新建橋梁上跨既有隧道工程的設計

陳本武

（嘉興市規劃設計研究院有限公司，浙江 嘉興 314000）

1 引言

在既有隧道的基礎上建設橋梁等會引起既有結構受力狀態改變，增加附加應力，或者使隧道產生變形，嚴重影響隧道的安全性和耐久性[1]。為解決新建工程施工對既有隧道的破壞，必須在施工前對新建工程和隧道進行評估，制定安全措施。通過有限元對結構進行模型建立，然后進行數值分析，得到相關數據后，制定出滿足結構需要的方案方法[2]。

2 隧道結構計算

2.1 土壓力計算

在城市建設過程中，隧道一般為淺埋隧道，所以，在施工時最常采用的方法是明挖法和盾構法。明挖隧道在襯砌結構的土壓力計算時可以采用靜止土壓力、庫倫土壓力、朗肯土壓力等相關理論公式進行結構計算。靜止土壓力計算時所依據的理論基礎是：假定隧道周邊的土體受力處于平衡狀態，且對襯砌結構不造成影響[3]。

2.2 襯砌結構計算

從結構力學的角度考慮，土體對隧道結構的作用可以認為是作用在隧道上的荷載。土體對隧道產生的變形可以忽略不計。所以在進行隧道的內力和變形計算時，只需要知道土體產生的荷載分布規律以及數值大小即可[4]。本節中土體對隧道的荷載作用可以通過主動荷載模式、主動和被動荷載模式、實地量測荷載模式進行處理，處理方法如下：

1）主動荷載模式下認為作用的荷載只有圍巖壓力，不考慮其他作用力。所以，在土壓力的作用下，隧道結構可以自由變形。工程中土體結構松散，對隧道沒有足夠的變形約束時，為滿足工程需要和結構需求，可以采用主動荷載模式。主動荷載模式如圖1a 所示。

2）主動和被動荷載模式。相比于主動荷載模式，主動加被動荷載模式考慮了土體與隧道結構之間的相互作用力，隧道結構既承受土體作用下的主動荷載，又承受彈性反力[5]。這種模式考慮結構受力較全面，變形與實際工程較為接近，隧道受力也更合理。主動和被動荷載模式如圖1b 所示。

3）量測荷載模式。在進行荷載的實地量測時，考慮的荷載種類包括作用于隧道結構的主動土壓力和彈性反力。當土體與隧道結構共同工作時，量測荷載有切向荷載和徑向荷載兩種類型的荷載。量測荷載模式如圖1c 所示。

圖1 力學計算模型

3 橋梁施工對隧道影響

3.1 工程概況

本文依據的是某地上跨隧道的新建橋梁，橋梁中心樁號為K0+128.15，鋪裝層橫坡為2%的單項橫坡，梁端設有伸縮縫。橋面為變截面，寬度為9.5～11.5 m，頂板厚度為25 cm，底板厚25～50 cm，底板寬7.5 m。上部結構采用的是鋼筋混凝土箱梁，橫斷面形式為單箱雙室。支點處腹板的厚度為70 cm。鋼筋采用HPB300、HRB400 2 種，其軸心抗拉強度取值為1.65 MPa。

全橋箱梁模型建立及計算采用MIDAS 有限元軟件進行。為了保證隧道在模擬過程中的受力變形情況盡可能地接近實際工程，本節將模型的分析分為2 種工況，分別為開挖階段模擬分析和回填階段模擬分析。通過2 種工況來計算隧道的應力和變形情況。

3.2 開挖受力分析

1）隧道應力分析：開挖土體會使隧道對應結構產生應力重分布，由分析可知，隧道主要承受壓應力，其壓應力的最大值在隧道頂板中心位置，值為5.83 MPa，本文隧道混凝土采用C30 混凝土，最大壓應力值在承受范圍。

2）隧道變形分析：土體開挖以后，由于應力釋放的作用，隧道的豎向變形主要方向為豎直向上，通過模型計算數值可知，豎向最大位移出現在隧道頂板位置，其數值為12.3 mm，豎向最小位移出現在底板位置，其數值為7.3 mm。所以在土體開挖的過程中要對隧道進行豎向位移觀測，必要時采取支護等措施來保證隧道的安全性。

3.3 回填受力分析

1）隧道應力分析：土體在進行回填施工過程中會對隧道相應區域產生應力重分布，隧道主要承受土體作用下的壓應力，主要作用點為隧道頂板中心，作用最大值為5.37 MPa。而在隧道的底板附近出現應力集中，主要表現為拉應力。本文隧道混凝土采用C30 混凝土，最大壓應力值在承受范圍。

2）隧道變形分析：隧道在回填土的作用下主要表現為下沉變形，通過模型計算數值可知，隧道的最大豎向位移發生在隧道土體附近，其值為-5.2 mm。隧道發生豎向位移主要是因為土體豎向變形引起的，但數值顯示隧道變形較小，不影響隧道正常使用。

橋梁施工前后對隧道的彎矩和軸力影響較大，如隧道頂板中點處軸力變化幅度最大，橋梁施工前軸力為-205.7 kN，橋梁施工后軸力為22.30 kN，本節抽取隧道內、外壁的內力值，來計算隧道進行安全性系數以及對隧道結構進行安全評估，具體數據如見表2。通過隧道土體回填的安全系數驗算可知：新建橋梁在整個建設過程中，對隧道的安全性影響不大，隧道的安全系數都比規范值大，所以隧道的安全性和可靠度滿足要求[6]。既有隧道相比于橋梁施工前，其結構承載力有所降低，但仍滿足正常使用的要求。

表2 土體回填安全系數

4 結語

本文通過對新建橋梁上跨隧道的研究表明：

1）隧道在進行土壓力計算時經常采用靜止土壓力、庫倫土壓力、朗肯土壓力等相關理論進行結構計算。

2）橋梁建設前后對隧道的軸力和彎矩影響不大，但軸力和彎矩數值發生不同程度變化。新建橋梁在開挖、回填土過程中，隧道各部分安全系數雖有所降低，但仍然滿足規范要求；隧道的承載力也有所下降，但仍能滿足正常使用標準。