熊 剛, 魏孟春, 王艷寧, 戴少雄

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300392)

0 引 言

橋梁樁基與盾構(gòu)隧道近接施工會(huì)引起周圍地層的變形，從而引起隧道結(jié)構(gòu)或臨近橋梁樁基的附加變形和內(nèi)力?？茖W(xué)預(yù)測(cè)這種附加變形和內(nèi)力，有利于既有結(jié)構(gòu)采取安全措施和新建工程合理制定施工方案，將橋梁樁基與隧道近接施工造成的影響減到最低[1]。目前關(guān)于新建橋梁基礎(chǔ)施工對(duì)既有隧道的影響或新建隧道施工對(duì)既有橋梁基礎(chǔ)影響的文獻(xiàn)較多[1～4]，研究預(yù)留橋位不同橋型方案對(duì)臨近隧道的影響相關(guān)文獻(xiàn)尚不多見。

1 工程背景

1.1 基本情況

城市軌道交通發(fā)展經(jīng)常帶來一系列橋隧相交或近距離穿越的問題[5]。北方某市在建地鐵隧道穿越現(xiàn)狀河道，根據(jù)城市總體規(guī)劃安排，將在隧道穿越河流位置適時(shí)啟動(dòng)修建跨河橋梁。

由于規(guī)劃橋梁位置與在建地鐵線位較近，橋梁基礎(chǔ)荷載容易對(duì)臨近既有隧道造成影響[6～9]。為避免后期實(shí)施橋梁對(duì)已建成的隧道造成較大影響而影響橋梁實(shí)施的可能性，需要在隧道設(shè)計(jì)階段，研究預(yù)留橋位不同橋型后實(shí)施的可能性。并評(píng)估不同橋型可能對(duì)既有隧道的影響，以便在橋型選擇時(shí)，兼顧考慮對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的影響。

圖1 隧道與橋梁關(guān)系

橋位處河道水面寬180m，航道等級(jí)為IV級(jí)，通航水位1.5m，航道凈空5.5m，航道寬度30m。地鐵盾構(gòu)隧道穿越該河道段為雙洞雙線隧道，兩孔中心距為59m，盾構(gòu)外輪廓直徑為6.20m。橋梁與隧道的平面位置關(guān)系見圖1所示。

1.2 預(yù)留橋型方案

規(guī)劃橋梁全寬40m，樁基、承臺(tái)及墩柱基礎(chǔ)布置信息，根據(jù)不同橋型方案，按規(guī)范要求的反力組合綜合確定。結(jié)合規(guī)劃對(duì)預(yù)留橋型的意見，分別對(duì)中等跨徑連續(xù)梁、大跨徑斜拉橋和自錨式懸索橋等幾種常見橋型進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上確定合理的基礎(chǔ)布置，見表1所示。

六個(gè)方案中，A1和A2為中等跨徑方案，部分橋墩在水中。由于橋梁分幅設(shè)置的緣故，基礎(chǔ)距離隧道最小凈距較小。此類橋型重點(diǎn)分析水中墩對(duì)隧道的影響，尤其水中基礎(chǔ)施工過程中基坑開挖引起的隧道變形影響。而B1、B2、B3和C1四個(gè)方案均為大跨徑特種橋梁結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)關(guān)注主塔基礎(chǔ)施工及運(yùn)營(yíng)期間引起的隧道變形影響。其中獨(dú)塔雙柱斜拉橋由于塔柱在橋面邊線以外，相應(yīng)塔柱基礎(chǔ)距離隧道位置距離最近，應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。

2 數(shù)值計(jì)算分析

計(jì)算采用空間有限元軟件PLAXIS3D進(jìn)行。隧道與橋梁基礎(chǔ)幾何尺寸、橋隧位置關(guān)系以及橋梁上部結(jié)構(gòu)恒活載反力均按實(shí)際建模，確保結(jié)果可靠。為最大限度減小邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，土體模型尺寸為200×120×100m，詳見圖2所示。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

為考慮樁土作用非線性效應(yīng)，采用接觸單元模擬樁土作用。為準(zhǔn)確反映土體的彈塑性效應(yīng)，選用修正摩爾庫(kù)侖模型反映土體的本構(gòu)關(guān)系。地基土層的物理力學(xué)指標(biāo)如表2所示。

