新建橋梁上跨既有隧道工程設(shè)計(jì)及其參數(shù)計(jì)算

高奇浪

（南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211188）

在國民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的過程中，城鎮(zhèn)化建設(shè)也在持續(xù)發(fā)展。進(jìn)入到21世紀(jì)，城市隧道和地下工程朝著深層次方面發(fā)展，城市隧道屬于地下交通運(yùn)輸?shù)闹饕ǖ溃€是地下空間使用開發(fā)的重點(diǎn)，要求具有安全且牢固的結(jié)構(gòu)[1]。對城市交通體系進(jìn)行完善，能夠使可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略需求得到滿足。在有限的城市土地背景下，實(shí)現(xiàn)既有隧道周圍空間與土地的開發(fā)使用。基于既有隧道周圍實(shí)現(xiàn)橋梁與道路的創(chuàng)建，使隧道受力情況改變。因?yàn)楦郊討?yīng)力的作用，就會(huì)導(dǎo)致隧道二次變形的出現(xiàn)，對隧道結(jié)構(gòu)的正常與安全性造成影響[2]。以此，為了保證既有隧道結(jié)構(gòu)安全性，就要在開工之前分析新建橋梁基坑開挖和結(jié)構(gòu)載荷對于既有隧道的影響，實(shí)現(xiàn)施工安全措施的制定。

1 工程概況

某新建橋梁上跨既有隧道，圖1為新建橋梁和既有隧道的位置結(jié)構(gòu)，K0+351.697 為橋梁中心樁號，全橋共1 聯(lián)：普通鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，在直線和R=32m 的右偏圓曲線中設(shè)置橋平面，設(shè)置橋面橫坡為單向的-2%，設(shè)置橋端80 型伸縮縫。設(shè)置橋面寬度為9.5m-11.5m，通過1.5m 等高普通鋼筋設(shè)置上部結(jié)構(gòu)，設(shè)置向量橫斷面為單箱雙室，在改變箱室寬度的時(shí)候會(huì)使箱梁橋面寬度出現(xiàn)變化。第一孔箱梁頂板寬度為11.5-9.5m，第二到第四孔頂板的寬度為9.5m，懸臂長度為150cm，底板寬度為7.5m。因?yàn)榧扔兴淼谰哂写蟪叽鐢嗝妫覙蛄荷峡缢淼蓝卧O(shè)置圓曲段，為了均勻的傳遞橋梁荷載，并且具備安全的結(jié)構(gòu)，將支座支承應(yīng)用到PM3 與PM4 地方，支座在隧道頂板，但是不利于隧道的頂板受力。為了實(shí)現(xiàn)既有隧道均勻的受力，使用托架厚板托換的支座，通過托架使上部結(jié)構(gòu)荷載到隧道側(cè)壁傳遞，托架使用植筋和既有隧道側(cè)壁相互連接[3]。

圖1 新建橋梁和既有隧道的位置結(jié)構(gòu)

2 橋梁對既有隧道的影響

2.1 計(jì)算模型確定

在橋梁計(jì)算過程中，一般都是使用MIDAS 軟件計(jì)算橋梁和隧道的結(jié)構(gòu)，使用此選件計(jì)算之后分析施工工況，并且基于施工范圍中選擇各個(gè)路段巖土實(shí)現(xiàn)，以得到的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)模型，實(shí)現(xiàn)此工程路段立體模型。在隧道工程前期階段，將三維實(shí)體單元彈性模型應(yīng)用到支護(hù)工程中，并且創(chuàng)建隧道二襯澆筑工程，實(shí)現(xiàn)隧道板單元模擬。

