(中南林業(yè)科技大學(xué)，土木與建筑工程學(xué)院 湖南 長沙 410004)

引言

隧道的開挖改變了圍巖體原有的應(yīng)力平衡，導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，會(huì)引起隧道周邊一定范圍內(nèi)的圍巖體產(chǎn)生位移變形，將對(duì)臨近的橋梁樁基等建筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。目前的研究多針對(duì)于地鐵區(qū)間隧道開挖及市政隧道開挖對(duì)既有建筑物樁基的影響，而針對(duì)山嶺隧道礦山法施工對(duì)高架橋樁基的影響研究較少，本文依托于重遵復(fù)線松坎隧道施工臨近蘭海高速韓家店I號(hào)特大橋的實(shí)際工程，對(duì)不同隧道與橋梁樁基距離、不同偏壓條件、不同施工工法及施工順序下大跨度隧道開挖對(duì)橋基影響規(guī)律進(jìn)行了研究和分析，可為類似工程提供參考[1～6]。

一、工程概況

松坎隧道位于貴州省黔東南地區(qū)，隧道進(jìn)出口洞門仰坡地形陡，為逆向坡，強(qiáng)風(fēng)化巖體破碎，中風(fēng)化巖體較破碎～較完整且隧道右側(cè)存在堆積體，邊仰坡開挖易誘發(fā)堆積體失穩(wěn)。該隧道進(jìn)口段下穿韓家店I號(hào)特大橋(主跨210m)且右幅隧道YK4+950附近設(shè)計(jì)高程與橋梁主墩樁基高程基本一致，最近水平距離僅有29.7m。該隧道設(shè)計(jì)時(shí)速100km/h，行車道寬3×3.75m，凈高5m，屬于大跨度隧道。該隧道左幅3115m，右幅3105m，為特長隧道。隧道與鋼構(gòu)橋梁距離較近，隧道施工時(shí)不可避免要擾動(dòng)周邊圍巖體，若引起大橋基礎(chǔ)沉降超過橋梁允許變形范圍將對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全造成重大影響。

二、數(shù)值模型建立

(一)模型建立

根據(jù)實(shí)際工程情況建立數(shù)值模型，該模型采用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，模型下邊界取50m，左右邊界也為50m，模型上邊界為地面線，模型左右邊界約束水平位移，底部邊界約束豎向位移，上部地表為自由面。該隧道擬采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑臺(tái)階法施工，先開挖左線隧道，再開挖右線隧道。

本模型采用殼結(jié)構(gòu)單元模擬工字鋼和噴射混凝土的初期支護(hù)，并附到圍巖網(wǎng)格上，計(jì)算隧道初期支護(hù)和圍巖的共同受力和變形。

圖1 隧道與高速路特大橋主墩有限元模型

(二)計(jì)算參數(shù)取值

根據(jù)詳勘報(bào)告，隧道上方地質(zhì)分別為黏土層，強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r，中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r，具體圍巖參數(shù)如表1。此外，本次計(jì)算中，隧道二襯、橋梁承臺(tái)及樁基均采用C30混凝土，初期支護(hù)采用C25噴射混凝土。初期支護(hù)中型鋼拱架的作用采用等效方法予以考慮，即將型鋼拱架的彈性模量折算給噴射混凝土，按式1計(jì)算，二襯中鋼筋的作用也采用上述方法進(jìn)行等效計(jì)算，支護(hù)參數(shù)見表2。

(1)

式中，E為折算后彈性模量；E0、Sc分別為噴射混凝土的彈性模量和面積；Eg、Sg分別為鋼拱架的彈性模量和面積。

表1 巖土主要物理力學(xué)參數(shù)表

表2 襯砌主要物理力學(xué)參數(shù)表

三、計(jì)算結(jié)果分析

(一)隧道施工對(duì)橋梁樁基的影響分析

隧道開挖圍巖塑性區(qū)分布圖以及橋梁樁基位移情況如下圖：

圖2 隧道開挖后圍巖塑性區(qū)分布圖

圖3 隧道開挖后橋梁樁基位移圖

隧道周邊及靠近隧道一側(cè)樁基的圍巖在隧道開挖后產(chǎn)生了較大的擾動(dòng)，形成了一定的塑性區(qū)；隧道拱頂最大沉降為10.7mm，橋臺(tái)的最大位移為1.74mm，最大差異沉降為2.1mm，隧道開挖對(duì)橋梁樁基穩(wěn)定性的影響較大。

(二)不同隧道與樁基承臺(tái)距離下隧道開挖對(duì)橋基的影響分析

由于松坎隧道距離韓家店I號(hào)特大橋樁基較近，為比選隧道與樁基承臺(tái)距離對(duì)橋梁變形位移的影響分析，分別建立了4個(gè)對(duì)比方案，第一個(gè)方案將隧道向遠(yuǎn)離橋基一側(cè)平移10m，第二個(gè)方案將隧道向遠(yuǎn)離橋基一側(cè)平移20m，第三個(gè)方案將隧道向遠(yuǎn)離橋基一側(cè)平移30m，第四個(gè)方案將隧道向靠近橋基一側(cè)平移10m。

