據(jù)橋梁實際情況，綜合考慮橋樁與隧道之間的關(guān)系、工程地質(zhì)情況，并參考國內(nèi)相關(guān)工程經(jīng)驗及成果，該工程穿越處推薦采用隔離樁+旋噴樁地面預(yù)加固對橋梁進行保護，以減小穿越施工對橋梁影響，保證橋梁運營安全。

(1)東線隧道施工前在橋梁樁基與隧道之間設(shè)置一排φ1.0 m @1.2 m隔離樁，隔離樁設(shè)置在南北方向距離橋墩邊緣外各10 m范圍內(nèi)，樁頂設(shè)置冠梁，并用連梁連接。盾構(gòu)隧道上方采用三重管高壓旋噴樁加固地層，厚度為3.0 m。同時，在91#、92#橋樁與隔離樁之間打設(shè)袖閥管對砂層進行跟蹤注漿加固，沿隧道向長10 m、深33 m。

(2)西線盾構(gòu)隧道在施工前，在橋梁樁基與隧道之間設(shè)置一排φ1.0 m@1.2 m 隔離樁，隔離樁設(shè)置在南北方向距離橋墩邊緣外各10 m范圍內(nèi)。具體工程措施詳見圖6。

圖6 隔離樁+旋噴樁加固平面布置圖

2.5 安全風(fēng)險評估結(jié)論

根據(jù)本工點的設(shè)計施工方案、施工工序以及區(qū)域地質(zhì)情況，結(jié)合類似工程項目對海底隧道下穿海灣大橋工程風(fēng)險等級做如下評估：

(1)隧道下穿連接線A匝道橋A3～A4號橋墩樁基風(fēng)險發(fā)生概率等級為等級2(很少發(fā)生)，風(fēng)險損失級別為等級2，根據(jù)表3將下穿連接線A匝道橋A3～A4號橋墩樁基工程安全風(fēng)險等級定為Ⅱ級風(fēng)險。

(2)結(jié)合相似工程案例類比分析結(jié)果，建議針對海底隧道盾構(gòu)段下穿海灣大橋的下穿工況，在橋梁樁基外側(cè)合理設(shè)置隔離加固措施，做好防護與監(jiān)測措施，以提高工程施工的安全性，降低安全風(fēng)險。

(3)上述風(fēng)險水平有條件接受，工程有進一步實施預(yù)防措施以提升安全性的必要。

3 結(jié)論與建議

(1)海底隧道與海灣大橋并行段區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，方案合理。盾構(gòu)法施工對周圍土體擾動較小，適合在城市內(nèi)及建(構(gòu))筑物密集路段施工。對于本工程，盾構(gòu)隧道施工對下穿樁基的影響主要在于開挖引起土體擾動，從而減小樁周的摩擦力，降低樁基承載力。由于泥水平衡盾構(gòu)施工對土層擾動小，且可通過摸索總結(jié)到達(dá)下穿段落前不同施工參數(shù)對盾構(gòu)周圍土體的擾動影響，得出不同盾構(gòu)推進速度、泥水壓力及注漿壓力(同步注漿、二次注漿以及事后跟蹤注漿)對地層的影響，從而確定盾構(gòu)下穿大橋施工的最優(yōu)施工參數(shù)，降低對大橋的影響，保證大橋安全。

(2)海底隧道與海灣大橋并行段，為保證海灣大橋的運營安全，除了隧道穿越A匝道3#、4#橋墩時采用主動托換方案外，還應(yīng)對海域范圍橋梁和陸上橋梁布設(shè)監(jiān)測點，建立系統(tǒng)監(jiān)測方案，在隧道施工期間與運營后半年進行基礎(chǔ)沉降和位移監(jiān)測，并于陸上橋梁和隧道間預(yù)設(shè)計隔離樁，為大橋安全提供進一步保障。

(3)隧道穿越橋梁樁基時采用主動托換方案，該方案技術(shù)成熟，在國內(nèi)已廣泛應(yīng)用，樁基托換方案可行。