橫穿地鐵隧道的橋梁結構安全性分析

袁星同，郭文龍

(1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010；2.武漢地鐵集團有限公司，湖北 武漢 430070)

0 引 言

近年來，隨著我國基礎設施的逐步完善[1]，城市路網的復雜度不斷提高，道路、橋梁以及隧道之間的下穿交叉情況越來越常見，在提升人民出行效率的同時也給設計人員帶來了巨大的挑戰。

目前，國內外雖然沒有橋梁隧道工程橫穿的相關技術規范，但已有相關學者對該工程問題開展了大量研究。韓秋石[2]依托廣佛環線沙堤隧道下穿佛開高速公路汾江大橋實體工程，研究盾構隧道下穿施工對地層變形和既有橋梁樁基礎承載特性、受力與變形特性的影響，建立了系統的盾構隧道下穿既有橋梁樁基礎施工影響控制技術體系。趙江濤[3]以北京地鐵7#線工程為背景，對城市暗挖隧道穿越既有橋梁的安全控制方法進行了深入系統的研究。李早[4]采用兩階段分析方法，計算了隧道開挖對群樁豎向位移和內力影響，并用有限元法以及邊界元法對分析結果進行對比，得到了較好的一致性。劉文濤[5]以星江特大橋為工程依托，選用專家評議法定性分析與風險評價矩陣法及指標體系法定量分析的辦法來對該工程做風險評估，得出相應的風險發生概率及風險等級，對施工項目現場施工組織及風險規避具有一定的借鑒意義。

綜上，關于工程之間的施工交互影響已廣受關注并已做出諸多研究，但對于規劃地鐵隧道在未來施工時對目前新建橋梁結構安全的影響研究還需繼續深入，利用橋梁博士軟件(V3.0)，建立相關計算和分析模型，驗證橋梁結構的安全性，可為今后橫穿隧道的橋梁工程設計提供借鑒和參考。

1 工程背景

滬南路道路等級為城市主干路，改建工程范圍南起上南路，北至康花路。秀龍橋位于梓康路與秀浦路之間，橋位中心處道路樁號K0+796.179，跨越現狀陸家浜河河道。秀龍橋跨徑組合8 m+16 m+8 m，三跨一聯，結構簡支、橋面連續，橋寬40 m，橋梁中心線與河道中心線逆交10.18°。

橋位處道路與規劃地鐵18#線平行，地鐵隧道分兩孔，單孔盾構外壁直徑6.8 m。隧道均在道路紅線范圍內，從橋梁下部結構穿過。依據地鐵隧道盾構的保護要求，橋梁樁基外側與隧道外緣最小距離不小于2 m。

橋梁上部結構采用剛接空心板梁，下部結構為門式框架，橋墩(臺)在橋梁結構中心線處設置沉降縫一道，蓋梁結構分為東西兩幅，均采用單端張拉的預應力混凝土蓋梁。立柱下設小群樁承臺，樁基采用Φ1 000 mm的鉆孔灌注樁；按照是否臨近盾構側，樁基分為B類(臨近盾構側)和A類(遠離盾構側)。

橋面橫斷面布置為：40 m=2.8 m(人行道，含人行欄桿)+3.2 m(非機動車道)+2.0 m(側分帶)+11.0 m(機動車道)+2.0 m(中分帶)+11.0 m(機動車道)+2.0 m(側分帶)+3.2 m(非機動車道)+2.8 m(人行道，含人行欄桿)。

2 設計方案

2.1 橋梁設計技術標準

道路等級：城市主干路，設計時速：50 km/h，結構安全等級：一級，橋梁荷載：城-A級；人群荷載按《城市橋梁設計規范》(2019年版)(CJJ 11—2011)計算取值，設計基準期：100年，設計使用年限：100年，橋墩、橋臺蓋梁按A類預應力混凝土構件進行設計，橋面寬度：40 m。橫坡：機動車道雙向2%(向外)，人行道單向1%(向內)。梁底標高：陸家浜河為水利排澇河道，無通航要求。梁底標高≥4.8 m。抗震要求：抗震設防類別：丙類；地震動峰值加速度為0.1 g，抗震基本烈度為7度；抗震措施等級8度；地震調整系數：Ci：E1：0.46；E2：2.2。高程坐標：吳淞高程系統，平面坐標系采用上海市城市坐標系；環境類別：橋梁結構混凝土耐久性的基本要求按I-C環境類別設計。臺后填土高度：不大于2.5 m。樁基與盾構隧道凈距：樁身外緣與地鐵盾構施工隧道外緣之間的凈距≥2 000 mm。不均勻沉降要求：邊墩、中墩基礎不均勻沉降≤5 mm。樁身截面最不利水平位移：盾構施工引起的橋梁樁基截面(與盾構中心線同一標高)的最不利水平位移≤10 mm。