表2 地基土層的物理力學(xué)指標(biāo)

3 隧道影響分析

3.1 隧道安全控制指標(biāo)

根據(jù)規(guī)范[10]要求，隧道結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)應(yīng)包括位移、變形和差異沉降等。其中水平位移和豎向位移分別按預(yù)警值和控制值進(jìn)行控制。水平變形和豎向變形的預(yù)警值均為10mm，控制值均為20mm。

3.2 后期實(shí)施橋梁對(duì)隧道的影響分析

橋梁施工階段引起的隧道變形與施工工藝密切相關(guān)。計(jì)算假定施工均嚴(yán)格按照既定工序進(jìn)行，且支護(hù)措施得當(dāng)。理論分析認(rèn)為，施工階段六個(gè)橋型引起的隧道水平與豎向變形均小于5mm。

橋梁正常使用階段，六個(gè)橋型引起的隧道水平變形均小于5mm。等截面連續(xù)梁和獨(dú)塔自錨式懸索橋引起的隧道豎向變形在5mm以下。變截面連續(xù)梁和獨(dú)塔單柱斜拉橋引起的隧道豎向變形在5-10mm之間。獨(dú)塔雙柱斜拉橋和獨(dú)塔單柱斜拉橋引起的隧道豎向變形超過預(yù)警值而小于控制值，應(yīng)引起關(guān)注。橋梁基礎(chǔ)對(duì)隧道的影響如表3所示。

表3 橋梁基礎(chǔ)對(duì)隧道的變形影響(mm)

相對(duì)連續(xù)梁，獨(dú)塔單柱斜拉橋跨徑較大，塔柱傳遞到基礎(chǔ)的荷載反力大，對(duì)引起的隧道變形相應(yīng)增加。獨(dú)塔雙柱與獨(dú)塔單柱相比，由于塔柱布置更靠外的原因，樁基距離隧道更近，因此引起的隧道變形進(jìn)一步增加。

分析可以看出，橋梁使用階段對(duì)隧道的影響大于施工階段的影響。若選用大跨徑獨(dú)塔雙柱斜拉橋方案，應(yīng)加強(qiáng)隧道變形監(jiān)測(cè)，確保隧道運(yùn)營(yíng)安全。

3.3 隧道影響范圍分析

同一橋型樁基位置相對(duì)固定的情況下，隧道距離橋梁基礎(chǔ)位置越近受到影響最大。隨著隧道位置距離橋梁基礎(chǔ)的增加，隧道產(chǎn)生的變形影響快速降低。對(duì)引起隧道變形值超過預(yù)警值的，應(yīng)分析超過預(yù)警值的范圍，以便供隧道監(jiān)控時(shí)參考。分析表明，獨(dú)塔雙柱斜拉橋引起的隧道變形超過預(yù)警值的范圍為±35m，獨(dú)塔單柱斜拉橋引起的隧道變形超過預(yù)警值的范圍為±33m，如圖3所示。

圖3 橋梁使用階段引起的隧道豎向變形

4 結(jié) 語

(1)六個(gè)預(yù)留橋型方案施工階段引起的隧道水平與豎向變形均小于規(guī)范規(guī)定的預(yù)警值。表明只要嚴(yán)格按既定施工方案施工，尤其水中基礎(chǔ)施工采取合理的防護(hù)措施，施工期間可以確保隧道結(jié)構(gòu)受到的影響在許可范圍之內(nèi)。

(2)六個(gè)預(yù)留橋型橋梁運(yùn)營(yíng)階段引起的隧道變形大于施工期間引起的隧道變形，其主要原因是大跨徑橋梁的活載效應(yīng)大。但引起的變形值均未超過規(guī)范規(guī)定的控制值。

(3)后期具體選擇該橋橋型時(shí)，應(yīng)將不同橋型對(duì)隧道變形的影響作為考慮因素。對(duì)跨徑較大的橋梁，建議進(jìn)一步優(yōu)化基礎(chǔ)布置形式，以降低橋梁運(yùn)營(yíng)期間對(duì)隧道生產(chǎn)的不利影響。

(4)當(dāng)橋梁運(yùn)營(yíng)引起的隧道變形值大于預(yù)警值時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)隧道變形監(jiān)控，確保隧道結(jié)構(gòu)和城市軌道交通運(yùn)營(yíng)安全。