上跨公路立交主匝道橋施工對(duì)既有城際鐵路隧道的影響分析與對(duì)策

王永輝

（中國葛洲壩集團(tuán)國際工程有限公司，北京100000）

上跨公路立交主匝道橋施工對(duì)既有城際鐵路隧道的影響分析與對(duì)策

王永輝

（中國葛洲壩集團(tuán)國際工程有限公司，北京100000）

以中川機(jī)場(chǎng)進(jìn)出口公路立交改造工程主匝道橋上跨蘭州至中川城際鐵路機(jī)場(chǎng)隧道工程為背景，分別從前期樁基施工擾動(dòng)及后期車輛荷載擾動(dòng)兩方面分析了上跨公路主匝道橋?qū)扔谐请H鐵路隧道的影響，得出橋梁與城際鐵路隧道交叉段落的樁基中，距離隧道最近為3m的樁基對(duì)隧道影響最大，但隧道周邊土體最大位移為0.76mm，樁周最大塑性區(qū)半徑為1.42m且塑性區(qū)未與隧道周邊土體貫通，隧道襯砌主應(yīng)力及安全系數(shù)有小幅波動(dòng)，均在規(guī)范要求值范圍內(nèi)，因此主匝道橋距離隧道凈距大于3m施工時(shí)，不會(huì)對(duì)城際鐵路隧道正常運(yùn)營造成影響，最后強(qiáng)調(diào)施工時(shí)應(yīng)注意嚴(yán)禁在隧道上方堆載，加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，設(shè)置隧道兩側(cè)截排水設(shè)施及橋梁水集中引排設(shè)施，以此為同類工程施工提供參考。

上跨；公路主匝道橋；城際鐵路隧道；施工擾動(dòng)；結(jié)構(gòu)安全分析

DOI10.3969/j.issn.1672-6375.2016.10.018

1　工程概況

中川機(jī)場(chǎng)進(jìn)出口公路立交改造工程位于蘭州新區(qū)境內(nèi)，距離蘭州市區(qū)約67km。改造工程路線起點(diǎn)位于原機(jī)場(chǎng)高速中川收費(fèi)站管理所南600m處，終點(diǎn)位于機(jī)場(chǎng)T2航站樓南約1.25km處，終點(diǎn)順接機(jī)場(chǎng)迎賓大道。中川機(jī)場(chǎng)互通立交改造工程自現(xiàn)有收費(fèi)站處向右側(cè)改移機(jī)場(chǎng)高速主匝道，采用高架橋跨過緯一路口、中川城際鐵路、后落地與迎賓大道中心車道對(duì)接，實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)高速與T1、T2航站樓交通快速連接，其余方向通過設(shè)置匝道連接。互通立交改造主匝道橋，橋面寬度20.0m，按雙向四車道設(shè)計(jì)，全長1066.42m。

既有機(jī)場(chǎng)隧道起訖里程為DK60+700～DK63+089.1，全長2389.1m。隧道全部采用明挖法施工，斷面形式為矩形斷面。

中川機(jī)場(chǎng)進(jìn)出口公路立交改造工程主匝道橋與既有機(jī)場(chǎng)隧道交叉里程K1+910（機(jī)場(chǎng)隧道與之對(duì)應(yīng)交叉里程DK61+540），交叉角度26.55°。交叉段落上部結(jié)構(gòu)采用兩跨50m波形鋼腹板鋼混組合連續(xù)箱梁，下部采用鋼蓋梁門架式橋墩，橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁，根據(jù)受力需要布設(shè)D150cm或D180cm的鉆孔灌注樁。交叉段落處橋梁基礎(chǔ)與隧道的距離關(guān)系見表1所示，平面關(guān)系見圖1所示。

表1　各墩承臺(tái)及墩柱離既有線的距離統(tǒng)計(jì)表

圖1　立交段落平面圖

2　機(jī)場(chǎng)隧道質(zhì)量監(jiān)測(cè)

為準(zhǔn)確查明機(jī)場(chǎng)隧道現(xiàn)狀質(zhì)量，對(duì)本工程影響范圍內(nèi)K60+470～K60+770段落（交叉點(diǎn)前166m，交叉點(diǎn)后134m）的隧道襯砌厚度及襯砌背后空洞情況進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)，使用的儀器為美國GSSI公司研制生產(chǎn)的SIR-4000型地質(zhì)雷達(dá)（序列號(hào)：0320），并配用400MHz天線（序列號(hào)：327）。

本次檢測(cè)共布置了5條測(cè)線，即底板、左邊墻、右邊墻、左右拱頂，見圖2所示。

圖2　隧道橫斷面地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線位置示意圖

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果和相關(guān)內(nèi)部缺陷的判斷方法，測(cè)試段內(nèi)襯砌厚度滿足設(shè)計(jì)要求，該段隧道襯砌背后無空洞和不密實(shí)情況。

