地下通道下穿城市高架橋梁的影響分析

摘 要：為研究新建道路地下通道對臨近既有城市高架橋梁的變形影響，本文基于某新建道路地下通道下穿運(yùn)營城市高架橋梁，研究地下通道施工對既有鄰近橋梁的影響機(jī)理，采用數(shù)值模擬，分析地下通道施工過程中的開挖效應(yīng)及對既有橋梁的影響規(guī)律，得出地下通道各種建設(shè)工況下的既有橋梁、周邊地層的變形規(guī)律。相關(guān)研究成果可為類似環(huán)境下的下穿高架橋梁建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：地下通道；臨近橋梁；數(shù)值模擬；變形規(guī)律

中圖分類號(hào)：TU 98" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著城市的發(fā)展，迫切需要打通交通設(shè)施的堵點(diǎn)（環(huán)線、過境國道等），暢通交通循環(huán)，但中心城區(qū)建筑密布，道路擁擠，給項(xiàng)目建設(shè)造成了巨大難度[1]。為避免占用城市地面層居民生產(chǎn)生活空間，新建設(shè)的交通基礎(chǔ)設(shè)施多采用地下結(jié)構(gòu)。臨近既有建筑、橋梁的市政設(shè)施施工風(fēng)險(xiǎn)較高，極易導(dǎo)致周邊建筑或橋梁產(chǎn)生不均勻變形甚至誘發(fā)建筑、橋梁橋墩傾倒，造成結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)[2]。

本文以某地下通道新建工程為例，首先，通過新舊結(jié)構(gòu)空間相對關(guān)系對其影響程度進(jìn)行了初步分析，其次，采用數(shù)值模型模擬了地下通道實(shí)施的各個(gè)施工階段，對其相互影響程度進(jìn)行定量計(jì)算分析，最后，與施工現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分階段對比，在采取合理的工程措施后，既有橋梁各項(xiàng)指標(biāo)均可得到有效控制，本研究對保障既有橋安全運(yùn)營具有重要作用，也為相似地形地質(zhì)條件下類似項(xiàng)目建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 工程介紹

研究區(qū)現(xiàn)狀橋梁跨徑布置為38m+44m+38m，全橋長135m，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。橋面總寬為26.5m，橋梁標(biāo)準(zhǔn)斷面橫向布置（單幅）：0.5m（防撞護(hù)欄）+11.75m（車行道）+0.5m（防撞護(hù)欄）=12.75m。隨著城市核心區(qū)東西向交通日趨繁忙，采用地面環(huán)島對東西向地面交通進(jìn)行組織降低了道路服務(wù)水平，早晚高峰此節(jié)點(diǎn)擁堵較為嚴(yán)重，該處橋梁是兩條主干路的連接節(jié)點(diǎn)，交通流量大。隨著交通量增加，此節(jié)點(diǎn)逐步形成交通瓶頸，因此須對該處的立交節(jié)點(diǎn)進(jìn)行升級(jí)改造。

根據(jù)現(xiàn)場多次調(diào)研，并對交通流量進(jìn)行分析，此節(jié)點(diǎn)在早晚高峰時(shí)段交通量較大，為改善此節(jié)點(diǎn)交通服務(wù)水平，綜合技術(shù)比選后采用地下通道進(jìn)行節(jié)點(diǎn)升級(jí)改造，如圖1所示。

眾多學(xué)者對新舊結(jié)構(gòu)之間的相互影響進(jìn)行了研究，羅小松、黃松[3-4]對基坑及盾構(gòu)下穿橋梁進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究，雷賀彩、周萌[5-6]對道路及箱涵工程下穿橋梁工程的風(fēng)險(xiǎn)評估進(jìn)行了相關(guān)研究。因項(xiàng)目所處位置的工程建設(shè)條件、地形地質(zhì)條件等均存在差異，所以對地下通道下穿橋梁進(jìn)行相關(guān)分析非常有意義。

