袁星同，郭文龍

(1.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010；2.武漢地鐵集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430070)

0 引 言

近年來，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施的逐步完善[1]，城市路網(wǎng)的復(fù)雜度不斷提高，道路、橋梁以及隧道之間的下穿交叉情況越來越常見，在提升人民出行效率的同時也給設(shè)計人員帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

目前，國內(nèi)外雖然沒有橋梁隧道工程橫穿的相關(guān)技術(shù)規(guī)范，但已有相關(guān)學(xué)者對該工程問題開展了大量研究。韓秋石[2]依托廣佛環(huán)線沙堤隧道下穿佛開高速公路汾江大橋?qū)嶓w工程，研究盾構(gòu)隧道下穿施工對地層變形和既有橋梁樁基礎(chǔ)承載特性、受力與變形特性的影響，建立了系統(tǒng)的盾構(gòu)隧道下穿既有橋梁樁基礎(chǔ)施工影響控制技術(shù)體系。趙江濤[3]以北京地鐵7#線工程為背景，對城市暗挖隧道穿越既有橋梁的安全控制方法進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。李早[4]采用兩階段分析方法，計算了隧道開挖對群樁豎向位移和內(nèi)力影響，并用有限元法以及邊界元法對分析結(jié)果進(jìn)行對比，得到了較好的一致性。劉文濤[5]以星江特大橋?yàn)楣こ桃劳?，選用專家評議法定性分析與風(fēng)險評價矩陣法及指標(biāo)體系法定量分析的辦法來對該工程做風(fēng)險評估，得出相應(yīng)的風(fēng)險發(fā)生概率及風(fēng)險等級，對施工項(xiàng)目現(xiàn)場施工組織及風(fēng)險規(guī)避具有一定的借鑒意義。

綜上，關(guān)于工程之間的施工交互影響已廣受關(guān)注并已做出諸多研究，但對于規(guī)劃地鐵隧道在未來施工時對目前新建橋梁結(jié)構(gòu)安全的影響研究還需繼續(xù)深入，利用橋梁博士軟件(V3.0)，建立相關(guān)計算和分析模型，驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，可為今后橫穿隧道的橋梁工程設(shè)計提供借鑒和參考。

1 工程背景

滬南路道路等級為城市主干路，改建工程范圍南起上南路，北至康花路。秀龍橋位于梓康路與秀浦路之間，橋位中心處道路樁號K0+796.179，跨越現(xiàn)狀陸家浜河河道。秀龍橋跨徑組合8 m+16 m+8 m，三跨一聯(lián)，結(jié)構(gòu)簡支、橋面連續(xù)，橋?qū)?0 m，橋梁中心線與河道中心線逆交10.18°。

橋位處道路與規(guī)劃地鐵18#線平行，地鐵隧道分兩孔，單孔盾構(gòu)外壁直徑6.8 m。隧道均在道路紅線范圍內(nèi)，從橋梁下部結(jié)構(gòu)穿過。依據(jù)地鐵隧道盾構(gòu)的保護(hù)要求，橋梁樁基外側(cè)與隧道外緣最小距離不小于2 m。

橋梁上部結(jié)構(gòu)采用剛接空心板梁，下部結(jié)構(gòu)為門式框架，橋墩(臺)在橋梁結(jié)構(gòu)中心線處設(shè)置沉降縫一道，蓋梁結(jié)構(gòu)分為東西兩幅，均采用單端張拉的預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁。立柱下設(shè)小群樁承臺，樁基采用Φ1 000 mm的鉆孔灌注樁；按照是否臨近盾構(gòu)側(cè)，樁基分為B類(臨近盾構(gòu)側(cè))和A類(遠(yuǎn)離盾構(gòu)側(cè))。

橋面橫斷面布置為：40 m=2.8 m(人行道，含人行欄桿)+3.2 m(非機(jī)動車道)+2.0 m(側(cè)分帶)+11.0 m(機(jī)動車道)+2.0 m(中分帶)+11.0 m(機(jī)動車道)+2.0 m(側(cè)分帶)+3.2 m(非機(jī)動車道)+2.8 m(人行道，含人行欄桿)。