3　主匝道橋施工對(duì)既有機(jī)場(chǎng)隧道影響分析

3.1計(jì)算方法

為考慮樁基施工空間效應(yīng)對(duì)既有框架隧道的影響［1，2］，計(jì)算采用三維地層結(jié)構(gòu)法逐根施工鄰近隧道的樁基，并最終得到地層、框架的應(yīng)力及位移在樁基施工前后分布情況，然后取框架結(jié)構(gòu)受荷最不利斷面采用荷載-結(jié)構(gòu)法分析框架內(nèi)力變化情況。

3.2計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，選取距計(jì)算段落最近鉆孔ZK18的土層信息作為計(jì)算參數(shù)來源。模型計(jì)算參數(shù)見表2、表3所示。

3.3計(jì)算模型

計(jì)算范圍內(nèi)土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算，樁、承臺(tái)、隧道襯砌采用彈性本構(gòu)模型，為保證模型有足夠計(jì)算精度并盡量減少計(jì)算工作量，本次計(jì)算對(duì)計(jì)算范圍進(jìn)行了一定限制，計(jì)算模型尺寸為：從地表向下取80m，橫向取150m，縱向150m。所建立的三維有限元模型見圖3所示。

表2　土層物理力學(xué)參數(shù)

表3　結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

圖3　計(jì)算模型

3.4計(jì)算工況

目前中川城際鐵路處于運(yùn)營狀態(tài)，所以其兩側(cè)的樁基施工產(chǎn)生的圍巖松動(dòng)和橋墩上部結(jié)構(gòu)傳遞的壓力超載會(huì)對(duì)隧道造成變形影響。立交工程主匝道橋是在中川城際隧道修建完畢的基礎(chǔ)上進(jìn)行施工的，所以立交工程主匝道橋施工前的地應(yīng)力場(chǎng)需要通過模擬中川城際隧道開挖得到。計(jì)算步1～6計(jì)算中川城際隧道施工完畢后的地應(yīng)力場(chǎng)，其中計(jì)算步1計(jì)算自重作用下的初始應(yīng)力場(chǎng)；計(jì)算步2～6計(jì)算中川城際隧道施工后的二次應(yīng)力場(chǎng)；計(jì)算步7～43模擬橋梁施工。

3.5計(jì)算分析

由于16號(hào)墩離隧道最近，且通過計(jì)算16號(hào)墩所在樁基開挖對(duì)隧道影響較其他墩大，本論述限于篇幅僅從最不利的工況分析16號(hào)墩所屬4根樁基開挖對(duì)隧道造成的不利影響。通過上述計(jì)算可得如下結(jié)果，見表4所示。

表4　計(jì)算結(jié)果比對(duì)

為準(zhǔn)確反應(yīng)機(jī)場(chǎng)隧道在橋梁施工前后襯砌結(jié)構(gòu)的安全性，現(xiàn)按照荷載-結(jié)構(gòu)法將上述地層-結(jié)構(gòu)模式得出的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，施加在襯砌結(jié)構(gòu)上，并按照《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10003—2005）11.2.3可以計(jì)算受彎構(gòu)件各截面的安全系數(shù)，據(jù)各斷面的配筋形式，可以得到截面指定位置的裂縫寬度［3，4］。結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算見圖4所示。

圖4　襯砌內(nèi)力

根據(jù)計(jì)算可提取襯砌各關(guān)鍵位置的內(nèi)力值，通過內(nèi)力值可驗(yàn)算襯砌強(qiáng)度，驗(yàn)算結(jié)果見表5所示。

表5　結(jié)構(gòu)內(nèi)力及強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

由上述計(jì)算得到表4、表5，可看出：

（1）樁基逐根開挖時(shí)，近隧道側(cè)土體向樁內(nèi)側(cè)移動(dòng)，但土體位移較小，最大僅為0.156mm，發(fā)生在2號(hào)樁鉆孔完成后；在所有樁基施工完成后，施加上部結(jié)構(gòu)自重荷載和車輛荷載后，荷載傳遞到樁基及地層中，使樁周土體受到擠壓，近隧道側(cè)土體位移因擠密而略微減小；

（2）計(jì)算中樁基單次挖方至設(shè)計(jì)高程，荷載一次性釋放，屬于大體積卸荷現(xiàn)象，會(huì)造成襯砌結(jié)構(gòu)的局部隆起，且不均勻分布，但隆起量均較小，最大隆起量?jī)H為0.113mm，發(fā)生在1號(hào)樁鉆孔完成后，隨后在樁基灌注完成后，隆起量隨之減小；在施加上部結(jié)構(gòu)自重荷載和車輛荷載后，荷載傳遞到樁基及地層中，樁周土受到摩擦帶動(dòng)及基底土受到擠壓而使襯砌周邊土發(fā)生向下移動(dòng)的趨勢(shì)，并最終沉降0.76mm；

