桥、隧、路、堤组合结构应用技术

钟 可， 于 勇， 李腾飞， 马军秋

(1. 长沙市轨道交通集团有限公司， 湖南 长沙 410000； 2. 中铁第六勘察设计院集团有限公司， 天津 300000)

0 引言

随着我国交通基础设施建设规模日益扩大，越来越多的城市道路需穿越江河、湖泊、海港以达到串联交通的目的[1-3]。由于受到周边环境、地形地貌以及地质条件等因素的限制，单一的隧道、桥梁等结构形式已越来越不能满足建设要求[4-6]。赵志明等[7]针对不同的地形特点，将桥隧组合分为缓坡桥+路基+隧道和陡坡桥+隧道直接连接2种方式； 王晓宇[8]总结分析了适用于高差悬殊、地形复杂、场地受限等山区条件下的公路桥隧组合工程方案； 曹校勇等[9]和王正辉[10]对桥隧组合方案进行了技术总结，分析了实施过程中存在的问题，并总结了具体的难点及教训； 施成华等[11]对隧道出口处桥隧组合结构静动力学特性的影响因素进行了研究； 万俊峰等[12]对复杂地形条件下桥隧组合的隧道洞口结构设计进行了研究，提出了非对称结构设计方案； 桥、隧相互组合的结构形式能有效地弥补单一结构本身的缺陷，在今后势必将作为一种新型结构形式得到推广及运用[13-15]。

本文从投资和技术2方面分析，针对周边环境受限的条件下需要增加原有路幅宽度的问题，提出一种新型的桥、隧、路、堤组合结构形式，该组合结构在稳定性及受力方面较为复杂，目前尚缺乏足够的设计以及工程经验；此外，由于工程本身的独特性，在一定程度上较难复制相同的工程案例，需根据工程本身进行专项研究。因此，以营盘路隧道为工程实例，通过对桥、隧、路、堤组合结构方案及受力情况进行研究分析，在解决问题的同时，可以为类似工程设计和进一步的理论研究提供参考和借鉴，而且对于推动复合结构组合形式的发展与应用，也具有重要的现实意义。

1 工程概况

长沙市营盘路隧道工程位于长沙市市区银盆岭大桥与橘子洲大桥之间，连接开福区与岳麓区，其中江中段距橘子洲大桥约1.3 km，距银盆岭大桥约2.1 km。主线西起咸嘉湖路，下穿潇湘大道、傅家洲、橘子洲和湘江大道，东接营盘路，隧道规划方案如图1所示。隧道按城市Ⅰ级主干道等级进行设计，抗震设防烈度为7度； 主线设计车速为50 km/h，匝道设计车速为40 km/h,采用单向双车道； 建筑限界净宽为9.0 m,净高为4.5 m。道路荷载等级为城-A,隧道全长约2 850.502 m，东、西两岸共设置4条进出口匝道，陆域暗挖段及水下过江段采用矿山法施工。

营盘路隧道西岸明挖段位于长沙王陵公园扇子山(省级重点文物保护对象，山体内有西汉长沙王陵墓)与龙王港河道(湘江一级支流)之间，铺设于咸嘉湖路下。原咸嘉湖路为双向机非混行4车道，在修建隧道后，由于隧道顺接咸嘉湖路，必然造成既有道路宽度不能满足隧道及其两侧辅道的布置要求，因此需对原有道路采取相应措施进行扩宽处理，才能满足设计要求。隧道西岸的隧道接地周边环境如图2所示。

图1 营盘路隧道规划方案总平图Fig. 1 Plan of planning scheme of Yingpan Road Tunnel

图2 营盘路隧道西岸设计方案平面图Fig. 2 Plan of west bank design scheme of Yingpan Road Tunnel

2 方案分析及确定

2.1 情况介绍

目前对于沿江(河)而建的隧道，由于主线或匝道的设置，在满足原有交通现状的情况下，路幅需根据隧道的车道数量进行相应扩宽。通常扩宽方案主要以路堑开挖和堤岸堆填为主。

路堑开挖方案即通过对道路一侧原有山体进行开挖，在采取相应措施确保不会发生坍塌、滑坡等事故的情况下，以满足路幅扩宽的要求。路堑开挖方案如图3所示。

图3 路堑开挖方案示意图Fig. 3 Sketch of road cutting excavation scheme

堤岸堆填方案则通过对道路一侧的江(河)路堤采用黏土、卵石等材料进行堆载、回填以及压密等加固措施，在确保路堤安全稳定的情况下，满足路幅宽度要求。堤岸堆填方案如图4所示。

