明挖隧道對鄰近橋臺的影響分析

張龍凡（重慶交通大學，重慶 400074）

明挖隧道對鄰近橋臺的影響分析

張龍凡
（重慶交通大學，重慶 400074）

通過有限元軟件建立明挖隧道對鄰近橋臺影響的數值模型，得到橋臺和圍巖的變形規律，分析施工過程中隧道及橋臺的安全性，為評估工程事故發生可能性和采取預防措施提供參考依據。

明挖隧道，橋臺，數值模型。

當經濟與技術不再是制約隧道發展的關鍵因素時，人們不得不將重點從“會不會修”轉移到“能不能修”、“怎么修”的問題上來。在過去的幾十甚至上百年里，隧道工程之所以發展緩慢，主要是由于資金的欠缺和技術的落后造成的，但隨著世界經濟的發展和科技的不斷進步，這些已不再是難題時，新的問題隨之產生。面對著一座座已經修好的高樓大廈、橋梁隧道，新建隧道會對這些已修建筑的受力產生何種影響，影響因素又有哪些[1]。這里通過軟件計算重慶軌道交通環線區間工程渝魯站至五里店站區間隧道明挖段對鄰近的沖壓廠高架橋橋臺的影

響，分析橋臺的受力變形，為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 重慶軌道交通環線區間工程渝魯站至五里店站區間隧道明挖段

本段設計為渝魯站至五里店站區間隧道設計。區間起訖里程

YDK22+978.12～YDK24+260.891,長1281.979m,右線設計起訖里程YDK22+978.912 ～YDK24+129.200，長1150.288m。受沿線構筑物的影響及已建五里店站標高限制，區間出渝魯站后一路上坡，最大縱坡坡率29‰，針對該區間所在地層情況較復雜，在填土段采用明挖施工，設計起訖里程YDK22+978.912～YDK23+423.000，長度約為414.088m。

1.2 沖壓廠高架橋

沖壓廠高架橋起于五里店沖壓廠，止于江北區叫化堡一帶，沿途跨越小河一道，道路沿線位于侏羅系中統地層，深丘地帶，橋下為殘坡堆積物形成陡坡地形，基巖穩定，工程地質情況良好，橋全長430米，橋面標高258.69-240.00米，沿線地面標高275.00-211.00米，平均墩高25米。

1.3 重慶軌道交通環線與沖壓廠高架橋的位置關系

工程所處場地上部覆蓋層薄，基巖埋置淺，基巖巖性主要為填土。重慶軌道交通環線YDK22+978.912～YDK23+077.406段與高架橋成15度角走向。高架橋位于該明挖段的西側，期間有高架橋12#重力式橋臺。12#橋臺基礎與隧道開挖面最小距離為10.8m。該段開挖對高架橋12#橋臺及基礎存在一定的安全影響。

1.4 荷載的確定

根據所提供的明挖段的圖紙，旨在模擬開挖對周邊建筑物的影響程度并驗證是否滿足安全要求，高架橋的載荷為結構自重和橋面的可變荷載，開挖面鋼支撐中上部支撐施加100KN的預應力，下部支撐施加300KN的預應力，本評估在建模時未考慮預應力，提供最危險的安全分析。結構自重中混凝土自重按照25KN/m3，鋼自重按78KN/m3考慮。地面超載按照20KPa的標準進行建模。根據《公路橋涵通用設計規范》關于荷載組合的規定和一般算法[2]，對橋梁承臺加荷載標準組合值468KPa。

2 隧道結構形式及設計支護參數

重慶軌道交通環線區間隧道YDK22+978.912～YDK23+077.406段結構底板以上以填土為主，土層厚度約15m，中間為粉質粘土，巖層厚度3～4m，最下為砂質泥巖。圍巖級別為Ⅳ級，巖體整體穩定，條件較好。

該段隧道初期支護采用100mm厚的C25噴射混凝土面層，雙層Φ8鋼筋15× 15cm，并采用三道609鋼管支撐和直徑1000mm鉆孔灌注樁作為初期支護的加勁措施；灌注樁水平間距1500mm。在支撐中部架設格構柱，防止支撐中部出現較大豎向變形。

3 三維有限元模型的建立

沖壓廠高架橋的安全采用有限元軟件Midas/GTS建模的方法進行分析，基于地層結構法建立三維有限元模型進行數值計算，得到重慶軌道交通環線對沖壓廠高架橋結構變形和內力的影響，據此分析高架橋的結構安全性。

根據重慶市勘測院提供的《重慶軌道交通環線工程地質詳細勘察報告》以及既有擬建隧道設計資料，結合地形、隧道分布特點，建立如圖3.1所示的三維實體模型，該模型尺寸為：120m×40m×40m。

