隧道對橋梁影響安全性分析

(華南理工大學 廣東 廣州 510641)

一、工程背景

隨著全國各地城市發展的加快，城市中橋梁和隧道的建設也面臨著空前的挑戰，橋梁和隧道的空間要求越來越嚴格，可占用的空間越來越小，施工質量要求越來越高，在城市日益繁華的今天，難免會出現隧道下穿橋梁的情況，這就要嚴格分析施工的安全性，避免隧道施工破壞既有橋梁。

二、有限元分析

(一)模型概況。根據實際情況建模，材料參數如表1所示。

表1 材料參數

(二)模擬過程。采用從小里程往大里程開挖的順序進行盾構模擬施工。具體的模擬過程如下：a、邊界條件和初始條件：模型的四周、底部邊界為法向約束，地表自由。在自重的作用下求解至平衡，位移清零；b、施做橋梁：部分電塔基礎本身屬性為各土層，通過改變材料屬性使得其變成樁基，并激活橋梁單元，計算平衡后位移清零；c、盾構開挖：盾構隧道沿著其軸線方向推進，通過鈍化一個計算步長(19.6m)范圍內的隧道土體單元來實現開挖過程。每步開挖后，先進行30%應力釋放，在下一步進行后續70%應力釋放；d、支護：在上步鈍化的隧道土體單元的區域內用板單元模擬襯砌，賦予襯砌力學參數，模擬襯砌對開挖土體四周的支撐作用；e、重復b至d的模擬步驟，直至隧道貫通。

(三)模型圖。所建模型如圖1所示。

圖1 模型圖

(四)結果分析

橋梁隨著盾構的掘進，整體逐漸下沉。在盾構距離橋梁斷面中心39.6m時，最大沉降值為2.38mm；在盾構距離橋梁斷面中心20m時，最大沉降值為2.37mm；在盾構抵達時，最大沉降值為2.34mm；在盾構通過時，最大沉降值為2.36mm；在盾構遠離橋梁斷面中心38.8m時，最大沉降值為2.36mm；在盾構遠離橋梁斷面中心58.4m時，最大沉降值為2.36mm；在盾構貫通時，最大沉降值為2.36mm。楊喜等[1]研究表明隧道開挖對橋梁有一定影響，但變化較小。本研究與其結論較接近。

橋梁隨著盾構的掘進，整體逐漸下沉。在盾構距離橋梁斷面中心39.6m時，最大傾斜值為1.33mm；在盾構距離橋梁斷面中心20m時，最大傾斜值為1.34mm；在盾構抵達時，最大傾斜值為1.35mm；在盾構通過時，最大傾斜值為1.34mm；在盾構遠離橋梁斷面中心38.8m時，最大傾斜值為1.34mm；在盾構遠離橋梁斷面中心58.4m時，最大傾斜值為1.31mm；在盾構貫通時，最大傾斜值為1.28mm。

樁基礎隨著盾構的掘進，逐步向盾構機所在位置傾斜。其中，在盾構距離橋梁斷面中心39.6m時，最大傾斜值為1.33mm；在盾構距離橋梁斷面中心20m時，最大傾斜值為1.34mm；在盾構機抵達時，最大傾斜值為1.35mm；在盾構通過時，最大傾斜值為1.34mm；在盾構遠離橋梁斷面中心38.8m時，最大傾斜值為1.34mm；在盾構遠離橋梁斷面中心58.4m時，最大傾斜值為1.31mm；在盾構貫通時，最大傾斜值為1.28mm。

最大主應力和最小主應力是用來說明材料受力狀態的數據，可以表明材料受拉受壓狀態，最大拉應力理論(第一強度理論)認為在任何應力狀態下材料脆斷是由于三個主應力中最大的拉伸主應力達到該材料的極限值所。清楚地了解最大主應力與最小主應力的分布有著十分重要的作用。

橋梁的最大主應力分布：在樁支撐處最大，施工結束時，最小值+178.30Pa，最大值+12498.43kPa。施工結束時，樁基礎的主應力最小值為-6386kPa，最大值為12626.22kPa。

最大主應力和最小主應力是用來說明材料受力狀態的數據，可以表明材料受拉受壓狀態，最小主應力與最大主應力的差值越大越越不安全，所以最小主應力的分析也非常重要。

橋梁的最小主應力分布：在樁基支撐處最小，施工結束時，最小值-12652.95，最大值-186.32kPa。施工結束時，樁基礎的主應力最小值-18606.90Pa，最大值-157.77kPa。

當盾構隧道貫通時，盾構隧道最大沉降值為2.69mm，最大隆起值為1.38mm。當盾構隧道貫通時，盾構隧道最大水平位移為0.85mm。

施工結束時，盾構隧道主應力最小值-800.36kPa，最大值1613.70kPa。最大主應力值小于材料的抗拉強度，說明結構沒有發生破壞。盾構隧道彎矩最小值-50.44kNm，最大值83.89kNm。盾構隧道軸力最小值-2790.76N，最大值-187.71kN。盾構隧道剪力最小值61.77kN/m，最大值65.18kN。未發生破壞。

三、結論

以上計算分析表明：(1)隧道的建造對既有橋梁的位移、應力、軸力、彎矩和剪力有一定的影響；(2)影響很小，在允許范圍內。