高架桥骑跨式承台对地下隧道结构变形及受力影响分析

2018-08-18潘坤

城市道桥与防洪 2018年8期

潘坤

（上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海市 200092）

0 引言

近年来，随着城市规模的不断扩大及科学技术的逐渐进步，城市综合交通设施日渐复杂，相交跨越的工程也日趋增多，地上高架道路及地下轨道交通作为两种最为常用的交通设施，不可避免地出现相互交叉现象。在既有地下轨道交通上方修建高架桥梁时，桥梁桩基施工、承台基坑开挖及上部桥体加载均会产生一定的附加应力，将会引起隧道二次变形。轨道交通尤其是高速市域铁路对结构变形十分敏感，且地下隧道结构难以修复，一旦发生事故，将造成不可估量的损失。因此，解决高架桥梁的承台基坑开挖和桥体荷载加载对隧道结构造成的不利影响具有重大工程意义。为确保地下轨道交通工程的结构安全和正常运营，必须在工程开工前分析和评估高架桥梁的承台基坑开挖和桥体荷载加载对轨道结构的不利影响，制定相关的设计优化及施工措施。

在工程交叠问题研究领域，通常情况下认为隧道下穿建（构）筑物施工的难度系数及风险因子相对较大。因此，国内学者对于隧道下穿问题进行了深入分析并取得了大量的研究成果[1-4]，而结构上跨隧道结构施工的相关研究较少。然而桥梁承台骑跨既有隧道结构工程，涉及到桩基施工扰动、基坑开挖卸载及上部桥体加载等过程，在施工扰动影响原理、受力模式转换等方面与下穿施工存在根本性的不同。赵炜[5]通过对明挖隧道近距离上跨盾构隧道的模拟计算，得出明挖卸载易造成基底隆起及盾构隧道上浮等问题；庞振勇[6]针对大基础上跨地铁隧道施工对地铁隧道的影响，开展基坑上跨隧道施工过程的数值模拟分析及现场测试，结果表明站房荷载能够通过转换梁与桩基础有效地传递到隧道下方基础持力层处，同时桩基础的存在一定程度上约束了隧道变形；刘淼[7]以西安地铁6号线侧坡出入段线明挖上跨既有区间隧道为背景，通过对出入段线分块、分层开挖以及结构回填过程的数值模拟，得出明挖施工卸载再加载过程对下卧隧道的影响程度。前人的研究成果为上跨问题研究提供了参考，但由于地层条件、跨越型式的差异以及卸载、加载工况不同[8-10]，骑跨式高架承台上跨隧道结构问题仍需进行深入研究。

本文以滨海大道远期高架道路小交角斜向跨越近期实施的市域铁路S2线地下隧道区间为研究对象，建立骑跨式高架承台基坑开挖及上部桥体加载数值计算模型，并考虑骑跨式承台与隧道顶板关系、高架桥梁桩基与隧道净距的不同工况，对地下市域铁路结构变形及内力进行数值计算，根据计算结果提出相关建议。

1 工程概况及地质条件

在建的温州机场综合交通枢纽由地面、高架及地下轨道交通系统组成，滨海大道和市域铁路S2线是机场综合交通枢纽的重要集散交通工程。目前，市域铁路S2线一期工程正在实施，滨海大道也拟开工建设。因线型条件制约，远期滨海大道高架拟于纬二十三路路口附近采用小交角斜向跨越近期实施的市域铁路S2线地下隧道区间，见图1。

图1 滨海大道高架与S2线隧道相交位置平面示意图

市域铁路S2线北起乐清市虹桥镇，终点瑞安人民路站，远期向北延伸至雁荡镇，全长62.95 km，最高速度可达140 km/h。S2与滨海大道交叉段为机场站-永兴站地下区间，单箱双孔箱涵结构，标准断面结构净高为6.65 m，单孔净宽为5.35 m，结构总宽度约12.5 m，总高度约8.95 m，结构底部设置Φ800、30 m长桩基础。该处基坑采用800 mm厚、37.5 m深地下连续墙围护，竖向设4道支撑，其中首道支撑采用混凝土支撑，其余支撑采用钢支撑。为避免高架桥梁桩基与S2线结构相冲突，交叉段承台采用骑跨式承台，承台下设Φ1 500、长100 m摩擦桩，桩基避开S2线隧道结构并保持一定距离，典型断面（A-A）见图2。

