高架橋騎跨式承臺對地下隧道結構變形及受力影響分析

潘坤

（上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海市 200092）

0 引言

近年來，隨著城市規模的不斷擴大及科學技術的逐漸進步，城市綜合交通設施日漸復雜，相交跨越的工程也日趨增多，地上高架道路及地下軌道交通作為兩種最為常用的交通設施，不可避免地出現相互交叉現象。在既有地下軌道交通上方修建高架橋梁時，橋梁樁基施工、承臺基坑開挖及上部橋體加載均會產生一定的附加應力，將會引起隧道二次變形。軌道交通尤其是高速市域鐵路對結構變形十分敏感，且地下隧道結構難以修復，一旦發生事故，將造成不可估量的損失。因此，解決高架橋梁的承臺基坑開挖和橋體荷載加載對隧道結構造成的不利影響具有重大工程意義。為確保地下軌道交通工程的結構安全和正常運營，必須在工程開工前分析和評估高架橋梁的承臺基坑開挖和橋體荷載加載對軌道結構的不利影響，制定相關的設計優化及施工措施。

在工程交疊問題研究領域，通常情況下認為隧道下穿建（構）筑物施工的難度系數及風險因子相對較大。因此，國內學者對于隧道下穿問題進行了深入分析并取得了大量的研究成果[1-4]，而結構上跨隧道結構施工的相關研究較少。然而橋梁承臺騎跨既有隧道結構工程，涉及到樁基施工擾動、基坑開挖卸載及上部橋體加載等過程，在施工擾動影響原理、受力模式轉換等方面與下穿施工存在根本性的不同。趙煒[5]通過對明挖隧道近距離上跨盾構隧道的模擬計算，得出明挖卸載易造成基底隆起及盾構隧道上浮等問題；龐振勇[6]針對大基礎上跨地鐵隧道施工對地鐵隧道的影響，開展基坑上跨隧道施工過程的數值模擬分析及現場測試，結果表明站房荷載能夠通過轉換梁與樁基礎有效地傳遞到隧道下方基礎持力層處，同時樁基礎的存在一定程度上約束了隧道變形；劉淼[7]以西安地鐵6號線側坡出入段線明挖上跨既有區間隧道為背景，通過對出入段線分塊、分層開挖以及結構回填過程的數值模擬，得出明挖施工卸載再加載過程對下臥隧道的影響程度。前人的研究成果為上跨問題研究提供了參考，但由于地層條件、跨越型式的差異以及卸載、加載工況不同[8-10]，騎跨式高架承臺上跨隧道結構問題仍需進行深入研究。

本文以濱海大道遠期高架道路小交角斜向跨越近期實施的市域鐵路S2線地下隧道區間為研究對象，建立騎跨式高架承臺基坑開挖及上部橋體加載數值計算模型，并考慮騎跨式承臺與隧道頂板關系、高架橋梁樁基與隧道凈距的不同工況，對地下市域鐵路結構變形及內力進行數值計算，根據計算結果提出相關建議。

1 工程概況及地質條件

在建的溫州機場綜合交通樞紐由地面、高架及地下軌道交通系統組成，濱海大道和市域鐵路S2線是機場綜合交通樞紐的重要集散交通工程。目前，市域鐵路S2線一期工程正在實施，濱海大道也擬開工建設。因線型條件制約，遠期濱海大道高架擬于緯二十三路路口附近采用小交角斜向跨越近期實施的市域鐵路S2線地下隧道區間，見圖1。

圖1 濱海大道高架與S2線隧道相交位置平面示意圖

市域鐵路S2線北起樂清市虹橋鎮，終點瑞安人民路站，遠期向北延伸至雁蕩鎮，全長62.95 km，最高速度可達140 km/h。S2與濱海大道交叉段為機場站-永興站地下區間，單箱雙孔箱涵結構，標準斷面結構凈高為6.65 m，單孔凈寬為5.35 m，結構總寬度約12.5 m，總高度約8.95 m，結構底部設置Φ800、30 m長樁基礎。該處基坑采用800 mm厚、37.5 m深地下連續墻圍護，豎向設4道支撐，其中首道支撐采用混凝土支撐，其余支撐采用鋼支撐。為避免高架橋梁樁基與S2線結構相沖突，交叉段承臺采用騎跨式承臺，承臺下設Φ1 500、長100 m摩擦樁，樁基避開S2線隧道結構并保持一定距離，典型斷面（A-A）見圖2。

圖2 濱海大道高架與S2線隧道相交典型斷面(A-A)（單位：m）

擬建工程場區內主要地層為素填土、粘土、淤泥、粉砂、淤泥質粘土、細砂、卵石地層。大范圍分布深厚層軟土，具有易觸變性、高壓縮性、強度低等特性，且分布廣泛、分布不均勻、厚度大、承載力低，沉降及差異沉降大，工程性質差。

