淺埋偏壓隧道下穿橋梁的施工方案研究

李 訊，何 川，陳 菲

(西南交通大學地下工程系，成都 610031)

隨著交通事業(yè)的快速發(fā)展，公路、鐵路路線相互交叉，新建隧道近距離穿越既有結構物的情況越來越多[1-6]。隧道施工過程中需要同時保證新建隧道的安全和既有結構物的穩(wěn)定，尤其是對于隧道下穿既有橋梁這一問題更加突入，施工不慎甚至可能造成橋梁垮塌、車毀人亡的嚴重后果。目前相關技術人員與學者針對這一問題開展了多方面的研究:吳波[7]采用流固耦合分析，針對北京地鐵5號線隧道過河過橋段研究了降水對橋基的影響，并對隧道加固方案進行了比選;蘇東[8]等結合北京軌道交通機場線盾構法穿越三元橋的實際工況，提出了針對北京地區(qū)典型地質條件下的沉降控制措施;李奎[9]采用三維數值模擬方法，對北京地鐵5號線過河過橋隧道施工可能采用的4種超前支護方案進行了分析。目前針對淺埋偏壓隧道下穿既有橋梁的相關研究較少，施工時既有橋的力學行為有何特點、究竟應該先施工淺埋側還是深埋側尚不明確。以某高速公路出口淺埋段隧道下穿既有橋梁段為對象，按先施工淺埋側和先施工深埋側進行了數值模擬計算，對隧道施工過程中地表沉降、橋墩位移、橋梁受力等方面進行了研究，為隧道的設計和施工提供參考。

1工程概況

如圖1及圖2所示，新建隧道線路與已建高架橋相交穿過，左線隧道(埋深較深的隧道)從5、6號橋墩之間穿過，右線隧道(埋深較淺的隧道)從4、5號橋墩之間穿過。

圖1 隧道與橋梁設計平面相對位置(單位:m)

圖2 隧道與橋墩剖面位置(單位:m)

已建橋梁跨徑布置為7×30 m共1聯(lián)，上部結構為預應力混凝土小箱梁，先簡支后結構連續(xù);下部結構橋墩采用柱式墩、灌注樁基礎;橋臺采用U形橋臺，擴大基礎。新建隧道路面寬度8.5 m，為單線2車道，建筑界限寬度為10 m，高度為5 m，隧道初襯厚27 cm，二襯厚50 cm。

地質情況分層從上到下依次為含砂亞黏土、全風化黑云母花崗斑巖、弱風化黑云母花崗斑巖以及微風化黑云母花崗斑巖。地層結構松散，圍巖穩(wěn)定性差，一般無自穩(wěn)能力，容易發(fā)生松動變形、小塌方，進而發(fā)展成為大塌方。

為確保施工過程中既有橋梁安全，橋墩進行了深孔注漿，并對隧道拱頂采用深孔注漿和超前小導管加固。隧道施工方法為環(huán)形導坑法(圖3)，施工工序為上半弧開挖，初支→兩側弧開挖，初支→核心土開挖→下半斷面內側導洞開挖，初支→下半斷面外側導洞開挖，初支→上二襯。

圖3 隧道施工工法

2 數值計算模型及計算工況

根據隧道施工圖及勘探資料，建立了數值計算模型，如圖4所示。由于隧道埋深較淺，計算中以自重應力場為主。考慮隧道開挖的影響范圍及“邊界效應”[10-12]，左右取全橋結構共210 m，高度方向(即y方向)取仰拱底部以下40 m、拱頂以上取實際埋深。在模型的下邊界施加豎向約束;左、右邊界施加水平約束。根據隧道特點，采用平面應變分析，隧道圍巖材料特性按均質彈塑性考慮，Druck-Prager屈服準則，圍巖和二襯采用二維平面單元(plane42)，初期支護噴混凝土、橋梁、橋墩和樁基采用梁單元(beam3)。

圍巖力學參數依據工程地質勘查報告并參考已施工段隧道施工監(jiān)控數據，取值如表1所示，深孔注漿區(qū)和小導管加固通過將圍巖物理力學參數提高半個到一個級別來實現(xiàn)。