2.2 橋梁設計荷載

(1)恒載

①一期恒載

預應力混凝土容重γ=26 kN/m3；鋼筋混凝土容重γ=25 kN/m3；

鋼材：γ=78.5 kN/m3。

②二期恒載

鋪裝：鋼筋混凝土90 mm，γ=25 kN/m3；瀝青混凝土鋪裝90 mm，γ=23 kN/m3；

人行道欄桿：10 kN/m。

(2)汽車荷載

汽車荷載：城-A級。

(3)人群荷載

人群荷載按《城市橋梁設計規范》(2019年版)(CJJ 11—2011)取用。

(4)預應力

鋼絞線控制張拉力：σcon=0.70～0.75 fpk，σcon為錨下控制應力(即計算輸入應力)；

管道與工藝：采用預埋塑料波紋管及真空壓漿工藝，u=0.14，k=0.0015；

鋼絞線為低松弛預應力鋼絞線(ζ=0.3)。

(5)混凝土徐變與收縮

混凝土收縮應變終極值和徐變系數：按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362—2018)表6.2.7取用；

階段混凝土收縮應變和徐變系數：按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362—2018)附錄F提供的方法計算。

(6)溫度影響

①體系溫差

上部結構體系溫差：基準溫度15 ℃，升降溫根據混凝土橋面有效溫度計算；

下部橋墩體系溫差：基準溫度15 ℃，按升溫20 ℃、降溫20 ℃計。

②梯度溫差

局部升降溫：混凝土結構按《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)第4.3.10條梯度溫度效應計算。升溫：T1=14 ℃，T2=5.5 ℃，降溫：T1=-7 ℃，T2=-2.75 ℃。

(7)風荷載

按《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)第4.3.7條及《公路橋梁抗風設計規范》(JTG/T 3360-01—2018)計算風荷載標準值。

(8)支座摩阻力

支座摩擦系數按《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)表4.3.13條計算。邊支座滑動支座摩阻系數0.06。

(9)汽車制動力

汽車荷載制動力按《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)第4.3.6條計算和分配。

(10)地震荷載

地震動峰值加速度為0.1 g，抗震設防烈度為7°。

抗震設防類別：丙類。地震調整系數Ci：E1地震作用為0.46，E2地震作用為2.2。

(11)不均勻沉降

邊墩基礎豎向位移±5 mm。

(12)樁身截面最不利水平位移

盾構施工引起的橋梁樁基截面(與盾構中心線同一標高)的最不利水平位移≤10 mm。

(13)施工荷載

按施工過程中發生的施工機械、臨時荷載等其他荷載計算。

3 結構安全性分析

3.1 上部結構結算分析

上部結構采用上海市市政工程標準設計圖集《先張法預應力混凝土空心板(橋梁)》(DBJT 08-101—2015，圖集號：2005滬G1005)的8 m、16 m標準跨徑，斜交角度10°，荷載：城-A級。

采用8 m、16 m標準跨徑剛接空心板，梁高55 cm、85 cm，中梁寬1 250 mm，邊梁寬1 475 mm，中心梁距b=1 647 mm，濕接縫寬度397 mm。

經橫向分布計算：8 m中梁的汽車荷載跨中最不利橫向分布系數為0.374(小于0.475)，8 m邊梁的汽車荷載跨中最不利橫向分布系數為0.436(小于0.482)；16 m中梁的汽車荷載跨中最不利橫向分布系數為0.386(小于0.456)，16 m邊梁的汽車荷載跨中最不利橫向分布系數為0.457(小于0.466)。

因此：橫向分布系數不超出標準圖集最不利橫向分布系數，上部結構除8 m空心板外，不再另行計算，將支反力值列出，提供下部結構計算使用。

跨徑8 m預應力混凝土剛接空心板計算。

通過橋梁博士3.0，在后張法計算中的預應力鋼束的預應力損失、預應力傳遞長度、松弛率、松弛天數等方面進行調整，實現對先張法剛接板的等效計算。

截面配置底緣8C20的縱向普通鋼筋，主筋凈保護層35 mm，預應力鋼束：直徑φs15.2共計6根，其中2根隔離長度為2 500 mm，2根隔離長度1 500 mm，2根隔離長度100 mm。

通過橋梁博士建立主梁縱向計算模型如圖1所示。

圖1 主梁縱向計算模型

基于以上模型對橋梁上部結構持久狀況正常使用的極限狀態進行計算。

主梁按A類預應力混凝土構件計算：

(1)正常使用極限狀態荷載I(長期組合)；

圖2 組合一截面頂、底緣應力(單位：MPa)

主梁截面頂、底緣無拉應力，滿足規范要求。

(2)正常使用極限狀態荷載II(短期組合)σst-σpc≤0.7ftk；σtp≤0.5ftk；主梁底緣最大拉應力為-1.24 MPa<-1.855 MPa，滿足規范要求。

圖3 組合二截面頂、底緣應力(單位：MPa)

圖4 截面頂、底緣主應力(單位：MPa)

主梁頂、底緣最大主拉應力-1.31 MPa，滿足規范要求。

3.2 下部結構計算分析

(1)預應力混凝土橋墩蓋梁計算

橋墩蓋梁預應力采用后張法張拉施工，單個蓋梁分兩幅(2 cm沉降縫)，每幅各設置相應的張拉端及固定端。混凝土養護期后，分兩批張拉預應力鋼束。混凝土標號C50，預應力鋼束類型選用M15.2-12和M15.2-9，波紋管外徑100 mm、90 mm。

