擬建上跨橋梁對下方既有隧道的安全影響分析

譚雙全，劉廷偉

（1.重慶市勘測院，重慶市 400020；2.重慶市巖土工程技術研究中心，重慶市400020）

0 引言

隨著我國城市化進程的快速發展，城市道路交通需求量迅速增長，由于城市空間有限，新建道路與既有道路之間往往存在立體交叉。而對于山地城市，不可避免地會出現新建道路或橋梁上穿既有隧道的情況。在既有隧道上方施作建構筑物，將會對隧道結構產生一定的影響[1][2]。本文通過工程實例，根據擬建上跨橋梁與下方既有隧道的空間關系特點，基于MIDAS-GTS有限元軟件進行隧道結構安全性影響分析，研究既有隧道產生的附加內力和變形規律。其成果可為類似的工程設計和研究提供參考依據。

1 工程概況

隧道上方擬建道路為一條東西向城市次干路，標準路幅寬度26 m，雙向4車道，道路在終點附近以橋梁方式上跨現狀隧道，橋跨方向與隧道接近正交。擬建橋梁全長80 m，橋跨布置為2×35 m簡支小箱梁，轉橋面連續，梁高1.8 m。橋墩采用蓋梁加圓形橋墩，蓋梁高2.2 m，橋墩直徑1.8 m。基礎采用單樁基礎，直徑2.0 m，樁基礎為嵌巖樁。橋臺采用U型橋臺，基礎采用群樁基礎，樁基直徑1.5 m，樁基礎為嵌巖樁。橋臺后側擋墻為衡重式擋墻。

該隧道于2007年建成運營，現狀穩定，隧道分西洞和東洞，兩洞間凈距約為16 m。隧道開挖采用暗挖法，鉆爆法施工，采用光面爆破技術。根據隧道竣工圖紙，隧道采用復合式襯砌（見圖1）。擬建橋梁上跨段隧道錨桿長3.5 m，二次襯砌采用45 cm厚C30混凝土。

圖1 襯砌斷面圖（單位:mm）

該擬建項目勘察區位于地質構造屬龍王洞背斜西冀傾伏端，巖層呈單斜狀產出。受地質構造影響輕微，區內未見斷層及次級褶皺，地質構造較為簡單。巖層產狀275°∠15°，基巖中主要發育2組裂隙，主要分布于砂巖地層內。

根據工程地質測繪和野外鉆探揭示，場區地層由于土石方開挖，全部為基巖出露，基巖地層為侏羅系中沙溪廟組（J2s）砂、泥巖互層，其中以泥巖為主，砂巖存在尖滅現象。隧道圍巖級別為Ⅳ級。

圖2為擬建橋梁與隧道的立面位置關系圖。

圖2 擬建橋梁與隧道的立面位置關系圖

2 安全評估

分析的思路是：（1）搜集上跨橋梁、既有隧道竣工資料和地質勘察資料；（2）分析風險源，擬建橋梁基礎開挖引起隧道變形與內力變化、橋梁修建和運營產生的荷載對已建成的隧道產生變形與內力變化為主要風險源；（3）有限元計算，運用有限元計算軟件進行數值計算，預測該隧道工程在擬建工程施工過程和運營期所發生的變形和內力；（4）隧道安全性評估，根據計算結果，結合隧道工程的變形限值條件，以及安全系數，評價隧道結構的安全性。

有限元分析采用MIDAS-GTS完成。三維有限元模型的坐標系選取如下：X軸垂直隧道走向方向，即橋跨方向；Z軸垂直向上；Y軸沿隧道軸線方向（見圖3）。數值計算中假定巖體為各向同性，采用Mohr-Coulomb屈服準則。巖土體的計算參數根據地勘報告中的數據進行取值，經換算、折減后有限元模型采用的計算材料參數如表1所列。

圖3 三維有限元模型圖

在進行數值計算時，計算模型邊界條件設置如下：水平邊界上采用橫向位移約束，底部邊界采用豎向位移約束，頂部地表為自由約束。計算上跨橋梁施工影響時，利用MIDAS-GTS中激活/鈍化單元功能，模擬橋梁施工及橋梁運營。整個計算采用6種工況對施工過程進行模擬，如表2所列。

