擬建上跨橋梁對下方既有隧道的安全影響分析

譚雙全，劉廷偉

（1.重慶市勘測院，重慶市 400020；2.重慶市巖土工程技術(shù)研究中心，重慶市400020）

0 引言

隨著我國城市化進程的快速發(fā)展，城市道路交通需求量迅速增長，由于城市空間有限，新建道路與既有道路之間往往存在立體交叉。而對于山地城市，不可避免地會出現(xiàn)新建道路或橋梁上穿既有隧道的情況。在既有隧道上方施作建構(gòu)筑物，將會對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響[1][2]。本文通過工程實例，根據(jù)擬建上跨橋梁與下方既有隧道的空間關(guān)系特點，基于MIDAS-GTS有限元軟件進行隧道結(jié)構(gòu)安全性影響分析，研究既有隧道產(chǎn)生的附加內(nèi)力和變形規(guī)律。其成果可為類似的工程設(shè)計和研究提供參考依據(jù)。

1 工程概況

隧道上方擬建道路為一條東西向城市次干路，標準路幅寬度26 m，雙向4車道，道路在終點附近以橋梁方式上跨現(xiàn)狀隧道，橋跨方向與隧道接近正交。擬建橋梁全長80 m，橋跨布置為2×35 m簡支小箱梁，轉(zhuǎn)橋面連續(xù)，梁高1.8 m。橋墩采用蓋梁加圓形橋墩，蓋梁高2.2 m，橋墩直徑1.8 m。基礎(chǔ)采用單樁基礎(chǔ)，直徑2.0 m，樁基礎(chǔ)為嵌巖樁。橋臺采用U型橋臺，基礎(chǔ)采用群樁基礎(chǔ)，樁基直徑1.5 m，樁基礎(chǔ)為嵌巖樁。橋臺后側(cè)擋墻為衡重式擋墻。

該隧道于2007年建成運營，現(xiàn)狀穩(wěn)定，隧道分西洞和東洞，兩洞間凈距約為16 m。隧道開挖采用暗挖法，鉆爆法施工，采用光面爆破技術(shù)。根據(jù)隧道竣工圖紙，隧道采用復(fù)合式襯砌（見圖1）。擬建橋梁上跨段隧道錨桿長3.5 m，二次襯砌采用45 cm厚C30混凝土。

圖1 襯砌斷面圖（單位:mm）

該擬建項目勘察區(qū)位于地質(zhì)構(gòu)造屬龍王洞背斜西冀傾伏端，巖層呈單斜狀產(chǎn)出。受地質(zhì)構(gòu)造影響輕微，區(qū)內(nèi)未見斷層及次級褶皺，地質(zhì)構(gòu)造較為簡單。巖層產(chǎn)狀275°∠15°，基巖中主要發(fā)育2組裂隙，主要分布于砂巖地層內(nèi)。

根據(jù)工程地質(zhì)測繪和野外鉆探揭示，場區(qū)地層由于土石方開挖，全部為基巖出露，基巖地層為侏羅系中沙溪廟組（J2s）砂、泥巖互層，其中以泥巖為主，砂巖存在尖滅現(xiàn)象。隧道圍巖級別為Ⅳ級。

圖2為擬建橋梁與隧道的立面位置關(guān)系圖。

圖2 擬建橋梁與隧道的立面位置關(guān)系圖

2 安全評估

分析的思路是：（1）搜集上跨橋梁、既有隧道竣工資料和地質(zhì)勘察資料；（2）分析風險源，擬建橋梁基礎(chǔ)開挖引起隧道變形與內(nèi)力變化、橋梁修建和運營產(chǎn)生的荷載對已建成的隧道產(chǎn)生變形與內(nèi)力變化為主要風險源；（3）有限元計算，運用有限元計算軟件進行數(shù)值計算，預(yù)測該隧道工程在擬建工程施工過程和運營期所發(fā)生的變形和內(nèi)力；（4）隧道安全性評估，根據(jù)計算結(jié)果，結(jié)合隧道工程的變形限值條件，以及安全系數(shù)，評價隧道結(jié)構(gòu)的安全性。

有限元分析采用MIDAS-GTS完成。三維有限元模型的坐標系選取如下：X軸垂直隧道走向方向，即橋跨方向；Z軸垂直向上；Y軸沿隧道軸線方向（見圖3）。數(shù)值計算中假定巖體為各向同性，采用Mohr-Coulomb屈服準則。巖土體的計算參數(shù)根據(jù)地勘報告中的數(shù)據(jù)進行取值，經(jīng)換算、折減后有限元模型采用的計算材料參數(shù)如表1所列。

圖3 三維有限元模型圖

在進行數(shù)值計算時，計算模型邊界條件設(shè)置如下：水平邊界上采用橫向位移約束，底部邊界采用豎向位移約束，頂部地表為自由約束。計算上跨橋梁施工影響時，利用MIDAS-GTS中激活/鈍化單元功能，模擬橋梁施工及橋梁運營。整個計算采用6種工況對施工過程進行模擬，如表2所列。

