公路旱橋上跨既有淺埋隧道的方案研究

劉京

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600）

1 工程概況

新建合陽至銅川高速公路合陽北聯絡線于LIK2+466處設置旱橋，旱橋走向與既有黃韓侯鐵路張莊隧道K61+479.12在平面上呈約74°角的斜交關。既有鐵路隧道K61+479.12處為Ⅴ級圍巖大跨襯砌斷面。其斷面設計跨度為B=13.04m，高度為H=11.42m，初支與二襯結構的厚度分別為25cm與55cm。邊墻處采用φ22砂漿錨桿，長度為3.5m，隧道的結構尺寸如圖1所示[1]。

圖1 隧道襯砌斷面（單位：cm）

本工程項目所處區域地層主要為馬蘭黃土（Q3eol3）與離石黃土（Q2eo）l。馬蘭黃土（Q3eol3）：層厚5～10m，黃土土質疏松，含大孔隙、植物根莖、姜石，具Ⅲ～Ⅳ級自重濕陷性。下部離石黃土（Q2eo）l含多層古土壤，堅硬呈塊狀，孔隙不發育，其中上部具有濕陷性。

原旱橋方案采用3跨（每孔跨度20m）連續梁橋。橋梁的中心里程為L1K2+466，起點里程為LIK2+432.68，終點里程為LIK2+499.32，全長66.64m，采用17.56‰的單面下坡。橋梁上部為3×20m的預應力混凝土箱梁，旱橋方案的平、縱面分別如圖2、圖3所示。

圖2 橋梁方案平面（單位：cm）

圖3 橋梁方案縱斷面（單位：cm）

2 理論分析與方案優化

由圖2和圖3可以看出，原設計方案橋梁主跨跨度較小，橋梁樁基幾乎緊貼隧道結構邊緣且與隧道邊墻錨桿相交。若按此方案施工，則隧道必然處于橋樁的力學影響范圍內且樁基施工極有可能損害既有隧道結構。因此，需對此方案進行優化。

2.1 理論分析

2.1.1 旱橋施工期理論分析

樁基成孔的施工過程可以看作是在地層中垂直開挖洞室的過程，這種分析方法在錦屏水電站等水利工程中已經得到相關應用[2]。而在等圍壓作用下，圓形洞室開挖后，周邊圍巖的應力重分布范圍一般為3～5倍洞徑[3]，超過此范圍后，圍巖基本上仍處于初始應力狀態。

考慮到本項目位于張莊隧道淺埋段，旱橋地基又為濕陷性黃土地層，地質環境相對較差，因此取樁基成孔影響范圍為5倍的樁基孔徑[5]，如圖4所示。

圖4 樁基成孔力學影響范圍

2.1.2 旱橋運營期理論分析

據本項目地勘資料揭示，本段公路下方地基為較均勻的黃土地層，因此，旱橋橋樁為摩擦型樁。根據摩擦樁的受力特性：樁基在承受上部荷載時，會通過土對樁的側阻力將上部荷載以φ/4的應力擴散角向下擴散傳遞到樁周土體中去[6]，如圖5所示。其中，φ為土層的綜合內摩擦角。一般來說，土的性質越好、強度越大、相互之間的連接性越強，φ值越大，荷載傳遞擴散的范圍越遠，反之，則傳遞的范圍越近。

2.2 方案優化

通過上述施工期及運營期兩方面的理論分析后，將原設計方案調整優化如下：

方案調整后，橋型布置如圖6所示：保證橋梁樁基與隧道結構之間有至少5倍以上樁徑d的凈距（樁基最外緣到隧道初支最外緣的距離），且讓隧道處于樁基φ/4的應力擴散范圍外。結合本項目實際情況，樁基與隧道結構間最小凈距應≥8.5m；橋上部箱梁的跨度隨之增加。按該布樁形式，則直接跨越隧道段上部箱梁的跨度增加為40m。同時，橋樁直徑增大為1.7m。

圖5 荷載傳遞

圖6 橋型方案優化后平面（單位：cm）

優化方案后，橋梁樁基樁徑為1.7m，樁基與隧道結構間最小凈距約為9.04m≥8.5m。對該優化方案進行數值試驗定量分析驗算其對既有鐵路隧道的影響程度。

3 數值試驗分析

3.1 模型的建立

根據優化方案后橋隧的相對位置關系建立數值模型。既有鐵路隧道跨度約為11m，考慮到隧道的應力重分布范圍一般為3～5倍洞徑[7]，從隧道左右兩側最外緣往兩邊各取35m為模型的左右邊界，模型的橫向尺寸約為83m；隧道仰拱最外側往下取35m為下邊界，上邊界為原地表面，模型的豎向尺寸約為67m。由于距隧道較遠的樁基對隧道的影響相對很小，因此為提高分析效率并突出分析重點，模型整體如圖7所示。