2.2 荷載施工階段計(jì)算

在高速公路橋梁施工過程中，建設(shè)單位與施工單位要對隧道兩側(cè)承臺(tái)工程和側(cè)樁基進(jìn)行考慮，在施工過程中會(huì)受到施工開挖影響。完成工程之后，橋梁在運(yùn)營過程中的荷載重量是在橋梁中作用，并且利用橋柱降低重量，使其他重量到橋梁樁基中傳遞，會(huì)導(dǎo)致橋柱周圍地勢出現(xiàn)變形。因?yàn)榇瞬糠滞恋貙雍蜐仓笞鳛槭芰φw，在土層結(jié)構(gòu)變形前利用橋梁荷載力的計(jì)算計(jì)量隧道側(cè)襯。保證運(yùn)營過程中荷載滿足實(shí)際需求。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

以數(shù)值模擬結(jié)果表示，在創(chuàng)建此工程項(xiàng)目中，創(chuàng)建橋梁和隧道的結(jié)構(gòu)方式為相交斷面對于后續(xù)使用具有惡劣影響，此結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)斷面形變，而且隧道頂拱會(huì)出現(xiàn)坍塌的情況。在整體工程創(chuàng)建的過程中，在邊底和仰拱結(jié)合部位出現(xiàn)結(jié)構(gòu)最大軸力與彎矩。在工況1 中，工作人員分析施工前高速公路，通過結(jié)果可以看出來，隧道頂部覆蓋土層面積設(shè)置為10m2。設(shè)置此時(shí)建筑環(huán)境為初始狀態(tài)，那么結(jié)構(gòu)位移就是0。在工況2 中，高速公路橋梁施工模擬過程中的方案為基于隧道兩側(cè)，在相同方向中順次開挖橋梁基樁，然后在上方施工進(jìn)行樁基承臺(tái)，最后實(shí)現(xiàn)橋梁上方施工。在工況3 中，結(jié)束橋梁模擬施工以后再次模擬運(yùn)營，主要模擬方式要以橋梁相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范需求實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)施工，將行車道荷載與車輛集中荷載布置到橋梁上方[4]。利用三個(gè)工況工程施工模擬之后，表1和表2為計(jì)算結(jié)果。

表1 交叉路段結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算結(jié)果

表2 交叉路段結(jié)構(gòu)變形計(jì)算結(jié)果

通過表1數(shù)據(jù)可以看出來，在結(jié)束橋梁施工之后，隧道一襯和二襯結(jié)構(gòu)處于底板拱腳處，增加彎矩2.5kN*m，而且降低隧道拱腳處軸力29.6kN。隧道結(jié)構(gòu)在整個(gè)過程中會(huì)受到盒子壓力，但是較小，表示橋梁在整體施工過程中對于隧道施工并沒有太大的影響，保證兩者同時(shí)施工安全性。

通過表2數(shù)據(jù)表示，在橋梁施工的過程中，會(huì)影響到隧道結(jié)構(gòu)，隧道結(jié)構(gòu)嚴(yán)重下沉，橋梁樁基位置偏移，兩側(cè)沉降垂直方向降低，最大垂直方向位置移動(dòng)-5.56mm，對橋梁質(zhì)量造成影響[5]。

利用回旋鉆成孔的方式對基墩臺(tái)樁進(jìn)行施工，設(shè)計(jì)樁徑為1.8m、2m。回旋成孔要充分考慮防塌孔措施。隧道二襯外緣與樁基外緣兩者最小的距離為9m，設(shè)計(jì)隧道系統(tǒng)錨桿的長度為3m，設(shè)計(jì)隧道系統(tǒng)錨桿與樁基外緣的距離為6m。在開挖樁基的過程中，樁孔中心的位置為底層不同方向中最大的位移，并且在樁身中具備2m 的直徑，最大值設(shè)置為2.48mm。在具體施工的過程中，要對旱季施工進(jìn)行選擇，禁止通過爆破計(jì)算，利用人工鉆孔方法進(jìn)行施工，充分保證隧道結(jié)構(gòu)安全性與樁基施工質(zhì)量。在施工樁基的過程中，在水平方向位移中實(shí)現(xiàn)隧道樁基開挖，設(shè)置最大值為0.9mm，說明開挖樁基并不會(huì)過于影響隧道。裝機(jī)加載與施工的過程中會(huì)使土體具備線下的擠壓力，抵消部分土地的回彈位移，土地也會(huì)輕微的下沉[6]。