表1 模型計算參數(shù)表

表2 工況一覽表

2.1 襯砌結(jié)構(gòu)位移分析

分析中提到的計算位移（見圖4～圖6所示）為橋梁修建引起的既有隧道位移增量。

圖4 路基開挖后襯砌結(jié)構(gòu)位移云圖

圖5 橋梁下部結(jié)構(gòu)修建后襯砌結(jié)構(gòu)位移云圖

圖6 橋梁運營后襯砌結(jié)構(gòu)位移云圖

由圖4～圖6可以看出，受路基開挖卸荷的影響，襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)背離隧道中心的水平位移，最大水平位移出現(xiàn)在隧道拱腰部位，最大值為0.67 mm；由于卸荷作用，襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)向上的位移，最大位移值為0.95 mm，出現(xiàn)在西側(cè)隧道拱肩部位。路基開挖后，其位移最大值出現(xiàn)在西側(cè)隧道拱肩部位，最大值為1.14 mm。最大水平位移、豎向位移均出現(xiàn)在西側(cè)隧道，這是由于西側(cè)隧道埋深較淺，橋臺與路基離隧道豎向距離較近，橋梁修建對隧道影響更大。

橋梁下部結(jié)構(gòu)修建后，由于結(jié)構(gòu)、路基回填荷載對襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生加載作用，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)向隧道內(nèi)部收斂的水平位移，但位移量較小，最大水平位移僅0.47 mm。受路基回填、橋梁自身重力加載的影響，襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生豎向向下的位移，最大值為0.82 mm，出現(xiàn)在上跨橋正下方西側(cè)隧道拱頂部位。

橋梁運營后，受橋梁上部結(jié)構(gòu)荷載的影響，襯砌結(jié)構(gòu)豎向位移進一步增大，最大值出現(xiàn)的位置保持不變。橋梁運營后，西側(cè)隧道最大水平位移最大值為向隧道內(nèi)部收斂的位移0.45 mm，最大豎向位移增大至1.19 mm。

2.2 襯砌安全系數(shù)驗算

從計算結(jié)果提取拱頂、拱肩、拱腰及拱腳的內(nèi)力值，如表3所列。可以看出，襯砌拱頂、拱肩、拱腰及拱腳均為受壓控制。根據(jù)文獻[3]、[4]，可以計算襯砌各個截面安全系數(shù)，東、西側(cè)隧道襯砌各個截面安全系數(shù)均大于規(guī)范要求的2.0。

2.3 襯砌裂縫驗算

根據(jù)文獻[3]、[4]、[5]，最大裂縫寬度限制為 0.2 mm，對e0/h0≤0.55的偏心受壓構(gòu)件，可不驗算裂縫寬度，所以橋梁運營后，二次襯砌結(jié)構(gòu)是安全的。

表4為橋梁建設(shè)過程中隧道各項變化指標統(tǒng)計表。從計算結(jié)果可以看出，路基開挖階段受開挖卸荷的影響，襯砌最大軸力、彎矩均有所減小；隨著橋梁修建及運營階段荷載增加，最大軸力、彎矩有所增大。

表4 橋梁建設(shè)階段各項指標統(tǒng)計表

橋梁修建各個階段襯砌位移、內(nèi)力各項指標均沒有超過允許值，上跨橋修建及運營對隧道影響在可控范圍之內(nèi)。

3 結(jié)語

（1）通過數(shù)值計算，上跨橋修建引起的襯砌結(jié)構(gòu)變形量較小，在許可范圍之內(nèi)。

（2）受路基開挖卸荷及橋梁加載的影響，襯砌內(nèi)力呈先減小后增大的趨勢。根據(jù)內(nèi)力計算結(jié)果可計算出襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)大于規(guī)范要求的2.0，襯砌穩(wěn)定性在可控范圍內(nèi)。二次襯砌最大裂縫寬度在規(guī)范允許范圍內(nèi)，即上跨橋修建不會對襯砌結(jié)構(gòu)造成損傷。

表3 安全系數(shù)驗算表

（3）在上跨橋梁施工和運營過程中，加強隧道結(jié)構(gòu)的變形和關(guān)鍵斷面的應(yīng)力監(jiān)控量測，確保隧道結(jié)構(gòu)的安全。

該工程實例可為類似工程的定性分析提供參考依據(jù)。

[1]周超.公路跨越既有鐵路隧道的方案設(shè)計與研究[J].隧道建設(shè)，2014，（1）：32-40.

[2]劉斌.新建公路施工對既有隧道結(jié)構(gòu)有限元分析[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2015，（5）：38-41.

[3]JTG D70-2004，公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].

[4]JTG/T D70-2010，公路隧道設(shè)計細則[S].

[5]GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].