高架橋騎跨式承臺對地下隧道結(jié)構(gòu)變形及受力影響分析

潘坤

（上海市政工程設(shè)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(guī)模的不斷擴大及科學(xué)技術(shù)的逐漸進(jìn)步，城市綜合交通設(shè)施日漸復(fù)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(shè)施，不可避免地出現(xiàn)相互交叉現(xiàn)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(chǎn)生一定的附加應(yīng)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(jié)構(gòu)變形十分敏感，且地下隧道結(jié)構(gòu)難以修復(fù)，一旦發(fā)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的不利影響，制定相關(guān)的設(shè)計優(yōu)化及施工措施。

在工程交疊問題研究領(lǐng)域，通常情況下認(rèn)為隧道下穿建（構(gòu)）筑物施工的難度系數(shù)及風(fēng)險因子相對較大。因此，國內(nèi)學(xué)者對于隧道下穿問題進(jìn)行了深入分析并取得了大量的研究成果[1-4]，而結(jié)構(gòu)上跨隧道結(jié)構(gòu)施工的相關(guān)研究較少。然而橋梁承臺騎跨既有隧道結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(gòu)隧道的模擬計算，得出明挖卸載易造成基底隆起及盾構(gòu)隧道上浮等問題；龐振勇[6]針對大基礎(chǔ)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(shù)值模擬分析及現(xiàn)場測試，結(jié)果表明站房荷載能夠通過轉(zhuǎn)換梁與樁基礎(chǔ)有效地傳遞到隧道下方基礎(chǔ)持力層處，同時樁基礎(chǔ)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(cè)坡出入段線明挖上跨既有區(qū)間隧道為背景，通過對出入段線分塊、分層開挖以及結(jié)構(gòu)回填過程的數(shù)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(jié)構(gòu)問題仍需進(jìn)行深入研究。

本文以濱海大道遠(yuǎn)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(qū)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(shù)值計算模型，并考慮騎跨式承臺與隧道頂板關(guān)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(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力進(jìn)行數(shù)值計算，根據(jù)計算結(jié)果提出相關(guān)建議。

1 工程概況及地質(zhì)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(tǒng)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(shè)。因線型條件制約，遠(yuǎn)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(qū)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(zhèn)，終點瑞安人民路站，遠(yuǎn)期向北延伸至雁蕩鎮(zhèn)，全長62.95 km，最高速度可達(dá)140 km/h。S2與濱海大道交叉段為機場站-永興站地下區(qū)間，單箱雙孔箱涵結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)斷面結(jié)構(gòu)凈高為6.65 m，單孔凈寬為5.35 m，結(jié)構(gòu)總寬度約12.5 m，總高度約8.95 m，結(jié)構(gòu)底部設(shè)置Φ800、30 m長樁基礎(chǔ)。該處基坑采用800 mm厚、37.5 m深地下連續(xù)墻圍護(hù)，豎向設(shè)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(jié)構(gòu)相沖突，交叉段承臺采用騎跨式承臺，承臺下設(shè)Φ1 500、長100 m摩擦樁，樁基避開S2線隧道結(jié)構(gòu)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(qū)內(nèi)主要地層為素填土、粘土、淤泥、粉砂、淤泥質(zhì)粘土、細(xì)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(zhì)差。

濱海大道遠(yuǎn)期高架施工對市域鐵路S2線地下隧道的影響主要體現(xiàn)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(shù)值計算模型，對隧道結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力進(jìn)行研究。

2 基坑開挖數(shù)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(shè)過程中，進(jìn)行承臺基坑開挖時，將對隧道頂板原有覆土進(jìn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的影響。土體采用基于摩爾庫倫屈服準(zhǔn)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(jié)構(gòu)、地連墻采用板單元，隧道結(jié)構(gòu)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(cè)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(jù)設(shè)計參數(shù)取值。模型采用的地層及結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖3 計算模型

計算過程如下：

（1）建立計算模型，設(shè)定邊界條件，初始應(yīng)力平衡，隧道結(jié)構(gòu)激活、隧道內(nèi)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(yīng)。

表1 模型計算參數(shù)

2.2 計算結(jié)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(jié)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(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)發(fā)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(jié)構(gòu)上部土體卸載引起的：一方面引發(fā)隧道結(jié)構(gòu)在卸載區(qū)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(jié)構(gòu)變形量較小，但本模型僅計算單個承臺開挖的情況，當(dāng)考慮交叉區(qū)段所有承臺施工時，將可能對隧道結(jié)構(gòu)整體抗浮產(chǎn)生較大影響。因此，該區(qū)段隧道底部樁基須按抗拔樁加強配筋設(shè)計，防止上部土體卸載引起隧道較大上浮及變形。