2 設(shè)計方案

2.1 橋梁設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

道路等級：城市主干路，設(shè)計時速：50 km/h，結(jié)構(gòu)安全等級：一級，橋梁荷載：城-A級；人群荷載按《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》(2019年版)(CJJ 11—2011)計算取值，設(shè)計基準(zhǔn)期：100年，設(shè)計使用年限：100年，橋墩、橋臺蓋梁按A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計，橋面寬度：40 m。橫坡：機(jī)動車道雙向2%(向外)，人行道單向1%(向內(nèi))。梁底標(biāo)高：陸家浜河為水利排澇河道，無通航要求。梁底標(biāo)高≥4.8 m?？拐鹨螅嚎拐鹪O(shè)防類別：丙類；地震動峰值加速度為0.1 g，抗震基本烈度為7度；抗震措施等級8度；地震調(diào)整系數(shù)：Ci：E1：0.46；E2：2.2。高程坐標(biāo)：吳淞高程系統(tǒng)，平面坐標(biāo)系采用上海市城市坐標(biāo)系；環(huán)境類別：橋梁結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的基本要求按I-C環(huán)境類別設(shè)計。臺后填土高度：不大于2.5 m。樁基與盾構(gòu)隧道凈距：樁身外緣與地鐵盾構(gòu)施工隧道外緣之間的凈距≥2 000 mm。不均勻沉降要求：邊墩、中墩基礎(chǔ)不均勻沉降≤5 mm。樁身截面最不利水平位移：盾構(gòu)施工引起的橋梁樁基截面(與盾構(gòu)中心線同一標(biāo)高)的最不利水平位移≤10 mm。

2.2 橋梁設(shè)計荷載

(1)恒載

①一期恒載

預(yù)應(yīng)力混凝土容重γ=26 kN/m3；鋼筋混凝土容重γ=25 kN/m3；

鋼材：γ=78.5 kN/m3。

②二期恒載

鋪裝：鋼筋混凝土90 mm，γ=25 kN/m3；瀝青混凝土鋪裝90 mm，γ=23 kN/m3；

人行道欄桿：10 kN/m。

(2)汽車荷載

汽車荷載：城-A級。

(3)人群荷載

人群荷載按《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》(2019年版)(CJJ 11—2011)取用。

(4)預(yù)應(yīng)力

鋼絞線控制張拉力：σcon=0.70～0.75 fpk，σcon為錨下控制應(yīng)力(即計算輸入應(yīng)力)；

管道與工藝：采用預(yù)埋塑料波紋管及真空壓漿工藝，u=0.14，k=0.0015；

鋼絞線為低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線(ζ=0.3)。

(5)混凝土徐變與收縮

混凝土收縮應(yīng)變終極值和徐變系數(shù)：按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG 3362—2018)表6.2.7取用；

階段混凝土收縮應(yīng)變和徐變系數(shù)：按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG 3362—2018)附錄F提供的方法計算。

(6)溫度影響

①體系溫差

上部結(jié)構(gòu)體系溫差：基準(zhǔn)溫度15 ℃，升降溫根據(jù)混凝土橋面有效溫度計算；

下部橋墩體系溫差：基準(zhǔn)溫度15 ℃，按升溫20 ℃、降溫20 ℃計。

②梯度溫差

局部升降溫：混凝土結(jié)構(gòu)按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)第4.3.10條梯度溫度效應(yīng)計算。升溫：T1=14 ℃，T2=5.5 ℃，降溫：T1=-7 ℃，T2=-2.75 ℃。

(7)風(fēng)荷載

按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)第4.3.7條及《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》(JTG/T 3360-01—2018)計算風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

(8)支座摩阻力

支座摩擦系數(shù)按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)表4.3.13條計算。邊支座滑動支座摩阻系數(shù)0.06。

(9)汽車制動力

汽車荷載制動力按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)第4.3.6條計算和分配。

(10)地震荷載

地震動峰值加速度為0.1 g，抗震設(shè)防烈度為7°。

抗震設(shè)防類別：丙類。地震調(diào)整系數(shù)Ci：E1地震作用為0.46，E2地震作用為2.2。

(11)不均勻沉降

邊墩基礎(chǔ)豎向位移±5 mm。

(12)樁身截面最不利水平位移

盾構(gòu)施工引起的橋梁樁基截面(與盾構(gòu)中心線同一標(biāo)高)的最不利水平位移≤10 mm。

(13)施工荷載

按施工過程中發(fā)生的施工機(jī)械、臨時荷載等其他荷載計算。

3 結(jié)構(gòu)安全性分析

3.1 上部結(jié)構(gòu)結(jié)算分析

上部結(jié)構(gòu)采用上海市市政工程標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板(橋梁)》(DBJT 08-101—2015，圖集號：2005滬G1005)的8 m、16 m標(biāo)準(zhǔn)跨徑，斜交角度10°，荷載：城-A級。