图2 滨海大道高架与S2线隧道相交典型断面(A-A)（单位：m）

拟建工程场区内主要地层为素填土、粘土、淤泥、粉砂、淤泥质粘土、细砂、卵石地层。大范围分布深厚层软土，具有易触变性、高压缩性、强度低等特性，且分布广泛、分布不均匀、厚度大、承载力低，沉降及差异沉降大，工程性质差。

滨海大道远期高架施工对市域铁路S2线地下隧道的影响主要体现在承台基坑开挖卸载及高架桥体再加载过程。因此本文针对滨海大道高架桥梁骑跨式承台基坑开挖及上部桥体加载建立数值计算模型，对隧道结构变形及内力进行研究。

2 基坑开挖数值模拟

2.1 计算模型

考虑S2线隧道先期施工，滨海大道高架桥梁在后期建设过程中，进行承台基坑开挖时，将对隧道顶板原有覆土进行卸载。因此，本次计算选取典型断面，采用三维限元计算软件建立隧道结构及滨海大道高架桥梁桩基、承台模型，以模拟滨海大道高架承台基坑卸载对隧道结构的影响。土体采用基于摩尔库伦屈服准则的弹塑性模型，承台、桥桩采用各向同性线弹性实体模型；隧道结构、地连墙采用板单元，隧道结构桩采用梁单元。模型尺寸长80 m、宽80 m、高120 m，共划分21400个单元，见图3。模型侧面为法向位移约束、底面为固定约束，顶面为自由边界。隧道及桥桩尺寸根据设计参数取值。模型采用的地层及结构参数见表1。

图3 计算模型

计算过程如下：

（1）建立计算模型，设定边界条件，初始应力平衡，隧道结构激活、隧道内部土体开挖后位移清零；

（2）桥桩施工，隧道上部承台基坑开挖，模拟隧道上部土体卸载效应。

表1 模型计算参数

2.2 计算结果及分析

（1）隧道变形

滨海大道高架承台基坑开挖后隧道整体变形结果见图4。

图4 基坑开挖后隧道整体变形

由图4可知，滨海大道高架承台基坑开挖，导致隧道结构发生一定程度的变形，其中顶板变形最大，最大变形量为1.7 mm。这种变形主要是由于结构上部土体卸载引起的：一方面引发隧道结构在卸载区域整体上浮（约1.0 mm）；另一方面引起顶板局部卸荷回弹（最大0.7 mm左右）。整体来看，高架承台基坑开挖引起的结构变形量较小，但本模型仅计算单个承台开挖的情况，当考虑交叉区段所有承台施工时，将可能对隧道结构整体抗浮产生较大影响。因此，该区段隧道底部桩基须按抗拔桩加强配筋设计，防止上部土体卸载引起隧道较大上浮及变形。

（2）隧道内力变化

滨海大道高架承台基坑开挖前、后隧道结构内力计算结果见图5、图6。

图5 基坑开挖前隧道结构内力图

图6 基坑开挖后隧道结构内力图

将计算结果整理见表2。

结合图5、图6及表2可知，滨海大道高架承台基坑开挖，导致隧道结构内力发生一定程度的改变，但内力值变化量均在5%以内。其中，顶板和侧墙弯矩变化最大，顶板弯矩减小4.21%，侧墙弯矩增大3.54%，主要原因为顶板覆土卸荷、两侧土体推挤侧墙所致。在土体卸载作用下，侧墙和中隔墙轴力有所减小，底板内力变化不明显。

表2 基坑开挖导致隧道结构内力值及变化情况

3 桥体加载对隧道结构的影响

滨海大道采用等高度预应力混凝土连续大箱梁结构，整体荷载较大，骑跨式承台跨越隧道结构可能引起隧道结构变形及受力增加，须对该不利情况进行计算。考虑桥体、承台、支墩自重及上部车辆荷载，将承台上桥体荷载简化为四个支墩作用点的集中荷载（两边支墩作用力为2×9 413 kN，中间两支墩作用力为2×28 240 kN）。