濱海大道遠期高架施工對市域鐵路S2線地下隧道的影響主要體現在承臺基坑開挖卸載及高架橋體再加載過程。因此本文針對濱海大道高架橋梁騎跨式承臺基坑開挖及上部橋體加載建立數值計算模型，對隧道結構變形及內力進行研究。

2 基坑開挖數值模擬

2.1 計算模型

考慮S2線隧道先期施工，濱海大道高架橋梁在后期建設過程中，進行承臺基坑開挖時，將對隧道頂板原有覆土進行卸載。因此，本次計算選取典型斷面，采用三維限元計算軟件建立隧道結構及濱海大道高架橋梁樁基、承臺模型，以模擬濱海大道高架承臺基坑卸載對隧道結構的影響。土體采用基于摩爾庫倫屈服準則的彈塑性模型，承臺、橋樁采用各向同性線彈性實體模型；隧道結構、地連墻采用板單元，隧道結構樁采用梁單元。模型尺寸長80 m、寬80 m、高120 m，共劃分21400個單元，見圖3。模型側面為法向位移約束、底面為固定約束，頂面為自由邊界。隧道及橋樁尺寸根據設計參數取值。模型采用的地層及結構參數見表1。

圖3 計算模型

計算過程如下：

（1）建立計算模型，設定邊界條件，初始應力平衡，隧道結構激活、隧道內部土體開挖后位移清零；

（2）橋樁施工，隧道上部承臺基坑開挖，模擬隧道上部土體卸載效應。

表1 模型計算參數

2.2 計算結果及分析

（1）隧道變形

濱海大道高架承臺基坑開挖后隧道整體變形結果見圖4。

圖4 基坑開挖后隧道整體變形

由圖4可知，濱海大道高架承臺基坑開挖，導致隧道結構發生一定程度的變形，其中頂板變形最大，最大變形量為1.7 mm。這種變形主要是由于結構上部土體卸載引起的：一方面引發隧道結構在卸載區域整體上浮（約1.0 mm）；另一方面引起頂板局部卸荷回彈（最大0.7 mm左右）。整體來看，高架承臺基坑開挖引起的結構變形量較小，但本模型僅計算單個承臺開挖的情況，當考慮交叉區段所有承臺施工時，將可能對隧道結構整體抗浮產生較大影響。因此，該區段隧道底部樁基須按抗拔樁加強配筋設計，防止上部土體卸載引起隧道較大上浮及變形。

（2）隧道內力變化

濱海大道高架承臺基坑開挖前、后隧道結構內力計算結果見圖5、圖6。

圖5 基坑開挖前隧道結構內力圖

圖6 基坑開挖后隧道結構內力圖

將計算結果整理見表2。

結合圖5、圖6及表2可知，濱海大道高架承臺基坑開挖，導致隧道結構內力發生一定程度的改變，但內力值變化量均在5%以內。其中，頂板和側墻彎矩變化最大，頂板彎矩減小4.21%，側墻彎矩增大3.54%，主要原因為頂板覆土卸荷、兩側土體推擠側墻所致。在土體卸載作用下，側墻和中隔墻軸力有所減小，底板內力變化不明顯。

表2 基坑開挖導致隧道結構內力值及變化情況

3 橋體加載對隧道結構的影響

濱海大道采用等高度預應力混凝土連續大箱梁結構，整體荷載較大，騎跨式承臺跨越隧道結構可能引起隧道結構變形及受力增加，須對該不利情況進行計算。考慮橋體、承臺、支墩自重及上部車輛荷載，將承臺上橋體荷載簡化為四個支墩作用點的集中荷載（兩邊支墩作用力為2×9 413 kN，中間兩支墩作用力為2×28 240 kN）。

3.1 計算工況及計算結果

為確定騎跨式轉換梁承臺對隧道結構受力的不利影響，采用上述模型進行類似計算。為考慮承臺與軌道頂板關系、樁基與軌道結構凈距的影響，計算時改變單個變量，具體計算工況見表3。將各工況下計算的結構最大變形、各部位最大內力值進行整理，結果見表4。

表3 計算工況

表4 橋體加載對隧道變形及內力影響計算結果

3.2 承臺與隧道結構關系的影響分析

在A1、A2、A3工況中，控制樁基與隧道結構凈距4 m，承臺與隧道頂板關系分別為結合、脫離（凈距0.5 m）、脫離（凈距1.5 m），從表4計算結果可知：騎跨式承臺與隧道頂板結合時（A1工況），橋體加載后對隧道影響甚大，結構變形達31 mm，各項內力值較初始狀態增加數倍；承臺與隧道頂板一旦脫離設置（A2工況），隧道結構變形及內力值增量減小十分顯著；當承臺與隧道頂板脫離并保持1.5 m凈距時（A3工況），隧道結構各項內力值增量較小。就A3工況來說，內力增量較為明顯的是頂板彎矩值，正負彎矩值增量均在20%左右，底板和側墻彎矩次之（約8%），側墻與中隔墻軸力有一定的增加（約3%），其他內力值均較小。

