趙 亮

（云南交投公路建設第五工程有限公司，云南交投集團公路建設有限公司，昆明 030004）

在隧道施工過程中，經(jīng)常會遇到淺埋段下穿既有路的情況。有些既有路由于地勢陡峭而無法實施道路改移措施。施工過程中如有重載車輛從隧道上方既有路通過，就會存在嚴重的安全隱患，在施工中需要格外注意。針對該問題已有學者從不同角度做出了研究。在穿越段施工對拱頂及路面影響力學機理研究方面，曹成勇等結合數(shù)值計算和現(xiàn)場測試方法，對隧道下穿高速公路時的地表和隧道拱頂沉降、掌子面擠出位移、初期支護受力特征及二次襯砌應力的變化規(guī)律進行了分析總結，指出對掌子面進行錨噴加固、把握好支護時機、優(yōu)化施工程序及時封閉隧道斷面和加大監(jiān)控測量頻率可有效控制地表沉降［1］；王鳳喜運用有限元的方法通過設置不同的埋深對圍巖和支護結構的受力特征做出了分析，指出隨著埋深的增加，圍巖和初期支護的最大和最小主應力逐漸增大，圍巖塑性區(qū)范圍逐漸增大而后趨于穩(wěn)定［2］。在研究不同開挖工法對路面沉降和圍巖變形影響方面，賈蓬等應用三維數(shù)值模擬方法分析比較了雙側壁導坑法、中隔壁法、CD 法及CRD 法的優(yōu)缺點，為施工工法的選擇提供參考［3］；宋戰(zhàn)平等運用數(shù)值分析軟件對比分析了不同開挖工法時隧道圍巖變形特征及高速公路路面的沉降變形規(guī)律，表明當隧道下穿既有高速公路時采用CRD 法開挖施工時對拱頂和路面的沉降影響較?。?］。在控制穿越段拱頂和路面沉降變形施工措施研究方面，胡守云依據(jù)當?shù)氐刭|情況，結合具體工程案例把控制措施分為兩個大方面，即穿越施工前和穿越施工時，指出隧道穿越施工前需采取加固地層措施，如水平和垂直旋噴樁、超前大管棚等，隧道施工時應采取合適的開挖方法，有效控制了地表沉降［5］；雷亞峰等對隧道圍巖采取了優(yōu)化施工工法、加固掌子面及拱腳、加強現(xiàn)場施工管理確保施工質量等一系列的隧道變形控制技術，控制效果明顯［6］。李建等針對某隧道現(xiàn)有施工方案無法使土體表面沉降得到有效控制的問題，提出了減小開挖面積、側導多臺階開挖、預留核心土及時封閉成環(huán)及加強初期支護等施工整治措施，有效控制了拱頂和路面沉降［7］。綜合來看目前學者針對這種情況一般會加強本段隧道初期支護強度或改變開挖工法嚴格控制變形，但在施工過程中尤其是立架工序，隧道掌子面屬于暴露階段，施工風險很高。隧道為24 h 不間斷施工，時不時會進行封路也會造成道路交通堵塞，道路保通工作也比較繁重。最好采用一種一勞永逸的措施，既能保證隧道正常施工，又能保證道路正常通行。針對上述問題，決定采用自制鋼便橋橫跨隧道開挖斷面，徹底將重載車輛與路面隔離，避免車輛對路面沖擊引起隧道拱頂下沉甚至塌方，造成安全事故。施工后效果良好，可為類似工程提供參考。

1 工程概況

墨江至臨滄高速大春田隧道出口段下穿長安農(nóng)村公路，大春田隧道為分離式雙線隧道，圍巖級別Ⅴ級，左右幅長度均為845 m，左幅起止里程為K210+475～K211+320，右幅起止里程為 K210+445～K211+290。隧道共涉及4 處下穿長安路，分別為右K211+276、右K210+510、左K211+310、左K210+520，4 處隧道洞身均與長安路正交，埋深為5～8 m。