（2）隧道內(nèi)力變化

濱海大道高架承臺基坑開挖前、后隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 基坑開挖前隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖

圖6 基坑開挖后隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖

將計算結(jié)果整理見表2。

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

表2 基坑開挖導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力值及變化情況

3 橋體加載對隧道結(jié)構(gòu)的影響

濱海大道采用等高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)大箱梁結(jié)構(gòu)，整體荷載較大，騎跨式承臺跨越隧道結(jié)構(gòu)可能引起隧道結(jié)構(gòu)變形及受力增加，須對該不利情況進(jìn)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(jié)果

為確定騎跨式轉(zhuǎn)換梁承臺對隧道結(jié)構(gòu)受力的不利影響，采用上述模型進(jìn)行類似計算。為考慮承臺與軌道頂板關(guān)系、樁基與軌道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)最大變形、各部位最大內(nèi)力值進(jìn)行整理，結(jié)果見表4。

表3 計算工況

表4 橋體加載對隧道變形及內(nèi)力影響計算結(jié)果

3.2 承臺與隧道結(jié)構(gòu)關(guān)系的影響分析

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

從結(jié)構(gòu)受力角度來說，上部橋體加載后將引起轉(zhuǎn)換梁變形。在轉(zhuǎn)換梁與隧道結(jié)構(gòu)結(jié)合狀態(tài)下，下部隧道結(jié)構(gòu)與承臺變形相協(xié)調(diào)，相當(dāng)于上部荷載直接作用于承臺與隧道結(jié)構(gòu)的結(jié)合體，將引起隧道結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力顯著增大，而設(shè)置于承臺兩側(cè)的樁基將無法充分發(fā)揮其承載作用。在轉(zhuǎn)換梁與隧道結(jié)構(gòu)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(cè)的樁基傳遞至深部持力層，因此隧道變形及內(nèi)力增量將較小。承臺與隧道結(jié)構(gòu)凈距越大，其影響較會越小，且在承臺施工、搭設(shè)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(jié)構(gòu)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(jìn)行軟土填充，但嚴(yán)禁壓實、加固處理。當(dāng)建設(shè)場地條件較好時，對隧道頂部與承臺間進(jìn)行土體填充需采取措施，如填充覆蓋軟質(zhì)泡沫材料，防止承臺荷載經(jīng)土體傳遞至隧道頂部。

3.3 橋梁樁基與隧道結(jié)構(gòu)凈距的影響分析

在B1、B2、B3工況中，保證承臺與隧道結(jié)構(gòu)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(jié)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(nèi)力增量基本都控制在5%以內(nèi)。

通常情況下在考慮隧道與樁基的關(guān)系時，均希望樁基與隧道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形和附加內(nèi)力；當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)距樁基較遠(yuǎn)時（工況B2），隧道結(jié)構(gòu)所受影響將減小。

此外，在本案例中，樁基與隧道結(jié)構(gòu)凈距較大反而會導(dǎo)致橋體加載對隧道結(jié)構(gòu)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(shè)于樁基的梁，樁基與隧道結(jié)構(gòu)凈距增大將導(dǎo)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(chǎn)生較大變形，從而導(dǎo)致隧道產(chǎn)生較大變形和附加內(nèi)力。從經(jīng)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(shè)置騎跨式高架承臺時，應(yīng)對適當(dāng)減小樁基與結(jié)構(gòu)凈距。

4 結(jié)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(jié)構(gòu)局部樁基需按抗拔樁加強配筋。

（2）當(dāng)騎跨式承臺與隧道結(jié)構(gòu)結(jié)合時，橋梁實施后對隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響很大，應(yīng)采取措施確保轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)與隧道結(jié)構(gòu)脫離，并保證1.5～2 m凈距。

（3）騎跨式承臺與隧道結(jié)構(gòu)脫離后，仍不可避免引起隧道結(jié)構(gòu)較小的沉降變形及附加內(nèi)力，在進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計時需考慮對結(jié)構(gòu)頂板、側(cè)墻進(jìn)行加強，隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)加強及局部內(nèi)空增大，以便在結(jié)構(gòu)變形后滿足凈空和修復(fù)要求。高架橋體施工時，需對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行實時監(jiān)測，確保S2線結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大擾動；如間距過大，則承臺剛度將減小，將對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

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