圖7 數值模型整體

模型中，地層采用4節點四面體實體單元模擬；隧道襯砌及橋面板采用3節點三角形板單元模擬；樁頂蓋梁采用一維梁單元模擬；樁基采用一維梁單元+接觸單元模擬[8]。車道荷載直接施加在橋面板上。整個模型共有單元92648個，節點18124個，其中隧道襯砌單元1512個，節點777個。網格在既有隧道周圍分布較密，往外則逐漸變疏[9]，旱橋與隧道的相對位置關系如圖8所示。

圖8 相對位置關系

計算時，考慮外加荷載為自重+車道荷載[10]，荷載取值均按規范要求取值，其計算結果如下：

3.2 結果計算分析

3.2.1 位移數值計算結果分析

施加荷載后，模型的整體豎向位移的云圖如圖9所示。

圖9 地層整體豎向位移云圖

由圖9可以看出，施加荷載后，地層發生了較為明顯的豎向沉降。從模型的地表可清楚觀察到，樁基附近區域的豎向沉降相對較大，遠離樁基的區域沉降相對較小，且離樁基越遠的區域地層沉降趨勢越小。

樁基與隧道的豎向對比位移圖如圖10、圖11所示。

圖10 樁基蓋梁與襯砌對比豎向位移（一）

圖11 樁基蓋梁與襯砌對比豎向位移（二）

由圖10、圖11可以看出，樁基與隧道結構都發生了相應的豎向沉降。橋樁的沉降變形主要集中在各基樁上部，隧道結構的豎向變形則集中在臨近樁基的兩側邊墻區域。

隧道襯砌的豎向位移變形如圖12所示。

圖12 隧道襯砌結構豎向位移

由圖11、圖12均可看出，受臨近樁基的影響，隧道的主要沉降變形發生在離樁基較近的兩側邊墻部位，其余部位的變形量相對而言十分微小。

3.2.2 結構內力計算結果分析

加載后，既有隧道襯砌的軸力及彎矩分布分別如圖13、圖14所示。

在圖13、圖14軸力及彎矩分布圖中，取隧道結構受力最不利特征區域進行內力檢算。即取既有隧道結構臨近樁基一側的拱頂、左右邊墻及仰拱這些特征點處軸力與彎矩值[12]，按規范要求進行安全系數檢算，其檢算結果如表1所示。

圖13 隧道襯砌軸力

圖14 隧道襯砌彎矩

表1 既有隧道臨近樁基側的襯砌安全系數檢算

由表1中檢算結果可知：既有隧道臨近樁基側的襯砌結構各特征區域的破壞類型均為小偏心受壓破壞，且襯砌截面強度安全系數均滿足鐵路隧道規范2.0的要求。

4 結論

（1）合陽至銅川高速公路聯絡線于LIK2+466處與張莊隧道正線K61+479.12處相交，高速公路采用旱橋形式從既有隧道上方通過。由于原設計方案旱橋主跨跨度較小，橋梁樁基幾乎緊貼隧道結構邊緣且與隧道錨桿相交。若按此方案施工則極有可能損害既有隧道結構從而影響鐵路后期的安全運營。因此，需對原橋梁設計方案進行優化，增大樁基與既有隧道間的凈距以及上部箱梁的跨度。

（2）通過分析并調整設計方案：將橋梁樁基與隧道之間凈距增加到9.04m后，鐵路隧道同時處于橋梁樁基的荷載擴散范圍與施工擾動范圍外，可極大的降低橋樁對隧道的影響。

（3）數值模擬結果顯示：優化方案后，旱橋施工及運營引起的隧道沉降變形要遠小于橋樁自身的沉降變形，說明此時隧道受樁基的影響相對極小。隧道結構最大沉降位移主要發生在臨近樁基的兩側邊墻部位，左右兩側邊墻的最大沉降值基本相同，約為1.17mm。

（4）綜上，可以總結出旱橋跨越淺埋隧道的基本原則：橋梁樁基與既有隧道結構應保持5倍樁徑d以上的凈距（樁基最外緣到隧道初支最外緣的距離）。