地下通道下穿城市高架橋梁的影響分析

摘 要：為研究新建道路地下通道對臨近既有城市高架橋梁的變形影響，本文基于某新建道路地下通道下穿運營城市高架橋梁，研究地下通道施工對既有鄰近橋梁的影響機理，采用數值模擬，分析地下通道施工過程中的開挖效應及對既有橋梁的影響規律，得出地下通道各種建設工況下的既有橋梁、周邊地層的變形規律。相關研究成果可為類似環境下的下穿高架橋梁建設提供參考。

關鍵詞：地下通道；臨近橋梁；數值模擬；變形規律

中圖分類號：TU 98" 文獻標志碼：A

隨著城市的發展，迫切需要打通交通設施的堵點（環線、過境國道等），暢通交通循環，但中心城區建筑密布，道路擁擠，給項目建設造成了巨大難度[1]。為避免占用城市地面層居民生產生活空間，新建設的交通基礎設施多采用地下結構。臨近既有建筑、橋梁的市政設施施工風險較高，極易導致周邊建筑或橋梁產生不均勻變形甚至誘發建筑、橋梁橋墩傾倒，造成結構整體失穩[2]。

本文以某地下通道新建工程為例，首先，通過新舊結構空間相對關系對其影響程度進行了初步分析，其次，采用數值模型模擬了地下通道實施的各個施工階段，對其相互影響程度進行定量計算分析，最后，與施工現場監測數據進行分階段對比，在采取合理的工程措施后，既有橋梁各項指標均可得到有效控制，本研究對保障既有橋安全運營具有重要作用，也為相似地形地質條件下類似項目建設提供參考。

1 研究區概況

1.1 工程介紹

研究區現狀橋梁跨徑布置為38m+44m+38m，全橋長135m，上部結構采用預應力混凝土連續箱梁。橋面總寬為26.5m，橋梁標準斷面橫向布置（單幅）：0.5m（防撞護欄）+11.75m（車行道）+0.5m（防撞護欄）=12.75m。隨著城市核心區東西向交通日趨繁忙，采用地面環島對東西向地面交通進行組織降低了道路服務水平，早晚高峰此節點擁堵較為嚴重，該處橋梁是兩條主干路的連接節點，交通流量大。隨著交通量增加，此節點逐步形成交通瓶頸，因此須對該處的立交節點進行升級改造。

根據現場多次調研，并對交通流量進行分析，此節點在早晚高峰時段交通量較大，為改善此節點交通服務水平，綜合技術比選后采用地下通道進行節點升級改造，如圖1所示。

眾多學者對新舊結構之間的相互影響進行了研究，羅小松、黃松[3-4]對基坑及盾構下穿橋梁進行了相關試驗研究，雷賀彩、周萌[5-6]對道路及箱涵工程下穿橋梁工程的風險評估進行了相關研究。因項目所處位置的工程建設條件、地形地質條件等均存在差異，所以對地下通道下穿橋梁進行相關分析非常有意義。

1.2 工程地質條件

研究區位屬丘陵地貌區，區內背斜與向斜相間分布，構成低山、丘陵、平壩、河流的組合地貌特征。擬建道路位于槽谷地段，沿線微地貌類型屬山地丘陵地貌區。經沿線地質調查及鉆探揭露，沿線地層為第四系填土、淤泥質黏土、粉質黏土，侏羅系上統遂寧組、中統沙溪廟組巖層，巖性為泥巖、砂巖和泥質粉砂巖。其中，第四系覆蓋層整體較薄，地質鉆孔期間未發現明顯地下水，因此工程建設可不考慮地下水的影響。

2 地下通道與既有橋梁空間關系

2.1 平面及立面位置關系

新建地下通道與既有橋梁平面基本呈現正交關系，跨線橋為南北向已建成橋梁，現狀地面為地面層轉向道路，下部為東西向擬建地下通道。東西向直行車道改為由地下直接過境，地下通道采用雙向4車道。地下通道結構形式采用雙孔箱型截面，地下通道兩側設置0.75m寬的檢修道。

為減少對既有橋的影響，施工地下通道時應盡量縮小開挖面，結合地質條件，節點位置的地下通道明挖基坑距離現狀橋梁橋墩較近，因此為減少基坑開挖對現狀橋墩的影響，基坑下穿橋梁段采用錨拉樁支護，錨拉樁截面尺寸為1.0m×1.2m，間距為2.5～3m，錨索采用12束15.2鋼絞線，樁身設置3排錨索，錨孔直徑200mm，避開橋墩跳樁設置錨索。

