上跨公路立交主匝道橋施工對既有城際鐵路隧道的影響分析與對策

王永輝

（中國葛洲壩集團國際工程有限公司，北京100000）

上跨公路立交主匝道橋施工對既有城際鐵路隧道的影響分析與對策

王永輝

（中國葛洲壩集團國際工程有限公司，北京100000）

以中川機場進出口公路立交改造工程主匝道橋上跨蘭州至中川城際鐵路機場隧道工程為背景，分別從前期樁基施工擾動及后期車輛荷載擾動兩方面分析了上跨公路主匝道橋對既有城際鐵路隧道的影響，得出橋梁與城際鐵路隧道交叉段落的樁基中，距離隧道最近為3m的樁基對隧道影響最大，但隧道周邊土體最大位移為0.76mm，樁周最大塑性區半徑為1.42m且塑性區未與隧道周邊土體貫通，隧道襯砌主應力及安全系數有小幅波動，均在規范要求值范圍內，因此主匝道橋距離隧道凈距大于3m施工時，不會對城際鐵路隧道正常運營造成影響，最后強調施工時應注意嚴禁在隧道上方堆載，加強監控量測，設置隧道兩側截排水設施及橋梁水集中引排設施，以此為同類工程施工提供參考。

上跨；公路主匝道橋；城際鐵路隧道；施工擾動；結構安全分析

DOI10.3969/j.issn.1672-6375.2016.10.018

1　工程概況

中川機場進出口公路立交改造工程位于蘭州新區境內，距離蘭州市區約67km。改造工程路線起點位于原機場高速中川收費站管理所南600m處，終點位于機場T2航站樓南約1.25km處，終點順接機場迎賓大道。中川機場互通立交改造工程自現有收費站處向右側改移機場高速主匝道，采用高架橋跨過緯一路口、中川城際鐵路、后落地與迎賓大道中心車道對接，實現機場高速與T1、T2航站樓交通快速連接，其余方向通過設置匝道連接。互通立交改造主匝道橋，橋面寬度20.0m，按雙向四車道設計，全長1066.42m。

既有機場隧道起訖里程為DK60+700～DK63+089.1，全長2389.1m。隧道全部采用明挖法施工，斷面形式為矩形斷面。

中川機場進出口公路立交改造工程主匝道橋與既有機場隧道交叉里程K1+910（機場隧道與之對應交叉里程DK61+540），交叉角度26.55°。交叉段落上部結構采用兩跨50m波形鋼腹板鋼混組合連續箱梁，下部采用鋼蓋梁門架式橋墩，橋梁墩臺基礎均采用鉆孔灌注樁，根據受力需要布設D150cm或D180cm的鉆孔灌注樁。交叉段落處橋梁基礎與隧道的距離關系見表1所示，平面關系見圖1所示。

表1　各墩承臺及墩柱離既有線的距離統計表

圖1　立交段落平面圖

2　機場隧道質量監測

為準確查明機場隧道現狀質量，對本工程影響范圍內K60+470～K60+770段落（交叉點前166m，交叉點后134m）的隧道襯砌厚度及襯砌背后空洞情況進行了地質雷達檢測，使用的儀器為美國GSSI公司研制生產的SIR-4000型地質雷達（序列號：0320），并配用400MHz天線（序列號：327）。

本次檢測共布置了5條測線，即底板、左邊墻、右邊墻、左右拱頂，見圖2所示。

圖2　隧道橫斷面地質雷達測線位置示意圖

根據地質雷達數據處理的結果和相關內部缺陷的判斷方法，測試段內襯砌厚度滿足設計要求，該段隧道襯砌背后無空洞和不密實情況。

3　主匝道橋施工對既有機場隧道影響分析

3.1計算方法

為考慮樁基施工空間效應對既有框架隧道的影響［1，2］，計算采用三維地層結構法逐根施工鄰近隧道的樁基，并最終得到地層、框架的應力及位移在樁基施工前后分布情況，然后取框架結構受荷最不利斷面采用荷載-結構法分析框架內力變化情況。

3.2計算參數

根據地質勘察資料，選取距計算段落最近鉆孔ZK18的土層信息作為計算參數來源。模型計算參數見表2、表3所示。

3.3計算模型

計算范圍內土體采用摩爾-庫倫本構模型進行計算，樁、承臺、隧道襯砌采用彈性本構模型，為保證模型有足夠計算精度并盡量減少計算工作量，本次計算對計算范圍進行了一定限制，計算模型尺寸為：從地表向下取80m，橫向取150m，縱向150m。所建立的三維有限元模型見圖3所示。

表2　土層物理力學參數

表3　結構物理力學參數

圖3　計算模型

3.4計算工況

目前中川城際鐵路處于運營狀態，所以其兩側的樁基施工產生的圍巖松動和橋墩上部結構傳遞的壓力超載會對隧道造成變形影響。立交工程主匝道橋是在中川城際隧道修建完畢的基礎上進行施工的，所以立交工程主匝道橋施工前的地應力場需要通過模擬中川城際隧道開挖得到。計算步1～6計算中川城際隧道施工完畢后的地應力場，其中計算步1計算自重作用下的初始應力場；計算步2～6計算中川城際隧道施工后的二次應力場；計算步7～43模擬橋梁施工。

