新建高速公路橋梁對(duì)臨近既有鐵路隧道影響分析

收稿日期：2024-02-22

作者簡(jiǎn)介：趙艷軍（1991—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：路橋設(shè)計(jì)。

摘要 在既有鐵路隧道周?chē)ㄔO(shè)高速公路橋梁，會(huì)對(duì)既有隧道產(chǎn)生附加變形和內(nèi)力，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)造成不利影響。為了科學(xué)評(píng)估其影響程度，文章以廣西壯族自治區(qū)某新建高速公路橋梁為例，運(yùn)用有限元模擬的方法，對(duì)橋梁施工期和運(yùn)營(yíng)期的荷載進(jìn)行計(jì)算，分析其對(duì)既有南昆鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響，為設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)，從而保障鐵路的正常運(yùn)行和高速公路的順利建設(shè)。

關(guān)鍵詞 橋梁樁基；鐵路隧道；受力分析；安全性

中圖分類(lèi)號(hào) U455.42文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）09-0041-04

0 引言

隨著我國(guó)鐵路網(wǎng)的不斷完善，高速公路建設(shè)不可避免地會(huì)發(fā)生與既有鐵路產(chǎn)生交叉的情況。高速公路橋梁樁基施工和成橋后的荷載必然會(huì)對(duì)周?chē)馏w產(chǎn)生擾動(dòng)，使得應(yīng)力發(fā)生變化，從而影響隧道結(jié)構(gòu)的安全性[1-2]?？茖W(xué)評(píng)判橋梁建設(shè)對(duì)既有鐵路隧道的影響，保障鐵路正常運(yùn)行和高速公路順利建設(shè)，是設(shè)計(jì)工作中的一項(xiàng)重要工作[3]。該文以廣西某新建高速公路項(xiàng)目為實(shí)際案例，采用有限元數(shù)值模擬方法，分析新建橋梁對(duì)鐵路隧道運(yùn)營(yíng)安全性的影響，為今后類(lèi)似工程提供參考。

1 項(xiàng)目概況

新建高速公路為雙向四車(chē)道，設(shè)計(jì)速度為120 km/h。既有鐵路為南昆鐵路下行線(xiàn)，是國(guó)鐵Ⅰ級(jí)干線(xiàn)電氣化鐵路，采用單線(xiàn)單洞形勢(shì)，設(shè)計(jì)速度為120 km/h。高速公路橋梁跨越南昆鐵路下行線(xiàn)處為隧道洞頂，橋梁位于半徑4 200 m的圓曲線(xiàn)上，縱坡的坡度為2.9%，與鐵路夾角132.73 °，設(shè)計(jì)對(duì)隧道洞頂既有山體無(wú)開(kāi)挖。

2 設(shè)計(jì)方案

為減小新建橋梁對(duì)南昆鐵路隧道的擾動(dòng)，適當(dāng)增加安全距離，主橋采用一跨70 m的鋼混凝土組合梁，梁高3.5 m，鐵路軌頂至橋梁底的距離為27.1 m，分左右兩幅。橋墩為雙柱式，直徑為2 m，基礎(chǔ)為混凝土鉆孔灌注樁，直徑為2.2 m，長(zhǎng)度為40 m。橋臺(tái)采用肋式臺(tái)，基礎(chǔ)為混凝土鉆孔灌注樁，直徑為1.2 m，長(zhǎng)度為45 m。橋梁基礎(chǔ)距離鐵路隧道結(jié)構(gòu)最小為15.34 m。橋梁平面、立面如圖1～2所示。

3 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

3.1 地層參數(shù)

根據(jù)地勘報(bào)告，主要地層為粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化硅質(zhì)巖、強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)巖，建設(shè)范圍內(nèi)地下水不發(fā)育，故暫不考慮地下水對(duì)隧道的影響。各主要地層的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1所示。

圖1 主橋平面圖

圖2 主橋立面圖

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

既有鐵路隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)為錨桿和襯砌結(jié)構(gòu)，材料參考類(lèi)似工程進(jìn)行取值，詳見(jiàn)表2所示。

4 影響分析

4.1 模型建立

由于橋梁樁基與隧道的相對(duì)位置關(guān)系，二維模型無(wú)法準(zhǔn)確反映地層沉降、應(yīng)力變化等實(shí)際情況，因此采用3D實(shí)體單元進(jìn)行模擬。該次計(jì)算采用邁達(dá)斯GTS軟件，為便于計(jì)算，結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)模型做出如下假定和優(yōu)化計(jì)算[4]：

（1）地層為各項(xiàng)同性材料，塑性屈服準(zhǔn)則選用Mohr-

Coulomb準(zhǔn)則，地層采用實(shí)體單元進(jìn)行三維模擬。該模型是工程建設(shè)中常用的模型，在計(jì)算中具有效率高、收斂快的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于材料整體性描述具有良好效果。

