大斷面隧道下穿既有橋梁的安全評估及控制★

廖煙開，郭德平，李瑞林，王興猛，唐俊林

(敘鎮鐵路有限責任公司，云南 威信 657999)

1 概述

隨著交通基礎設施建設的快速發展，穿越復雜條件的隧道工程越來越多，鑒于我國西南地區地形條件，新建鐵路線不可避免的會與既有鐵路、公路線相交，因此遇到的隧道下穿上跨等問題也越來越多。隧道下穿既有橋梁的施工過程中，會打破樁基周邊巖(土)體原有的應力平衡狀態，造成橋墩的承載能力和自穩能力的降低而導致橋梁結構的失穩或損壞；同時由于橋墩荷載的影響造成隧道開挖發生坍塌的風險極大。張志強、何川[1]以數值模擬計算為手段分析了隧道近接既有橋梁開挖施工的力學響應。蘇潔[2]采用模糊綜合評價方法提出了樁基承載力損失的概念并對橋梁樁基礎受隧道施工的影響程度進行了評價。郭宏偉[3]通過數值模擬計算得出了下穿隧道施工導致橋梁樁基礎側向負摩阻力產生的結論。周濟民[4]以北京地鐵下穿高架橋樁基群為例，通過數值計算得出，樁基群縱斷面方向的差異沉降量和傾斜量明顯小于橫斷面方向。賈瑞華[5]采用樁土接觸的三維計算模型，較全面的分析了金沙洲隧道施工掌子面前方地層的位移趨勢、洞內初支及樁基響應等。劉云亮[6]以新建隧道下穿地鐵高架橋為例，運用有限元計算方法確定適宜的橋梁加固措施和隧道的合理施工工法。

本文以新建成昆鐵路米易至攀枝花段埡口隧道下穿西攀高速城門洞大橋為例，在詳細分析隧道下穿過程中存在的風險的基礎上，采用數值模擬方法對橋梁上部結構安全進行了評估分析，對擬采用的工法和支護措施進行了結構檢算，以現場監測數據驗證了控制措施的有效性和可靠性。

2 工程概況

2.1 隧道概況

新建成昆鐵路米易至攀枝花段埡口隧道全長12 447 m，進口里程D2K540+228，出口里程D2K552+675，雙線隧道，設計為7‰，-3‰的人字坡。隧道跨度14.48 m，開挖斷面面積約140 m2，屬于特長大斷面鐵路隧道。該隧道于D2K552+210～D2K552+410段以30斜交下穿西攀高速公路連續剛構城門洞大橋的百米橋墩。

2.2 城門洞大橋概況

西攀高速公路城門洞大橋左右分離式橋梁，主橋為60 m+110 m+60 m連續剛構。橋面凈寬(單幅)為10.25 m(行車道)+2×0.5 m(防撞護欄)。梁體為單箱單室三向預應力變高度箱梁。箱頂寬11.25 m，底板寬6.45 m，箱梁跨中及邊跨現澆段梁高2.5 m，墩頂處梁高6.5 m。梁高以1.7次拋物線變化。箱梁腹板在墩頂范圍內厚80 cm，1號～6號梁段腹板厚60 cm，其余梁段腹板厚50 cm。箱梁底板在0號段范圍內為100 cm，其余各梁段從箱梁根部的80 cm以二次拋物線漸變到跨中的28 cm。

2.3 隧道與大橋相互關系及下穿段施工風險

圖1和圖2分別為埡口隧道與城門洞大橋和橋梁橋墩相關關系圖。

埡口隧道下穿大橋主跨，下穿段(D2K552+215～D2K552+410)長195 m，主要影響右線3號、4號墩和左線4號、5號墩。

左線4號墩，溝側樁壁與隧道開挖輪廓線水平距離約7 m，拱頂距樁底約33 m；左線5號墩，溝側樁壁距離隧道開挖輪廓線約24 m，拱頂距樁底約20 m；右線3號墩，溝側樁壁距離隧道開挖輪廓線約33 m，拱頂距樁底約31 m；右線4號墩，溝側樁壁距離隧道開挖輪廓線約6 m，拱頂距樁底約19 m；4個墩為單樁基礎，為645 cm×680 cm的矩形墩；左線4號、5號墩和右線3號、4號墩的跨徑均為110 m。

隧道在溝心與左線4號墩和右線3號墩間下穿，存在偏壓現象；下穿段受斷層及火成巖侵入影響，圍巖巖體中節理裂隙較發育，巖體破碎，完整性較差(Ⅴ級圍巖)，加之上部14 100 t的橋梁結構荷載作用，隧道開挖過程中存在以下風險：

