新建橋梁上跨既有隧道工程設計及其參數計算

高奇浪

（南京交通職業技術學院，江蘇 南京 211188）

在國民經濟不斷發展的過程中，城鎮化建設也在持續發展。進入到21世紀，城市隧道和地下工程朝著深層次方面發展，城市隧道屬于地下交通運輸的主要通道，還是地下空間使用開發的重點，要求具有安全且牢固的結構[1]。對城市交通體系進行完善，能夠使可持續發展戰略需求得到滿足。在有限的城市土地背景下，實現既有隧道周圍空間與土地的開發使用。基于既有隧道周圍實現橋梁與道路的創建，使隧道受力情況改變。因為附加應力的作用，就會導致隧道二次變形的出現，對隧道結構的正常與安全性造成影響[2]。以此，為了保證既有隧道結構安全性，就要在開工之前分析新建橋梁基坑開挖和結構載荷對于既有隧道的影響，實現施工安全措施的制定。

1 工程概況

某新建橋梁上跨既有隧道，圖1為新建橋梁和既有隧道的位置結構，K0+351.697 為橋梁中心樁號，全橋共1 聯：普通鋼筋混凝土連續箱梁，在直線和R=32m 的右偏圓曲線中設置橋平面，設置橋面橫坡為單向的-2%，設置橋端80 型伸縮縫。設置橋面寬度為9.5m-11.5m，通過1.5m 等高普通鋼筋設置上部結構，設置向量橫斷面為單箱雙室，在改變箱室寬度的時候會使箱梁橋面寬度出現變化。第一孔箱梁頂板寬度為11.5-9.5m，第二到第四孔頂板的寬度為9.5m，懸臂長度為150cm，底板寬度為7.5m。因為既有隧道具有大尺寸斷面，而且橋梁上跨隧道段設置圓曲段，為了均勻的傳遞橋梁荷載，并且具備安全的結構，將支座支承應用到PM3 與PM4 地方，支座在隧道頂板，但是不利于隧道的頂板受力。為了實現既有隧道均勻的受力，使用托架厚板托換的支座，通過托架使上部結構荷載到隧道側壁傳遞，托架使用植筋和既有隧道側壁相互連接[3]。

圖1 新建橋梁和既有隧道的位置結構

2 橋梁對既有隧道的影響

2.1 計算模型確定

在橋梁計算過程中，一般都是使用MIDAS 軟件計算橋梁和隧道的結構，使用此選件計算之后分析施工工況，并且基于施工范圍中選擇各個路段巖土實現，以得到的數據設計模型，實現此工程路段立體模型。在隧道工程前期階段，將三維實體單元彈性模型應用到支護工程中，并且創建隧道二襯澆筑工程，實現隧道板單元模擬。

2.2 荷載施工階段計算

在高速公路橋梁施工過程中，建設單位與施工單位要對隧道兩側承臺工程和側樁基進行考慮，在施工過程中會受到施工開挖影響。完成工程之后，橋梁在運營過程中的荷載重量是在橋梁中作用，并且利用橋柱降低重量，使其他重量到橋梁樁基中傳遞，會導致橋柱周圍地勢出現變形。因為此部分土地層和澆筑之后作為受力整體，在土層結構變形前利用橋梁荷載力的計算計量隧道側襯。保證運營過程中荷載滿足實際需求。

2.3 計算結果分析

以數值模擬結果表示，在創建此工程項目中，創建橋梁和隧道的結構方式為相交斷面對于后續使用具有惡劣影響，此結構會導致出現斷面形變，而且隧道頂拱會出現坍塌的情況。在整體工程創建的過程中，在邊底和仰拱結合部位出現結構最大軸力與彎矩。在工況1 中，工作人員分析施工前高速公路，通過結果可以看出來，隧道頂部覆蓋土層面積設置為10m2。設置此時建筑環境為初始狀態，那么結構位移就是0。在工況2 中，高速公路橋梁施工模擬過程中的方案為基于隧道兩側，在相同方向中順次開挖橋梁基樁，然后在上方施工進行樁基承臺，最后實現橋梁上方施工。在工況3 中，結束橋梁模擬施工以后再次模擬運營，主要模擬方式要以橋梁相關設計規范需求實現標準施工，將行車道荷載與車輛集中荷載布置到橋梁上方[4]。利用三個工況工程施工模擬之后，表1和表2為計算結果。

