大跨度隧道施工對臨近高架橋樁基影響

(中南林業科技大學，土木與建筑工程學院 湖南 長沙 410004)

引言

隧道的開挖改變了圍巖體原有的應力平衡，導致應力重新分布，會引起隧道周邊一定范圍內的圍巖體產生位移變形，將對臨近的橋梁樁基等建筑物結構產生一定的影響。目前的研究多針對于地鐵區間隧道開挖及市政隧道開挖對既有建筑物樁基的影響，而針對山嶺隧道礦山法施工對高架橋樁基的影響研究較少，本文依托于重遵復線松坎隧道施工臨近蘭海高速韓家店I號特大橋的實際工程，對不同隧道與橋梁樁基距離、不同偏壓條件、不同施工工法及施工順序下大跨度隧道開挖對橋基影響規律進行了研究和分析，可為類似工程提供參考[1～6]。

一、工程概況

松坎隧道位于貴州省黔東南地區，隧道進出口洞門仰坡地形陡，為逆向坡，強風化巖體破碎，中風化巖體較破碎～較完整且隧道右側存在堆積體，邊仰坡開挖易誘發堆積體失穩。該隧道進口段下穿韓家店I號特大橋(主跨210m)且右幅隧道YK4+950附近設計高程與橋梁主墩樁基高程基本一致，最近水平距離僅有29.7m。該隧道設計時速100km/h，行車道寬3×3.75m，凈高5m，屬于大跨度隧道。該隧道左幅3115m，右幅3105m，為特長隧道。隧道與鋼構橋梁距離較近，隧道施工時不可避免要擾動周邊圍巖體，若引起大橋基礎沉降超過橋梁允許變形范圍將對橋梁結構安全造成重大影響。

二、數值模型建立

(一)模型建立

根據實際工程情況建立數值模型，該模型采用摩爾-庫倫屈服準則，模型下邊界取50m，左右邊界也為50m，模型上邊界為地面線，模型左右邊界約束水平位移，底部邊界約束豎向位移，上部地表為自由面。該隧道擬采用雙側壁導坑臺階法施工，先開挖左線隧道，再開挖右線隧道。

本模型采用殼結構單元模擬工字鋼和噴射混凝土的初期支護，并附到圍巖網格上，計算隧道初期支護和圍巖的共同受力和變形。

圖1 隧道與高速路特大橋主墩有限元模型

(二)計算參數取值

根據詳勘報告，隧道上方地質分別為黏土層，強風化泥質灰巖，中風化泥質灰巖，具體圍巖參數如表1。此外，本次計算中，隧道二襯、橋梁承臺及樁基均采用C30混凝土，初期支護采用C25噴射混凝土。初期支護中型鋼拱架的作用采用等效方法予以考慮，即將型鋼拱架的彈性模量折算給噴射混凝土，按式1計算，二襯中鋼筋的作用也采用上述方法進行等效計算，支護參數見表2。

(1)

式中，E為折算后彈性模量；E0、Sc分別為噴射混凝土的彈性模量和面積；Eg、Sg分別為鋼拱架的彈性模量和面積。

表1 巖土主要物理力學參數表

表2 襯砌主要物理力學參數表

三、計算結果分析

(一)隧道施工對橋梁樁基的影響分析

隧道開挖圍巖塑性區分布圖以及橋梁樁基位移情況如下圖：

圖2 隧道開挖后圍巖塑性區分布圖

圖3 隧道開挖后橋梁樁基位移圖

隧道周邊及靠近隧道一側樁基的圍巖在隧道開挖后產生了較大的擾動，形成了一定的塑性區；隧道拱頂最大沉降為10.7mm，橋臺的最大位移為1.74mm，最大差異沉降為2.1mm，隧道開挖對橋梁樁基穩定性的影響較大。

(二)不同隧道與樁基承臺距離下隧道開挖對橋基的影響分析

由于松坎隧道距離韓家店I號特大橋樁基較近，為比選隧道與樁基承臺距離對橋梁變形位移的影響分析，分別建立了4個對比方案，第一個方案將隧道向遠離橋基一側平移10m，第二個方案將隧道向遠離橋基一側平移20m，第三個方案將隧道向遠離橋基一側平移30m，第四個方案將隧道向靠近橋基一側平移10m。

