廖煙開，郭德平，李瑞林，王興猛，唐俊林

(敘鎮(zhèn)鐵路有限責(zé)任公司，云南 威信 657999)

1 概述

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，穿越復(fù)雜條件的隧道工程越來越多，鑒于我國西南地區(qū)地形條件，新建鐵路線不可避免的會(huì)與既有鐵路、公路線相交，因此遇到的隧道下穿上跨等問題也越來越多。隧道下穿既有橋梁的施工過程中，會(huì)打破樁基周邊巖(土)體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，造成橋墩的承載能力和自穩(wěn)能力的降低而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)或損壞；同時(shí)由于橋墩荷載的影響造成隧道開挖發(fā)生坍塌的風(fēng)險(xiǎn)極大。張志強(qiáng)、何川[1]以數(shù)值模擬計(jì)算為手段分析了隧道近接既有橋梁開挖施工的力學(xué)響應(yīng)。蘇潔[2]采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法提出了樁基承載力損失的概念并對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)受隧道施工的影響程度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。郭宏偉[3]通過數(shù)值模擬計(jì)算得出了下穿隧道施工導(dǎo)致橋梁樁基礎(chǔ)側(cè)向負(fù)摩阻力產(chǎn)生的結(jié)論。周濟(jì)民[4]以北京地鐵下穿高架橋樁基群為例，通過數(shù)值計(jì)算得出，樁基群縱斷面方向的差異沉降量和傾斜量明顯小于橫斷面方向。賈瑞華[5]采用樁土接觸的三維計(jì)算模型，較全面的分析了金沙洲隧道施工掌子面前方地層的位移趨勢、洞內(nèi)初支及樁基響應(yīng)等。劉云亮[6]以新建隧道下穿地鐵高架橋?yàn)槔\(yùn)用有限元計(jì)算方法確定適宜的橋梁加固措施和隧道的合理施工工法。

本文以新建成昆鐵路米易至攀枝花段埡口隧道下穿西攀高速城門洞大橋?yàn)槔?，在詳?xì)分析隧道下穿過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行了評(píng)估分析，對(duì)擬采用的工法和支護(hù)措施進(jìn)行了結(jié)構(gòu)檢算，以現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了控制措施的有效性和可靠性。

2 工程概況

2.1 隧道概況

新建成昆鐵路米易至攀枝花段埡口隧道全長12 447 m，進(jìn)口里程D2K540+228，出口里程D2K552+675，雙線隧道，設(shè)計(jì)為7‰，-3‰的人字坡。隧道跨度14.48 m，開挖斷面面積約140 m2，屬于特長大斷面鐵路隧道。該隧道于D2K552+210～D2K552+410段以30斜交下穿西攀高速公路連續(xù)剛構(gòu)城門洞大橋的百米橋墩。

2.2 城門洞大橋概況

西攀高速公路城門洞大橋左右分離式橋梁，主橋?yàn)?0 m+110 m+60 m連續(xù)剛構(gòu)。橋面凈寬(單幅)為10.25 m(行車道)+2×0.5 m(防撞護(hù)欄)。梁體為單箱單室三向預(yù)應(yīng)力變高度箱梁。箱頂寬11.25 m，底板寬6.45 m，箱梁跨中及邊跨現(xiàn)澆段梁高2.5 m，墩頂處梁高6.5 m。梁高以1.7次拋物線變化。箱梁腹板在墩頂范圍內(nèi)厚80 cm，1號(hào)～6號(hào)梁段腹板厚60 cm，其余梁段腹板厚50 cm。箱梁底板在0號(hào)段范圍內(nèi)為100 cm，其余各梁段從箱梁根部的80 cm以二次拋物線漸變到跨中的28 cm。

2.3 隧道與大橋相互關(guān)系及下穿段施工風(fēng)險(xiǎn)

圖1和圖2分別為埡口隧道與城門洞大橋和橋梁橋墩相關(guān)關(guān)系圖。

埡口隧道下穿大橋主跨，下穿段(D2K552+215～D2K552+410)長195 m，主要影響右線3號(hào)、4號(hào)墩和左線4號(hào)、5號(hào)墩。