圖4數值計算模型

表1 計算力學參數

計算工況:考慮到不同的施工方案對橋梁產生影響可能不同，分別按先施工淺埋側隧道(工況1)和先施工深埋側隧道(工況2)進行了數值模擬計算。

3 計算結果與分析

3.1 地表沉降

4號墩～6號橋墩之間的地表沉降如圖5所示，先施工淺埋側(右洞)與先施工深埋側(左洞)的地表沉降曲線類似，兩洞拱頂上方地表位移最大，后行洞施工對先行洞上方地表最大沉降值影響不大;導致地表沉降的主要施工步均為上半斷面中導洞和兩側弧導洞開挖，幾乎已完成了整個沉降量;5號墩～6號橋墩之間的地表沉降及范圍大于4號墩～5號橋墩，因此在設置地表監(jiān)測點時5號墩～6號橋墩之間的沉降觀測點間距應設置得更小，同時在隧道中導洞和兩側弧導洞施工時應提高監(jiān)測頻率。施工完成后，最大地表位移出現(xiàn)在右洞拱頂上方，先施工淺埋側為14.45 mm左右，先施工深埋側時為16.54 mm。

4.2 橋墩位移

先施工淺埋側時，4號墩～6號橋墩水平側移如圖6所示。位移分布從大到小依次為墩底、墩身、墩頂，由于橋梁上部結構水平剛度較大，墩頂側移幾乎為零，而墩底由橋樁基帶動發(fā)生側移，產生的位移最大;水平側移終值最大值的出現(xiàn)在6號墩，量值為3.91 mm，其次為5號墩，為2.18 mm，4號墩最小，為1.53 mm;施工過程中橋墩水平側移的最大值為5 mm，出現(xiàn)在右洞施工完時的5號墩。

從施工過程中各個橋墩的側移發(fā)展歷程上看，橋墩側移最大增量均發(fā)生在隧道上半斷面兩側弧開挖階段;4號墩側移從施工后即持續(xù)增大，并指向右洞洞身，左洞施工對4號墩側移影響很小，位移基本保持不變;5號墩側移先隨著右洞施工而逐漸增大，在上半斷面施工完成后趨于平穩(wěn)，左洞施工后，側移開始逐漸減小，但最終側移始終指向右洞;右洞施工完成后，6號墩墩底向右洞方向產生了0.69 mm的位移，左洞施工后，6號墩向該方向的側移大幅增大，在左洞上半斷面完成后側移達到3.86 mm后趨于穩(wěn)定。對比圖中可以看出，左洞施工對4號橋墩的影響要大于右洞施工對5號墩的影響，這是因為地形偏壓使橋墩更易發(fā)生順坡方向的位移。

先施工深埋側時，4號墩～6號橋墩水平側移如圖7所示。位移沿橋墩的分布規(guī)律與先施工淺埋側時一致，也表現(xiàn)為墩底最大，墩頂最小;施工完后，6號墩的側移量最大，為4.30 mm，較先施工淺埋側稍大;5號墩的側移發(fā)生了兩次轉向，左洞施工時，先偏向左洞洞身，右洞施工后，5號墩偏向左洞的位移逐漸減小，最終轉為偏向右洞洞身，墩底側移為3 mm。本施工方案5號墩的側移發(fā)生了多次轉向，可能使墩頂支座發(fā)生剪切破壞，同時墩身內力變化復雜，混凝土也易開裂。

圖6 工況1橋墩側移隨施工的變化

圖7 工況二橋墩側移隨施工的變化

先施工淺埋側時橋墩沉降如圖8所示。4號墩在右洞施工完以后基本上不再變化;右洞施工過程中，5號墩的沉降始終大于6號墩，右洞施工完后，5號墩沉降為1.7 mm，6號墩為0.26 mm，左洞開始施工后，6號墩的沉降增速明顯大于5號墩，并最終超過5號墩的沉降量，施工完成后，3個橋墩的沉降量為6號墩(5.26 mm)＞5號墩(2.89 mm)＞4號墩(0.51 mm)。在采用該方案時，施工右洞，5號墩為重點監(jiān)控對象;施工左洞，5號墩和6號墩為重點監(jiān)控對象。

