新建桥梁上跨既有隧道工程的探讨

郝东洪

摘要：随着我国经济建设的高速发展，交通运输日益繁忙，城市道路、高速公路网、铁路网的建设而由此产生的立体交叉的数量越来越多。在既有隧道工程上新建桥梁已经是较常见的事情，如何减少对下方隧道产生影响，此时就需要在设计及施工新建桥梁时对既有隧道采取切实可行的评估和安全措施。只有这样既可以确保已有隧道的正常运行，而且还可以保证新建桥梁的质量。

关键词：新建桥梁 既有隧道工程 设计

在城市土地有限的情况下，为了更好的推动城市化进程，就需要对既有隧道的空间和土体进行有效的利用。但是，在既有隧道周围新建桥梁时，会导致隧道受力状态发生改变，既有隧道在桥梁施工及运营阶段附加应力作用下，会导致隧道出现二次变形，为减少对既有隧道的受力状态及安全运营考虑，本文将以某新建公路桥梁工程为例，来探究桥梁设计应考虑的基坑开挖、桩基施工、车辆行车荷载，对隧道的影响，以便为新建桥梁的设计提供参考和借鉴。

一、新建桥梁上跨既有隧道的影响

（一）基坑施工卸载对既有隧道的影响

通常情况下，新建桥梁基坑开挖卸载后不仅会影响既有隧道结构的安全，而且还会影响地下交通设施的正常运营。通过对国内外大量工程施工理论和资料进行研究发现，开挖卸荷对既有隧道所产生的竖向变形主要包括下述几个方面的影响因素：（1）既有隧道本身的卸载及开挖卸荷，其往往会导致隧道自身的竖向变形和隧道周围土体的变形；（2）地基中土体被开挖，会引发土体应力场改变，导致既有隧道下部土体出现一定幅度的隆起。由于受到土体的作用，会导致隧道结构出现竖向位移，则发生隆起现象，而土体强度越低且土质越松软，所产生的土体应力场变化越大，从而引发的隧道结构隆起越明显。（3）新建桥梁基坑施工过程中，由于地面超载会加剧土体应力场发生变化，从而提升隧道的竖向变形量。

（二）上部结构施工加载对既有隧道产生的影响

在新建桥梁施工过程中，为了降低新建桥梁工程对既有隧道所产生的影响，设计人员一般会根据自己在既有工作过程中所积累下的经验来开展工程设计。存在一定的局限性。应当有效评估新桥梁工程施工过程中对既有隧道所产生的各种不利影响。新建桥梁工程对既有隧道所产生的影响主要包括下述两个方面：（1）新建桥梁基础开挖过程中，施工卸荷变化对隧道所产生的影响；（2）新建桥梁施工过程中，施加荷载对隧道所产生的影响，其通常会导致隧道结构应力出现改变，从而引发隧道侧壁收敛变形。

二、工程概况

以某城市公路桥梁工程为例，其上部构造选择了3×40m预应力混凝土现浇箱梁，下部构造墩选择了花瓶式墩，墩台桩基础选择回旋钻成孔施工，基础均选择灌注桩基础，在进行桥梁承台基坑开挖过程中，会导致隧洞覆土层变薄，并对隧道上部有卸载作用。在进行新建桥梁施工过程中，运营的车辆及行人荷载、桩基开挖及卸载作用等一般会通过桩基传输到邻近土体上，从而对已有隧道产生一定的影响。因此，在新建桥梁施工之前，需要对施工各个环节对隧道可能产生的影响进行分析，然后制定针对性的措施尽可能将这种影响降到最小，以确保新建桥梁施工的顺利进行，确保新建桥梁和隧道的安全通行。

三、工程设计

在进行新建桥梁设计过程中，为了满足上跨净空要求，及降低对隧道的影响，本次工程施工选择的桥孔布置为左幅3×40m、右幅3×40m的预应力混凝土小箱梁桥上跨既有龙形隧道的设计方案，该新建桥梁的梁底高程为307.968m，桥梁底至隧道顶净空高度达到了13.498m，桥面高程为310.668m，桥下隧道顶高程为294.47m，隧道外墙边缘与桥墩边缘距之间的最小距离为9.8m。其下部构造选择了直径为1.8m桩基础、双柱式墩，桥台选择了重力式U台。由于该新建桥梁需要从隧道上方通过，为了避免桥墩桩基对隧道产生影响，因此主梁选择现场预制，通过架桥机进行架设的施工方案，这样可减少因施工对车辆通行产生的影响。