2 工藝特點及流程

鋼便橋可將車輛與路面隔離，避免車輛輪胎直接沖壓隧道拱頂上方路面，保障路面車輛通暢行駛的同時能保證隧道施工安全，具有材料易采購，加工工藝簡單，并可以用于后續(xù)隧道仰拱施工或用于施工便道跨越溝渠，轉場方便，不需拆裝的特點。本工藝施工流程為：鋼便橋選型→便橋強度剛度計算→便橋加工制作→現(xiàn)場檢驗→測量放樣→澆筑臺座→便橋安裝就位→正常通車→便橋拆除及轉場。

3 鋼便橋選型及驗算

3.1 便橋選型

依據(jù)前期制定的施工方案，本雙線隧道開挖方式為“三臺階七部開挖法”，開挖斷面橫向最大尺寸為12.8 m，位于中臺階位置處?？紤]便橋兩端需要與臺座搭接50 cm，故便橋長度不小于15 m。結合現(xiàn)場施工具體情況擬采用便橋長度為15.06 m，單幅寬1.15 m，兩幅便橋中間用1.20 m 寬鋼板連接，與每側主梁搭接5 cm，便橋橋面總寬度3.4 m。單幅采用兩根HW400 mm×400 mm 為主梁，長度15.06 m，寬0.4 m，主梁間距0.75 m，兩根主梁中間采用I18 工字鋼進行連接，工字鋼的間距為0.6 m，共計20 根。上面鋪設一層2 cm 厚鋼板，寬度為0.35 m，居中布置，緊貼I18 工字鋼頂面，兩側與主梁頂面進行焊接連接。橋面鋪設一層Φ20 mm，長度1.15 m 的螺紋鋼筋，間距20 cm。兩端上坡處鋼筋間距15 cm。臺座采用0.5 m×3.8 m×0.3 m（長×寬×高）現(xiàn)澆C30 混凝土臺座。鋼便橋結構示意圖如圖1 所示。

圖1 鋼便橋結構示意圖

3.2 鋼便橋強度及剛度計算

3.2.1 計算荷載確定

隧道施工中所用的大型車輛有出渣車、挖掘機和混凝土罐車，各種車輛空載質量分別為17、17、20 t?？紤]砂石料車滿載為26 m3，混凝土罐車滿載為8 m3，砂土密度為1.8～2.0 t/m3。按最大密度（2.0 t/m3）來計算，混凝土密度按2.5 t/m3來計算［8］，則

滿載狀態(tài)下砂石料車總質量為G1=17+26×2=69 t。

滿載狀態(tài)下罐車總質量為G2=17+8×2.5=37 t。

由上述計算可知，滿載狀態(tài)下砂石車質量最大，即便橋設計必須滿足滿載砂石料車的行車要求。既有路通過的砂石料車為后八輪自卸卡車，軸距為3.5 m+1.3 m。滿載狀態(tài)下砂石料車總質量為G1=17+26×2=69 t，單側車輪傳遞力K=G1×g/2=69×10/2=345 000 N。假設中輪及后輪車輪傳力K中及K后為K的45%，前車輪傳力K前為總傳力K的10%，則

此便橋為兩根HW400×400 的H 型鋼，所以每根H 型鋼所承受的荷載為

考慮到砂石料車的行駛沖擊效應，需要在原基礎上添加沖擊系數(shù)1.25［9］。則此時便橋荷載為

前輪位置每根H 型鋼所施加的荷載：F前=F1×1.25=17 250×1.25=21 562 N。

中輪位置每根H 型鋼所施加的荷載：F中=F1×1.25=7 7625×1.25=97 031 N。

后輪位置每根H 型鋼所施加的荷載：F后=F1×1.25=77 625×1.25=97 031 N。

砂石料車為后八輪自卸卡車，軸距為3.5 m+1.3 m。驗算時為了取最不利荷載下的最不利情況，取軸距為3 m+1 m。根據(jù)簡支梁的受力特性，當荷載的合力位于簡支梁橋的中心位置時，其受力狀態(tài)最不利情況。取橋的實際有效長度為9 000 mm，兩根H 型鋼間距750 mm，并以600 mm 的間距設計I18的連接肋，并以此建立模型。

