高速公路橋墩樁基施工對既有隧道力學(xué)行為研究及穩(wěn)定性分析

閔亞芝

（中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司，上海 200070）

近年來，廣西高速公路迎來快速發(fā)展建設(shè)時期。以南寧為中心貫通各地市和“通江達(dá)海、出省出邊、銜接重要樞紐節(jié)點”的高速公路網(wǎng)架基本建成。這樣，某些局部地區(qū)就不可避免地會出現(xiàn)公路與鐵路立體交叉的情況。公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的特點大相徑庭，兩者對于設(shè)計、建設(shè)、運營安全的要求也不盡一致。因此，國內(nèi)對于公鐵線路交叉問題做了很多研究，例如采用剛性分載板設(shè)計解決新建高速公路上跨既有鐵路隧道的問題。

下面針對新建高速公路橋梁上跨既有鐵路隧道的特殊情況，通過數(shù)值模擬驗證了橋墩樁基施工及成橋運營對既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)影響的安全性。

1 工程概況

新建高速公路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為時速120 km/h，采用雙向六車道。既有鐵路隧道為雙線單洞形式，設(shè)計時速250 km/h。該隧道于2016年12月28日全線通車運營。

高速公路與南昆客專的交叉處位于南寧站與南寧西站之間，交叉處南昆客專里程樁號為K23+788，對應(yīng)本項目樁號為Q2K8+780，軌頂至橋梁底的距離為17.21 m，與南昆客專夾角68°。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，新建高速公路與既有高鐵隧道相交段具體地質(zhì)情況見表1。

表1 主要土層巖石力學(xué)參數(shù)

2 工程方案

橋梁上部結(jié)構(gòu)主橋采用一聯(lián)（40+60+40）m連續(xù)鋼箱梁，橋梁分左右兩幅，左幅靠近鐵路隧道洞口，設(shè)置兩道護(hù)欄加防拋網(wǎng)，主梁采用單箱四室斜腹板箱形截面；右幅遠(yuǎn)離洞口，采用單箱三室斜腹板箱形截面。全橋采用統(tǒng)一的等截面箱梁，梁高2.8 m。

橋墩采用雙柱式橋墩，柱徑2 m；采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑2.2 m。橋臺采用肋式臺，承臺厚1.8 m，樁徑1.2 m。

橋墩樁基距南昆客專中心線的最小距離為26.25 m，距南昆客專隧道外邊緣的最小距離為19.24 m。

3 方案安全性評價

3.1 計算環(huán)境及模型假定

根據(jù)本工程的實際情況和特點，在三維有限元分析時進(jìn)行了如下假定和簡化。

1）將土層簡化為水平層狀分布的連續(xù)材料。基于宏觀行為，計算模型中土層采用3D實體單元進(jìn)行模擬，模型假定巖土體為各向同性，采用M-C屈服強(qiáng)度準(zhǔn)則。

2）隧道地層采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型，襯砌結(jié)構(gòu)和錨桿采用線彈性本構(gòu)模型。

3）為簡化地形地面采用最不利坡面進(jìn)行模擬。

4）隧道地層只考慮自重引起的初始應(yīng)力場。

5）模型的左右邊界施加水平約束，底部施加豎向位移約束，頂面自由。根據(jù)工程經(jīng)驗分析，考慮到挖方和填方土體的影響范圍及盡可能簡化減少節(jié)點等因素，計算范圍選取150 m×60 m的土體單元。在此區(qū)域模擬土層、隧道、橋梁樁基，通過激活鈍化開挖區(qū)域的土體單元，襯砌單元模擬開挖及樁基施工。隧道樁基相對位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 隧道樁基相對位置示意

模型中初期支護(hù)采用2D板單元進(jìn)行模擬，錨桿在模型中采用1D植入式桁架進(jìn)行模擬，隧道材料參數(shù)見表2。

表2 隧道材料參數(shù)

3.2 計算工況

結(jié)合邁達(dá)斯GTS軟件的激活、鈍化技術(shù)及網(wǎng)格自適應(yīng)功能可有效準(zhǔn)確地計算具有復(fù)雜幾何邊界及多種介質(zhì)條件下的巖土、結(jié)構(gòu)等二維力學(xué)運算，施工步設(shè)置及控制區(qū)域見表3。

表3 施工步設(shè)置及控制區(qū)域

3.3 計算云圖及數(shù)據(jù)

3.3.1 樁基成孔影響分析

軟件模擬2.2 m直徑樁基成孔時考慮了40 mm厚鋼護(hù)筒支護(hù)。樁基成孔后地層產(chǎn)生的位移如圖2所示，隧道發(fā)生的位移如圖3所示。

圖2 樁基成孔后地層位移

圖3 樁基成孔后隧道發(fā)生的位移

計算發(fā)現(xiàn)地層橫向位移最大值及最小值出現(xiàn)于樁孔底部位置處，最大位移值為0.68 mm，最小位移值為-0.44 mm。地層豎向位移最大值出現(xiàn)于樁孔底部位置處，為4.95 mm，豎向最小位移值出現(xiàn)于樁孔中心置處，為-0.44 mm，地層橫向位移及豎向位移值均處于安全范圍內(nèi)。

樁基成孔后隧道產(chǎn)生橫向位移，其最小值僅為-0.01 mm。可以認(rèn)為樁基成孔對隧道影響極其微小。

樁基成孔后隧道產(chǎn)生豎向位移最大值位于拱底位置處，為-0.06 mm，豎向位移最小值位于左側(cè)拱肩位置處，為-0.12 mm。可以認(rèn)為樁基成孔對隧道極其微小。

3.2.2 成橋運營影響分析

成橋階段，軟件考慮橋面二期荷載及活載，運營后地層產(chǎn)生的位移如圖4所示，隧道發(fā)生的位移如圖5所示。

圖4 成橋后地層位移

圖5 開挖完成樁基時隧道發(fā)生的位移

計算發(fā)現(xiàn)地層橫向位移最大值及最小值出現(xiàn)于樁孔底部位置處，最大位移值為0.70 mm，最小位移值為-0.41 mm。地層豎向位移最大值出現(xiàn)于樁孔底部位置處，為4.49 mm，豎向最小位移值出現(xiàn)于樁孔中心偏上置處，為-0.96 mm，地層橫向位移及豎向位移值均處于安全范圍內(nèi)。

成橋后隧道產(chǎn)生橫向位移，其最小值僅為-0.03 mm。可以認(rèn)為成橋及施加橋面恒載和活載后對隧道影響極其微小。樁基開挖完成后隧道產(chǎn)生豎向位移最大值位于拱底位置處，為-0.13 mm，豎向位移最小值位于左側(cè)拱肩位置處，為-0.26 mm。可以認(rèn)為成橋及施加橋面恒載和活載后對隧道影響極其微小。

4 結(jié)論

1）高速公路橋梁上跨既有鐵道隧道，在樁基施工及成橋運營階段對隧道的影響非常微小，樁基施工基本不會引起隧道主體結(jié)構(gòu)的位移及變形。

2）橋梁設(shè)計中應(yīng)提高防撞護(hù)欄的安全等級，增加防拋網(wǎng)等防拋措施。

3）樁基施工應(yīng)盡量避開雨期施工，并采取可靠的護(hù)臂支護(hù)措施。樁基施工宜采用振動較小的回旋鉆或旋挖鉆。