摘要：隨著地鐵和其他軌道交通工程的不斷發(fā)展，新建隧道和既有鄰近建筑物相互影響下的結構安全評估成為關注熱點。本文基于橋梁外觀檢測開展既有橋梁技術狀況評定，利用有限元數(shù)值模擬分析，開展新建隧道基坑開挖和樁基入侵相互影響下的結構安全評估。研究表明：既有橋梁樁基水平位移受基坑開挖影響較豎向位移敏感。最大水平變位和豎向變位均發(fā)生在樁頂位置。當樁基埋深gt;15 m后，隨著埋深的增加，水平位移減小幅度降低。當埋深gt;20 m后，樁基豎向位移基本不受開挖影響。樁基入侵后新建隧道仰拱位置承載力安全系數(shù)最小，接近2.51。隧道基坑開挖和樁基入侵相互影響后，結構安全性能滿足要求。

關鍵詞：新建隧道；既有橋梁；安全評估；基坑開挖

中圖分類號：U448.22+2" "文獻標識碼：A" "文章編號：２０９６-2118（2024）04-0116-05

Safety Performance Evaluation of New Tunnels under Existing Bridges

ZENG Xiaoguang

（Jiangxi Transportation Science Research Institute Co.，Ltd.，Nanchang Jiangxi〓330052，China）

Abstract：With the continuous development of subway and other rail transit engineering，the structural safety assessment of newly built tunnels and adjacent buildings under their mutual influence has become a hot topic of attention.This article evaluates the technical condition of existing bridges based on bridge appearance inspection，and uses finite element numerical simulation analysis to conduct structural safety assessment under the mutual influence of excavation of new tunnel foundation pits and pile foundation intrusion.Research has shown that the horizontal displacement of existing bridge pile foundations is more sensitive to excavation than vertical displacement.The maximum horizontal and vertical displacement occur at the top of the pile.When the burial depth of the pile foundation is greater than 15 meters，with the increase of burial depth，the reduction of horizontal displacement decreases.When the burial depth is greater than 20 meters，the vertical displacement of the pile foundation is basically not affected by excavation.After the invasion of pile foundation，the safety factor of bearing capacity at the inverted arch position of the newly built tunnel is the smallest，close to 2.51.After the mutual influence between tunnel excavation and pile foundation intrusion，the structural safety performance meets the requirements.

Keywords：new tunnel；existing bridges；security assessment；excavation of foundation pits

0 引言

近年來，隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和城市化水平的不斷提高，我國的土木工程取得了蓬勃發(fā)展[1-2]，伴隨著人口的快速增長，基礎設施建設需求的增大使可利用的地面空間越來越少，各類交通設施建設逐漸向地下和地上區(qū)域延伸[3]，從而達到節(jié)省空間的目的。因此，地鐵等軌道交通工程建設規(guī)模日益擴大，不可避免會涉及隧道工程。新建隧道與既有鄰近建筑物相互影響，增加了結構安全風險[4]。因此，基于工程實際建設條件和環(huán)境，準確評估既有建筑物和新建隧道安全性能意義重大。

本文在分析新建隧道及既有橋梁工程實際建設條件的基礎上，考慮既有橋梁樁基和新建隧道之間的相互影響，開展既有橋梁及新建隧道安全性能評估。本文的評估方法可為此類工程結構的安全評價提供參考。

1 項目概況

1.1 新建隧道

重慶市某換乘通道下穿立交工程，全長66.58 m，其中與區(qū)間共建段長20 m，標準段長46.58 m，隧道埋深22.5 m，覆土厚度約12.5 m，巖層厚約10 m，隧道圍巖為砂質泥巖與砂巖互層（上臺階為砂質泥巖、下臺階為砂巖），Ⅳ級圍巖。

本工程換乘通道采用非爆法施工，直墻拱形斷面，復合襯砌支護。根據(jù)設計文件，施工完成后先開挖下部區(qū)間并施作二襯，最后開挖上部換乘通道。區(qū)間隧道埋深約36 m～46 m，圍巖級別為Ⅳ級。區(qū)間右線長786.497 m；區(qū)間左線長774.594 m。區(qū)間隧道開挖方式采用臺階法開挖，暗挖法施工。

1.2 既有橋梁

既有橋梁現(xiàn)狀如圖1所示。

既有立交站共有3個匝道，施工影響區(qū)域共有2條匝道，匝道總長289 m。項目暗挖區(qū)間隧道和換乘通道施工主要影響其B（1B-1，1B-2，2B，3B橋墩），C（0C，1C橋墩）匝道。B匝道高架橋位于直線上，上部結構均為普通鋼筋混凝土連續(xù)箱梁結構，梁體采用C40混凝土，下部結構橋采用圓柱形橋墩，直徑1.2 m，墩臺基礎采用樁基礎，直徑1.5 m；橋面匝道寬度12.75 m，即0.5 m（防撞護欄）+11.75 m（車行道）+0.5 m（防撞護欄）。C匝道高架橋位于曲線上，上部結構采用等截面預應力混凝土連續(xù)箱梁，下部結構橋采用圓柱形橋墩，直徑1.2 m，墩臺基礎采用樁基礎，直徑1.5 m；橋面寬度為8.5 m，即0.5 m（防撞護欄）+7.5 m（車行道）0.5 m（防撞護欄）。

