雙隧道下穿既有高速公路橋梁力學分析與施工方法研究

【中圖分類號】 U452.2⁺6

0 引言

近年來，由于地鐵和管廊的大量興建，出現了越來越多的隧道穿越既有城市道路或橋梁的工程。針對淺埋隧道開挖施工引起的對于橋梁的損害，進而提出合理的沉降變形控制措施，是確保城市中穿越工程施工安全的保障之一。當前對于新建隧道下穿工程的主要研究集中在對被下穿建筑物的保護與加固新建隧道圍巖等方面。目前國內學者探究了不同保護形式對橋墩變形的影響[1-5]。李映等[6]從隧道注槳的角度分析了在不同參數下開挖對地表沉降造成的影響。李志南等[分析了雙隧道的布置間距及施工順序的多樣性將誘發復雜的地層響應。但路昭等[8]分析了運用ABAQUS分析了不同應力釋放率下淺埋隧道圍巖變形及地表沉降規律。廖保林采用Flac3d有限差分軟件模擬不同施工方式，比較CD法、CRD法以及全斷面開挖法3種施工方式下圍巖變形大小和塑性區發展情況。馮宇等[10]運用有限元分析方法對上跨聯絡風道的全斷面法及上、下臺階法開挖過程進行數值模擬。

本文采用MIDAS程序模擬和現場監測相結合的方法，進一步分析了使用復合錨桿樁對橋梁樁基進行加固以及不同的開挖方式對于既有橋梁的影響，并討論在雙側壁導坑法施工的前提下在中導洞開挖時增加臨時豎撐對于隧道開挖穩定的影響。

工程依托

1.1 工程概況

依托工程為北京城市道路工程，以暗挖隧道的方式，向東下穿既有高速公路、地鐵昌平線南延、城鐵13號線、京張城際鐵路、京包鐵路及地鐵M19支線等，東至京藏高速公路，道路全長約 2.6km 。隧道為分離式，擬采用淺埋暗挖法施工。開挖尺寸為 12.06m×9.45m ，南隧道長度為 184.5m ，北隧道長度為 190.5m 。隧道結構形式均為復合式襯砌（圖1）。

圖1工程總平面施工布置

1.2 工程地質條件

擬建場地位于北京市平原區，按成因年代分為人工堆積層、新近沉積層和一般第四紀沉積層，按特性分為砂質粉土填土、粉質黏土、細砂為主。根據已有的區域地質資料，擬建場地附近無全新世活動斷裂發育，地面沉降輕微，無地裂縫及地下采空區;場地內淺部的粉土及砂土層均不液化。場地整體較穩定。

2橋梁保護與隧道施工方案

2.1橋梁保護措施

為了保證施工期間既有高速公路橋梁的安全運營，對穿越區域橋樁周圍設置復合式錨桿樁進行隔離保護。錨桿樁?150mm ，長度 30m ，在橋樁周圍設置3排，錨桿樁距離橋樁凈距大于 1m ，自身間距 500mm ，梅花形布置，加固平面見圖2。樁冠梁截面尺寸為 1.6×0.5m ，主筋采用HRB400 ?25 mm 的鋼筋，均布，箍筋采用 HRB300?12mm 的鋼筋，間距150mm ;冠梁頂標高應與承臺齊平。注漿漿液為水泥漿，采用P.052.5普通硅酸鹽水泥。

圖2復合錨桿樁布置

2.2隧道施工措施

2.2.1開挖支護方法

本工程采用雙側壁導坑法施工，開挖步序如下：

（1） ① 號導洞全斷面超前帷幕注漿加固、臺階法開挖，及時閉合初期支護，并隨開挖進行洞內往下地面注漿。注漿與開挖循環推進。

（2） ① 號導洞貫通后，開始開挖 ② 號導洞，注漿及開挖與① 號導洞相同。

（3） ② 號導洞貫通后臺階法開挖 ③ 號導洞。

（4） ③ 號導洞貫通后臺階法開挖 ④ 號導洞， ④ 號導洞貫通后開挖 ⑤ 號導洞，并在 ⑤ 號導洞中部架設臨時橫撐和臨時豎撐。相鄰導洞錯距 6m 開挖。導洞采用臺階法開挖，上、下臺階錯距 2.5m 。開挖順序如圖3所示。

