跨隧桥梁对隧道的影响

跨隧桥梁对隧道的影响

王朋

山东省路桥集团有限公司山东济南250021

摘要：一般情况下，在既有隧道上方施作建（构）筑物，将会对隧道结构产生一定的影响。例如，在隧道上方进行基坑开挖，会对隧道造成因土体卸载而隆起的现象；后期结构施作又相当于加载，隧道受加载及卸载双重影响，衬砌结构受力及其不利，容易出现隧道衬砌开裂。同样，在隧道上方施作道路或桥桩等结构物，由于外荷载的增加，隧道结构的竖向荷载和侧向荷载会增大。若原有隧道的结构安全储备不够，也会造成隧道结构破坏。另外，竖向荷载的增加会造成隧道沉降，对隧道内的交通运营造成安全隐患。基于此，本文主要对跨隧桥梁对隧道的影响进行分析探讨。

关键词：跨隧桥梁；隧道；影响

1、前言

公路与铁路交叉采用公路桥梁跨越铁路隧道的方式，并对桥梁影响隧道的程度进行了计算分析。随着交通运输业的迅猛发展，公路与铁路交叉的机会越来越多，高速公路与铁路交叉时，一般采用桥梁上跨或顶推框架下穿两种形式，如何减小互相影响的程度是值得思考的问题，以下的工程实例采用桥梁跨越铁路隧道，避免了施工和运营中的相互干扰，是一种值得选择的方法。

2、工程概况

宁都至定南（赣粤界）高速公路定南联络线新建桥梁工程K34+473.5处与京九铁路隧道立交，交叉处高速公路桥梁为龙形高架一桥，中心桩号为K34+433.091，京九铁路桩号为K2014+943.708，交角108.196°，桥长129m。该桥上部构造采用3×40m预应力混凝土T梁，先简支后结构连续，下部构造墩采用双柱式墩，基础均采用灌注桩基础，墩台桩基础采用回旋钻成孔施工，京九铁路龙形隧道从第一跨桥孔下穿，见图1。

图1龙形高架一桥与京九铁路隧道平面位置关系图

本桥跨越处铁路为龙形隧道（暗洞隧道），隧道中心桩号为K2014+918，隧道全长140m，采用Ⅴ级围岩暗洞衬砌。为了尽量减少高速公路的建设对铁路路基的影响及满足上跨净空要求，采用桥孔布置为右幅3×40m、左幅3×40m预应力混凝土T梁桥上跨龙形隧道的方案，该方案桥面高程为310.668m，梁底高程为307.968m（不包括桥下净空），桥下京九铁路交叉处的龙形隧道顶高程为294.47m，桥梁底至隧道顶的净空高度为13.498m，桥墩边缘距京九铁路隧道外墙边缘的最小距离为9.8m。

桥梁孔跨现布置方案为：右幅3×40m、左幅3×40m预应力混凝土T梁（梁高2.5m，铺装层厚0.2m），下部构造采用直径为1.6m双柱墩、直径为1.8m桩基础，桥台采用桩柱式桥台。该桥型方案从京九铁路龙形隧道上方通过，桥墩桩基离京九铁路龙形隧道外墙边缘有较大的距离，主梁采用现场预制，架桥机架设的施工方案，施工期间对列车运行产生影响小。

3、评估方法与内容

3.1数值分析计算假定与模型

（1）将土层简化为水平层状分布的连续材料。基于宏观行为，本构模型采用基于广义胡克定律的弹性模型，采用实体单元模拟土体。该模型在数值计算中效率很高，效果很好，收敛很快，计算相对稳定，能较好的描述材料的整体行为，在土木工程领域内得到了广泛的应用。

（2）混凝土采用线弹性模型，衬砌单元选用壳单元；

（3）为简化地形地面采用最不利坡面进行模拟。

（4）模型的左右边界施加水平约束，底部施加竖向位移约束，顶面自由。根据工程经验分析，考虑到挖方和填方土体的影响范围及尽可能简化减少节点等因素，计算范围选取50m×65m的土体单元。在此区域模拟土层、隧道、桥梁桩基，通过激活钝化开挖区域的土体单元，衬砌单元模拟开挖及桩基施工工程及其影响。整个有限元模型共4565个单元，13135个节点。