2 既有橋梁安全評估

2.1 原橋專項檢測

1） 混凝土強度及碳化深度

既有橋梁主梁混凝土碳化深度為5.0 mm，墩柱混凝土碳化深度為5.0 mm。混凝土強度測試評定結果見表1。主梁混凝土測試強度推定值為41.4 MPa～43.1 MPa，橋墩柱混凝土測試強度推定值為32.8 MPa～33.7 MPa，推定強度勻質系數(shù)均＞1，所抽檢部位混凝土強度狀況良好。

2） 鋼筋保護層厚度及銹蝕情況

既有橋梁各部位鋼筋保護層厚度評定結果見表2。主梁各部位鋼筋保護層厚度評定標度均為1，鋼筋保護層厚度對結構鋼筋耐久性影響不顯著。此外，鋼筋銹蝕測試部位鋼筋銹蝕不明顯，對結構承載能力影響較小。

既有橋梁外觀檢查結果結合本橋相關資料分析表明：既有橋梁技術狀況指數(shù)BCI在80分以上[5]，既有橋梁安全性評估等級為“合格級”，橋梁可以正常運營，應進行日常保養(yǎng)。

2.2 基坑開挖對既有橋梁樁基變位影響

由于既有橋梁橋墩距離新建隧道最小凈距僅為3.13 m，新建隧道基坑開挖對既有橋墩存在安全風險，本節(jié)分析最不利斷面開挖對既有橋梁受力影響規(guī)律，開展既有橋梁安全性評估。

圖2～圖3反映不同基坑開挖深度下距離基坑最近的橋梁樁基水平位移和豎向位移變化情況。

從圖2可以看出：既有橋梁水平位移受基坑開挖影響較大，同一位置水平位移隨著基坑開挖深度增加逐漸增加。在不同開挖深度下，樁基水平位移隨埋深的變化規(guī)律一致；在同一開挖深度下，樁基水平位移隨著埋深增加有所減小，當樁基埋深＞15 m后，水平位移隨著埋深增加的減小幅度降低。最大水平位移發(fā)生在樁頂位置，基坑開挖深度為1 m，2 m，3 m時，樁頂水平位移分別接近0.47 mm，0.68 mm，0.75 mm。

從圖3可以看出：既有橋梁豎向位移受基坑開挖影響較水平位移受基坑開挖影響小。當埋深＜20 m，樁基豎向位移隨開挖深度增加有所增加；當埋深＞20 m后，樁基豎向位移基本不受開挖影響。在不同開挖深度下，樁基豎向位移隨埋深的變化規(guī)律一致。最大豎向位移位于樁頂位置，基坑開挖深度為1 m，2 m，3 m時，樁頂豎向位移分別為3 mm，3.02 mm，3.03 mm。

此外，計算各樁基豎向位移，得出由基坑開挖引起的不均勻沉降造成的最大傾斜度為0.000 04，在一定程度上會造成橋墩傾斜，對上部結構產(chǎn)生不利影響。故尚需在考慮基坑開挖引起地基變位的情況下，對既有橋梁進行安全評估。

2.3 地基變位后既有橋梁安全評估

將基坑開挖引起的樁基水平位移和豎向位移以強制位移方式作用于樁基對應位置，計算時應考慮基坑開挖引起樁基變位后的結構內力和承載力極限值，并根據(jù)文獻[6]展開安全評估，評估結果見表3。

結構安全度K計算公式如下：

K=允許值/設計值（1）

從表3可以看出，基坑開挖后，既有橋梁內力設計值均有所增加，最大正彎矩增加0.2%，最大負彎矩、最大主壓應力和最大鋼筋應力均增加1%，截面最大拉應力和主拉應力均增加11%。主拉應力設計值與允許值接近，安全度最小。

上部結構最小安全度Kmin計算公式如下：

Kmin=1.82/1.76=1.03（2）

分析表明：新建隧道開挖后，主梁內力仍滿足要求，最小安全度為1.03，既有橋梁主梁安全性能滿足要求。但斜截面抗裂性能較差，隧道開挖后，應加強主梁裂縫檢測和監(jiān)控。

隧道開挖后，樁基承載力計算公式如下[6]：

R■=A■q■+0.5u■l■q■（3）

式（3）中：Ra為樁基承載力允許值，kN；qr為樁端土承載力允許值，kN/m2；Ap為樁端截面面積，m2；u為樁身周長，m；li為土層厚度，m；qik為各土層與樁側的摩阻力標準值，kN/m2。