左線4號(hào)墩，溝側(cè)樁壁與隧道開挖輪廓線水平距離約7 m，拱頂距樁底約33 m；左線5號(hào)墩，溝側(cè)樁壁距離隧道開挖輪廓線約24 m，拱頂距樁底約20 m；右線3號(hào)墩，溝側(cè)樁壁距離隧道開挖輪廓線約33 m，拱頂距樁底約31 m；右線4號(hào)墩，溝側(cè)樁壁距離隧道開挖輪廓線約6 m，拱頂距樁底約19 m；4個(gè)墩為單樁基礎(chǔ)，為645 cm×680 cm的矩形墩；左線4號(hào)、5號(hào)墩和右線3號(hào)、4號(hào)墩的跨徑均為110 m。

隧道在溝心與左線4號(hào)墩和右線3號(hào)墩間下穿，存在偏壓現(xiàn)象；下穿段受斷層及火成巖侵入影響，圍巖巖體中節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體破碎，完整性較差(Ⅴ級(jí)圍巖)，加之上部14 100 t的橋梁結(jié)構(gòu)荷載作用，隧道開挖過程中存在以下風(fēng)險(xiǎn)：

1)隧道拱頂及洞壁掉塊、坍塌；2)橋墩下沉、平移進(jìn)而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)破壞。

2.4 地質(zhì)概況

下穿段隧道上覆第四系全新統(tǒng)人工棄土，以碎石土為主，局部夾塊石，灰、深灰、灰白色等，松散～稍密，潮濕。碎、塊石石質(zhì)以強(qiáng)～弱風(fēng)化狀片巖、砂巖、石英砂巖及少許混凝土塊為主。分布于隧道出口段D2K552+180～D2K552+360段斜坡溝槽內(nèi)，據(jù)鉆探揭示厚10 m～25 m不等，系修建西攀高速公路隧道的棄碴。

下伏基巖主要為片巖、片麻巖夾石英砂巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬。中～厚層狀片麻巖呈深灰色，細(xì)粒變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，主要礦物為石英、長石、角閃石、云母等；片巖呈淺灰色，片理發(fā)育，礦物成分以長石、石英及云母為主；淺灰色薄～中厚層狀石英砂巖，為局部夾層。受多期構(gòu)造作用，巖體節(jié)理發(fā)育，較破碎，部分深孔巖芯裂面可見鏡面擦痕，局部具糜棱化。

3 橋梁變形與隧道鋼架變形及應(yīng)力數(shù)值模擬計(jì)算

3.1 計(jì)算方式簡介

1)原橋計(jì)算分析模型建立。根據(jù)收集的大橋竣工資料，首先建立了原橋有限元計(jì)算分析模型(無橋墩沉降和偏位)，模型考慮了施工全過程的仿真計(jì)算，且各參數(shù)根據(jù)竣工圖紙取得，可以較準(zhǔn)確反映大橋原始的受力狀態(tài)。

2)結(jié)構(gòu)建模。采用MIDAS Civil2012進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，如圖3所示。主梁及主墩采用梁單元模擬，邊界條件根據(jù)實(shí)際情況模擬；為準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)，首先對(duì)大橋進(jìn)行施工階段仿真計(jì)算，如圖4所示，然后對(duì)4號(hào)墩沉降及平面變位進(jìn)行模擬，見圖5。

3)主量安全性評(píng)估計(jì)算。在僅考慮4號(hào)墩沉降對(duì)結(jié)構(gòu)影響計(jì)算過程中，取用沉降10 mm的級(jí)差進(jìn)行，即分別計(jì)算了4號(hào)墩沉降10 mm，20 mm，30 mm，40 mm和50 mm工況，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)兩個(gè)極值狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行了評(píng)估計(jì)算，即模型三和模型四，同時(shí)對(duì)特征沉降工況，即4號(hào)墩沉降30 mm(模型二)，進(jìn)行評(píng)估計(jì)算。

在綜合考慮4號(hào)墩沉降和橫向偏位對(duì)結(jié)構(gòu)影響計(jì)算過程中，因存在兩個(gè)變量，無法獲得唯一的臨界狀態(tài)，故只能采取包絡(luò)計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，建立了模型五，對(duì)大橋的安全性進(jìn)行了評(píng)估計(jì)算。