图4 堤岸堆填方案示意图Fig. 4 Sketch of embankment filling scheme

王陵公园扇子山作为西汉王墓，在工程施工过程中应尽可能地保护扇子山文物，路堑开挖方案相比于堤岸堆填方案，必然会对扇子山文物造成不可逆的破坏，且需上报文物行政管理单位审批，因此，隧道及其辅道只能向南设置进入龙王港河道内；而龙王港河道作为湘江的一级支流，是湘江的重要泄洪通道(如图5所示)，若采用堤岸堆填方案，隧道及其辅道移入龙王港河道后，必然会缩减龙王港河道的行洪区断面尺寸，对其泄洪能力造成影响，为日后的湘江水位泄洪带来安全隐患。

图5 龙王港河道土堤原状图Fig. 5 Original appearance of Longwanggang River embankment

2.2 遵循原则

营盘路隧道在设计方面应尽量遵循以下原则：

1)隧道两侧应设置南、北辅道以保证咸嘉湖路地面的交通功能；

2)隧道及其辅道的设置应尽可能避开扇子山，避免对既有文物造成破坏；

3)隧道出入口应尽早与路面交通顺接，对隧道主线出入口交通流进行疏散，引导车流顺畅进出隧道；

4)应尽量减少隧道及扩建道路的南移范围，减小对龙王港河道过水断面的影响。

2.3 总体方案

营盘路隧道设计起讫里程为NK0+116.790(SK0+007.810)～NK3+192.098(SK3+090.359),综合以上问题以及遵循原则，河西段隧道一方面需要最大限度地保证扇子山山体的完整，另一方面要减少对龙王港河道断面的影响。基于此，本文提出一种新型桥、隧、路、堤组合结构形式，该组合方案实施的具体里程范围如图6所示。

图6 营盘路隧道设计里程示意图Fig. 6 Sketch of design range of Yingpan Road Tunnel

由于河西隧道岸上结构分为路基段、明挖段和暗埋段，因此，该新型桥、隧、路、堤组合结构根据以上断面形式大致分为3种典型断面： NK0+116.7～+186为典型断面1； NK0+186～+381为典型断面2； NK0+381～+653.7为典型断面3。具体分段里程范围如图7所示。

图7 营盘路隧道设计纵断面图Fig. 7 Design profile of Yingpan Road Tunnel

傍河桥梁下部构造主要采用双柱花瓶形墩、桩柱式桥台以及钻孔灌柱桩基础，上部结构采用预应力混凝土空心板连续梁。这种桥型方案增加了河道过水面积，最大限度地减小对行洪区断面的影响。同时，为减少土方开挖量，避免隧道基础座落在回填土中引起沉降，典型断面1采用排桩+扶壁墙结构体系，典型断面2采用与围护结构及隧道结构抗拔桩相结合+护壁墙结构形式，典型断面3采用混凝土护坡式堤岸，具体方案如下。

2.4 典型断面1

典型断面1段的堤岸采用双排桩，双排桩顶部施作联系梁，使双排桩共同承受侧向荷载。同时，为满足湘江及其支流200年一遇的防洪标高要求，双排桩外排钻孔桩冠梁以上施作扶壁式挡墙，顶部标高需高出设计洪水位标高以上50～100 cm。此外，为了防止河水通过钻孔桩缝对道路下土体进行反复的淘刷，在双排钻孔桩的外侧施作1层钢筋混凝土防渗墙。桥梁板北侧边缘紧贴护壁墙，桥墩台位于堤岸水中的混凝土下方。典型断面1方案如图8所示。

图8 典型断面1方案示意图Fig. 8 Sketch of typical cross-section 1

2.5 典型断面2

典型断面2段的堤岸建设利用隧道既有的围护结构，其中部分地段采用外围钻孔桩+顶部扶壁墙的结构形式；部分地段采用3排桩对拉+顶部扶壁墙的结构形式，其中外排桩为密排钻孔桩，内排桩为隧道结构的2排抗拔桩，内外排桩采用顶部冠梁+联系梁进行连接。为了防止河水通过钻孔桩缝对道路下土体进行反复的淘刷，在双排钻孔桩的外侧施作1层钢筋混凝土防渗墙。为防止隧道和堤岸在施工完成后的变形相互影响，在护壁墙和隧道之间预留变形空隙，并用软性填充物进行填充。

