斜拉橋支架施工對既有地下隧道的受力影響分析

康廣朝 劉海寬 張代 胡鋒

（河南省交通科學技術研究院有限公司，河南 鄭州 450000 ）

斜拉橋支架施工對既有地下隧道的受力影響分析

康廣朝 劉海寬 張代 胡鋒

（河南省交通科學技術研究院有限公司，河南 鄭州 450000 ）

橋梁支架施工方便，能較好的確保橋梁的設計線形，但當支架地基范圍內有地下結構物時，應考慮支架附加荷載對既有地下結構的影響。以鄭州市鄭東新區北三環跨西運河斜拉橋為例，應用布西奈斯克公式計算了土體應力，并結合有限元軟件對緊鄰橋梁的地下隧道進行了受力分析，評估了支架附加荷載對地下隧道的影響。

支架施工；布西奈斯克；隧道；受力分析

斜拉橋是一種由塔、梁、索三種基本構件組成的組合橋梁結構體系，其施工方法多種多樣。對于一般大跨徑斜拉橋，上部主梁主要采用懸臂澆筑施工方法；對于中小跨徑斜拉橋，可結合橋位實際地形條件和結構特點，采用支架法、頂推法或平轉施工等方法。

支架法是在橋位搭設滿堂支架，然后立模澆筑混凝土主梁的施工方法。支架法一般應用于橋下凈空較低、搭設方便、不影響橋下通行的橋梁，支架法施工方便，能較好的確保橋梁的設計線形。支架施工要求支架應有足夠的承載能力和穩定性，并在澆筑混凝土前進行預壓試驗，以檢驗其承載能力和穩定性，并消除非彈性變形。當支架地基范圍內有地下結構物時，應考慮支架附加荷載對既有地下結構的影響。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

鄭州市鄭東新區北三環跨西運河橋設計為獨塔雙索面預應力混凝土斜拉橋，跨越西運河。受北三環道路規劃用地和已建成地下北三環隧道的影響，該橋緊鄰隧道兩側采用分離式雙幅橋，并在跨徑組合上采用反對稱布置，其中左幅跨徑組合為（40+109+70）m，右幅跨徑組合為（70+109+40）m，橋梁左幅箱梁全寬29.0m，右幅箱梁全寬26.5m。橋梁左幅立面布置如圖1.1所示。橋梁支架橫斷面布置如圖1.2所示。

1.2 施工方法

鄭州市鄭東新區北三環跨西運河橋主梁采用滿堂支架施工，主塔采用翻模節段澆筑，待塔、梁施工完成后從主塔向兩側對稱掛斜拉索張拉，完成體系轉換后拆除主梁滿堂支架。由于左右兩幅橋梁緊鄰隧道，且橋梁部分支架落在隧道上部填土之上，橋梁施工過程中上部梁體重量對土體產生的附加應力將對隧道結構受力產生一定的影響。

1.3 地下隧道結構

北三環地下隧道橫斷面采用雙孔箱涵形式，單孔凈寬13.5m，隧道結構全寬30.6m，隧道全長4520m，隧道洞身采用C40防水混凝土。該地下隧道采用明挖施工，每隔22～30m設置一道沉降縫，隧道主體施工完成回填土方將隧道埋于地下。橋梁施工時該隧道已建成通車，橋梁施工區范圍內隧道頂部填土厚度平均為1m左右。

圖1.1 北三環跨西運河橋立面圖（左幅，單位：cm）

圖1.2 橋梁橫斷面布置圖（單位：cm）

2 土中應力的計算

橋梁施工支架荷載將引起隧道頂部、側面土體應力的增加，引起隧道受力的變化。橋梁左右幅非同步施工，當橋梁左幅先行支架施工時，隧道受力最不利，因此驗算在左幅橋支架荷載附加作用下隧道受力和變形情況。

2.1 荷載與計算簡圖

橋梁和隧道在順橋向均為長條形結構，可取單位長度作為計算單元，并將支架荷載作用于地面，土中應力按均布條形荷載計算［1］。根據支架方案，支架系統和模板系統的重量按混凝自重的15%計。施工人員及施工設備、施工材料等荷載按2.5kN/m2計算，振搗混凝土產生的振動荷載水平面板按2.0kN/ m2計算，垂直面板按4.0kN/m2計算。計算上部支架作用于地面的荷載組合值p=57.4kN/m，荷載分布寬度32.4m。隧道填土容重取γ=19.0kN/m3，內摩擦角取φ=25°，地下水位按隧道底面以上3m考慮。隧道計算簡圖如圖2.1所示，隧道頂部填土按1m進行計算。