1.2 工程地質(zhì)條件

研究區(qū)位屬丘陵地貌區(qū)，區(qū)內(nèi)背斜與向斜相間分布，構(gòu)成低山、丘陵、平壩、河流的組合地貌特征。擬建道路位于槽谷地段，沿線微地貌類型屬山地丘陵地貌區(qū)。經(jīng)沿線地質(zhì)調(diào)查及鉆探揭露，沿線地層為第四系填土、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土，侏羅系上統(tǒng)遂寧組、中統(tǒng)沙溪廟組巖層，巖性為泥巖、砂巖和泥質(zhì)粉砂巖。其中，第四系覆蓋層整體較薄，地質(zhì)鉆孔期間未發(fā)現(xiàn)明顯地下水，因此工程建設(shè)可不考慮地下水的影響。

2 地下通道與既有橋梁空間關(guān)系

2.1 平面及立面位置關(guān)系

新建地下通道與既有橋梁平面基本呈現(xiàn)正交關(guān)系，跨線橋?yàn)槟媳毕蛞呀ǔ蓸蛄?，現(xiàn)狀地面為地面層轉(zhuǎn)向道路，下部為東西向擬建地下通道。東西向直行車道改為由地下直接過境，地下通道采用雙向4車道。地下通道結(jié)構(gòu)形式采用雙孔箱型截面，地下通道兩側(cè)設(shè)置0.75m寬的檢修道。

為減少對既有橋的影響，施工地下通道時(shí)應(yīng)盡量縮小開挖面，結(jié)合地質(zhì)條件，節(jié)點(diǎn)位置的地下通道明挖基坑距離現(xiàn)狀橋梁橋墩較近，因此為減少基坑開挖對現(xiàn)狀橋墩的影響，基坑下穿橋梁段采用錨拉樁支護(hù)，錨拉樁截面尺寸為1.0m×1.2m，間距為2.5～3m，錨索采用12束15.2鋼絞線，樁身設(shè)置3排錨索，錨孔直徑200mm，避開橋墩跳樁設(shè)置錨索。

高架橋橋下凈高約7m，本次設(shè)計(jì)的地面轉(zhuǎn)向道路路面標(biāo)高基本與現(xiàn)狀地面齊平，盡量減少對既有橋梁的影響。

2.2 相互影響初步分析

通過結(jié)構(gòu)相對關(guān)系梳理的結(jié)果，新建地下通道的外部作業(yè)主要為基坑支護(hù)錨拉樁、錨索、箱型截面地下通道施工。新建地下通道可能對現(xiàn)狀橋產(chǎn)生的相互影響見表1。

為明確新舊結(jié)構(gòu)之間相互干擾的程度，本次研究采用巖土通用有限元軟件，對本立交節(jié)點(diǎn)新舊結(jié)構(gòu)之間的相互影響進(jìn)行數(shù)值分析。

3 數(shù)值模型構(gòu)建

3.1 相關(guān)巖土力學(xué)參數(shù)

在有限元分析中，邊坡失穩(wěn)判斷依據(jù)主要是收斂準(zhǔn)則和塑性區(qū)是否貫通。收斂準(zhǔn)則主要表現(xiàn)為位移收斂，當(dāng)邊坡計(jì)算結(jié)果不收斂時(shí)，有限元計(jì)算無法找到邊坡位移收斂的數(shù)據(jù)，甚至發(fā)生突變，就認(rèn)為邊坡已經(jīng)失穩(wěn)。塑性區(qū)是否貫通主要是查看計(jì)算后邊坡內(nèi)是否存在貫通的塑性區(qū)，若存在，則認(rèn)為邊坡已經(jīng)失穩(wěn)。