如圖4所示，為不同隧道與樁基承臺(tái)距離下隧道開挖引起的最大隧道沉降、橋基沉降及橋基差異沉降值，從圖中可以看出：隧道拱頂沉降受隧道與樁基之間距離影響較小，且當(dāng)距離超過30m時(shí)，隧道拱頂沉降基本不受影響；當(dāng)隧道與樁基距離大于40m時(shí)，樁基沉降及差異沉降均較小，說明此時(shí)隧道開挖對(duì)樁基影響很小；當(dāng)距離小于20m時(shí)，樁基最大沉降2.6mm，差異沉降最大3.8mm，樁基沉降及差異沉降均較大，隧道開挖將對(duì)樁基造成較大的影響；圖中橋基差異沉降值較大，說明橋基向隧道開挖一側(cè)傾斜，橋基整體發(fā)生了一定旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致橋基左右兩側(cè)差異沉降較大。

圖4 不同隧道與樁基承臺(tái)距離下各觀測(cè)點(diǎn)最大沉降圖

(三)不同偏壓條件下隧道開挖對(duì)橋基的影響分析

為了探討不同偏壓條件下隧道開挖對(duì)橋基的影響，選取地表偏壓角度分別為0°、10°、20°、30°及40°下5中工況進(jìn)行分析，且設(shè)定隧道側(cè)高，橋基側(cè)低，山體由隧道一側(cè)向橋基一側(cè)偏壓。

圖5 不同偏壓角度下各觀測(cè)點(diǎn)最大沉降圖

如圖5所示，為不同偏壓角度下隧道開挖引起的最大隧道沉降、橋基沉降及橋基差異沉降值，從圖中可以看出：偏壓角度對(duì)于隧道拱頂沉降的影響較大，當(dāng)偏壓角度逐漸增大時(shí)，隧道由淺埋狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯盥駹顟B(tài)，隧道拱頂最大沉降先增大，后減小，最大沉降為13mm；當(dāng)偏壓角度大于10°時(shí)，橋基最大差異沉降隨偏壓角度的增大有一定減小，這是因?yàn)樵谄珘簵l件下，土體整體向橋基一側(cè)擠壓，橋基由于隧道開挖土體損失向隧道一側(cè)的水平位移減小，橋基偏轉(zhuǎn)角度較小，使得差異沉降較?。粯蚧畲蟪两导安町惓两底兓烤^小，最大沉降約2.2mm，最大差異沉降約2.3mm，說明不同偏壓條件下隧道開挖對(duì)橋基的影響較小。

(四)不同施工工法及施工順序?qū)蚧挠绊懛治?/p>

原施工方案先開挖左線，后開挖右線，施工工法采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑臺(tái)階法，為了更近一步了解不同施工工法及施工順序?qū)蚧挠绊?，建立先右線開挖，后左線開挖工況，另外建立上下臺(tái)階法施工工法的工況進(jìn)行分析。

表3 不同施工工法及施工順序下各觀測(cè)點(diǎn)最大沉降值

如表3所示為不同施工工法及施工順序下隧道開挖引起的最大隧道沉降、橋基沉降及橋基差異沉降值。從表中可以看出：采用上下臺(tái)階法施工，會(huì)對(duì)橋基造成較大影響，隧道自身沉降也較大，在施工過程中需嚴(yán)格控制施工工法，防止隧道開挖對(duì)橋基造成較大影響；由于隧道左線距離橋基較遠(yuǎn)，先施工右線或者左線對(duì)橋基影響較小。

四、結(jié)論

(1)隧道開挖對(duì)橋梁樁基穩(wěn)定性的影響較大，隧道拱頂最大沉降為10.7mm，橋臺(tái)的最大位移為1.74mm，最大差異沉降為2.1mm，施工過程中，要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，建立應(yīng)急方案，一旦隧道及樁基變形超過警戒值時(shí)，立即采取相應(yīng)加固措施。

(2)隧道拱頂沉降受隧道與樁基之間距離影響較小，當(dāng)距離超過30m時(shí)，隧道拱頂沉降基本不受影響，而當(dāng)距離小于20m時(shí)，樁基最大沉降2.6mm，差異沉降最大3.8mm，橋基沉降及差異沉降受隧道與樁基之間距離影響較大。

(3)不同偏壓條件下隧道開挖對(duì)橋基的影響較小，對(duì)于隧道拱頂沉降的影響較大。若采用上下臺(tái)階法施工，會(huì)對(duì)橋基造成較大影響，隧道自身沉降也較大，要嚴(yán)格控制施工工法。