2.2.2 注漿工藝

全斷面超前預注漿是在整個斷面上布孔，通過注漿形成截水帷幕，并加固周圍巖體，隧道采用全斷面帷幕注漿，注漿區域為側墻及拱部開挖輪廓線以外 3m 的范圍內，底部仰拱為開挖輪廓線以下 5m 范圍內。地下水位以上注槳漿液為超細水泥一改性水玻璃。地下水位以下注漿漿液為磷酸 + 改性水玻璃 + 超細水泥漿液。

3 數值模擬分析

3.1 模型概況

采用MidasGTSNX進行隧道暗挖下穿上地橋模擬（圖4），對隧道所在土層及橋梁樁基部分進行精細化三維建模。模型參數： ;X=80m，Y=100m，Z=52.5m（Z 向位移為橋墩豎向位移， X 向水平位移為橋墩橫向水平位移，Y向水平位移為橋墩縱向水平位移）。暗挖區間隧道襯砌采用板單元模擬，暗挖區間隧道加固區、橋面、橋墩及承臺采用實體單元模擬，錨桿采用植入式桁架模擬，既有上地橋橋樁、復合錨桿樁、臨時豎撐采用梁單元模擬，并對其施加豎向約束。土體本構模型選取摩爾庫倫模型，不考慮地下水的影響。模型網格總共劃分177851個單元，62128個節點。模型邊界條件：底部三向位移約束，四面水平位移約束。

圖4有限元分析模型

3.2 模型參數

模型土層數為8層，根據地質報告確定各土層物理力學參數。既有上地橋橋面、橋樁、承臺、橋墩及面板均采用C30混凝土模擬，隧道襯砌采用C50混凝土模擬（表1）。

表1物理力學參數

3.3 施工模擬

為探究對下穿橋梁加固形式，模擬了五種工況（表2），分別為對橋梁是否使用復合錨桿樁、不同開挖方式、隧道中導洞增設臨時支撐以及是否進行超前注漿加固進行四組對比分析。

3.3.1復合錨桿樁加固模擬

分別計算是否采用復合錨桿樁加固橋梁樁基對于橋梁沉降的影響，每種工況均采用雙側壁導坑法模擬隧道開挖，每次開挖進洞 2.5m ，南北線掌子面縱向間距 15m 。錨桿及襯砌隨著隧道開挖進行施工。

3.3.2不同開挖方式模擬

分別計算了雙側壁導坑法與臺階法施工對于橋梁沉降的

表2模擬加固方式

影響，每次開挖上、下臺階進洞 2.5m ，南北線掌子面縱向間距 15m 。每個開挖斷面的上、下臺階相隔1個分段進尺。

3.3.3臨時豎撐模擬

常規雙側壁導坑法施工一般將斷面分成六塊，并且每部分獨立支撐，考慮到需要保護下穿橋梁正常使用，在穿越橋梁過程中在中間核心土部分增設豎撐。

本次模型計算考慮掌子面開挖后中導洞加設臨時豎撐對于隧道收斂的影響，臨時豎撐采用 10×20 型鋼進行模擬，當隧道開挖至距橋下 10m 位置是開始進行加固，每開挖2.5m 進行一次加固，共加固 30m ，如圖5所示。

圖5豎撐加固模擬

3.3.4超前注漿加固

計算在采用雙側壁導坑法施工并且使用符合錨桿樁加固的前提下，對于是否采用超前注漿的方式對隧道圍巖進行加固進行分析。

3.4計算結果與分析

高速公路橋中間橋墩豎向位移、水平位移隨施工步驟曲線如圖6所示。

通過圖6（a可以看出：在不同工況下，當南線開挖到橋梁下方時，橋墩豎向位移開始急劇增長，當北線開挖完成后，橋墩豎向位移基本穩定，其變化趨勢大致可以分為平緩，極劇增長，平緩三個階段；并且結果顯示，采用復合錨桿樁施工時橋墩底部豎向位移最終減少 31.25% ，雙側壁導坑法施工相比較臺階法施工橋墩豎向位移最終減少 18.9% 。當下穿采取超前注漿施工時橋墩豎向位移最終減少 19.1% 。

通過圖6（b）可以看出水平位移隨著隧道開挖接近橋體正下方時逐漸增加，隨著雙隧道都穿越完成后逐漸恢復至0點附近并趨于穩定；并且結果顯示采用復合錨桿樁施工時橋墩底部橫向水平位移減少約 50% 。雙側壁導坑法施工相比較臺階法施工橋墩橫向水平位移減少 28.57%