桥梁板北侧边缘位于护壁墙顶部，紧靠隧道。桥面板与隧道之间预留10 cm距离，以满足结构的变形要求，桥墩台位于堤岸水中的混凝土护坦以下。典型断面2方案如图9所示。

图9 典型断面2方案示意图Fig. 9 Sketch of typical cross-section 2

2.6 典型断面3

隧道向东距堤线渐行渐远，典型断面3段的桥梁也逐渐接入地面道路，因此复合断面拟定时，应在不影响河道过水面积的情况下，有施工空间的地段施作坡形堤岸，采用坡形堤岸也能更好地与东端既有堤岸衔接。典型断面3方案如图10所示。

图10 典型断面3方案示意图Fig. 10 Sketch of typical cross-section 3

通过研究分析，桥、隧、路、堤的组合结构形式方案具有如下优势：

1)桥梁位于曲线上，紧贴河堤，采用双柱花瓶式桥墩能够有效地将新建结构对原有河道行洪区断面的影响降到最低。

2)隧道敞口段堤岸采用隧道围护结构+扶壁墙，可以有效地利用已有的围护结构，节省投资； 同时，隧道敞口段结构尺寸在横向更小，有效地减小了结构对河道宽度的影响。

3)隧道位于湘江两侧，设置抗拔桩作为抗浮措施，避免隧道在运营期间存在漂浮、隆起隐患； 同时将抗拔桩与护壁墙通过纵、横梁进行连接，起到整体受力的作用。

4)本工程所采用的堤岸形式的开挖工程量较小，能有效地减小对周边地层的扰动，确保隧道、桥梁及堤岸等结构建成后的安全，同时减少工程投资。

3 组合结构计算分析

对于上述桥、隧、路、堤组合结构断面形式，选取一组典型的隧道敞口段范围内的路、桥、隧、堤组合结构断面进行受力计算分析，通过计算结果定性地对本组合方案进行可行性分析，并为实际方案的确定提供参考依据。

3.1 计算模型及单元选取

采用Plaxis2D有限元软件进行计算，计算模型为二维结构荷载横断面模型，水平向宽度取150 m，垂直方向上取地面以下100 m。地层自上而下依次为素填土、粉质黏土、强风化板岩、中风化板岩，水位线取至龙王港河道200年一遇设计洪水位标高处，距地面以下5 m。岩土层具体参数见表1。

隧道敞口段结构深5 m，拟定抗拔桩长10 m，护壁墙紧贴于隧道临水一侧，深入强风化岩层10 m，护壁墙与抗拔桩采用联系横梁进行整体受力连接，隧道敞口段结构、护壁墙及抗拔桩均采用板单元进行模拟，隧道内以及两侧道路考虑35 kPa荷载。具体结构尺寸及参数见表2。

表1 土层参数表Table 1 Parameters of soil layers

表2 模型参数表Table 2 Parameters of model

3.2 模型及边界条件

隧道模型的边界条件为： 左右边界施加水平方向上的约束力，底部边界施加水平与竖直方向及速度上的约束，顶部边界为自由边界。有限元计算模型如图11所示。

图11 组合结构方案计算模型图Fig. 11 Calculation model of composite structure scheme

3.3 模拟结果与分析

3.3.1 周边地层位移模拟结果

周边地层的竖向位移云图和水平位移云图分别如图12和图13所示。

3.3.2 结构单元受力位移模拟结果

结构单元受力弯矩和位移计算结果如图14所示。

图12 周边地层竖向位移云图(单位： m)Fig. 12 Vertical displacement nephogram of surrounding strata (unit: m)

图13 周边地层水平位移云图(单位： m)Fig. 13 Horizontal displacement nephogram of surrounding strata (unit: m)

(a) 隧道结构受力弯矩图 (b) 隧道结构总位移图

(c) 联系横梁受力弯矩图 (d) 联系横梁总位移图

(e) 护壁墙受力弯矩图 (f) 护壁墙总位移图

(g) 桥桩受力弯矩图 (h) 桥桩总位移图图14 结构单元受力弯矩及位移图Fig. 14 Bending moment and displacement of structural unit