3.5計算分析

由于16號墩離隧道最近，且通過計算16號墩所在樁基開挖對隧道影響較其他墩大，本論述限于篇幅僅從最不利的工況分析16號墩所屬4根樁基開挖對隧道造成的不利影響。通過上述計算可得如下結果，見表4所示。

表4　計算結果比對

為準確反應機場隧道在橋梁施工前后襯砌結構的安全性，現按照荷載-結構法將上述地層-結構模式得出的結構內力，施加在襯砌結構上，并按照《鐵路隧道設計規范》（TB10003—2005）11.2.3可以計算受彎構件各截面的安全系數，據各斷面的配筋形式，可以得到截面指定位置的裂縫寬度［3，4］。結構內力計算見圖4所示。

圖4　襯砌內力

根據計算可提取襯砌各關鍵位置的內力值，通過內力值可驗算襯砌強度，驗算結果見表5所示。

表5　結構內力及強度驗算結果

由上述計算得到表4、表5，可看出：

（1）樁基逐根開挖時，近隧道側土體向樁內側移動，但土體位移較小，最大僅為0.156mm，發生在2號樁鉆孔完成后；在所有樁基施工完成后，施加上部結構自重荷載和車輛荷載后，荷載傳遞到樁基及地層中，使樁周土體受到擠壓，近隧道側土體位移因擠密而略微減小；

（2）計算中樁基單次挖方至設計高程，荷載一次性釋放，屬于大體積卸荷現象，會造成襯砌結構的局部隆起，且不均勻分布，但隆起量均較小，最大隆起量僅為0.113mm，發生在1號樁鉆孔完成后，隨后在樁基灌注完成后，隆起量隨之減小；在施加上部結構自重荷載和車輛荷載后，荷載傳遞到樁基及地層中，樁周土受到摩擦帶動及基底土受到擠壓而使襯砌周邊土發生向下移動的趨勢，并最終沉降0.76mm；

（3）開挖樁基會造樁周邊土體發生一定范圍的塑性屈服，但在隨后樁基澆筑后塑性區的范圍隨之減小，即對隧道最不利情況發生在樁基開挖過程中，整個開挖過程，塑性區最大半徑僅為0.76m，并未造成近隧道側土體屈服松動；在施加上部結構自重荷載和車輛荷載后，塑性區半徑達到1.42m，但塑性區范圍并未與近隧道側土體貫通，對既有隧道結構影響甚微；

（4）由表4可看出，逐根施工樁基的過程中，隧道襯砌主拉應力會逐步增大，但增幅較小，最大主拉應力為1.87Mpa；襯砌主壓應力基本無波動，最大值為4.064Mpa；在施加上部結構自重荷載和車輛荷載后，襯砌最大主拉應力為1.897Mpa，最大主壓應力為4.199Mpa，根據表6.2可知，C40混凝土極限抗拉強度為2.7Mpa，抗壓強度為29.5Mpa，能滿足隧道襯砌強度要求；

（5）樁基施工完畢施加上部結構自重及車輛荷載后，主要變形發生在樁周，襯砌變形相對非常微小，不會影響其正常使用；

（6）樁基施工完畢施加上部結構自重及車輛荷載后，15號墩所屬的1～4號樁造成的塑性區相對較明顯，且擾動范圍離隧道相對較近，屬施工重點控制對象，施工時應嚴格控制開挖進尺，做好護壁，減少擾動，并嚴控施工用水，加強監控量測；

（7）在樁基施工及后期運營過程中，襯砌內力會發生較小的波動，但波動值較小，且波動后襯砌安全系數及裂縫寬度均能滿足規范要求，不會影響襯砌正常使用。

4　結論與對策

（1）通過結構計算分析，主匝道橋跨越鐵路交叉段落橋樁距離隧道結構邊線3m對鐵路隧道結構的影響較小，不會對中川機場隧道的正常使用和安全運營造成影響；

（2）上部結構施工時臨時支墩不得架設于隧道上方，支墩距離隧道邊線至少5m，支墩上方采用軍便梁完成上部結構施工；

（3）樁基礎施工宜采用旋挖鉆機鉆進成孔，并保證樁基鉆設精度；

（4）施工時應采取防塌孔的措施，對臨近鐵路隧道施工的樁基施工應制定專項施工方案，保證施工和隧道安全；

（5）盡量減少振動擾動對隧道結構的影響，施工過程中對既有機場隧道進行變形和振動監控量測，發現異常及時上報；

（6）在隧道兩側設置永久排水溝進行導流，將橋梁集中排水水流引致附近路基側溝或涵洞內分流；

（7）設計橋梁邊側防撞欄防護等級應為SS級［5］，以降低交通事故導致車輛墜落造成對隧道結構的影響。

［1］侯劍鋒.盾構隧道施工對高架橋墩及樁基影響分析［J］.城市道橋與防洪，2010（3）:83-87.

［2］蔣超.盾構隧道近鄰建筑物樁基的相互影響分析［J］.交通科技，2011（1）:43-45.

［3］TB10003-2005.鐵路隧道設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［4］GB50010-2010.混凝土結構設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2010.

［5］JTGD60-2015.公路橋涵設計通用規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2015.

［6］JTGD81-2006.公路交通安全設施設計技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2006.

U445.4

A

2016-6-27

王永輝（1987-），男，漢族，河南周口人，碩士，助工，主要從事公路及水電站施工工作。