從結構受力角度來說，上部橋體加載后將引起轉換梁變形。在轉換梁與隧道結構結合狀態下，下部隧道結構與承臺變形相協調，相當于上部荷載直接作用于承臺與隧道結構的結合體，將引起隧道結構變形及內力顯著增大，而設置于承臺兩側的樁基將無法充分發揮其承載作用。在轉換梁與隧道結構脫離后，由于本工程所在地層為軟土地層，承臺的變形可由承臺與隧道之間的軟土緩沖，荷載可以由承臺兩側的樁基傳遞至深部持力層，因此隧道變形及內力增量將較小。承臺與隧道結構凈距越大，其影響較會越小，且在承臺施工、搭設模板時更為方便。但考慮到承臺需保證較大高度（本承臺高4 m）及承臺上部需保證1.5 m以上覆土厚度，因此承臺與隧道結構凈距保持在1.5～2 m之間較為適宜。

值得注意的是，本工程地處軟土地層，隧道頂部與承臺之間可進行軟土填充，但嚴禁壓實、加固處理。當建設場地條件較好時，對隧道頂部與承臺間進行土體填充需采取措施，如填充覆蓋軟質泡沫材料，防止承臺荷載經土體傳遞至隧道頂部。

3.3 橋梁樁基與隧道結構凈距的影響分析

在B1、B2、B3工況中，保證承臺與隧道結構脫離凈距1.5 m，樁基與隧道凈距分別為2 m、3 m、5 m，從表4計算結果可知：樁基與隧道凈距較小（B1工況）和較大（B3工況）時，橋體加載后對隧道影響均較大：B1工況下隧道變形2.6 mm、頂板彎矩增大9.9%；B3工況下隧道變形5.8 mm、頂板彎矩增大33.7%。樁基與隧道凈距為3 m（B2工況）時，橋體加載后對隧道影響最小：隧道變形僅為1.4 mm，內力增量基本都控制在5%以內。

通常情況下在考慮隧道與樁基的關系時，均希望樁基與隧道結構保持較大距離，以避免相互影響。如對比工況B1和B2可知：樁基與隧道結構凈距較小情況下（工況B1），樁基變形會帶動周圍土體變形，從而導致隧道結構產生較大變形和附加內力；當隧道結構距樁基較遠時（工況B2），隧道結構所受影響將減小。

此外，在本案例中，樁基與隧道結構凈距較大反而會導致橋體加載對隧道結構影響增大（對比工況B3和B2），其原因在于騎跨式承臺可看作兩端架設于樁基的梁，樁基與隧道結構凈距增大將導致梁的跨度增大，在承臺高度不變的情況下其整體剛度將顯著降低，因而在上部橋體荷載作用下產生較大變形，從而導致隧道產生較大變形和附加內力。從經濟上來說，在保證承臺剛度不變條件下，減小其跨度可適量減小其高度和寬度，一方面減小了承臺混凝土方量，同時也減小了基坑開挖方量。因此，在設置騎跨式高架承臺時，應對適當減小樁基與結構凈距。

4 結論及建議

（1）騎跨式承臺基坑開挖對隧道影響較小，但考慮地下水浮力作用，隧道結構局部樁基需按抗拔樁加強配筋。

（2）當騎跨式承臺與隧道結構結合時，橋梁實施后對隧道結構內力影響很大，應采取措施確保轉換梁結構與隧道結構脫離，并保證1.5～2 m凈距。

（3）騎跨式承臺與隧道結構脫離后，仍不可避免引起隧道結構較小的沉降變形及附加內力，在進行隧道結構設計時需考慮對結構頂板、側墻進行加強，隧道結構設計時應考慮結構加強及局部內空增大，以便在結構變形后滿足凈空和修復要求。高架橋體施工時，需對隧道結構進行實時監測，確保S2線結構安全。

（4）橋臺下樁體距隧道間距保持在3 m左右較為適宜：如間距過小，則在樁基施工及橋梁加載時將對隧道結構產生較大擾動；如間距過大，則承臺剛度將減小，將對隧道結構產生不利影響。

（5）本文僅考慮隧道結構先于高架施工情況，在條件允許時，建議結合遠期規劃，將高架橋樁基、承臺與隧道結構同期實施可以避免對隧道結構的多次擾動，可僅考慮上部橋體加載的影響。