3.2 數(shù)值模型構(gòu)建

模型考慮了既有橋運(yùn)營荷載、新建地下通道運(yùn)營荷載以及地面層交通的運(yùn)營荷載。模型建立主要包括以下幾個(gè)施工階段。①初始地層構(gòu)建后形成初始地應(yīng)力。②修建現(xiàn)狀橋梁。③位移清零。④新建地下通道。⑤地下通道運(yùn)營。計(jì)算模型邊界條件設(shè)置：模型底板采用固定約束，側(cè)面采用左右對稱約束，地表為自由邊界，構(gòu)建的數(shù)值模型如圖2所示。模型中所采用的巖土參數(shù)均按照表2提取。

4 新舊橋相互影響的數(shù)值分析

4.1 地下通道開挖期間分析

錨拉樁施工完畢后，得到相近地層的水平及豎向位移，分別如圖3、圖4所示。

從圖3可看出，在錨拉樁實(shí)施完成后，支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移均朝向基坑內(nèi)，最大水平位移為3.7mm，左右側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形基本呈現(xiàn)對稱狀態(tài)，采用錨拉樁實(shí)施，對位移控制較好，基坑開挖后對地層位移的影響范圍有限。從圖4可看出，基坑底部存在一定的隆起變形，基坑開挖底面位置隆起變形較大，越往下地層隆起變形越小，支護(hù)結(jié)構(gòu)在地面荷載作用下，出現(xiàn)向下的豎向位移，最大豎向位移為向下2.3mm。

4.2 地下通道運(yùn)營階段分析

在地下通道建設(shè)完畢并投入運(yùn)營后，得到相近地層的水平及豎向位移，分別如圖5、圖6所示。

隨著新建地下通道開始運(yùn)營，地層位移出現(xiàn)增加趨勢。由圖5可看出，隨著地下通道投入運(yùn)營，地下通道周邊巖層出現(xiàn)水平位移，位移趨勢與地下通道基坑支護(hù)階段幾乎一致，最大水平位移為3.81mm。從圖6可看出，基坑底部存在一定的隆起變形，隨著地下通道頂部回填施工及地面層道路運(yùn)營，基坑開挖底面位置隆起變形雖有增加趨勢，但增速減緩并趨于穩(wěn)定。圖中可看出地層最大豎向位移為向下2.54mm。

對各個(gè)階段的分析結(jié)果進(jìn)行對比分析，地下通道施工時(shí)的地層最大變形值出現(xiàn)在地下通道投入運(yùn)營階段。

4.3 對既有橋梁運(yùn)行影響分析

通過提取橋墩最大水平位移結(jié)果，橋墩墩柱頂部最大水平位移為3.7mm。對既有橋梁竣工圖資料進(jìn)行分析，橋梁支座布置1處橋墩，采用固定支座，其余橋墩均采用活動(dòng)支座（允許位移為±100mm），在本聯(lián)主梁與相鄰聯(lián)主梁之間設(shè)置120mm的伸縮縫，對橋位現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地調(diào)查可知，橋梁伸縮縫內(nèi)橡膠帶出現(xiàn)一定破損，伸縮縫型鋼等構(gòu)建均處于正常工作狀態(tài)，橋梁伸縮縫可自由伸縮，滿足主梁縱向變形需求。由此可知，地下通道施工開挖使墩柱頂產(chǎn)生3.8mm縱向變形，不會(huì)改變既有橋的運(yùn)營狀態(tài)，不會(huì)對既有橋的安全造成影響。

5 結(jié)論

鄰近既有橋梁的地下通道開挖施工是一項(xiàng)技術(shù)復(fù)雜、難度較高、施工風(fēng)險(xiǎn)較大的工程，其核心是要分析新建地下通道實(shí)施對既有結(jié)構(gòu)的影響程度。本文采用數(shù)值模型分析了地下通道開挖及運(yùn)營各個(gè)施工階段，計(jì)算結(jié)果表明，在各個(gè)階段均滿足既有橋梁的運(yùn)營要求，本研究可為類似項(xiàng)目提供參考。

參考文獻(xiàn)

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