采用8 m、16 m標(biāo)準(zhǔn)跨徑剛接空心板，梁高55 cm、85 cm，中梁寬1 250 mm，邊梁寬1 475 mm，中心梁距b=1 647 mm，濕接縫寬度397 mm。

經(jīng)橫向分布計算：8 m中梁的汽車荷載跨中最不利橫向分布系數(shù)為0.374(小于0.475)，8 m邊梁的汽車荷載跨中最不利橫向分布系數(shù)為0.436(小于0.482)；16 m中梁的汽車荷載跨中最不利橫向分布系數(shù)為0.386(小于0.456)，16 m邊梁的汽車荷載跨中最不利橫向分布系數(shù)為0.457(小于0.466)。

因此：橫向分布系數(shù)不超出標(biāo)準(zhǔn)圖集最不利橫向分布系數(shù)，上部結(jié)構(gòu)除8 m空心板外，不再另行計算，將支反力值列出，提供下部結(jié)構(gòu)計算使用。

跨徑8 m預(yù)應(yīng)力混凝土剛接空心板計算。

通過橋梁博士3.0，在后張法計算中的預(yù)應(yīng)力鋼束的預(yù)應(yīng)力損失、預(yù)應(yīng)力傳遞長度、松弛率、松弛天數(shù)等方面進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對先張法剛接板的等效計算。

截面配置底緣8C20的縱向普通鋼筋，主筋凈保護(hù)層35 mm，預(yù)應(yīng)力鋼束：直徑φs15.2共計6根，其中2根隔離長度為2 500 mm，2根隔離長度1 500 mm，2根隔離長度100 mm。

通過橋梁博士建立主梁縱向計算模型如圖1所示。

圖1 主梁縱向計算模型

基于以上模型對橋梁上部結(jié)構(gòu)持久狀況正常使用的極限狀態(tài)進(jìn)行計算。

主梁按A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件計算：

(1)正常使用極限狀態(tài)荷載I(長期組合)；

圖2 組合一截面頂、底緣應(yīng)力(單位：MPa)

主梁截面頂、底緣無拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

(2)正常使用極限狀態(tài)荷載II(短期組合)σst-σpc≤0.7ftk；σtp≤0.5ftk；主梁底緣最大拉應(yīng)力為-1.24 MPa<-1.855 MPa，滿足規(guī)范要求。

圖3 組合二截面頂、底緣應(yīng)力(單位：MPa)

圖4 截面頂、底緣主應(yīng)力(單位：MPa)

主梁頂、底緣最大主拉應(yīng)力-1.31 MPa，滿足規(guī)范要求。

3.2 下部結(jié)構(gòu)計算分析

(1)預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩蓋梁計算

橋墩蓋梁預(yù)應(yīng)力采用后張法張拉施工，單個蓋梁分兩幅(2 cm沉降縫)，每幅各設(shè)置相應(yīng)的張拉端及固定端?；炷琉B(yǎng)護(hù)期后，分兩批張拉預(yù)應(yīng)力鋼束?；炷翗?biāo)號C50，預(yù)應(yīng)力鋼束類型選用M15.2-12和M15.2-9，波紋管外徑100 mm、90 mm。

蓋梁通過“橋梁博士3.0”建立橫向計算模型對蓋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，其中立柱長度根據(jù)橋墩一般構(gòu)造圖精確取值，承臺底面設(shè)置水平向、豎向、轉(zhuǎn)動約束及彎剪系數(shù)約束，其中約束參數(shù)依據(jù)樁基布置、樁長、樁土作用效應(yīng)等條件進(jìn)行等效模擬。

(2)預(yù)應(yīng)力混凝土橋臺蓋梁計算

橋臺蓋梁預(yù)應(yīng)力布置、張拉施工工藝與橋墩蓋梁基本相同，混凝土C50，預(yù)應(yīng)力鋼束類型選用M15.2-9、M15.2-12，波紋管外徑90 mm、100 mm。

限于篇幅，橋臺蓋梁承載能力極限狀態(tài)的抗彎、抗剪、抗扭的計算過程此處從略，經(jīng)計算均滿足規(guī)范要求。

3.3 樁基礎(chǔ)計算

(1)Pm1、Pm2橋墩樁基計算

橋梁樁基礎(chǔ)為直徑1 m的鉆孔灌注樁，橋墩樁基頂標(biāo)高為0.0 m，樁底標(biāo)高為-50.0 m，樁端持力層為⑦1-1層砂質(zhì)粉土。

