熊 剛, 魏孟春, 王艷寧, 戴少雄

(天津市市政工程設(shè)計研究院，天津 300392)

0 引 言

橋梁樁基與盾構(gòu)隧道近接施工會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)施工對既有隧道的影響或新建隧道施工對既有橋梁基礎(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啟動修建跨河橋梁。

由于規(guī)劃橋梁位置與在建地鐵線位較近，橋梁基礎(chǔ)荷載容易對臨近既有隧道造成影響[6～9]。為避免后期實施橋梁對已建成的隧道造成較大影響而影響橋梁實施的可能性，需要在隧道設(shè)計階段，研究預(yù)留橋位不同橋型后實施的可能性。并評估不同橋型可能對既有隧道的影響，以便在橋型選擇時，兼顧考慮對既有隧道結(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，航道等級為IV級，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)劃對預(yù)留橋型的意見，分別對中等跨徑連續(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。在此基礎(chǔ)上確定合理的基礎(chǔ)布置，見表1所示。

六個方案中，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)值計算分析

計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)恒活載反力均按實際建模，確保結(jié)果可靠。為最大限度減小邊界條件對計算結(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 后期實施橋梁對隧道的影響分析

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)對隧道的影響如表3所示。

表3 橋梁基礎(chǔ)對隧道的變形影響(mm)

相對連續(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，確保隧道運(yùn)營安全。

3.3 隧道影響范圍分析

同一橋型樁基位置相對固定的情況下，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)六個預(yù)留橋型橋梁運(yùn)營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，應(yīng)將不同橋型對隧道變形的影響作為考慮因素。對跨徑較大的橋梁，建議進(jìn)一步優(yōu)化基礎(chǔ)布置形式，以降低橋梁運(yùn)營期間對隧道生產(chǎn)的不利影響。

(4)當(dāng)橋梁運(yùn)營引起的隧道變形值大于預(yù)警值時，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)營安全。