橋、隧、路、堤組合結構應用技術

鐘 可， 于 勇， 李騰飛， 馬軍秋

(1. 長沙市軌道交通集團有限公司， 湖南 長沙 410000； 2. 中鐵第六勘察設計院集團有限公司， 天津 300000)

0 引言

隨著我國交通基礎設施建設規模日益擴大，越來越多的城市道路需穿越江河、湖泊、海港以達到串聯交通的目的[1-3]。由于受到周邊環境、地形地貌以及地質條件等因素的限制，單一的隧道、橋梁等結構形式已越來越不能滿足建設要求[4-6]。趙志明等[7]針對不同的地形特點，將橋隧組合分為緩坡橋+路基+隧道和陡坡橋+隧道直接連接2種方式； 王曉宇[8]總結分析了適用于高差懸殊、地形復雜、場地受限等山區條件下的公路橋隧組合工程方案； 曹校勇等[9]和王正輝[10]對橋隧組合方案進行了技術總結，分析了實施過程中存在的問題，并總結了具體的難點及教訓； 施成華等[11]對隧道出口處橋隧組合結構靜動力學特性的影響因素進行了研究； 萬俊峰等[12]對復雜地形條件下橋隧組合的隧道洞口結構設計進行了研究，提出了非對稱結構設計方案； 橋、隧相互組合的結構形式能有效地彌補單一結構本身的缺陷，在今后勢必將作為一種新型結構形式得到推廣及運用[13-15]。

本文從投資和技術2方面分析，針對周邊環境受限的條件下需要增加原有路幅寬度的問題，提出一種新型的橋、隧、路、堤組合結構形式，該組合結構在穩定性及受力方面較為復雜，目前尚缺乏足夠的設計以及工程經驗；此外，由于工程本身的獨特性，在一定程度上較難復制相同的工程案例，需根據工程本身進行專項研究。因此，以營盤路隧道為工程實例，通過對橋、隧、路、堤組合結構方案及受力情況進行研究分析，在解決問題的同時，可以為類似工程設計和進一步的理論研究提供參考和借鑒，而且對于推動復合結構組合形式的發展與應用，也具有重要的現實意義。

1 工程概況

長沙市營盤路隧道工程位于長沙市市區銀盆嶺大橋與橘子洲大橋之間，連接開福區與岳麓區，其中江中段距橘子洲大橋約1.3 km，距銀盆嶺大橋約2.1 km。主線西起咸嘉湖路，下穿瀟湘大道、傅家洲、橘子洲和湘江大道，東接營盤路，隧道規劃方案如圖1所示。隧道按城市Ⅰ級主干道等級進行設計，抗震設防烈度為7度； 主線設計車速為50 km/h，匝道設計車速為40 km/h,采用單向雙車道； 建筑限界凈寬為9.0 m,凈高為4.5 m。道路荷載等級為城-A,隧道全長約2 850.502 m，東、西兩岸共設置4條進出口匝道，陸域暗挖段及水下過江段采用礦山法施工。

營盤路隧道西岸明挖段位于長沙王陵公園扇子山(省級重點文物保護對象，山體內有西漢長沙王陵墓)與龍王港河道(湘江一級支流)之間，鋪設于咸嘉湖路下。原咸嘉湖路為雙向機非混行4車道，在修建隧道后，由于隧道順接咸嘉湖路，必然造成既有道路寬度不能滿足隧道及其兩側輔道的布置要求，因此需對原有道路采取相應措施進行擴寬處理，才能滿足設計要求。隧道西岸的隧道接地周邊環境如圖2所示。

圖1 營盤路隧道規劃方案總平圖Fig. 1 Plan of planning scheme of Yingpan Road Tunnel

圖2 營盤路隧道西岸設計方案平面圖Fig. 2 Plan of west bank design scheme of Yingpan Road Tunnel

2 方案分析及確定

2.1 情況介紹

目前對于沿江(河)而建的隧道，由于主線或匝道的設置，在滿足原有交通現狀的情況下，路幅需根據隧道的車道數量進行相應擴寬。通常擴寬方案主要以路塹開挖和堤岸堆填為主。

路塹開挖方案即通過對道路一側原有山體進行開挖，在采取相應措施確保不會發生坍塌、滑坡等事故的情況下，以滿足路幅擴寬的要求。路塹開挖方案如圖3所示。

圖3 路塹開挖方案示意圖Fig. 3 Sketch of road cutting excavation scheme

堤岸堆填方案則通過對道路一側的江(河)路堤采用黏土、卵石等材料進行堆載、回填以及壓密等加固措施，在確保路堤安全穩定的情況下，滿足路幅寬度要求。堤岸堆填方案如圖4所示。