表1 交叉路段結構荷載計算結果

表2 交叉路段結構變形計算結果

通過表1數據可以看出來，在結束橋梁施工之后，隧道一襯和二襯結構處于底板拱腳處，增加彎矩2.5kN*m，而且降低隧道拱腳處軸力29.6kN。隧道結構在整個過程中會受到盒子壓力，但是較小，表示橋梁在整體施工過程中對于隧道施工并沒有太大的影響，保證兩者同時施工安全性。

通過表2數據表示，在橋梁施工的過程中，會影響到隧道結構，隧道結構嚴重下沉，橋梁樁基位置偏移，兩側沉降垂直方向降低，最大垂直方向位置移動-5.56mm，對橋梁質量造成影響[5]。

利用回旋鉆成孔的方式對基墩臺樁進行施工，設計樁徑為1.8m、2m。回旋成孔要充分考慮防塌孔措施。隧道二襯外緣與樁基外緣兩者最小的距離為9m，設計隧道系統錨桿的長度為3m，設計隧道系統錨桿與樁基外緣的距離為6m。在開挖樁基的過程中，樁孔中心的位置為底層不同方向中最大的位移，并且在樁身中具備2m 的直徑，最大值設置為2.48mm。在具體施工的過程中，要對旱季施工進行選擇，禁止通過爆破計算，利用人工鉆孔方法進行施工，充分保證隧道結構安全性與樁基施工質量。在施工樁基的過程中，在水平方向位移中實現隧道樁基開挖，設置最大值為0.9mm，說明開挖樁基并不會過于影響隧道。裝機加載與施工的過程中會使土體具備線下的擠壓力，抵消部分土地的回彈位移，土地也會輕微的下沉[6]。

3 橋梁既有隧道工程設計

3.1 橋梁隧道結構數值模擬

在橋梁結構數值分析的過程中一般使用MIDAS 軟件，橋梁隧道數值模型創建過程中主要的參數包括：

混凝土：根據《公路筋混凝土和預應力混凝土橋涵設計規范》，主梁使用C40混凝土，彈性模量E 設置為32500MPa，泊桑比設置為0.2，軸心抗拉強度設計為1.65MPa，軸心抗壓強度設計值為18.4MPa。

普通鋼筋：以《城市橋梁設計規范》，鋼筋設計使用HPB300 和HPB400 鋼筋，滿足相應規定需求，表3為鋼筋材料參數。

表3 鋼筋材料參數

梁箱涵結構使用MIDAS 軟件實現橋梁整體計算，此為設計箍筋與配筋的依據，主要的內容包括裂縫寬度驗算、抗剪計算、全橋抗彎計算。橋梁結構長度為82.06m，使用空間梁單元實現分析，全橋一共82 個單元，圖2為橋梁結構計算模型。

圖2 橋梁結構計算模型

模型計算參數主要包括：

施工信息輸入：第1 施工階段為安裝單元，混凝土自重26kN/m3 ，自重系數為1.04；第2 施工階段為施加二期橫載，設置為59.5-69.5kN/m；第3 施工階段為將此施工階段的365 天時間對新增混凝土收縮徐變時間依從性進行考慮；