1)隧道拱頂及洞壁掉塊、坍塌；2)橋墩下沉、平移進而導致橋梁結構破壞。

2.4 地質概況

下穿段隧道上覆第四系全新統人工棄土，以碎石土為主，局部夾塊石，灰、深灰、灰白色等，松散～稍密，潮濕。碎、塊石石質以強～弱風化狀片巖、砂巖、石英砂巖及少許混凝土塊為主。分布于隧道出口段D2K552+180～D2K552+360段斜坡溝槽內，據鉆探揭示厚10 m～25 m不等，系修建西攀高速公路隧道的棄碴。

下伏基巖主要為片巖、片麻巖夾石英砂巖，巖質堅硬。中～厚層狀片麻巖呈深灰色，細粒變晶結構，片麻狀構造，主要礦物為石英、長石、角閃石、云母等；片巖呈淺灰色，片理發育，礦物成分以長石、石英及云母為主；淺灰色薄～中厚層狀石英砂巖，為局部夾層。受多期構造作用，巖體節理發育，較破碎，部分深孔巖芯裂面可見鏡面擦痕，局部具糜棱化。

3 橋梁變形與隧道鋼架變形及應力數值模擬計算

3.1 計算方式簡介

1)原橋計算分析模型建立。根據收集的大橋竣工資料，首先建立了原橋有限元計算分析模型(無橋墩沉降和偏位)，模型考慮了施工全過程的仿真計算，且各參數根據竣工圖紙取得，可以較準確反映大橋原始的受力狀態。

2)結構建模。采用MIDAS Civil2012進行結構建模，如圖3所示。主梁及主墩采用梁單元模擬，邊界條件根據實際情況模擬；為準確計算結構的內力狀態，首先對大橋進行施工階段仿真計算，如圖4所示，然后對4號墩沉降及平面變位進行模擬，見圖5。

3)主量安全性評估計算。在僅考慮4號墩沉降對結構影響計算過程中，取用沉降10 mm的級差進行，即分別計算了4號墩沉降10 mm，20 mm，30 mm，40 mm和50 mm工況，然后根據計算結果，對兩個極值狀態下結構的安全性進行了評估計算，即模型三和模型四，同時對特征沉降工況，即4號墩沉降30 mm(模型二)，進行評估計算。

在綜合考慮4號墩沉降和橫向偏位對結構影響計算過程中，因存在兩個變量，無法獲得唯一的臨界狀態，故只能采取包絡計算，根據計算結果，建立了模型五，對大橋的安全性進行了評估計算。

共分析5個有限元分析模型，包括：

模型一：原橋(橋墩無沉降)；模型二：4號墩沉降30 mm；模型三：4號墩沉降40 mm；模型四：4號墩沉降50 mm；模型五：4號墩沉降20 mm、橫向偏位10 mm。

同時對各模型中4號墩及3號墩墩頂應力進行計算，分析其受力安全性。

3.2 計算參數

3.2.1 永久作用

結構自重：包括按永久集中作用或永久分布作用考慮的部分。容重按26 kN/m3計。

混凝土收縮、徐變：按04規定計算。

預應力鋼束采用低松弛高強度鋼絞線，單根鋼絞線直徑為15.20 mm，松弛率為3.5%，標準強度為fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，張拉控制應力為1 395 MPa，鋼絞線面積Ay=139 mm2。預應力摩阻系數取0.17，管道偏差系數取0.001 5，錨具壓縮變形量0.006。

橋面系自重，包括欄桿、鋪裝等，按順橋向均布作用計。

3.2.2 可變作用(活載)