圖4 堤岸堆填方案示意圖Fig. 4 Sketch of embankment filling scheme

王陵公園扇子山作為西漢王墓，在工程施工過程中應盡可能地保護扇子山文物，路塹開挖方案相比于堤岸堆填方案，必然會對扇子山文物造成不可逆的破壞，且需上報文物行政管理單位審批，因此，隧道及其輔道只能向南設置進入龍王港河道內；而龍王港河道作為湘江的一級支流，是湘江的重要泄洪通道(如圖5所示)，若采用堤岸堆填方案，隧道及其輔道移入龍王港河道后，必然會縮減龍王港河道的行洪區斷面尺寸，對其泄洪能力造成影響，為日后的湘江水位泄洪帶來安全隱患。

圖5 龍王港河道土堤原狀圖Fig. 5 Original appearance of Longwanggang River embankment

2.2 遵循原則

營盤路隧道在設計方面應盡量遵循以下原則：

1)隧道兩側應設置南、北輔道以保證咸嘉湖路地面的交通功能；

2)隧道及其輔道的設置應盡可能避開扇子山，避免對既有文物造成破壞；

3)隧道出入口應盡早與路面交通順接，對隧道主線出入口交通流進行疏散，引導車流順暢進出隧道；

4)應盡量減少隧道及擴建道路的南移范圍，減小對龍王港河道過水斷面的影響。

2.3 總體方案

營盤路隧道設計起訖里程為NK0+116.790(SK0+007.810)～NK3+192.098(SK3+090.359),綜合以上問題以及遵循原則，河西段隧道一方面需要最大限度地保證扇子山山體的完整，另一方面要減少對龍王港河道斷面的影響。基于此，本文提出一種新型橋、隧、路、堤組合結構形式，該組合方案實施的具體里程范圍如圖6所示。

圖6 營盤路隧道設計里程示意圖Fig. 6 Sketch of design range of Yingpan Road Tunnel

由于河西隧道岸上結構分為路基段、明挖段和暗埋段，因此，該新型橋、隧、路、堤組合結構根據以上斷面形式大致分為3種典型斷面： NK0+116.7～+186為典型斷面1； NK0+186～+381為典型斷面2； NK0+381～+653.7為典型斷面3。具體分段里程范圍如圖7所示。

圖7 營盤路隧道設計縱斷面圖Fig. 7 Design profile of Yingpan Road Tunnel

傍河橋梁下部構造主要采用雙柱花瓶形墩、樁柱式橋臺以及鉆孔灌柱樁基礎，上部結構采用預應力混凝土空心板連續梁。這種橋型方案增加了河道過水面積，最大限度地減小對行洪區斷面的影響。同時，為減少土方開挖量，避免隧道基礎座落在回填土中引起沉降，典型斷面1采用排樁+扶壁墻結構體系，典型斷面2采用與圍護結構及隧道結構抗拔樁相結合+護壁墻結構形式，典型斷面3采用混凝土護坡式堤岸，具體方案如下。

2.4 典型斷面1

典型斷面1段的堤岸采用雙排樁，雙排樁頂部施作聯系梁，使雙排樁共同承受側向荷載。同時，為滿足湘江及其支流200年一遇的防洪標高要求，雙排樁外排鉆孔樁冠梁以上施作扶壁式擋墻，頂部標高需高出設計洪水位標高以上50～100 cm。此外，為了防止河水通過鉆孔樁縫對道路下土體進行反復的淘刷，在雙排鉆孔樁的外側施作1層鋼筋混凝土防滲墻。橋梁板北側邊緣緊貼護壁墻，橋墩臺位于堤岸水中的混凝土下方。典型斷面1方案如圖8所示。

圖8 典型斷面1方案示意圖Fig. 8 Sketch of typical cross-section 1

2.5 典型斷面2

典型斷面2段的堤岸建設利用隧道既有的圍護結構，其中部分地段采用外圍鉆孔樁+頂部扶壁墻的結構形式；部分地段采用3排樁對拉+頂部扶壁墻的結構形式，其中外排樁為密排鉆孔樁，內排樁為隧道結構的2排抗拔樁，內外排樁采用頂部冠梁+聯系梁進行連接。為了防止河水通過鉆孔樁縫對道路下土體進行反復的淘刷，在雙排鉆孔樁的外側施作1層鋼筋混凝土防滲墻。為防止隧道和堤岸在施工完成后的變形相互影響，在護壁墻和隧道之間預留變形空隙，并用軟性填充物進行填充。