蓋梁通過“橋梁博士3.0”建立橫向計算模型對蓋梁進行結構驗算，其中立柱長度根據橋墩一般構造圖精確取值，承臺底面設置水平向、豎向、轉動約束及彎剪系數約束，其中約束參數依據樁基布置、樁長、樁土作用效應等條件進行等效模擬。

(2)預應力混凝土橋臺蓋梁計算

橋臺蓋梁預應力布置、張拉施工工藝與橋墩蓋梁基本相同，混凝土C50，預應力鋼束類型選用M15.2-9、M15.2-12，波紋管外徑90 mm、100 mm。

限于篇幅，橋臺蓋梁承載能力極限狀態的抗彎、抗剪、抗扭的計算過程此處從略，經計算均滿足規范要求。

3.3 樁基礎計算

(1)Pm1、Pm2橋墩樁基計算

橋梁樁基礎為直徑1 m的鉆孔灌注樁，橋墩樁基頂標高為0.0 m，樁底標高為-50.0 m，樁端持力層為⑦1-1層砂質粉土。

依據《公路橋涵地基與基礎設計規范》(JTG 3363—2019)以及橋墩模型計算結果，對樁頂順橋向、橫橋向、豎向荷載進行組合，其中最不利荷載組合匯總如表1所示。

表1 最不利樁頂荷載匯總表

依據勘察單位提供的巖土工程詳細勘察報告，以及承載力容許值計算公式：

計算得橋墩單樁軸向受壓承載力容許值[Ra]=3 010 kN(未扣除樁基浮重)，富裕度=(3 010-490)/2 431×1.25=1.3，見表2。

表2 橋墩單樁豎向受壓承載力容許值計算表(J11孔)

對單樁進行計算分析：

B型樁(臨近隧道側)：樁身(L/2以上)縱向鋼筋配筋率1.9%，主筋為40C22，樁身最大裂縫寬度0.14 mm；

通過在盾構中心附近對臨近隧道側的樁身施加水平位移進行樁身強度驗算：在配筋率1.9%情況下，盾構施工引起的橋梁樁基截面(與盾構中心線同一標高)的最不利水平位移須滿足≤8 mm，該工況下不考慮作用長期效應影響系數(C2取1.0)，該截面的最大裂縫寬度Wfk=0.19 mm，樁身最大壓應力及鋼筋應力滿足規范要求。

A型樁(遠離隧道側)：樁身(L/3以上)縱向鋼筋配筋率0.8%，主筋為16C22，樁身最大裂縫寬度0.16 mm。

計算結果表明：橋墩樁基的計算結果滿足規范要求。

(2)Pm0、Pm3橋臺樁基計算

橋梁樁基礎為直徑1 m的鉆孔灌注樁，橋臺樁基頂標高為0.5 m，樁底標高為-49.5 m，樁端持力層為⑦1-1層砂質粉土。

樁頂順橋向、橫橋向、豎向荷載進行組合，其中最不利荷載組合為：Md=39 kN·m，Vd=101 kN，Nd=2 079 kN。(橋臺臺下立柱之間設置“L”型擋土墻，橋臺結構僅立柱計入水平向土壓力)

依據勘察單位提供的巖土工程詳細勘察報告，以及摩擦樁類型、承載力容許值計算公式。

計算得橋臺單樁軸向受壓承載力容許值[Ra]=3 010 kN(未扣除樁基浮重)，富裕度=(3 010-490)/2 079×1.25=1.51。

對單樁進行計算分析：

B型樁(臨近隧道側)：樁身(L/2以上)縱向鋼筋配筋率1.9%，主筋為40C22，樁身最大裂縫寬度0.1 mm；考慮樁身水平位移的最不利工況分析基本與橋墩樁基相同，此處不再列出。

A型樁(遠離隧道側)：樁身(L/3以上)縱向鋼筋配筋率0.8%，主筋為16C22，樁身最大裂縫寬度0.12 mm。

計算結果表明：橋臺樁基的計算結果滿足規范要求。

4 結 論

通過建立秀龍橋上下部結構模型進行計算和分析，驗證橋梁結構的安全性，主要得出以下結論。

(1)秀龍橋位處道路與規劃地鐵18#線平行，地鐵隧道從橋梁下部結構穿過。其受力必然會受到地鐵施工和運營的影響，設計時充分考慮遠期荷載對橋梁安全性的影響，可為其它橋梁設計提供借鑒；

(2)根據橋梁下部結構橫穿地鐵隧道的特殊情況，將緊鄰地鐵隧道的樁基和遠離地鐵隧道樁基分為不同類別，有針對性地采用不同的技術要求，并利用最不利荷載組合驗證樁基礎的安全性；

(3)通過橋梁博士軟件建立計算模型，分析橋梁上部結構和下部結構的受力特點，驗證了橋梁結構的安全性。