圖2.1 隧道受力計算簡圖（單位：m）

2.2 土體對隧道作用力計算

隧道兩側填土均為人工回填、分薄層碾壓的勻質土。將支架地基看成勻質、各向同性的線彈性半無限體。如圖2.2所示，對于垂直荷載引起的土體內應力，采用布西奈斯克（Boussinesq）公式按均布條形荷載作用計算土中應力，圖中p為在土體表面作用的均布條形荷載，b為荷載其分布寬度［1～4］。計算土中任一點M（x，z）的豎向應力為σz：

圖2.2 均布條形荷載作用下土中σz計算

表2-1 均布條形荷載α0

考慮支架均布荷載和土的作用，土中隧道各特征點總的豎向應力，對于地面以下土體容重取浮重度。根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）中的計算公式，土體作用效應分項系數取為1.4，土的側向土壓力系數［5］

如圖2.1中所示，計算隧道各特征點總的豎向應力和測壓應力統計于表2-2，對于E點以外遠離支架的隧道洞身不計支架荷載影響。

表2-2 隧道特征點應力值計算

3 有限元模型計算

采用midas/Civil有限元軟件建立隧道的實體計算模型，取30m長隧道作為計算單元。隧道洞身混凝土強度等級為C40，隧道洞身外部荷載按表2-2計算值施加，兩特征點之間線形內插。隧道底板鋪裝層作為均布荷載作用于底板。

如圖3.1所示，計算結果顯示隧道洞身結構最大拉應力為1.497Mpa，位于隧道中墻和底板交接處；靠支架側隧道隧道洞身頂板計算豎向變形最大值為1.322mm，計算洞身橫向水平位移最大值為0.916mm。

圖3.1 隧道應力云圖及變形

在支架附加荷載和土壓力共同作用下，隧道洞身最大拉應力小于洞身混凝土抗拉強度設計值1.71Mpa，隧道洞身變形量較小，橋梁支架施工不會對隧道洞身結構造成不利影響。

4 結論

支架施工除要求支架地基應有足夠的承載能力和穩定性外，尚應考慮支架附加荷載對地基范圍內內既有地下結構物的影響。對于人工回填、分薄層碾壓的勻質土看成勻質、各向同性的線彈性半無限體，可采用布西奈斯克公式計算土體應力。對現有地下結構物的受力計算應同時考慮附加荷載和土壓力的共同作用，選擇合理的計算簡圖和計算模型。經計算分析，鄭州市鄭東新區北三環跨西運河橋主梁支架施工不會對隧道洞身結構造成不利影響。

［1］ 李廣信，張丙印，于玉貞著.土力學［M］.北京：清華大學出版社，2013.

LI Guangxin，ZHANG Bingyin，YU Yuzhen. Soil Mechanics. Beijing：Tsinghua University Press， 2013 .

［2］ 符金庫，梁發云，李彥初.基于布西奈斯克解的堆載土體水平位移解答［J］.結構工程師，2012年4月第28卷第2期，106-110頁.

FU Jinku，LIANG Fayun，LI Yanchu. Analytical Expression of Lateral Soil Movement due to Surcharge Loadings Based on Boussinesq's Solution［J］. Structural Engineers，Vol.28，No. 2 Apr.2012.

［3］ GB 50007-2011，建筑地基基礎設計規范［S］.

GB 50007-2011，Code for design of building foundation［S］.

［4］ JTG D63-2007，公路橋涵地基與基礎設計規范［S］.JTG D63-2007，Code for Design of Ground Base and Foundation of Highway Bridges and Culverts［S］.

［5］ JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規范［S］.

JTG D60-2004， General Code for Design of Highway Bridges and Culverts ［S］.

康廣朝，男，工程碩士，工程師，研究方向：橋梁檢測與加固設計、施工。

U455

A

1003-5168（2015）11-040-03