圖3.1 三維有限元模型圖

本模型的計算模擬范圍，隧道底部距模型下邊界距離2倍洞徑。計算時圍巖巖體按彈塑性材料考慮，并服從莫爾庫倫屈服準則，隧道支護結構按彈性材料考慮。隧道圍巖和橋臺均采用四面體單元，混凝土擋板采用面單元，鋼支撐、格構柱、聯系梁、冠梁均采用線單元。網格劃分見上圖。模型的邊界條件通過限制模型四個側面和底面法向的位移來實現，計算荷載包括地層和結構自重即地面超載和橋臺上部傳來的荷載。

4 計算結果與分析

4.1 橋臺分析

（1）位移分析

隧道開挖完成后12號橋臺的豎直和水平位移圖見圖4.1，橋臺的最大沉降值為3.52mm,其中遠離基坑部位沉降值較大。地鐵開挖的施工使得橋臺的位移發生變化，臨近施工區橋臺豎向位移上升，遠離施工區位移下降。支護結構中灌注樁的中部受彎矩最大，樁中部變形量也是最大，橋臺中部圍巖沉降同時擠壓橋臺端部圍巖，使得其靠近開挖面處有向上的位移。（2）應力分析

圖4.1 12#橋臺豎向位移云圖

圖4.2為橋臺沿豎直方向的應力云圖，由圖中可知道橋臺最大應力為395KPa，最大應力區占據了橋臺大部分區域，在下部四周應力分布逐漸減小最小值為-2.31MPa，最小值區域位于橋臺右下頂點位置。

圖4.2 12#橋臺豎向應力云圖

4.2 圍巖分析

（1）圍巖變形分析

如圖4.3可知隧道開挖完成后圍巖的變形量最大為3.25mm，最小值為-3.52mm，最大變形量分布區域位于上部冠梁處，最大沉降區分布于橋臺基礎處。變形區域位于基坑中部。

圖4.3 圍巖豎向位移圖

沿開挖邊界分別取離邊界、橋臺進隧道側、橋臺中間點、橋臺遠離開挖側即圖中ABCD四個點[3]，繪出各施工步下4點的位移變化折線圖。具體如圖4.4所示。

圖4.4 圍巖動態沉降曲線

（2）圍巖應力分析

隨著施工的進行圍巖應力發生多次應力重分布，圖4.5為施工完成后圍巖的應力變化云圖，應力最小值為-856KPa。從圖中可知，開挖中支護結構起到了很好的維護作用，圍巖的應力在開挖隧道兩邊沿縱向分布比較均勻。

圖4.5 圍巖豎向應力云圖

4.3 支護結構分析

（1）變形分析

該段施工中采用了樁、板、支撐三種支護結構，如圖4.6可知橫向支撐在開挖完畢后最大豎向位移為6.45cm，最大位移發生在兩個格構柱之間的鋼支撐。隨著施工的進行，樁沿X方向發生位移，使得支撐軸向受力并且產生變形。

灌注樁最大水平變形量為20.69mm，最大變形區域位移樁身中間偏上部分，第二層和第三層支撐處。其值小于《公路橋涵施工質量檢驗評定與驗收標準規范》第四章第三節規定的灌注樁在垂直于軸線方向的允許位移偏差40mm。

圖4.6 支護結構豎向位移云圖

（2）內力分析

施工時支撐中的應力發生重分布，開挖完成后，中間層的支撐受力最大，最大值為1046.78KN，第一層支撐最大軸力為464.26KN，第三層支撐軸力為57.17KN。如圖4.7。

樁最大彎矩值為1344.62KN.m，最大值位于靠近橋臺一側。

圖4.7 支撐軸力云圖

5 小結

隧道開挖后，橋臺的豎向和水平位移均發生了變化，主要表現在臨近開挖區域處橋臺有向上的位移，遠離開挖區域橋臺有向下的位移。隨著施工的進行，圍巖應力發生多次重分布，并使得基坑中部的圍巖變形量較大，進一步使橋臺中部區域沉降。在圍巖壓力的推動下，臨近開挖面的圍巖受到擠壓，從而使得橋臺有一定程度的抬升。開挖中灌注樁和圍巖沿水平方向的變化一致。對灌注樁而言，樁身中部所承受的圍巖水平方向的圍巖壓力較大，造成樁身中部的水平變形較大。鋼支撐的架設很好的平衡了因開挖引起的圍巖側壓力，開挖完成中部支撐受到的軸力最大，變形量也很大，但由于格構柱的存在限制了支撐的豎向變形，保證了施工中支撐的安全工作。

本文所得結論是以隧道與橋梁結構設計為基礎，再結合工程類比和有限元模型計算結果，綜合分析所得。由于實際工程與施工現場情況、隧道橋梁結構和地質情況密切相關，故本文相關結論還有待工程實踐進一步論證。

[1]于清浩.新建隧道施工對既有隧道的影響分析[J].鐵道建筑技術，2010:44-48.

[1]JTG D60-2015公路橋涵通用設計規范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[2]朱育才，林志，石波.隧道擴建對地面建筑物的影響分析[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2011,30(5):938-942.

U45

B

1007-6344（2016）04-0039-02

張龍凡（1990-），男，陜西安康人，碩士研究生，主要從事巖土工程、隧道工程領域的科研工作。