3.1 计算工况及计算结果

为确定骑跨式转换梁承台对隧道结构受力的不利影响，采用上述模型进行类似计算。为考虑承台与轨道顶板关系、桩基与轨道结构净距的影响，计算时改变单个变量，具体计算工况见表3。将各工况下计算的结构最大变形、各部位最大内力值进行整理，结果见表4。

表3 计算工况

表4 桥体加载对隧道变形及内力影响计算结果

3.2 承台与隧道结构关系的影响分析

在A1、A2、A3工况中，控制桩基与隧道结构净距4 m，承台与隧道顶板关系分别为结合、脱离（净距0.5 m）、脱离（净距1.5 m），从表4计算结果可知：骑跨式承台与隧道顶板结合时（A1工况），桥体加载后对隧道影响甚大，结构变形达31 mm，各项内力值较初始状态增加数倍；承台与隧道顶板一旦脱离设置（A2工况），隧道结构变形及内力值增量减小十分显著；当承台与隧道顶板脱离并保持1.5 m净距时（A3工况），隧道结构各项内力值增量较小。就A3工况来说，内力增量较为明显的是顶板弯矩值，正负弯矩值增量均在20%左右，底板和侧墙弯矩次之（约8%），侧墙与中隔墙轴力有一定的增加（约3%），其他内力值均较小。

从结构受力角度来说，上部桥体加载后将引起转换梁变形。在转换梁与隧道结构结合状态下，下部隧道结构与承台变形相协调，相当于上部荷载直接作用于承台与隧道结构的结合体，将引起隧道结构变形及内力显著增大，而设置于承台两侧的桩基将无法充分发挥其承载作用。在转换梁与隧道结构脱离后，由于本工程所在地层为软土地层，承台的变形可由承台与隧道之间的软土缓冲，荷载可以由承台两侧的桩基传递至深部持力层，因此隧道变形及内力增量将较小。承台与隧道结构净距越大，其影响较会越小，且在承台施工、搭设模板时更为方便。但考虑到承台需保证较大高度（本承台高4 m）及承台上部需保证1.5 m以上覆土厚度，因此承台与隧道结构净距保持在1.5～2 m之间较为适宜。

值得注意的是，本工程地处软土地层，隧道顶部与承台之间可进行软土填充，但严禁压实、加固处理。当建设场地条件较好时，对隧道顶部与承台间进行土体填充需采取措施，如填充覆盖软质泡沫材料，防止承台荷载经土体传递至隧道顶部。

3.3 桥梁桩基与隧道结构净距的影响分析

在B1、B2、B3工况中，保证承台与隧道结构脱离净距1.5 m，桩基与隧道净距分别为2 m、3 m、5 m，从表4计算结果可知：桩基与隧道净距较小（B1工况）和较大（B3工况）时，桥体加载后对隧道影响均较大：B1工况下隧道变形2.6 mm、顶板弯矩增大9.9%；B3工况下隧道变形5.8 mm、顶板弯矩增大33.7%。桩基与隧道净距为3 m（B2工况）时，桥体加载后对隧道影响最小：隧道变形仅为1.4 mm，内力增量基本都控制在5%以内。

通常情况下在考虑隧道与桩基的关系时，均希望桩基与隧道结构保持较大距离，以避免相互影响。如对比工况B1和B2可知：桩基与隧道结构净距较小情况下（工况B1），桩基变形会带动周围土体变形，从而导致隧道结构产生较大变形和附加内力；当隧道结构距桩基较远时（工况B2），隧道结构所受影响将减小。

此外，在本案例中，桩基与隧道结构净距较大反而会导致桥体加载对隧道结构影响增大（对比工况B3和B2），其原因在于骑跨式承台可看作两端架设于桩基的梁，桩基与隧道结构净距增大将导致梁的跨度增大，在承台高度不变的情况下其整体刚度将显著降低，因而在上部桥体荷载作用下产生较大变形，从而导致隧道产生较大变形和附加内力。从经济上来说，在保证承台刚度不变条件下，减小其跨度可适量减小其高度和宽度，一方面减小了承台混凝土方量，同时也减小了基坑开挖方量。因此，在设置骑跨式高架承台时，应对适当减小桩基与结构净距。