3.2评估计算工况

计算模拟施工步骤为：施加边界条件，模拟大区域天然地应力场；开挖表层粘土；开挖强风化板岩；施工桩基；桩基荷载加载结合MIDAS/GTS软件的激活、钝化技术及网格自适应功能可有效准确的计算具有复杂几何边界及多种介质条件下的岩土、结构等二维力学运算。

4、评估结论

4.1路堑开挖对隧道的影响

开挖表层土时，由于上层土的卸载下层土发生了一定程度的回弹变形，表层粘土卸载后强风化岩的回弹值约为3.15mm。当开挖第二层强风化岩时，土体的最大变形回弹变形发生在近山顶侧，基本规律为回弹值与土方开挖量成正比，与土体弹性模量成反比。开挖面最大回弹值约为16.24mm。当开挖至第二层强风化岩时，隧道衬砌结构将发生一定量的位移，隧道结构也随着地层回弹发生变形，最大值位于拱顶，为10.32mm，最小值位于隧道仰拱位置，约为5.03mm。因此轨道位置因隧道回弹造成的隆起高约为6mm。大于作业验收的4mm控制值，等于经常保养的6mm控制值。考虑到地层回弹产生的隆起会在一定范围内渐变过度，且土方开挖一定程度上改善了隧道的偏压情况。

4.2桩基施工对隧道的影响

基墩台桩基础采用回旋钻成孔施工，桩径分别为1.8m、2m。回旋钻成孔过程中需考虑一定的护壁或防塌孔措施。经实地对隧道洞身的衬砌的核查，确定桩基外缘与隧道二衬外缘最小距离为9.0m。隧道系统锚杆长度为3m，桩基外缘与隧道系统锚杆末端净距有6m。

开挖桩基时地层各向位移应变最大位置发生在桩孔中心位置，并且发生在直径为2m的桩身上，最大值为2.48mm。具体施工时应尽可能选择在旱季施工，且禁止使用爆破计算，应采用人工钻孔桩施工方法，以确保桩基施工质量和隧道结构的安全性。桩基施工时，桩基开挖是隧道产生水平向的位移，其最大值约为0.9mm。基本可以认为桩基开挖对隧道影响较弱。桩基施工及加载后会对土体产生一个向下的挤压力，一定程度上可以抵消一部分土体回弹产生的位移。土体会产生微弱的下沉位移。

4.3车辆行车荷载对隧道的影响

定南联络线采用公路－Ⅰ级荷载标准，跨越段跨度40m，取Pk=2（l0+130）=340kN；取qk=10.5kN/m。计算时为排除之前的施工步骤对计算分析的影响，先对初始位移阶段性清零。对桥台路基段车辆荷载进行了模拟，结果显示路基加载对隧道的影响数量级为10－5mm。其影响非常微小，基本可认路基段车辆荷载对隧道基本没有影响。

5、安全防护措施

（1）施工过程中加强对轨道变形的监测工作。以路堑开挖范围外扩20m为影响范围利用行车天窗时间及时根据监测数值调整轨面高低。以减小施工对京九线运营的影响。

（2）路堑施工时应分段开挖，不要将隧道上方土体一次开挖到位。建议将路堑分成3～4段，逐次施工，并利用各分段之间的施工间隙及时的调整轨面减小对行车的影响。

（3）路堑开挖完成后应在路堑汇水影响范围内选择合适阻水、排水方式、做好顶部的排水措施，即要防止雨水渗入下方土体又要防止雨水在此处汇集。建议可适当在开挖面填筑粘性土或防水材料。

6、结语

总之，公路采用大跨径桥梁跨越铁路隧道，对其影响极小，设计时要注意桥梁桩基要采用挖孔灌注桩而不采用钻孔灌注桩，以减少施工中对隧道的影响，桩基底部标高要尽量低于隧道底部标高一定距离，以减小桩底土体变形对隧道的影响。

参考文献

［1］李辉．新建铁路路基对下方既有隧道影响研究［J］．现代隧道技术，2012，49（S1）：130－135．

［2］吴庆．地面堆载对既有盾构隧道结构的研究［D］．上海：上海交通大学，2012．