在對比對比中間橋墩位移后得知在本工程中采用復合錨桿樁的加固方式對于橋墩位移的減少最為明顯，雙側壁導坑法施工方法以及注漿加固也會對橋梁位移的減少產生一定影響。

通過圖7（a）可以看出不同橋墩（雙隧道南側、中間、北側三個橋墩）在采用復合錨桿樁加固后位移變化得知：隧道不同橋墩縱向水平位移幾乎保持一致，南北兩側橋墩橫向水平位移約 0.2mm ，而中間橋墩受兩側開挖影響，經波動后回歸0點附近并趨于穩定。通過圖7（b）可以看出兩隧道中間橋墩最大豎向位移為 1.62mm ，南北兩側橋墩最大豎向位移均為 1.19mm ，差異沉降不足 0.5mm ，說明采用復合錨桿樁加固可以增加不同橋墩的相對穩定。

圖8采用復合錨桿樁加固后深層土體位移對比

通過對比深層土位移可以看出復合錨桿樁對橋體的隔絕作用。如圖8所示，在設置錨桿樁外區域外取一附近點，提取此點 Z 方向上各土層數據進行對比，可以看出復合錨桿樁的隔離效果較為明顯，橋墩所在地層區域（地表以下0～8m 位置）控制效果明顯，土體位移減少約 41%

通過圖9可以看出橋面應力變化可以看出：在增加復合錨桿樁后，不同橋墩之間縱向位移、水平位移差異均得到一定得減少，橋梁穩定性增強，導致橋面受到最大、最小主應力差值明顯減小，穿越完成后差值減少 63.12% 。極大減少了隧道開挖導致地表產生不均勻沉降所帶來的橋梁開裂風險。

在距離隧道洞口 40～70m 區間內加設臨時豎撐計算隧道開挖對橋體沉降的影響。

通過圖10可以看出加設臨時豎撐前后變化得知：在隧道掌子面開挖后及時對導洞加設臨時豎撐可以為巖體提供及時的支撐作用，進而有效減少隧道收斂。通過圖10（a）可以看出其縱向收斂平均減少約 14.68% 。水平收斂平均減少約 12.99% ；通過圖10（b）可以看出增設臨時豎撐后導致地表沉降減少約 17.29% ，進一步加強了隧道穿越時橋體穩固。

圖11現場監測與模擬結果對比

3.5監測數據對照分析

本工程分別用徠卡TS-50全站儀、TrimbleDiNi03電子水準儀 .CX-06B 鉆孔測斜儀、TRC09頻率接受儀等設備分別對隧道開挖造成的既有上地橋周邊橋墩沉降、橋梁墩臺傾斜、深層土體水平位移等數據進行監測，布點如圖11（a）所示。以ZQ3-2監測點為例，如圖11（b）所示，該數據變化趨勢與中間橋墩模擬數據變化趨勢基本一致，故可以運用此模型對該工程進行分析。并由表3可知，現場經加固之后，兩隧道之間橋墩沉降最大值分別為 1.61mm.1.75mm 1.72 mm ，既有橋橋墩縱向（即隧道垂直方向）差異沉降最大值為0.85mm ，控制效果十分明顯。

表3隧道下穿周圍橋墩致其沉降最大值及既有橋橋墩縱向差異沉降

4結論

本文結合現場監測數據，并采用有限元分析方法計算了隧道施工采用不同加固方式對下穿橋梁的影響，結論如下：

（1）采用復合錨桿樁、注漿等措施無論是在實際工程中還是本次模擬中均表現出了良好的效果，復合錨桿樁的加固方式效果最為明顯，可使樁基沉降位移減少 31.25% 。（2）土方分塊開挖面積越小，引起的地表沉降越小。本次模擬中使用雙側壁導坑法開挖方式對比臺階法開挖方式時，橋梁樁基豎向位移、水平位移分別減少約 18.9% 與28.57% 。（3）采用復合錨桿樁對橋墩的保護控制措施能有效保證橋墩變形滿足控制要求，當采用復合錨桿樁加固之后，橋體所受最大與最小主應力差值大約減少 63.12% ，有效地降低了橋梁結構發生破裂的風險。（4）增設臨時豎撐可有效控制隧道收斂。在本工程模擬中，其豎向收斂，水平收斂分別減少了 14.68% 與 12.99% ，并且可一定程度上減少地表沉降。

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