3.2.2 便橋強度計算

對于Q235B 鋼材由相關規(guī)范［10］?。簭椥阅Ａ縀=2.06×105 MPa?？估⒖箟?、抗彎容許應力fy=215 MPa。

利用MIDAS CIVIL 建立模型進行的強度運算，結果如圖2 所示。

圖2 便橋應力分布圖

由圖2 強度計算結果顯示：便橋橋組合最大壓應力為135.3 MPa，出現(xiàn)在便橋橋跨徑中間位置；便橋組合應力小于材料允許應力σ=215 MPa，故便橋強度滿足要求。

3.2.3 便橋剛度計算

由相關施工規(guī)范［11］結構模板最大撓度不應超過模板構件跨度的l/250，利用MIDAS CIVIL 建立模型進行的變形量運算結果如圖3 所示。

圖3 便橋撓度分布圖

由圖3 可知便橋最大變形在跨徑中間位置，并且撓度值f=24.9 mm＜l/250=36 mm。故便橋最大變形量符合設計要求。

4 所需材料及施工要點

4.1 材料及設備準備工作

鋼便橋制作施工前應做好相關準備工作，鋼便橋加工所需設備主要為：二氧化碳保護焊機2 臺，乙炔切割機1 臺，所需原材料見表1。

表1 施工材料清單

4.2 施工操作要點

1）H 型鋼接長焊接要符合相關規(guī)定［12-13］，焊縫要飽滿平順，接長端要沿型鋼縱方切不大于45°斜面進行焊接。

2）焊接縫兩側要用與肋板同厚度鋼板加強。加強鋼板長度要大于焊接縫水平長度，高度與肋板相同。加強鋼板上下兩邊要與H 型鋼上下面板焊接，豎向兩邊不進行焊接，保證彈性變形量。

3）測量放樣時要準確定出臺座位置，保證便橋臺座平均分配于隧道兩側。

4）便橋必須經(jīng)過驗收后方可進行安裝。便橋安裝如圖4 所示。

圖4 現(xiàn)場便橋安裝

5）在臺座混凝土達到70%強度后方可進行便橋安裝。如果時間緊急可以在臺座混凝土中加入早強劑?，F(xiàn)場可采用回彈儀檢測混凝土強度。

6）便橋兩端必須要放置到臺座凹槽中，防止便橋移位。

7）隧道爆破時，要禁止車輛從便橋通過。每次爆破完成后要及時檢查便橋臺座是否出現(xiàn)裂紋及便橋焊縫是否脫落。

8）待既有路下方隧道二襯混凝土強度達到100%時，方可進行便橋拆除。

9）施工過程中，要做好沉降觀測。一旦出現(xiàn)問題，立即采取措施處理。

5 安全與環(huán)保控制措施

5.1 安全控制措施

1）便橋加工前應對工人進行安全技術交底及培訓。沒有經(jīng)過培訓或培訓不合格者，不得進行施工。

2）焊接人員應穿戴絕緣鞋、防護鏡、電焊手套等。

3）施焊現(xiàn)場不得堆放易爆、易燃品。

4）電焊機電流大小應按規(guī)定的電流值于暫載率嚴格執(zhí)行，不許超負荷使用。

5）清除焊渣時，面部必須避開正在清渣的焊縫，以免焊渣飛出傷眼。

6）帶電的焊鉗不許用胳膊夾持，以免觸電。

7）在潮濕處工作時，不許用手觸摸電焊機的導線部分。

8）禁止氧氣瓶、乙炔發(fā)生器放在強烈陽光下暴曬及接近火源、熱源和電閘箱，以免引起爆炸事故。

9）乙炔發(fā)生器、氧氣瓶和焊槍三者的距離不得小于10 m。

10）焊接中，如焊槍發(fā)生爆炸聲音或感到有振動時，應立即關閉氧氣閥和乙炔閥，待其冷卻后方可繼續(xù)工作。

11）發(fā)現(xiàn)乙炔發(fā)生器產(chǎn)生高溫時，應立即停止工作；發(fā)現(xiàn)乙炔發(fā)生器燃燒時，應立即把乙炔發(fā)生器朝安全方向放倒，并用黃砂撲滅火種。