根據(jù)式（3）算得樁基承載力允許值為36 478 kN，遠大于樁底豎向力設計值6 381 kN。

故樁基安全系數(shù)為36 478/6 381=5.7，表明隧道開挖后，樁基安全儲備值較大，既有橋梁樁基安全性能滿足要求。

綜上所述，隧道基坑開挖后，既有橋梁上部結構和樁基安全性能均滿足要求，但應加強對主梁裂縫的檢測和監(jiān)控，并及時處治相關病害，從而提升主梁斜截面的抗裂性能。

3 考慮樁基入侵下新建隧道安全評估

3.1 荷載分析

新建隧道與0C樁基礎垂直相交，2B樁基與隧道截面相交于側墻頂部，新建隧道施工時將承受通過樁基傳遞而來的橋面豎向荷載，新建隧道二襯結構可能會產(chǎn)生裂隙，導致結構發(fā)生破壞。為了保護新建隧道襯砌結構，需驗算新建隧道襯砌結構受到圍巖壓力和樁基傳遞的豎向荷載，判斷其設計是否滿足其承載力及裂縫寬度要求。荷載結構法計算簡圖見圖4。

地基對結構作用采用彈簧模擬，彈性抗力系數(shù)為250 MPa/m。根據(jù)文獻[7]計算深埋隧道松散荷載垂直均布壓力及水平均布壓力。

垂直均布壓力計算公式如下：

w=1+i（B-5）=1+0.1×（10.34-5）=1.534（4）

h=0.45×2s-1×w=0.45×24-1×1.534=5.52（5）

p=γh=25.7×5.52=141.86（6）

式（4）～式（6）中：w為寬度影響系數(shù)；i為圍巖壓力增減率，%；h為等效高度，m；γ為巖石容重，kN/m3；p為垂直均布壓力，kN/m2。

水平均布壓力計算公式如下：

q1=q2=0.5×γh=0.5×141.85=70.93（7）

式（7）中：q1，q2為水平均布壓力，kN/m2；h為等效高度，m；γ為巖石容重，kN/m3。

此外，橋墩荷載P2經(jīng)計算取6 100 kN。

3.2 分析結果

樁基入侵后，隧道關鍵斷面內力云圖如圖5所示。根據(jù)文獻[7]，裂縫和承載力驗算結果見表4。

分析表明：樁基入侵后，新建隧道結構設計滿足承載力及裂縫寬度要求，隧道全斷面無裂縫產(chǎn)生，新建隧道安全系數(shù)較高，仰拱位置承載力安全系數(shù)最小，為2.51，建議仰拱施工中提升初期支護參數(shù)。

4 結語

1） 對原橋技術狀況進行評定，基于專項檢測結果，原橋安全等級評定為評估等級為“合格級”，橋梁可以正常運營，應進行日常保養(yǎng)。

2） 既有橋梁水平位移受基坑開挖影響較豎向位移敏感，同一位置水平位移和豎向位移隨著基坑開挖深度增加逐漸增加。最大水平變位和豎向變位均發(fā)生在樁頂位置。當樁基埋深超過15 m后，水平位移隨著埋深增加的減小幅度降低。當埋深超過20 m后，樁基豎向位移基本不受開挖影響。由基坑開挖引起的不均勻沉降在一定程度上會造成橋墩傾斜，對上部結構產(chǎn)生不利影響。故尚需在考慮基坑開挖引起地基變位的情況下，對既有橋梁進行安全評估。

3）隧道基坑開挖后，既有橋梁安全性能滿足要求，但應加強對主梁裂縫的檢測和監(jiān)控，并及時處治病害，從而提升主梁斜截面抗裂性能。

4） 樁基入侵后，新建隧道安全系數(shù)較高，滿足要求，最小安全系數(shù)為2.51，位于仰拱位置，建議仰拱施工中加強初期支護參數(shù)。

參 考 文 獻

[1]周倩，周建庭，馬虎，等.鋼管拱肋分段吊裝扣索一次張拉索力改進算法[J].交通運輸工程學報，2020，20（1）：92-101.

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[3]ZHOU Q，ZHOU J T，F(xiàn)ENG P C，et al.Full-scale experimental study on temperature field of large-diameter cfst arch bridges under strong radiation and large daily ambient temperature difference[J].Journal of Civil Structural Health Monitoring，2022，12（5）：1247-1263.

[4]黎鉅宏.綜合管廊近距離并行既有地鐵隧道的安全評估研究[J].北方建筑，2023（8）：35-38.

[5]交通運輸部公路科學研究院.公路橋梁技術狀況評定標準：JTG/T H 21—2011[S].北京：人民交通出版社，2011.

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[7]招商局重慶交通科研設計院有限公司.公路隧道設計規(guī)范：JTG 3370.1—2018[S].北京：人民交通出版社，2018.

編輯：楊 洋