3.3.3 计算结果分析

通过对桥、隧、路、堤组合结构方案采用Plaxis2D进行模拟计算，得到周边地层及结构单元体本身的位移、弯矩以及稳定性方面的分布特点。计算结果见表3。

表3 周边地层及结构受力统计表Table 3 Statistics of surrounding strata and structure stresses

周边地层位移情况是评价此结构组合方案可行性的一个重要指标。由表3可知： 地层竖向位移变化最大处位于隧道敞口段与桥桩之间的地层区域，最大沉降量为21.34 mm；地层水平位移变化最大处位于隧道敞口段与扇子山之间的地层区域，存在向隧道内侧变形的趋势，最大位移值为8.77 mm。竖向及水平位移最大变形值均小于30 mm，满足城市道路相关规范要求，因此该方案具有一定的可行性。

此外，隧道敞口段结构最大弯矩为239.84 kN·m，联系横梁最大弯矩为207.03 kN·m，护壁墙最大弯矩为114.69 kN·m，结构本身均能够满足承载力要求；同时，根据各结构位移变化值可知，由于联系横、纵梁的存在，护壁墙与隧道结构在位移的变化上基本达到了协同，对该结构组合方案的整体稳定性起到了重要的作用。

针对模拟计算结果，考虑在桥梁与隧道结构之间的地层区域增设500 mm厚混凝土进行护坡加固处理，护坡采用二级放坡形式,下一级坡度缓于上一级坡度，坡度范围为1∶1～1∶3； 同时，为了防止河水通过钻孔桩缝对道路下土体进行反复淘刷，在双排钻孔桩的外侧施作1层钢筋混凝土防渗墙。最终实施方案如图15所示。

4 监控量测

2011年5月至8月，对湘江西岸桥、隧、路、堤组合结构施工期间以及完成后1个月内的龙王港大堤周边进行了地表沉降以及水平位移现场监控，其中本工程桥、隧、路、堤组合结构断面范围内地表沉降以及水平变形最大的一组监测结果分别如图16和图17所示。

由图16和图17可知： 营盘路隧道西岸大堤在施工期间，大堤周边地表累计最大沉降量达15.44 mm，水平最大位移达6.72 mm，均小于规范要求值； 竣工后，变化趋于稳定。同时，依据数值模拟结果，现场在施工期间采取了一定的保护措施，如控制单次开挖量等，因此实际监测变化量均小于数值模拟结果，可见数值模拟结果对施工起到了一定的指导作用。

图15 营盘路隧道西岸桥、隧、路、堤组合方案实景图Fig. 15 Picture of composite scheme of bridge, tunnel, road and embankment on west bank of Yingpan Road Tunnel

图16 龙王港大堤沉降监测图(2011年)Fig. 16 Settlement monitoring curve of Longwanggang embankment (in 2011)

图17 龙王港大堤水平位移监测图(2011年)Fig. 17 Horizontal displacement monitoring curve of Longwanggang embankment (in 2011)

5 结论与建议

1)针对营盘路隧道西岸主线出口的展线难题，在传统处理措施方案的基础上提出了一种新型的桥、隧、路、堤组合结构方案，该方案功能全面，对于解决特殊条件下的交通功能问题具有一定的可行性。

2)通过Plaxis2D有限元软件对桥、隧、路、堤组合结构方案进行模拟计算，结果显示： 地表最大沉降量为21.34 mm，最大位移值为8.77 mm，均满足城市道路相关规范要求；结构所采取的联系纵、横梁，抗拔桩和护壁墙彼此间的连接在受力以及位移方面起到了良好的协同作用； 根据营盘路隧道工程实施后的现场监控量测结果显示，大堤周边地表累计最大沉降量达15.44 mm，最大水平位移达6.72 mm，实际监测变化量均小于数值模拟结果，数值模拟结果对施工起到了一定的指导作用。

3)营盘路隧道工程竣工后，现场实际效果表明，该组合结构方案最大限度地保留了既有原始地貌，并较好地节约了用地，但由于该组合结构形式在受力方面较为复杂，想要更加准确地分析结构间的受力影响，还需开展相关后续研究工作。