依據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG 3363—2019)以及橋墩模型計算結(jié)果，對樁頂順橋向、橫橋向、豎向荷載進(jìn)行組合，其中最不利荷載組合匯總?cè)绫?所示。

表1 最不利樁頂荷載匯總表

依據(jù)勘察單位提供的巖土工程詳細(xì)勘察報告，以及承載力容許值計算公式：

計算得橋墩單樁軸向受壓承載力容許值[Ra]=3 010 kN(未扣除樁基浮重)，富裕度=(3 010-490)/2 431×1.25=1.3，見表2。

表2 橋墩單樁豎向受壓承載力容許值計算表(J11孔)

對單樁進(jìn)行計算分析：

B型樁(臨近隧道側(cè))：樁身(L/2以上)縱向鋼筋配筋率1.9%，主筋為40C22，樁身最大裂縫寬度0.14 mm；

通過在盾構(gòu)中心附近對臨近隧道側(cè)的樁身施加水平位移進(jìn)行樁身強(qiáng)度驗(yàn)算：在配筋率1.9%情況下，盾構(gòu)施工引起的橋梁樁基截面(與盾構(gòu)中心線同一標(biāo)高)的最不利水平位移須滿足≤8 mm，該工況下不考慮作用長期效應(yīng)影響系數(shù)(C2取1.0)，該截面的最大裂縫寬度Wfk=0.19 mm，樁身最大壓應(yīng)力及鋼筋應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

A型樁(遠(yuǎn)離隧道側(cè))：樁身(L/3以上)縱向鋼筋配筋率0.8%，主筋為16C22，樁身最大裂縫寬度0.16 mm。

計算結(jié)果表明：橋墩樁基的計算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

(2)Pm0、Pm3橋臺樁基計算

橋梁樁基礎(chǔ)為直徑1 m的鉆孔灌注樁，橋臺樁基頂標(biāo)高為0.5 m，樁底標(biāo)高為-49.5 m，樁端持力層為⑦1-1層砂質(zhì)粉土。

樁頂順橋向、橫橋向、豎向荷載進(jìn)行組合，其中最不利荷載組合為：Md=39 kN·m，Vd=101 kN，Nd=2 079 kN。(橋臺臺下立柱之間設(shè)置“L”型擋土墻，橋臺結(jié)構(gòu)僅立柱計入水平向土壓力)

依據(jù)勘察單位提供的巖土工程詳細(xì)勘察報告，以及摩擦樁類型、承載力容許值計算公式。

計算得橋臺單樁軸向受壓承載力容許值[Ra]=3 010 kN(未扣除樁基浮重)，富裕度=(3 010-490)/2 079×1.25=1.51。

對單樁進(jìn)行計算分析：

B型樁(臨近隧道側(cè))：樁身(L/2以上)縱向鋼筋配筋率1.9%，主筋為40C22，樁身最大裂縫寬度0.1 mm；考慮樁身水平位移的最不利工況分析基本與橋墩樁基相同，此處不再列出。

A型樁(遠(yuǎn)離隧道側(cè))：樁身(L/3以上)縱向鋼筋配筋率0.8%，主筋為16C22，樁身最大裂縫寬度0.12 mm。

計算結(jié)果表明：橋臺樁基的計算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 論

通過建立秀龍橋上下部結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計算和分析，驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，主要得出以下結(jié)論。

(1)秀龍橋位處道路與規(guī)劃地鐵18#線平行，地鐵隧道從橋梁下部結(jié)構(gòu)穿過。其受力必然會受到地鐵施工和運(yùn)營的影響，設(shè)計時充分考慮遠(yuǎn)期荷載對橋梁安全性的影響，可為其它橋梁設(shè)計提供借鑒；

(2)根據(jù)橋梁下部結(jié)構(gòu)橫穿地鐵隧道的特殊情況，將緊鄰地鐵隧道的樁基和遠(yuǎn)離地鐵隧道樁基分為不同類別，有針對性地采用不同的技術(shù)要求，并利用最不利荷載組合驗(yàn)證樁基礎(chǔ)的安全性；

(3)通過橋梁博士軟件建立計算模型，分析橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，驗(yàn)證了橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。