陳建平，何能方，周 平

(1.中鐵八局集團有限公司，四川 成都 610031；2.中交隧道工程局有限公司 第四工程公司，四川 成都 610041；3.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室,四川 成都 610031)

為滿足日益增長的運能要求，國家鐵路網(wǎng)不斷加密，線路交叉導致近接施工的工程日益增多[1-2]。目前針對城市地鐵隧道下穿既有橋梁的研究較多。韓秋石[3]研究了盾構隧道與橋梁基礎的相對位置關系、圍巖級別等因素影響下樁基礎附加變形和內(nèi)力的變化規(guī)律。蘇杰[4]提出了樁基承載力損失的概念，認為樁基沉降是由隧道開挖所引起的樁基承載力損失造成的，并采用模糊綜合評價方法對橋梁樁基礎受隧道施工的影響程度進行了評價。賈瑞華[5]以三維數(shù)值模擬為主要手段，結合大量現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，對隧道施工對不同基礎類型橋梁的影響進行了系統(tǒng)研究。朱江偉[6]根據(jù)橋梁與隧道的相互影響程度，提出了縮短循環(huán)進尺、增加管棚支護和增強初期支護的工程措施。劉云亮[7]以新建隧道下穿地鐵高架橋為例，運用有限元計算方法，比選確定了隧道的合理施工工法和適宜的橋梁加固措施。

在成昆鐵路復線中，下穿各種橋梁和博物館的案例較多，但國內(nèi)外對近距離下穿百米高墩的工程研究較少。成昆鐵路擴能改造工程埡口隧道以小凈距小角度的方式下穿京昆高速公路城門洞特大橋，14 100 t 的上部結構荷載和地形條件使得隧道面臨極大的偏壓荷載，加之連續(xù)剛構橋的變形敏感性，工程難度和施工風險都大大增加。因此本文采用三維數(shù)值模擬分析與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證相結合的手段，以保證上部橋墩的安全為首要目標，探尋合理的隧道施工方法。

1 工程背景

成昆鐵路擴能改造工程米易至攀枝花段設計時速160 km，正線為雙線合修。隧道(雙單線)總長達120 km，其中埡口隧道全長 12 447 m，隧道跨度為14.48 m，開挖面積達139.3 m2，屬于特長大斷面隧道。埡口隧道于D2K552+215—D2K552+400處以30°斜交下穿百米高墩大跨連續(xù)剛構橋。兩者位置關系見圖1。4座高墩為百米單墩基礎，且地面以下為實心結構，橋墩尺寸為645 cm(長)×680 cm(寬)。

圖1 埡口隧道與城門洞特大橋位置關系

該隧道施工既有因上覆偏壓荷載導致隧道坍塌的風險，又有因隧道開挖引起地層變形及地基不均勻沉降誘發(fā)橋面下沉、傾斜、開裂的安全風險。下穿段屬剝蝕高中山地貌，地形起伏大，溝槽切割較深。巖性從上而下依次為碎石土、強風化片巖夾石英砂巖(W3)、弱風化片巖夾石英砂巖(W2)。巖體節(jié)理發(fā)育，較破碎，圍巖穩(wěn)定性差，級別判定為Ⅴ級。支護結構按照新奧法原理設計，采用C型復合式襯砌。支護參數(shù)見表1。

表1 支護參數(shù)

考慮最不利情況，選取左線5#橋墩和右線4#橋墩為研究對象，其中右線4#橋墩高138 m，橋墩外側距離隧道襯砌邊緣約6 m，隧道拱頂距墩底約19 m。左線5#橋墩高123.5 m，橋墩外側距離隧道襯砌邊緣約24 m，隧道拱頂距墩底約19 m。

2 隧道施工數(shù)值模擬

2.1 模型建立

根據(jù)彈性力學圣維南原理中隧道開挖影響范圍，隧道開挖對大于隧道跨度3倍以上距離外的巖土體影響較小，故本次數(shù)值模型上邊界取至地表，左右兩側邊界間距離取5倍隧道跨度，上下邊界間距離取4.5倍隧道跨度。城門洞特大橋設計為端承墩，上部結構自重及車輛荷載主要由樁端阻力來分擔，故本次數(shù)值計算將在初始地應力平衡完成后，橋梁荷載以等效均布荷載的形式作用在橋墩底部。根據(jù)現(xiàn)場地質調(diào)查，此區(qū)域構造應力作用不明顯，故本次數(shù)值模擬僅考慮自重應力。

根據(jù)現(xiàn)場橋墩、隧道和邊坡的位置關系建立模型，模型左右邊界為固定約束，頂部邊界為自由面。有限元數(shù)值計算模型如圖2所示。

圖2 有限元數(shù)值計算模型(單位：m)

2.2 參數(shù)選取

巖土體計算參數(shù)根據(jù)工程地質勘察資料確定，巖土體材料滿足Mohr-Coulomb屈服準則，支護結構采用彈性本構模型，錨桿加固區(qū)的計算參數(shù)根據(jù)JTG D70—2004《公路隧道設計規(guī)范》[8]選取。土層及支護結構計算參數(shù)見表2。