5.2 環(huán)?？刂拼胧?/h3>

1）便橋拆除后，破碎臺座混凝土要統(tǒng)一運到指定地點處理，不得隨處亂到。

2）施工和焊接過程中產(chǎn)生的費料要堆放到廢料區(qū)，不得隨處亂放。

6 經(jīng)濟效益分析

6.1 貝雷架鋼便橋經(jīng)濟效益分析

除了采用自制鋼便橋過路外，還可以采用貝雷架鋼便橋。貝雷架鋼便橋跨徑可以更大，安全風險也低，但是成本高，轉場費用也大，重復利用效益較低［14］。

貝雷架鋼便橋費用見租賃貝雷架鋼便橋費用見表2（結合工程實際，按照2 個月計算，18 m 跨徑）。

表2 租賃貝雷架鋼便橋費用

表2 所計算費用是不含稅的總計費用，若需轉場利用，每次還需要40 000 元的拆除安裝費用。綜合效益較低。

6.2 超前支護經(jīng)濟效益分析

隧道頂部采用自制鋼便橋過路，可以利用現(xiàn)場既有設備，所用的材料可用于后續(xù)隧道仰拱施工或施工便道跨越溝渠中。因此并不會額外增加成本費用，僅增加轉場費用，按照正常支護形式即可；而若采取隧道超前支護的方法施工，路面上行荷載對隧道影響長度范圍為15 m，初期超前支護形式為雙層注漿小導管，長度4.5 m/根，搭接1.5 m，45 根/環(huán)。鋼便橋轉場按照8 h 計算，具體費用見表3。

表3 自制鋼便橋和超前支護費用

通過表3 可以看出，每次過路使用自制鋼便橋可以節(jié)余58 725-3 360=55 365 元。每次過路段按照5 環(huán)雙層注漿小導管計算，一般每環(huán)單層注漿小導管施工周期為4 h，采取自制鋼便橋可以大致節(jié)余20 h。綜上所述，采用自制鋼便橋要更經(jīng)濟實惠。

7 結論

隧道下穿既有公路時，公路上行車輛荷載給穿越段施工帶來了極大的困擾，若不采取控制措施會造成路面及拱頂沉降，引起圍巖變形，嚴重時甚至會造成路面塌陷，對施工人員生命安全造成嚴重威脅。而封閉道路又會造成路面交通阻塞，道路疏通工作煩瑣，造成不良的社會影響。鑒于這種情況，采取自制鋼便橋橫跨穿越段的措施，有效地避免了上行車輛荷載對隧道穿越段施工的影響，取得了良好的施工效果，得到的結論如下：

1）結合現(xiàn)場實際情況，依據(jù)隧道斷面尺寸和施工工法對自制鋼便橋進行相應的選型，確定設計尺寸，運用MIDAS CIVIL 建立模型并進行剛度強度計算，確保承載能力和位移變形滿足規(guī)范要求。

2）對自制鋼便橋施工工藝流程、所需材料及設備、施工操作要點、安全與環(huán)?？刂拼胧┻M行一系列總結歸納，并對采取貝雷架鋼便橋和超前支護措施進行經(jīng)濟效益對比分析，體現(xiàn)了采取自制鋼便橋措施的優(yōu)越性。

3）自制鋼便橋保證路面上行車輛正常行駛的同時大大減弱了上行荷載對隧道施工的影響，無需加強穿越段隧道圍巖和支護結構，節(jié)約了施工成本，且具有材料易采購可循環(huán)利用、加工方便、轉運場方便的特點，已在具體工程案例中得到應用，可為類似工程提供參考。