（2）只考慮圍巖自重造成的圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)。

（3）圍巖變形服從摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，襯砌結(jié)構(gòu)和錨桿采用線(xiàn)彈性本構(gòu)模型。

（4）根據(jù)地形情況，采用最不利坡面進(jìn)行計(jì)算。

（5）模型計(jì)算時(shí)，施加位移邊界條件，左右兩側(cè)為水平約束，頂部為自由邊界，底部設(shè)置為豎向約束。

按照樁基和隧道的相對(duì)位置及影響范圍，選取長(zhǎng)150 m、寬60 m范圍內(nèi)的巖層進(jìn)行計(jì)算分析。模型建立完成后共有516 428個(gè)單元和113 874個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型如圖3～4所示。

4.2 計(jì)算工況

運(yùn)用計(jì)算軟件的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)和激活、鈍化功能，在模擬區(qū)域內(nèi)對(duì)地層、隧道、樁基礎(chǔ)等進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模擬工況共有5個(gè)步驟，分別為：初始地應(yīng)力平衡；隧道建立；襯砌及錨桿建立；施工樁基；成橋荷載。施工步驟設(shè)置及控制區(qū)域見(jiàn)表3所示。

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

4.3.1 樁基施工影響

樁基施工時(shí)采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)支護(hù)，在計(jì)算中予以考慮。經(jīng)過(guò)計(jì)算，樁基施工對(duì)巖層的影響如圖5～6所示。

經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，樁基成孔后橋墩和橋臺(tái)位置處的水平位移值較小，最大值出現(xiàn)在右側(cè)橋臺(tái)樁頂處，為?0.005 mm。左側(cè)橋墩樁頂處的豎向位移為?0.31 mm，樁底處的豎向位移為?0.33 mm。右側(cè)橋臺(tái)樁頂處的豎向位移為0.20 mm，樁底處的豎向位移為?0.35 mm。根據(jù)結(jié)果分析，認(rèn)為兩個(gè)方向的位移值都比較小，均在安全范圍內(nèi)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，樁基成孔后隧道結(jié)構(gòu)橫向變形的絕對(duì)值最大為0.01 mm，位于右側(cè)拱肩處，如圖7所示。樁基成孔后隧道豎向變形的絕對(duì)值最大為0.117 mm，位于左側(cè)拱肩處，如圖8所示。根據(jù)結(jié)果分析，認(rèn)為兩個(gè)方向的位移值都比較小，均在安全范圍內(nèi)。

4.3.2 成橋并施加恒載和活載后的影響

經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，成橋后隧道左側(cè)橋墩樁基樁頂?shù)乃轿灰茷?.02 mm，樁底水平位移為0.01 mm；右側(cè)橋臺(tái)樁基樁頂?shù)乃轿灰茷?.06 mm，樁底水平位移為0.02 mm。樁基均產(chǎn)生不同程度的沉降位移，隧道左側(cè)橋墩樁基樁頂?shù)呢Q向位移為?0.62 mm，樁底豎向位移為0.49 mm；右側(cè)橋臺(tái)樁基樁頂?shù)呢Q向位移為0.54 mm，樁底豎向位移為0.55 mm。成橋后對(duì)地層產(chǎn)生的位移如圖9～10所示。根據(jù)結(jié)果分析，認(rèn)為兩個(gè)方向的位移值都比較小，均在安全范圍內(nèi)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，成橋后隧道產(chǎn)生的橫向變形的絕對(duì)值最大為0.02 mm，位于右側(cè)拱肩處，如圖11所示。成橋后隧道產(chǎn)生的豎向變形的絕對(duì)值最大為0.27 mm，位于左側(cè)拱肩處，如圖12所示。根據(jù)結(jié)果分析，認(rèn)為兩個(gè)方向的位移值都比較小，均在安全范圍內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

按照實(shí)際工程地質(zhì)條件，根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬計(jì)算，得出的主要結(jié)論及建議如下：

（1）新建高速公路在橋梁施工期間及成橋運(yùn)營(yíng)階段對(duì)既有鐵路隧道影響很小，不會(huì)對(duì)鐵路的正常運(yùn)營(yíng)造成不利影響。

（2）施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)鐵路隧道的狀態(tài)觀測(cè)，在隧道內(nèi)和地面設(shè)置控制監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行全程監(jiān)控。

（3）隧道周?chē)┕?yīng)禁止爆破作業(yè)，樁基施工應(yīng)盡可能避開(kāi)雨季，并采取可靠的護(hù)壁支護(hù)措施。

參考文獻(xiàn)

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[4]閔亞芝. 高速公路橋墩樁基施工對(duì)既有隧道力學(xué)行為研究及穩(wěn)定性分析[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用， 2023（6）： 97-99+103.