表2 土層及支護結構計算參數(shù)

2.3 施工方法

分別采用雙側壁導坑法、CRD法和三臺階法，研究3種施工方法下橋梁的變形。

2.4 結果與分析

確定橋梁的變形控制指標為橋墩沉降和橋墩水平位移。4#與5#橋墩地表水平位移和沉降隨開挖進程的變化曲線見圖3。橋墩最終位移和安全控制標準見表3。

圖3 橋墩地表水平位移和沉降隨開挖進程的變化曲線

表3 4#和5#橋墩最終位移和安全控制標準 mm

分析圖3和表3可得：

1)從橋墩沉降來看，雙側壁導坑法最優(yōu)，CRD法次之，三臺階法施工對橋墩沉降影響較大。從橋墩水平位移來看，雙側壁導坑法與CRD法對橋墩水平位移的控制效果較好，且該2種施工方法4#和5#橋墩最終水平位移相對變化幅度分別為4.4%和1.8%。三臺階法對橋墩水平位移控制效果一般。

2)三臺階法具有工序簡單、施工速度快的優(yōu)勢，但單次開挖面積較大，對圍巖擾動較大，加之無臨時支撐，三臺階法對地層位移的控制效果欠佳。4#與5#橋墩位移較大，故針對大斷面隧道近接施工不建議采用三臺階法。

3)雙側壁導坑法和CRD法由于施工效率低、工序繁瑣、循環(huán)周期長等特點，對圍巖擾動時間較長，橋墩位移收斂較慢，但是單次開挖面積小，導坑能夠及時封閉初期支護，使圍巖變形處于可控狀態(tài)。

4#與5#橋墩差異沉降變化曲線見圖4?？梢姡翰捎貌煌しㄊ┕r4#與5#橋墩差異沉降變化規(guī)律一致；隨著開挖面的推進，沉降差異逐漸增大，當二次襯砌跟進后差異沉降趨于穩(wěn)定。其中，三臺階法對施工的影響最大，差異沉降穩(wěn)定時最大差異沉降可達到3.51 mm。

圖4 4#與5#橋墩差異沉降變化曲線

4#與5#橋墩不同部位的水平位移見表4?？梢姡簶蚨赵诙盏着c地表的水平位移出現(xiàn)了偏差。從對橋墩傾斜的控制效果來看，雙側壁導坑法>CRD法>三臺階法。

綜上所述，鑒于下穿段巨大的施工風險與工程難度，應在上部橋梁結構安全的前提下考慮造價、進度等其他因素。

表4 4#與5#橋墩不同部位的水平位移 mm

3 橋墩位移現(xiàn)場監(jiān)測

既有百米高墩連續(xù)剛構橋屬于超靜定結構，同時墩身高度均超過百米，因此墩底的微小變形都會對橋梁的安全產(chǎn)生巨大影響。為保證既有橋梁的安全，降低施工風險，下穿段采用雙側壁導坑法進行施工?，F(xiàn)場對橋墩的位移進行了監(jiān)測。右線4#橋墩、左線5#橋墩地表沉降、水平位移曲線見圖5。

圖5 右線4#橋墩、左線5#橋墩地表沉降、水平位移曲線

由圖5可知：當上導洞掌子面施工至橋墩前方26 m 時，4#和5#橋墩地表開始產(chǎn)生沉降與水平位移;隨著掌子面的推進，橋墩地表沉降與水平位移逐漸增大;當上導洞掌子面超過橋墩10 m后，橋墩位移趨于收斂。

4#和5#橋墩地表沉降和水平位移的現(xiàn)場監(jiān)測值與數(shù)值模擬值對比見表5?？芍?#和5#橋墩地表沉降的現(xiàn)場監(jiān)測值與數(shù)值模擬值的誤差分別為5.1%，27.0%;4#和5#橋墩水平位移的現(xiàn)場監(jiān)測值與數(shù)值模擬值的誤差分別為10.5%，16.0%。

表5 4#和5#橋墩地表沉降和水平位移現(xiàn)場監(jiān)測值與數(shù)值模擬值對比 mm

4 結論

本文依托成昆鐵路擴能改造工程埡口隧道下穿京昆高速公路城門洞特大橋，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測方法，對下穿段不同施工方法進行比較分析，得到以下結論：

1)從橋墩沉降來看，雙側壁導坑法最優(yōu)，CRD法次之，三臺階法施工對橋墩沉降影響較大；從橋墩水平位移來看，雙側壁導坑法與CRD法對橋墩水平位移的控制效果較好且變化規(guī)律一致，而三臺階法的控制效果一般。

2)鑒于下穿段巨大的施工風險與工程難度，應在保證上部橋梁結構安全的前提下考慮造價、進度等其他因素。建議采用雙側壁導坑法，經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測該方法實施效果良好。

3)為保證橋墩的安全，建議埡口隧道下穿施工時增加輔助措施，如帷幕注漿、管棚等，及時施作二次襯砌，同時輔以地表加固措施。