共分析5個(gè)有限元分析模型，包括：

模型一：原橋(橋墩無沉降)；模型二：4號(hào)墩沉降30 mm；模型三：4號(hào)墩沉降40 mm；模型四：4號(hào)墩沉降50 mm；模型五：4號(hào)墩沉降20 mm、橫向偏位10 mm。

同時(shí)對(duì)各模型中4號(hào)墩及3號(hào)墩墩頂應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，分析其受力安全性。

3.2 計(jì)算參數(shù)

3.2.1 永久作用

結(jié)構(gòu)自重：包括按永久集中作用或永久分布作用考慮的部分。容重按26 kN/m3計(jì)。

混凝土收縮、徐變：按04規(guī)定計(jì)算。

預(yù)應(yīng)力鋼束采用低松弛高強(qiáng)度鋼絞線，單根鋼絞線直徑為15.20 mm，松弛率為3.5%，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa，鋼絞線面積Ay=139 mm2。預(yù)應(yīng)力摩阻系數(shù)取0.17，管道偏差系數(shù)取0.001 5，錨具壓縮變形量0.006。

橋面系自重，包括欄桿、鋪裝等，按順橋向均布作用計(jì)。

3.2.2 可變作用(活載)

汽車荷載：橫向兩車道，橫向折減取值為1，偏載系數(shù)取值為1.15。

汽車沖擊力：沖擊系數(shù)按04規(guī)范的有關(guān)規(guī)定取值為0.05，負(fù)彎矩沖擊系數(shù)取值0.11。

3.2.3 其他可變荷載

1)溫度作用。全橋結(jié)構(gòu)體系溫差取-3 ℃～34 ℃，溫度梯度取值為：正溫度梯度：20 ℃，6.7 ℃，0 ℃。合龍溫度范圍設(shè)定為18 ℃。

2)施工荷載。掛籃移動(dòng)產(chǎn)生的豎向臨時(shí)荷載，按照1 000 kN；中跨和邊跨合龍方式按照采用掛籃合龍計(jì)算。

3)支座摩阻力。采用的盆式橡膠支座，常溫(-25 ℃～60 ℃)狀態(tài)摩阻系數(shù)為0.03，偏安全計(jì)，取值為0.05。

3.3 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

數(shù)值模擬計(jì)算分析中材料特性按表1采用。

表1 結(jié)構(gòu)材料及力學(xué)性能

3.4 數(shù)值計(jì)算結(jié)論

1)原橋各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

2)模型二(4號(hào)墩沉降30 mm)中，在結(jié)合原橋計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，滿足規(guī)范要求。

3)模型三(4號(hào)墩沉降40 mm)中，在結(jié)合原橋計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，滿足規(guī)范要求。不過在運(yùn)營階段主梁法向壓應(yīng)力接近規(guī)范限值。

4)模型四(4號(hào)墩沉降50 mm)中，施工階段(考慮4號(hào)墩沉降50 mm)結(jié)構(gòu)受力安全，不過在運(yùn)營階段主梁法向壓應(yīng)力已經(jīng)超出規(guī)范限值，不滿足規(guī)范要求。

5)模型五(4號(hào)墩沉降20 mm、橫向偏位10 mm)中，持久狀況下，主梁法向壓應(yīng)力滿足規(guī)范要求，不過計(jì)算應(yīng)力已逼近規(guī)范限值。

6)各模型中墩頂截面全截面受壓，且壓應(yīng)力小于規(guī)范限值，墩頂截面受力安全。

綜上，建議僅考慮沉降時(shí)，橋墩沉降以30 mm為限；同時(shí)考慮沉降及橫向偏位時(shí)，應(yīng)以沉降20 mm和橫向偏位10 mm為包絡(luò)進(jìn)行控制。

4 施工方法及控制措施

4.1 控制措施

1)地表右線4號(hào)橋墩和左線5號(hào)橋墩兩側(cè)的邊坡預(yù)應(yīng)力錨索框架梁加固，大橋右線4號(hào)墩靠溝側(cè)地表鋼花管注漿加固。

3)D2K552+230～D2K552+280段洞內(nèi)全環(huán)雙層H175 mm×175 mm型鋼鋼架加強(qiáng)支護(hù)；D2K552+330～D2K552+410段拱部雙層仰拱和邊墻單層H175 mm×175 mm型鋼鋼架加強(qiáng)支護(hù)；D2K552+200～D2K552+230和D2K552+280～D2K552+330段單層H175 mm×175 mm型鋼鋼架加強(qiáng)支護(hù)。