橋梁板北側邊緣位于護壁墻頂部，緊靠隧道。橋面板與隧道之間預留10 cm距離，以滿足結構的變形要求，橋墩臺位于堤岸水中的混凝土護坦以下。典型斷面2方案如圖9所示。

圖9 典型斷面2方案示意圖Fig. 9 Sketch of typical cross-section 2

2.6 典型斷面3

隧道向東距堤線漸行漸遠，典型斷面3段的橋梁也逐漸接入地面道路，因此復合斷面擬定時，應在不影響河道過水面積的情況下，有施工空間的地段施作坡形堤岸，采用坡形堤岸也能更好地與東端既有堤岸銜接。典型斷面3方案如圖10所示。

圖10 典型斷面3方案示意圖Fig. 10 Sketch of typical cross-section 3

通過研究分析，橋、隧、路、堤的組合結構形式方案具有如下優勢：

1)橋梁位于曲線上，緊貼河堤，采用雙柱花瓶式橋墩能夠有效地將新建結構對原有河道行洪區斷面的影響降到最低。

2)隧道敞口段堤岸采用隧道圍護結構+扶壁墻，可以有效地利用已有的圍護結構，節省投資； 同時，隧道敞口段結構尺寸在橫向更小，有效地減小了結構對河道寬度的影響。

3)隧道位于湘江兩側，設置抗拔樁作為抗浮措施，避免隧道在運營期間存在漂浮、隆起隱患； 同時將抗拔樁與護壁墻通過縱、橫梁進行連接，起到整體受力的作用。

4)本工程所采用的堤岸形式的開挖工程量較小，能有效地減小對周邊地層的擾動，確保隧道、橋梁及堤岸等結構建成后的安全，同時減少工程投資。

3 組合結構計算分析

對于上述橋、隧、路、堤組合結構斷面形式，選取一組典型的隧道敞口段范圍內的路、橋、隧、堤組合結構斷面進行受力計算分析，通過計算結果定性地對本組合方案進行可行性分析，并為實際方案的確定提供參考依據。

3.1 計算模型及單元選取

采用Plaxis2D有限元軟件進行計算，計算模型為二維結構荷載橫斷面模型，水平向寬度取150 m，垂直方向上取地面以下100 m。地層自上而下依次為素填土、粉質黏土、強風化板巖、中風化板巖，水位線取至龍王港河道200年一遇設計洪水位標高處，距地面以下5 m。巖土層具體參數見表1。

隧道敞口段結構深5 m，擬定抗拔樁長10 m，護壁墻緊貼于隧道臨水一側，深入強風化巖層10 m，護壁墻與抗拔樁采用聯系橫梁進行整體受力連接，隧道敞口段結構、護壁墻及抗拔樁均采用板單元進行模擬，隧道內以及兩側道路考慮35 kPa荷載。具體結構尺寸及參數見表2。

表1 土層參數表Table 1 Parameters of soil layers

表2 模型參數表Table 2 Parameters of model

3.2 模型及邊界條件

隧道模型的邊界條件為： 左右邊界施加水平方向上的約束力，底部邊界施加水平與豎直方向及速度上的約束，頂部邊界為自由邊界。有限元計算模型如圖11所示。

圖11 組合結構方案計算模型圖Fig. 11 Calculation model of composite structure scheme

3.3 模擬結果與分析

3.3.1 周邊地層位移模擬結果

周邊地層的豎向位移云圖和水平位移云圖分別如圖12和圖13所示。

3.3.2 結構單元受力位移模擬結果

結構單元受力彎矩和位移計算結果如圖14所示。

圖12 周邊地層豎向位移云圖(單位： m)Fig. 12 Vertical displacement nephogram of surrounding strata (unit: m)

圖13 周邊地層水平位移云圖(單位： m)Fig. 13 Horizontal displacement nephogram of surrounding strata (unit: m)

(a) 隧道結構受力彎矩圖 (b) 隧道結構總位移圖

(c) 聯系橫梁受力彎矩圖 (d) 聯系橫梁總位移圖

(e) 護壁墻受力彎矩圖 (f) 護壁墻總位移圖

(g) 橋樁受力彎矩圖 (h) 橋樁總位移圖圖14 結構單元受力彎矩及位移圖Fig. 14 Bending moment and displacement of structural unit

