高速公路橋墩樁基施工對既有隧道力學行為研究及穩定性分析

閔亞芝

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070）

近年來，廣西高速公路迎來快速發展建設時期。以南寧為中心貫通各地市和“通江達海、出省出邊、銜接重要樞紐節點”的高速公路網架基本建成。這樣，某些局部地區就不可避免地會出現公路與鐵路立體交叉的情況。公路技術標準與鐵路技術標準的特點大相徑庭，兩者對于設計、建設、運營安全的要求也不盡一致。因此，國內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構影響的安全性。

1 工程概況

新建高速公路設計標準為時速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°。

根據地質勘察資料，新建高速公路與既有高鐵隧道相交段具體地質情況見表1。

表1 主要土層巖石力學參數

2 工程方案

橋梁上部結構主橋采用一聯（40+60+40）m連續鋼箱梁，橋梁分左右兩幅，左幅靠近鐵路隧道洞口，設置兩道護欄加防拋網，主梁采用單箱四室斜腹板箱形截面；右幅遠離洞口，采用單箱三室斜腹板箱形截面。全橋采用統一的等截面箱梁，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，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 計算環境及模型假定

根據本工程的實際情況和特點，在三維有限元分析時進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材料。基于宏觀行為，計算模型中土層采用3D實體單元進行模擬，模型假定巖土體為各向同性，采用M-C屈服強度準則。

2）隧道地層采用莫爾-庫倫本構模型，襯砌結構和錨桿采用線彈性本構模型。

3）為簡化地形地面采用最不利坡面進行模擬。

4）隧道地層只考慮自重引起的初始應力場。

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。根據工程經驗分析，考慮到挖方和填方土體的影響范圍及盡可能簡化減少節點等因素，計算范圍選取150 m×60 m的土體單元。在此區域模擬土層、隧道、橋梁樁基，通過激活鈍化開挖區域的土體單元，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

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

表2 隧道材料參數

3.2 計算工況

結合邁達斯GTS軟件的激活、鈍化技術及網格自適應功能可有效準確地計算具有復雜幾何邊界及多種介質條件下的巖土、結構等二維力學運算，施工步設置及控制區域見表3。

表3 施工步設置及控制區域

3.3 計算云圖及數據

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厚鋼護筒支護。樁基成孔后地層產生的位移如圖2所示，隧道發生的位移如圖3所示。

圖2 樁基成孔后地層位移

圖3 樁基成孔后隧道發生的位移

計算發現地層橫向位移最大值及最小值出現于樁孔底部位置處，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于樁孔底部位置處，為4.95 mm，豎向最小位移值出現于樁孔中心置處，為-0.44 mm，地層橫向位移及豎向位移值均處于安全范圍內。

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

樁基成孔后隧道產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拱肩位置處，為-0.12 mm。可以認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，運營后地層產生的位移如圖4所示，隧道發生的位移如圖5所示。

圖4 成橋后地層位移

圖5 開挖完成樁基時隧道發生的位移

計算發現地層橫向位移最大值及最小值出現于樁孔底部位置處，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于樁孔底部位置處，為4.49 mm，豎向最小位移值出現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。

成橋后隧道產生橫向位移，其最小值僅為-0.03 mm。可以認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拱肩位置處，為-0.26 mm。可以認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構的位移及變形。

2）橋梁設計中應提高防撞護欄的安全等級，增加防拋網等防拋措施。

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