表1 模型計算參數表

表2 工況一覽表

2.1 襯砌結構位移分析

分析中提到的計算位移（見圖4～圖6所示）為橋梁修建引起的既有隧道位移增量。

圖4 路基開挖后襯砌結構位移云圖

圖5 橋梁下部結構修建后襯砌結構位移云圖

圖6 橋梁運營后襯砌結構位移云圖

由圖4～圖6可以看出，受路基開挖卸荷的影響，襯砌結構出現背離隧道中心的水平位移，最大水平位移出現在隧道拱腰部位，最大值為0.67 mm；由于卸荷作用，襯砌結構出現向上的位移，最大位移值為0.95 mm，出現在西側隧道拱肩部位。路基開挖后，其位移最大值出現在西側隧道拱肩部位，最大值為1.14 mm。最大水平位移、豎向位移均出現在西側隧道，這是由于西側隧道埋深較淺，橋臺與路基離隧道豎向距離較近，橋梁修建對隧道影響更大。

橋梁下部結構修建后，由于結構、路基回填荷載對襯砌結構產生加載作用，導致襯砌結構出現向隧道內部收斂的水平位移，但位移量較小，最大水平位移僅0.47 mm。受路基回填、橋梁自身重力加載的影響，襯砌結構產生豎向向下的位移，最大值為0.82 mm，出現在上跨橋正下方西側隧道拱頂部位。

橋梁運營后，受橋梁上部結構荷載的影響，襯砌結構豎向位移進一步增大，最大值出現的位置保持不變。橋梁運營后，西側隧道最大水平位移最大值為向隧道內部收斂的位移0.45 mm，最大豎向位移增大至1.19 mm。

2.2 襯砌安全系數驗算

從計算結果提取拱頂、拱肩、拱腰及拱腳的內力值，如表3所列。可以看出，襯砌拱頂、拱肩、拱腰及拱腳均為受壓控制。根據文獻[3]、[4]，可以計算襯砌各個截面安全系數，東、西側隧道襯砌各個截面安全系數均大于規范要求的2.0。

2.3 襯砌裂縫驗算

根據文獻[3]、[4]、[5]，最大裂縫寬度限制為 0.2 mm，對e0/h0≤0.55的偏心受壓構件，可不驗算裂縫寬度，所以橋梁運營后，二次襯砌結構是安全的。

表4為橋梁建設過程中隧道各項變化指標統計表。從計算結果可以看出，路基開挖階段受開挖卸荷的影響，襯砌最大軸力、彎矩均有所減小；隨著橋梁修建及運營階段荷載增加，最大軸力、彎矩有所增大。

表4 橋梁建設階段各項指標統計表

橋梁修建各個階段襯砌位移、內力各項指標均沒有超過允許值，上跨橋修建及運營對隧道影響在可控范圍之內。

3 結語

（1）通過數值計算，上跨橋修建引起的襯砌結構變形量較小，在許可范圍之內。

（2）受路基開挖卸荷及橋梁加載的影響，襯砌內力呈先減小后增大的趨勢。根據內力計算結果可計算出襯砌結構安全系數大于規范要求的2.0，襯砌穩定性在可控范圍內。二次襯砌最大裂縫寬度在規范允許范圍內，即上跨橋修建不會對襯砌結構造成損傷。

表3 安全系數驗算表

（3）在上跨橋梁施工和運營過程中，加強隧道結構的變形和關鍵斷面的應力監控量測，確保隧道結構的安全。

該工程實例可為類似工程的定性分析提供參考依據。

[1]周超.公路跨越既有鐵路隧道的方案設計與研究[J].隧道建設，2014，（1）：32-40.

[2]劉斌.新建公路施工對既有隧道結構有限元分析[J].建筑技術開發，2015，（5）：38-41.

[3]JTG D70-2004，公路隧道設計規范[S].

[4]JTG/T D70-2010，公路隧道設計細則[S].

[5]GB 50010-2010，混凝土結構設計規范[S].