汽車荷載：橫向兩車道，橫向折減取值為1，偏載系數取值為1.15。

汽車沖擊力：沖擊系數按04規范的有關規定取值為0.05，負彎矩沖擊系數取值0.11。

3.2.3 其他可變荷載

1)溫度作用。全橋結構體系溫差取-3 ℃～34 ℃，溫度梯度取值為：正溫度梯度：20 ℃，6.7 ℃，0 ℃。合龍溫度范圍設定為18 ℃。

2)施工荷載。掛籃移動產生的豎向臨時荷載，按照1 000 kN；中跨和邊跨合龍方式按照采用掛籃合龍計算。

3)支座摩阻力。采用的盆式橡膠支座，常溫(-25 ℃～60 ℃)狀態摩阻系數為0.03，偏安全計，取值為0.05。

3.3 結構材料參數

數值模擬計算分析中材料特性按表1采用。

表1 結構材料及力學性能

3.4 數值計算結論

1)原橋各項指標均滿足規范要求。

2)模型二(4號墩沉降30 mm)中，在結合原橋計算分析的基礎上，滿足規范要求。

3)模型三(4號墩沉降40 mm)中，在結合原橋計算分析的基礎上，滿足規范要求。不過在運營階段主梁法向壓應力接近規范限值。

4)模型四(4號墩沉降50 mm)中，施工階段(考慮4號墩沉降50 mm)結構受力安全，不過在運營階段主梁法向壓應力已經超出規范限值，不滿足規范要求。

5)模型五(4號墩沉降20 mm、橫向偏位10 mm)中，持久狀況下，主梁法向壓應力滿足規范要求，不過計算應力已逼近規范限值。

6)各模型中墩頂截面全截面受壓，且壓應力小于規范限值，墩頂截面受力安全。

綜上，建議僅考慮沉降時，橋墩沉降以30 mm為限；同時考慮沉降及橫向偏位時，應以沉降20 mm和橫向偏位10 mm為包絡進行控制。

4 施工方法及控制措施

4.1 控制措施

1)地表右線4號橋墩和左線5號橋墩兩側的邊坡預應力錨索框架梁加固，大橋右線4號墩靠溝側地表鋼花管注漿加固。

3)D2K552+230～D2K552+280段洞內全環雙層H175 mm×175 mm型鋼鋼架加強支護；D2K552+330～D2K552+410段拱部雙層仰拱和邊墻單層H175 mm×175 mm型鋼鋼架加強支護；D2K552+200～D2K552+230和D2K552+280～D2K552+330段單層H175 mm×175 mm型鋼鋼架加強支護。

4)D2K552+200～D2K552+410段φ25 mm預應力藥包系統錨桿加固錨桿預應力5 t。

5)D2K552+330～D2K552+410段用雙側壁導坑法、D2K552+200～D2K552+330段采用三臺階臨時仰拱法開挖[7-8]。

6)D2K552+200～D2K552+410段采用非爆破開挖。

4.2 結構檢算

4.2.1 結構檢算參數及有限元數值計算模型

結構檢算參數：初期支護采用Ⅰ20型鋼，彈性模量206 GPa，泊松比0.3，容重75 800 N/m3。各參數的選取見表2～表4。有限元數值計算模型如圖6所示。

表2 地質參數表

表3 初期支護參數表

表4 橋墩計算荷載參數

隧道開挖后地層的應力等值線圖如圖7所示。

學校雖然是學生德育的主渠道，但僅靠學校自身的力量是遠遠不夠的。因而學校要以大德育觀為工作思路，使家庭、社會等各種教育力量都參與到網絡德育工作中，形成學校、家庭、社會三位一體的德育教育格局，使三者在教育功能上取長補短，互為補充，相得益彰，產生整體效應，為中學生的健康發展構建和諧的平臺。

4.2.2 鋼架應力

隧道開挖后鋼架受力情況如圖8所示，最大拉應力產生于右側拱角，大小為10.7 MPa，最大壓應力產生于左側拱角，大小為32.5 MPa,小于鋼材的屈服強度[9]。

橋梁荷載對隧道的影響，沒有橋梁荷載時，鋼架位移圖如圖9所示。

由圖9可見，在沒有橋梁荷載時，隧道初支鋼架的最大變形為1.10 mm。

有橋梁荷載時，鋼架位移圖如圖10所示。

由圖10可見，在有橋梁荷載時，隧道初支鋼架的最大變形為2.14 mm。

4.2.3 檢算結論

通過結構計算分析及工程類比，埡口隧道下穿西攀高速公路城門洞大橋橋墩方案，施工階段引起橋墩下沉量可控，隧道開挖產生的圍巖塑性區范圍小，距橋墩底部較遠。運營階段由于隧道二次襯砌已經施作完畢，不再有影響。隧道下穿橋墩方案能保證隧道施工及大橋運營安全[10-11]。

4.3 現場監測及其監測結果

圖11是隧道下穿段施工過程橋墩下沉監控量測監測點布置示意圖。

表5是隧道下穿段施工過程橋墩下沉監控量測點變形數據統計表。

表5 橋墩監控量測點變形數據統計表

由表5可知，大橋四個橋墩的變形最大為右線4號墩，累積下沉量為4.69 mm，滿足僅考慮沉降時的控制值。

5 結論

1)隧道下穿施工對既有上跨橋梁的影響評估，為隧道施工過程既有上跨橋梁安全控制措施制定及決策提供了科學的依據。

2)采用雙側壁導坑和三臺階臨時仰拱非爆施工開挖方法施工、加強超前加固支護和初期支護及既有橋梁橋墩加固，既減少了對圍巖的擾動，又有效地控制了橋墩的沉降變形，實現了埡口隧道施工的順利完成和隧道施工過程既有上跨城門洞連續剛構橋的安全穩定。