3 橋梁既有隧道工程設(shè)計(jì)

3.1 橋梁隧道結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

在橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)值分析的過程中一般使用MIDAS 軟件，橋梁隧道數(shù)值模型創(chuàng)建過程中主要的參數(shù)包括：

混凝土：根據(jù)《公路筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》，主梁使用C40混凝土，彈性模量E 設(shè)置為32500MPa，泊桑比設(shè)置為0.2，軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)為1.65MPa，軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為18.4MPa。

普通鋼筋：以《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》，鋼筋設(shè)計(jì)使用HPB300 和HPB400 鋼筋，滿足相應(yīng)規(guī)定需求，表3為鋼筋材料參數(shù)。

表3 鋼筋材料參數(shù)

梁箱涵結(jié)構(gòu)使用MIDAS 軟件實(shí)現(xiàn)橋梁整體計(jì)算，此為設(shè)計(jì)箍筋與配筋的依據(jù)，主要的內(nèi)容包括裂縫寬度驗(yàn)算、抗剪計(jì)算、全橋抗彎計(jì)算。橋梁結(jié)構(gòu)長度為82.06m，使用空間梁單元實(shí)現(xiàn)分析，全橋一共82 個(gè)單元，圖2為橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。

圖2 橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

模型計(jì)算參數(shù)主要包括：

施工信息輸入：第1 施工階段為安裝單元，混凝土自重26kN/m3 ，自重系數(shù)為1.04；第2 施工階段為施加二期橫載，設(shè)置為59.5-69.5kN/m；第3 施工階段為將此施工階段的365 天時(shí)間對新增混凝土收縮徐變時(shí)間依從性進(jìn)行考慮；

使用信息輸入：公路Ⅰ 級車到橫向折減系數(shù)根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)則》，充分考慮橫向不均勻分布安全系數(shù)，實(shí)際橫向分布調(diào)整系數(shù)為2-1.2=2.4。

不均勻沉降：墩臺(tái)為0.5cm，出現(xiàn)沉降墩臺(tái)為任意1-3 個(gè)組合。

3.2 上部結(jié)構(gòu)連接既有隧道

基于標(biāo)準(zhǔn)組合，利用MIDAS 計(jì)算。在本工程支座中使用GPZⅡ2.5 級盆式橡膠支座，下部結(jié)構(gòu)為地鐵框架柱中L 型蓋梁。充分考慮本橋縱坡比較大，PM2 使用墩梁固結(jié)，下部結(jié)構(gòu)使用外墻厚度140cm 的實(shí)體墩，其他使用支座支撐，以此使既有隧道的受力均勻，下部結(jié)構(gòu)使用托架厚度進(jìn)行轉(zhuǎn)變，上部結(jié)構(gòu)荷載通過托架到隧道側(cè)壁中傳遞，托架使用植筋和既有隧道側(cè)壁相互連接。橋臺(tái)使用支座支撐，橋臺(tái)使用一字型橋臺(tái)，橋臺(tái)使用擴(kuò)大基礎(chǔ)，地基承載力超過150kPa。

3.3 支座托架設(shè)計(jì)

為了降低既有隧道頂板直接受力，將托架厚度轉(zhuǎn)換應(yīng)用到下部結(jié)構(gòu)中，利用托架使上部結(jié)構(gòu)返利到隧道壁中傳遞，托架使用植筋和既有隧道相互連接。通過混凝土厚度轉(zhuǎn)換的方式應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)中，從而實(shí)現(xiàn)上下結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，對轉(zhuǎn)換板對既有結(jié)構(gòu)的影響為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的重點(diǎn)。現(xiàn)代工程中使用厚度分析方法主要包括根據(jù)交叉梁計(jì)算厚板、根據(jù)彈性板計(jì)算厚板。