圖8 工況1橋墩沉降隨施工的變化

先施工深埋側時橋墩沉降如圖9所示。施工過程中3個橋墩的沉降量始終為6號墩＞5號墩＞4號墩。對6號墩而言，左洞施工完后即完成了主要的沉降量，其最終沉降為5.44 mm;對5號墩而言，左右隧道施工均產生了較大的沉降量，其中右洞產生的沉降量稍大于左洞，最終沉降為3.06 mm;左洞施工對4號墩基本上沒有影響，右洞施工后4號墩最終沉降為0.56 mm。在采用該施工方案時，應始終將5號墩和6號墩作為重點監(jiān)控對象。

圖9 工況2橋墩沉降隨施工的變化

從橋墩沉降隨施工步變化可知，無論采取先施工哪側隧道，造成橋墩沉降的施工步均為中導洞和兩側弧導洞開挖，因此，在施工中導洞和兩側弧導洞圍巖時，應加強橋墩的監(jiān)測頻率。

3.3 橋梁彎矩

圖10為隧道未施工前4號墩～6號墩之間梁體彎矩。先施工淺埋側時橋梁彎矩如圖11所示，墩梁位移和變形使橋梁內力發(fā)生重分布，右洞完成后，墩梁連接處最大負彎矩增量為30 kN· m，跨中最大正彎矩稍有減小;左洞完成后，跨中最大正彎矩有所增大，其增量為200 kN·m，而墩梁連接處最大負彎矩有所減小。因此，在右洞施工過程中，應注意觀測墩梁連接處有無裂縫產生或其他異常情況，在左洞施工過程中，應將5號墩、6號墩之間梁體跨中截面作為重點關注對象。

圖10 隧道施工前橋梁彎矩(單位:N·m)

圖11 工況1橋梁彎矩(單位:N·m)

如圖12所示，先施工深埋側時，在左洞完成后，5號墩～6號墩梁體跨中最大正彎矩即增加了200 kN·m，右洞施工后，最大正彎矩與左洞施工后相比基本不變。墩梁連接處最大負彎矩先減小，后增大，但未增加到初始狀態(tài)的量值。與先施工淺埋側相比，由于本施工方案在施工先行洞時橋梁即開始承擔較大的附加正彎矩，且后行洞施工后該附加彎矩基本不變，因此，應從施工開始到結束的整個階段對5號墩～6號墩之間梁體的跨中截面進行密切的監(jiān)控和觀察。

4 結論

本文按2種不同的施工方案，對淺埋偏壓隧道施工近接既有橋梁進行了研究，通過分析隧道施工對地表沉降、橋梁位移和受力等方面的影響，得到了如下結論。

(1)隧道上半斷面中導洞和兩側弧導洞開挖對地表沉降和橋墩位移影響最大，應增加橋墩的監(jiān)測頻率;后行洞施工對先行洞上方地表最大沉降值影響不大。先施工淺埋側與先施工深埋側的地表沉降曲線類似，但前者的最大沉降值小于后者。

圖12 工況2橋梁彎矩(單位:N·m)

(2)橋墩側移從大到小依次為墩底、墩身、墩頂;施工完成后3個橋墩的水平側移以及沉降的最大值出現(xiàn)在6號墩;對于5號墩而言，若先施工深埋側隧道，橋墩從先偏向先行洞轉為偏向后行洞，若先施工淺埋側，橋墩始終偏向先行洞;隧道施工對4號墩的影響較小，無論是施工過程中還是施工完成后，其位移值均不大。受橋墩位移的影響，隧道施工使梁體內力發(fā)生重分布，5號墩～6號墩梁體跨中最大正彎矩增加較大。

(3)綜合考慮地表沉降、橋梁位移和內力的變化情況，宜采取先開挖淺埋側的施工方案。監(jiān)控量測中應將5號墩和6號橋墩及之間的梁體作為重點關注對象，密切注意施工過程中橋墩位移的變化情況，觀察橋墩和梁體是否有裂縫產生。

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