高架橋橋下凈高約7m，本次設計的地面轉向道路路面標高基本與現狀地面齊平，盡量減少對既有橋梁的影響。

2.2 相互影響初步分析

通過結構相對關系梳理的結果，新建地下通道的外部作業主要為基坑支護錨拉樁、錨索、箱型截面地下通道施工。新建地下通道可能對現狀橋產生的相互影響見表1。

為明確新舊結構之間相互干擾的程度，本次研究采用巖土通用有限元軟件，對本立交節點新舊結構之間的相互影響進行數值分析。

3 數值模型構建

3.1 相關巖土力學參數

在有限元分析中，邊坡失穩判斷依據主要是收斂準則和塑性區是否貫通。收斂準則主要表現為位移收斂，當邊坡計算結果不收斂時，有限元計算無法找到邊坡位移收斂的數據，甚至發生突變，就認為邊坡已經失穩。塑性區是否貫通主要是查看計算后邊坡內是否存在貫通的塑性區，若存在，則認為邊坡已經失穩。

3.2 數值模型構建

模型考慮了既有橋運營荷載、新建地下通道運營荷載以及地面層交通的運營荷載。模型建立主要包括以下幾個施工階段。①初始地層構建后形成初始地應力。②修建現狀橋梁。③位移清零。④新建地下通道。⑤地下通道運營。計算模型邊界條件設置：模型底板采用固定約束，側面采用左右對稱約束，地表為自由邊界，構建的數值模型如圖2所示。模型中所采用的巖土參數均按照表2提取。

4 新舊橋相互影響的數值分析

4.1 地下通道開挖期間分析

錨拉樁施工完畢后，得到相近地層的水平及豎向位移，分別如圖3、圖4所示。

從圖3可看出，在錨拉樁實施完成后，支護結構的水平位移均朝向基坑內，最大水平位移為3.7mm，左右側支護結構的變形基本呈現對稱狀態，采用錨拉樁實施，對位移控制較好，基坑開挖后對地層位移的影響范圍有限。從圖4可看出，基坑底部存在一定的隆起變形，基坑開挖底面位置隆起變形較大，越往下地層隆起變形越小，支護結構在地面荷載作用下，出現向下的豎向位移，最大豎向位移為向下2.3mm。

4.2 地下通道運營階段分析

在地下通道建設完畢并投入運營后，得到相近地層的水平及豎向位移，分別如圖5、圖6所示。

隨著新建地下通道開始運營，地層位移出現增加趨勢。由圖5可看出，隨著地下通道投入運營，地下通道周邊巖層出現水平位移，位移趨勢與地下通道基坑支護階段幾乎一致，最大水平位移為3.81mm。從圖6可看出，基坑底部存在一定的隆起變形，隨著地下通道頂部回填施工及地面層道路運營，基坑開挖底面位置隆起變形雖有增加趨勢，但增速減緩并趨于穩定。圖中可看出地層最大豎向位移為向下2.54mm。

對各個階段的分析結果進行對比分析，地下通道施工時的地層最大變形值出現在地下通道投入運營階段。

4.3 對既有橋梁運行影響分析

通過提取橋墩最大水平位移結果，橋墩墩柱頂部最大水平位移為3.7mm。對既有橋梁竣工圖資料進行分析，橋梁支座布置1處橋墩，采用固定支座，其余橋墩均采用活動支座（允許位移為±100mm），在本聯主梁與相鄰聯主梁之間設置120mm的伸縮縫，對橋位現場進行實地調查可知，橋梁伸縮縫內橡膠帶出現一定破損，伸縮縫型鋼等構建均處于正常工作狀態，橋梁伸縮縫可自由伸縮，滿足主梁縱向變形需求。由此可知，地下通道施工開挖使墩柱頂產生3.8mm縱向變形，不會改變既有橋的運營狀態，不會對既有橋的安全造成影響。

5 結論

鄰近既有橋梁的地下通道開挖施工是一項技術復雜、難度較高、施工風險較大的工程，其核心是要分析新建地下通道實施對既有結構的影響程度。本文采用數值模型分析了地下通道開挖及運營各個施工階段，計算結果表明，在各個階段均滿足既有橋梁的運營要求，本研究可為類似項目提供參考。

參考文獻

[1]曾森華.中軟土地區基坑開挖對鄰近建筑物影響的模擬分析[J].安徽建筑，2023，30（9）： 140-142.

[2]鄒建祥.深基坑開挖對緊鄰高架橋變形影響分析研究[J].建筑結構，2022，52（增刊2）：2298-2303.

[3]羅小松.地下通道基坑開挖對鄰近地鐵高架橋梁橋墩樁基變形影響分析[J].科學技術創新，2019（23）：114-115.

[4]黃松.地鐵盾構區間隧道連續穿越既有鐵路橋影響研究[J].現代城市軌道交通，2023（2）： 60-65.

[5]雷賀彩.城市道路改擴建工程下穿既有城際鐵路橋梁可行性分析[J].中國鐵路，2016（5）：49-53.

[6]周萌.周邊多風險源環境下箱涵頂進下穿鐵路變形控制技術研究[J].現代城市軌道交通，2024（4）： 84-91.