本文設(shè)置厚板為彈性板3，針對轉(zhuǎn)換厚板提出假設(shè)。以相應(yīng)的規(guī)范實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)對比，設(shè)置板厚為1，托架厚板混凝土強(qiáng)度等級使用C40，鋼筋設(shè)置HRB400 級鋼筋。

在隧道分析過程中，托架厚板使用板單元實(shí)現(xiàn)模擬，在托架厚度基于支座處使用0.1m 單元尺寸劃分，其他單位尺寸設(shè)置為0.5。充分考慮長期荷載作用，對托架厚板最大的裂縫寬度進(jìn)行計(jì)算。因?yàn)榭v向配筋比橫向配筋要少，橫向裂縫為最大的裂縫0.04mm。以工程支座托架厚板裂縫控制為三級，設(shè)置最大裂縫寬度限值為0.2mm，滿足實(shí)際需求。

3.4 抗震設(shè)計(jì)分析

在實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，要充分考慮結(jié)構(gòu)總體地震反應(yīng)，抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要以橋梁結(jié)構(gòu)破壞過程和機(jī)制進(jìn)行靈活的使用，并且全面掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的問題，實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理解決。基于堅(jiān)持總體布局原則，對細(xì)節(jié)部位處理結(jié)合實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)計(jì)。

延性抗震設(shè)計(jì)主要是通過結(jié)構(gòu)與構(gòu)件自身延性耗能的作用對地震導(dǎo)致的作用力緩解。在實(shí)現(xiàn)延性橋梁抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中要滿足抗震設(shè)計(jì)原則，均衡抵抗水平地震的墩臺(tái)數(shù)量和位置。在設(shè)計(jì)的過程中，首先增強(qiáng)結(jié)構(gòu)與構(gòu)件延性，基于允許塑性部分實(shí)現(xiàn)專門延性設(shè)計(jì)。延性抗震設(shè)計(jì)宗旨為允許結(jié)構(gòu)與構(gòu)件出現(xiàn)塑性變形，但是要對橋梁質(zhì)量進(jìn)行保證，不能夠?qū)е聵蛄簝A斜或者倒塌。在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，對構(gòu)件與結(jié)構(gòu)的滯特性進(jìn)行保證，以此對抗地震或者施工導(dǎo)致的變形。

在抗震設(shè)計(jì)過程中利用接口控制技術(shù)，在橋梁指定位置設(shè)置子結(jié)構(gòu)，比如耗能支撐、調(diào)頻質(zhì)量阻尼器。或者施加外力，調(diào)整結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性與作用效應(yīng)，保護(hù)結(jié)構(gòu)與構(gòu)件。在大跨度橋梁設(shè)計(jì)過程中，利用結(jié)構(gòu)控制技術(shù)使橋梁減震能力得到提高，并且節(jié)約成本費(fèi)用。特制減震構(gòu)件與裝置在發(fā)生地震的時(shí)候能夠進(jìn)入塑性區(qū)生成阻尼，使地震作用力降低。

4 結(jié)束語

新建橋梁上跨既有隧道的過程中，橋梁自身荷載和施工的過程中會(huì)對隧道造成影響，以此在新建橋梁施工過程中與施工完成之后分析既有隧道的影響具有重要的作用，能夠?qū)扔兴淼莱休d能力和變形規(guī)律全面掌握，并且保證隧道運(yùn)行過程中的安全性。以此，本文基于某新建橋梁上跨既有隧道工程，使用數(shù)值分析方法分析了工程，并且實(shí)現(xiàn)了工程支護(hù)與抗震設(shè)計(jì)，保證工程施工與使用過程中的安全性，以此為今后隧道維護(hù)與工程施工提供可靠依據(jù)。