3.3.3 計算結果分析

通過對橋、隧、路、堤組合結構方案采用Plaxis2D進行模擬計算，得到周邊地層及結構單元體本身的位移、彎矩以及穩定性方面的分布特點。計算結果見表3。

表3 周邊地層及結構受力統計表Table 3 Statistics of surrounding strata and structure stresses

周邊地層位移情況是評價此結構組合方案可行性的一個重要指標。由表3可知： 地層豎向位移變化最大處位于隧道敞口段與橋樁之間的地層區域，最大沉降量為21.34 mm；地層水平位移變化最大處位于隧道敞口段與扇子山之間的地層區域，存在向隧道內側變形的趨勢，最大位移值為8.77 mm。豎向及水平位移最大變形值均小于30 mm，滿足城市道路相關規范要求，因此該方案具有一定的可行性。

此外，隧道敞口段結構最大彎矩為239.84 kN·m，聯系橫梁最大彎矩為207.03 kN·m，護壁墻最大彎矩為114.69 kN·m，結構本身均能夠滿足承載力要求；同時，根據各結構位移變化值可知，由于聯系橫、縱梁的存在，護壁墻與隧道結構在位移的變化上基本達到了協同，對該結構組合方案的整體穩定性起到了重要的作用。

針對模擬計算結果，考慮在橋梁與隧道結構之間的地層區域增設500 mm厚混凝土進行護坡加固處理，護坡采用二級放坡形式,下一級坡度緩于上一級坡度，坡度范圍為1∶1～1∶3； 同時，為了防止河水通過鉆孔樁縫對道路下土體進行反復淘刷，在雙排鉆孔樁的外側施作1層鋼筋混凝土防滲墻。最終實施方案如圖15所示。

4 監控量測

2011年5月至8月，對湘江西岸橋、隧、路、堤組合結構施工期間以及完成后1個月內的龍王港大堤周邊進行了地表沉降以及水平位移現場監控，其中本工程橋、隧、路、堤組合結構斷面范圍內地表沉降以及水平變形最大的一組監測結果分別如圖16和圖17所示。

由圖16和圖17可知： 營盤路隧道西岸大堤在施工期間，大堤周邊地表累計最大沉降量達15.44 mm，水平最大位移達6.72 mm，均小于規范要求值； 竣工后，變化趨于穩定。同時，依據數值模擬結果，現場在施工期間采取了一定的保護措施，如控制單次開挖量等，因此實際監測變化量均小于數值模擬結果，可見數值模擬結果對施工起到了一定的指導作用。

圖15 營盤路隧道西岸橋、隧、路、堤組合方案實景圖Fig. 15 Picture of composite scheme of bridge, tunnel, road and embankment on west bank of Yingpan Road Tunnel

圖16 龍王港大堤沉降監測圖(2011年)Fig. 16 Settlement monitoring curve of Longwanggang embankment (in 2011)

圖17 龍王港大堤水平位移監測圖(2011年)Fig. 17 Horizontal displacement monitoring curve of Longwanggang embankment (in 2011)

5 結論與建議

1)針對營盤路隧道西岸主線出口的展線難題，在傳統處理措施方案的基礎上提出了一種新型的橋、隧、路、堤組合結構方案，該方案功能全面，對于解決特殊條件下的交通功能問題具有一定的可行性。

2)通過Plaxis2D有限元軟件對橋、隧、路、堤組合結構方案進行模擬計算，結果顯示： 地表最大沉降量為21.34 mm，最大位移值為8.77 mm，均滿足城市道路相關規范要求；結構所采取的聯系縱、橫梁，抗拔樁和護壁墻彼此間的連接在受力以及位移方面起到了良好的協同作用； 根據營盤路隧道工程實施后的現場監控量測結果顯示，大堤周邊地表累計最大沉降量達15.44 mm，最大水平位移達6.72 mm，實際監測變化量均小于數值模擬結果，數值模擬結果對施工起到了一定的指導作用。

3)營盤路隧道工程竣工后，現場實際效果表明，該組合結構方案最大限度地保留了既有原始地貌，并較好地節約了用地，但由于該組合結構形式在受力方面較為復雜，想要更加準確地分析結構間的受力影響，還需開展相關后續研究工作。