四、评估方法与内容

（一）数值分析计算假定与模型的构建

（1）在分析和探究新建桥梁对既有隧道工程所产生的影响时，一般会把土层简化为水平层状连续分布的材料。本次研究过程中，采用了在广义胡克定律的基础上构建的弹性模型，选择实体单元来对土体进行模拟。在数值计算中，该弹性模型具有非常高的应用效率，而且模拟效果比较理想，收敛很快，从得到的计算结果能够对材料的整体性能进行很好的描述，因此在土木工程设计过程中得到了非常广泛的应用。（2）在模型构建过程中，衬砌单元选择了壳单元，混凝土选择了线弹性模型。（3）为了实现对新建桥梁地质地面进行简化，选择了最不利坡面进行模拟。（4）对所建模型的左右边界按照要求施工一定的水平约束，并在其底部施加竖向位移进行约束，顶面未进行任何约束。根据常年积累所得到的工作经验，在进行土体挖方和填方过程中，通过对其影响范围进行考虑后，可以适当的减少节点等因素，并把模型计算的范围设定在50m×65m的土体单元。在该区域内对桥梁桩基、隧道、土层进行模拟，借助激活钝化来对区域内的土体单元、衬砌单元模拟进行开挖，并模拟桩基的施工过程及可能产生的影响。

（二）评估计算工况

对新建桥梁的施工工序进行数值计算模拟，按照要求对模型施加边界条件，以实现对大区域天然地应力场的有效模拟，随后对表层粘土和强风化板岩进行依次开挖；桩基的施工；桩基荷载加载同时辅以MIDAS/GTS软件的激活，记住网格自适应功能及钝化技术能够对多种介质及杂几何边界条件下的结构、岩土等二维力学进行准确的计算。

（三）新建桥梁对既有隧道产生的影响

（1）基坑开挖对隧道的影响。在对施工现场表层土体进行开挖过程中，由于上层土体的卸载可能会引发下层土体出现不同程度的回弹变形，通常情况下，表层粘土卸载后会导致强风化岩的回弹值达到3.15mm。在对第二层强风化岩进行开挖过程中，在近山顶侧的土体所出现的回弹变形最大，并且回弹值与土方开挖量呈现出正比例的关系，而与土体弹性模量呈现出反比例的关系，开挖面能够产生的最大回弹值达到了16.24mm。同时，开挖到第二层强风化岩后，也会导致隧道衬砌结构出现一定量的位移，随着地层回弹也会导致隧道结构发生变形，而拱顶所发生的变形位移最大，达到了10.32mm，隧道仰拱位置的变形位移最小，达到了5.03mm。由于隧道回弹导致轨道位置隆起高达到了6mm，远超过了验收阶段要求的4mm控制值。但是等于经常保养的6mm控制值。

（2）桩基施工对隧道的影响。在进行基墩台桩基础施工阶段，一般会选择回旋钻成孔施工，其所选择的桩径为1.8m、2.0m。在进行回旋钻成孔过程中，要采取与之相对应的防塌孔或护壁措施。通过实地对隧道洞身的衬砌进行全面检查后，发现隧道二衬外缘与桩基外缘最小距离为9.0m，隧道系统锚杆末端与桩基外缘净距有6m，隧道系统锚杆长度为3m。在进行桩基开挖过程中，地层会出现各向位移应变，在桩孔中心位置所发生的应变最大，尤其是直径为2m的桩身上，其应变的最大值达到了2.48mm。因此，新建桥梁的桩基最好选择了旱季进行施工，而且施工阶段严禁使用爆破作业，最好选择人工钻孔桩的施工作业方案，以保证新建桥梁桩基施工质量的顺利进行，同时保证隧道结构的安全性。

（3）车辆行车荷载对隧道的影响。该新建桥梁工程选择了公路-Ⅰ级荷载标准，其在既有隧道上跨段的跨度为40m，在进行计算使取q_k=10.5kN/m；P_k=2（10+130）=340kN。为了避免之前各个环节施工对本次计算分析結果所产生的影响，需要先把初始位移进行阶段性清零，并模拟桥台路基段车辆荷载，模拟结果发现新建桥梁路基加载对隧道所产生的影响数量级仅达到了0-5mm，影响范围相比较小，可以认为新建桥梁路基加载对隧道未产生影响。

五、结束语

综上所述，在进行新建桥梁上跨既有隧道工程设计过程中，需要全面分析和掌握新建桥梁各个环节施工对既有隧道工程可能产生的影响，在掌握既有隧道的承载能力和变形规律的基础上对新建桥梁施工进行设计，以期确保新建桥梁正常施工过程中隧道可以安全运营。