4)D2K552+200～D2K552+410段φ25 mm預(yù)應(yīng)力藥包系統(tǒng)錨桿加固錨桿預(yù)應(yīng)力5 t。

5)D2K552+330～D2K552+410段用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、D2K552+200～D2K552+330段采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法開挖[7-8]。

6)D2K552+200～D2K552+410段采用非爆破開挖。

4.2 結(jié)構(gòu)檢算

4.2.1 結(jié)構(gòu)檢算參數(shù)及有限元數(shù)值計(jì)算模型

結(jié)構(gòu)檢算參數(shù)：初期支護(hù)采用Ⅰ20型鋼，彈性模量206 GPa，泊松比0.3，容重75 800 N/m3。各參數(shù)的選取見表2～表4。有限元數(shù)值計(jì)算模型如圖6所示。

表2 地質(zhì)參數(shù)表

表3 初期支護(hù)參數(shù)表

表4 橋墩計(jì)算荷載參數(shù)

隧道開挖后地層的應(yīng)力等值線圖如圖7所示。

學(xué)校雖然是學(xué)生德育的主渠道，但僅靠學(xué)校自身的力量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因而學(xué)校要以大德育觀為工作思路，使家庭、社會(huì)等各種教育力量都參與到網(wǎng)絡(luò)德育工作中，形成學(xué)校、家庭、社會(huì)三位一體的德育教育格局，使三者在教育功能上取長補(bǔ)短，互為補(bǔ)充，相得益彰，產(chǎn)生整體效應(yīng)，為中學(xué)生的健康發(fā)展構(gòu)建和諧的平臺(tái)。

4.2.2 鋼架應(yīng)力

隧道開挖后鋼架受力情況如圖8所示，最大拉應(yīng)力產(chǎn)生于右側(cè)拱角，大小為10.7 MPa，最大壓應(yīng)力產(chǎn)生于左側(cè)拱角，大小為32.5 MPa,小于鋼材的屈服強(qiáng)度[9]。

橋梁荷載對(duì)隧道的影響，沒有橋梁荷載時(shí)，鋼架位移圖如圖9所示。

由圖9可見，在沒有橋梁荷載時(shí)，隧道初支鋼架的最大變形為1.10 mm。

有橋梁荷載時(shí)，鋼架位移圖如圖10所示。

由圖10可見，在有橋梁荷載時(shí)，隧道初支鋼架的最大變形為2.14 mm。

4.2.3 檢算結(jié)論

通過結(jié)構(gòu)計(jì)算分析及工程類比，埡口隧道下穿西攀高速公路城門洞大橋橋墩方案，施工階段引起橋墩下沉量可控，隧道開挖產(chǎn)生的圍巖塑性區(qū)范圍小，距橋墩底部較遠(yuǎn)。運(yùn)營階段由于隧道二次襯砌已經(jīng)施作完畢，不再有影響。隧道下穿橋墩方案能保證隧道施工及大橋運(yùn)營安全[10-11]。

4.3 現(xiàn)場監(jiān)測及其監(jiān)測結(jié)果

圖11是隧道下穿段施工過程橋墩下沉監(jiān)控量測監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖。

表5是隧道下穿段施工過程橋墩下沉監(jiān)控量測點(diǎn)變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表。

表5 橋墩監(jiān)控量測點(diǎn)變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

由表5可知，大橋四個(gè)橋墩的變形最大為右線4號(hào)墩，累積下沉量為4.69 mm，滿足僅考慮沉降時(shí)的控制值。

5 結(jié)論

1)隧道下穿施工對(duì)既有上跨橋梁的影響評(píng)估，為隧道施工過程既有上跨橋梁安全控制措施制定及決策提供了科學(xué)的依據(jù)。

2)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑和三臺(tái)階臨時(shí)仰拱非爆施工開挖方法施工、加強(qiáng)超前加固支護(hù)和初期支護(hù)及既有橋梁橋墩加固，既減少了對(duì)圍巖的擾動(dòng)，又有效地控制了橋墩的沉降變形，實(shí)現(xiàn)了埡口隧道施工的順利完成和隧道施工過程既有上跨城門洞連續(xù)剛構(gòu)橋的安全穩(wěn)定。