如圖4所示，為不同隧道與樁基承臺距離下隧道開挖引起的最大隧道沉降、橋基沉降及橋基差異沉降值，從圖中可以看出：隧道拱頂沉降受隧道與樁基之間距離影響較小，且當距離超過30m時，隧道拱頂沉降基本不受影響；當隧道與樁基距離大于40m時，樁基沉降及差異沉降均較小，說明此時隧道開挖對樁基影響很小；當距離小于20m時，樁基最大沉降2.6mm，差異沉降最大3.8mm，樁基沉降及差異沉降均較大，隧道開挖將對樁基造成較大的影響；圖中橋基差異沉降值較大，說明橋基向隧道開挖一側傾斜，橋基整體發生了一定旋轉，導致橋基左右兩側差異沉降較大。

圖4 不同隧道與樁基承臺距離下各觀測點最大沉降圖

(三)不同偏壓條件下隧道開挖對橋基的影響分析

為了探討不同偏壓條件下隧道開挖對橋基的影響，選取地表偏壓角度分別為0°、10°、20°、30°及40°下5中工況進行分析，且設定隧道側高，橋基側低，山體由隧道一側向橋基一側偏壓。

圖5 不同偏壓角度下各觀測點最大沉降圖

如圖5所示，為不同偏壓角度下隧道開挖引起的最大隧道沉降、橋基沉降及橋基差異沉降值，從圖中可以看出：偏壓角度對于隧道拱頂沉降的影響較大，當偏壓角度逐漸增大時，隧道由淺埋狀態逐漸轉變為深埋狀態，隧道拱頂最大沉降先增大，后減小，最大沉降為13mm；當偏壓角度大于10°時，橋基最大差異沉降隨偏壓角度的增大有一定減小，這是因為在偏壓條件下，土體整體向橋基一側擠壓，橋基由于隧道開挖土體損失向隧道一側的水平位移減小，橋基偏轉角度較小，使得差異沉降較小；橋基最大沉降及差異沉降變化量均較小，最大沉降約2.2mm，最大差異沉降約2.3mm，說明不同偏壓條件下隧道開挖對橋基的影響較小。

(四)不同施工工法及施工順序對橋基的影響分析

原施工方案先開挖左線，后開挖右線，施工工法采用雙側壁導坑臺階法，為了更近一步了解不同施工工法及施工順序對橋基的影響，建立先右線開挖，后左線開挖工況，另外建立上下臺階法施工工法的工況進行分析。

表3 不同施工工法及施工順序下各觀測點最大沉降值

如表3所示為不同施工工法及施工順序下隧道開挖引起的最大隧道沉降、橋基沉降及橋基差異沉降值。從表中可以看出：采用上下臺階法施工，會對橋基造成較大影響，隧道自身沉降也較大，在施工過程中需嚴格控制施工工法，防止隧道開挖對橋基造成較大影響；由于隧道左線距離橋基較遠，先施工右線或者左線對橋基影響較小。

四、結論

(1)隧道開挖對橋梁樁基穩定性的影響較大，隧道拱頂最大沉降為10.7mm，橋臺的最大位移為1.74mm，最大差異沉降為2.1mm，施工過程中，要加強監測，建立應急方案，一旦隧道及樁基變形超過警戒值時，立即采取相應加固措施。

(2)隧道拱頂沉降受隧道與樁基之間距離影響較小，當距離超過30m時，隧道拱頂沉降基本不受影響，而當距離小于20m時，樁基最大沉降2.6mm，差異沉降最大3.8mm，橋基沉降及差異沉降受隧道與樁基之間距離影響較大。

(3)不同偏壓條件下隧道開挖對橋基的影響較小，對于隧道拱頂沉降的影響較大。若采用上下臺階法施工，會對橋基造成較大影響，隧道自身沉降也較大，要嚴格控制施工工法。