（3）開挖樁基會(huì)造樁周邊土體發(fā)生一定范圍的塑性屈服，但在隨后樁基澆筑后塑性區(qū)的范圍隨之減小，即對(duì)隧道最不利情況發(fā)生在樁基開挖過程中，整個(gè)開挖過程，塑性區(qū)最大半徑僅為0.76m，并未造成近隧道側(cè)土體屈服松動(dòng)；在施加上部結(jié)構(gòu)自重荷載和車輛荷載后，塑性區(qū)半徑達(dá)到1.42m，但塑性區(qū)范圍并未與近隧道側(cè)土體貫通，對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)影響甚微；

（4）由表4可看出，逐根施工樁基的過程中，隧道襯砌主拉應(yīng)力會(huì)逐步增大，但增幅較小，最大主拉應(yīng)力為1.87Mpa；襯砌主壓應(yīng)力基本無波動(dòng)，最大值為4.064Mpa；在施加上部結(jié)構(gòu)自重荷載和車輛荷載后，襯砌最大主拉應(yīng)力為1.897Mpa，最大主壓應(yīng)力為4.199Mpa，根據(jù)表6.2可知，C40混凝土極限抗拉強(qiáng)度為2.7Mpa，抗壓強(qiáng)度為29.5Mpa，能滿足隧道襯砌強(qiáng)度要求；

（5）樁基施工完畢施加上部結(jié)構(gòu)自重及車輛荷載后，主要變形發(fā)生在樁周，襯砌變形相對(duì)非常微小，不會(huì)影響其正常使用；

（6）樁基施工完畢施加上部結(jié)構(gòu)自重及車輛荷載后，15號(hào)墩所屬的1～4號(hào)樁造成的塑性區(qū)相對(duì)較明顯，且擾動(dòng)范圍離隧道相對(duì)較近，屬施工重點(diǎn)控制對(duì)象，施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺，做好護(hù)壁，減少擾動(dòng)，并嚴(yán)控施工用水，加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)；

（7）在樁基施工及后期運(yùn)營過程中，襯砌內(nèi)力會(huì)發(fā)生較小的波動(dòng)，但波動(dòng)值較小，且波動(dòng)后襯砌安全系數(shù)及裂縫寬度均能滿足規(guī)范要求，不會(huì)影響襯砌正常使用。

4　結(jié)論與對(duì)策

（1）通過結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，主匝道橋跨越鐵路交叉段落橋樁距離隧道結(jié)構(gòu)邊線3m對(duì)鐵路隧道結(jié)構(gòu)的影響較小，不會(huì)對(duì)中川機(jī)場(chǎng)隧道的正常使用和安全運(yùn)營造成影響；

（2）上部結(jié)構(gòu)施工時(shí)臨時(shí)支墩不得架設(shè)于隧道上方，支墩距離隧道邊線至少5m，支墩上方采用軍便梁完成上部結(jié)構(gòu)施工；

（3）樁基礎(chǔ)施工宜采用旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)成孔，并保證樁基鉆設(shè)精度；

（4）施工時(shí)應(yīng)采取防塌孔的措施，對(duì)臨近鐵路隧道施工的樁基施工應(yīng)制定專項(xiàng)施工方案，保證施工和隧道安全；

（5）盡量減少振動(dòng)擾動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，施工過程中對(duì)既有機(jī)場(chǎng)隧道進(jìn)行變形和振動(dòng)監(jiān)控量測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)上報(bào)；

（6）在隧道兩側(cè)設(shè)置永久排水溝進(jìn)行導(dǎo)流，將橋梁集中排水水流引致附近路基側(cè)溝或涵洞內(nèi)分流；

（7）設(shè)計(jì)橋梁邊側(cè)防撞欄防護(hù)等級(jí)應(yīng)為SS級(jí)［5］，以降低交通事故導(dǎo)致車輛墜落造成對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響。

［1］侯劍鋒.盾構(gòu)隧道施工對(duì)高架橋墩及樁基影響分析［J］.城市道橋與防洪，2010（3）:83-87.

［2］蔣超.盾構(gòu)隧道近鄰建筑物樁基的相互影響分析［J］.交通科技，2011（1）:43-45.

［3］TB10003-2005.鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［4］GB50010-2010.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［5］JTGD60-2015.公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2015.

［6］JTGD81-2006.公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

U445.4

A

2016-6-27

王永輝（1987-），男，漢族，河南周口人，碩士，助工，主要從事公路及水電站施工工作。