使用信息輸入：公路Ⅰ 級車到橫向折減系數根據《公路橋涵設計通用規則》，充分考慮橫向不均勻分布安全系數，實際橫向分布調整系數為2-1.2=2.4。

不均勻沉降：墩臺為0.5cm，出現沉降墩臺為任意1-3 個組合。

3.2 上部結構連接既有隧道

基于標準組合，利用MIDAS 計算。在本工程支座中使用GPZⅡ2.5 級盆式橡膠支座，下部結構為地鐵框架柱中L 型蓋梁。充分考慮本橋縱坡比較大，PM2 使用墩梁固結，下部結構使用外墻厚度140cm 的實體墩，其他使用支座支撐，以此使既有隧道的受力均勻，下部結構使用托架厚度進行轉變，上部結構荷載通過托架到隧道側壁中傳遞，托架使用植筋和既有隧道側壁相互連接。橋臺使用支座支撐，橋臺使用一字型橋臺，橋臺使用擴大基礎，地基承載力超過150kPa。

3.3 支座托架設計

為了降低既有隧道頂板直接受力，將托架厚度轉換應用到下部結構中，利用托架使上部結構返利到隧道壁中傳遞，托架使用植筋和既有隧道相互連接。通過混凝土厚度轉換的方式應用到建筑結構中，從而實現上下結構的轉換，對轉換板對既有結構的影響為結構設計過程中的重點。現代工程中使用厚度分析方法主要包括根據交叉梁計算厚板、根據彈性板計算厚板。

本文設置厚板為彈性板3，針對轉換厚板提出假設。以相應的規范實現設計對比，設置板厚為1，托架厚板混凝土強度等級使用C40，鋼筋設置HRB400 級鋼筋。

在隧道分析過程中，托架厚板使用板單元實現模擬，在托架厚度基于支座處使用0.1m 單元尺寸劃分，其他單位尺寸設置為0.5。充分考慮長期荷載作用，對托架厚板最大的裂縫寬度進行計算。因為縱向配筋比橫向配筋要少，橫向裂縫為最大的裂縫0.04mm。以工程支座托架厚板裂縫控制為三級，設置最大裂縫寬度限值為0.2mm，滿足實際需求。

3.4 抗震設計分析

在實現橋梁結構設計過程中，要充分考慮結構總體地震反應，抗震設計標準要以橋梁結構破壞過程和機制進行靈活的使用，并且全面掌握結構設計過程中的問題，實現科學合理解決。基于堅持總體布局原則，對細節部位處理結合實現抗震設計。

延性抗震設計主要是通過結構與構件自身延性耗能的作用對地震導致的作用力緩解。在實現延性橋梁抗震結構設計過程中要滿足抗震設計原則，均衡抵抗水平地震的墩臺數量和位置。在設計的過程中，首先增強結構與構件延性，基于允許塑性部分實現專門延性設計。延性抗震設計宗旨為允許結構與構件出現塑性變形，但是要對橋梁質量進行保證，不能夠導致橋梁傾斜或者倒塌。在橋梁結構設計的過程中，對構件與結構的滯特性進行保證，以此對抗地震或者施工導致的變形。

在抗震設計過程中利用接口控制技術，在橋梁指定位置設置子結構，比如耗能支撐、調頻質量阻尼器。或者施加外力，調整結構動力特性與作用效應，保護結構與構件。在大跨度橋梁設計過程中，利用結構控制技術使橋梁減震能力得到提高，并且節約成本費用。特制減震構件與裝置在發生地震的時候能夠進入塑性區生成阻尼，使地震作用力降低。

4 結束語

新建橋梁上跨既有隧道的過程中，橋梁自身荷載和施工的過程中會對隧道造成影響，以此在新建橋梁施工過程中與施工完成之后分析既有隧道的影響具有重要的作用，能夠對既有隧道承載能力和變形規律全面掌握，并且保證隧道運行過程中的安全性。以此，本文基于某新建橋梁上跨既有隧道工程，使用數值分析方法分析了工程，并且實現了工程支護與抗震設計，保證工程施工與使用過程中的安全性，以此為今后隧道維護與工程施工提供可靠依據。