预留桥位不同桥型对临近隧道的影响研究①

2019-02-15魏孟春王艳宁戴少雄

佳木斯大学学报（自然科学版） 2019年1期

熊刚, 魏孟春, 王艳宁, 戴少雄

(天津市市政工程设计研究院，天津 300392)

0 引言

桥梁桩基与盾构隧道近接施工会引起周围地层的变形，从而引起隧道结构或临近桥梁桩基的附加变形和内力。科学预测这种附加变形和内力，有利于既有结构采取安全措施和新建工程合理制定施工方案，将桥梁桩基与隧道近接施工造成的影响减到最低[1]。目前关于新建桥梁基础施工对既有隧道的影响或新建隧道施工对既有桥梁基础影响的文献较多[1～4]，研究预留桥位不同桥型方案对临近隧道的影响相关文献尚不多见。

1 工程背景

1.1 基本情况

城市轨道交通发展经常带来一系列桥隧相交或近距离穿越的问题[5]。北方某市在建地铁隧道穿越现状河道，根据城市总体规划安排，将在隧道穿越河流位置适时启动修建跨河桥梁。

由于规划桥梁位置与在建地铁线位较近，桥梁基础荷载容易对临近既有隧道造成影响[6～9]。为避免后期实施桥梁对已建成的隧道造成较大影响而影响桥梁实施的可能性，需要在隧道设计阶段，研究预留桥位不同桥型后实施的可能性。并评估不同桥型可能对既有隧道的影响，以便在桥型选择时，兼顾考虑对既有隧道结构的影响。

图1 隧道与桥梁关系

桥位处河道水面宽180m，航道等级为IV级，通航水位1.5m，航道净空5.5m，航道宽度30m。地铁盾构隧道穿越该河道段为双洞双线隧道，两孔中心距为59m，盾构外轮廓直径为6.20m。桥梁与隧道的平面位置关系见图1所示。

1.2 预留桥型方案

规划桥梁全宽40m，桩基、承台及墩柱基础布置信息，根据不同桥型方案，按规范要求的反力组合综合确定。结合规划对预留桥型的意见，分别对中等跨径连续梁、大跨径斜拉桥和自锚式悬索桥等几种常见桥型进行方案设计。在此基础上确定合理的基础布置，见表1所示。

六个方案中，A1和A2为中等跨径方案，部分桥墩在水中。由于桥梁分幅设置的缘故，基础距离隧道最小净距较小。此类桥型重点分析水中墩对隧道的影响，尤其水中基础施工过程中基坑开挖引起的隧道变形影响。而B1、B2、B3和C1四个方案均为大跨径特种桥梁结构，重点关注主塔基础施工及运营期间引起的隧道变形影响。其中独塔双柱斜拉桥由于塔柱在桥面边线以外，相应塔柱基础距离隧道位置距离最近，应予以重点关注。

2 数值计算分析

计算采用空间有限元软件PLAXIS3D进行。隧道与桥梁基础几何尺寸、桥隧位置关系以及桥梁上部结构恒活载反力均按实际建模，确保结果可靠。为最大限度减小边界条件对计算结果的影响，土体模型尺寸为200×120×100m，详见图2所示。

图2 数值计算模型

为考虑桩土作用非线性效应，采用接触单元模拟桩土作用。为准确反映土体的弹塑性效应，选用修正摩尔库仑模型反映土体的本构关系。地基土层的物理力学指标如表2所示。

表2 地基土层的物理力学指标

3 隧道影响分析

3.1 隧道安全控制指标

根据规范[10]要求，隧道结构安全控制指标应包括位移、变形和差异沉降等。其中水平位移和竖向位移分别按预警值和控制值进行控制。水平变形和竖向变形的预警值均为10mm，控制值均为20mm。

3.2 后期实施桥梁对隧道的影响分析

桥梁施工阶段引起的隧道变形与施工工艺密切相关。计算假定施工均严格按照既定工序进行，且支护措施得当。理论分析认为，施工阶段六个桥型引起的隧道水平与竖向变形均小于5mm。

桥梁正常使用阶段，六个桥型引起的隧道水平变形均小于5mm。等截面连续梁和独塔自锚式悬索桥引起的隧道竖向变形在5mm以下。变截面连续梁和独塔单柱斜拉桥引起的隧道竖向变形在5-10mm之间。独塔双柱斜拉桥和独塔单柱斜拉桥引起的隧道竖向变形超过预警值而小于控制值，应引起关注。桥梁基础对隧道的影响如表3所示。

表3 桥梁基础对隧道的变形影响(mm)

相对连续梁，独塔单柱斜拉桥跨径较大，塔柱传递到基础的荷载反力大，对引起的隧道变形相应增加。独塔双柱与独塔单柱相比，由于塔柱布置更靠外的原因，桩基距离隧道更近，因此引起的隧道变形进一步增加。

分析可以看出，桥梁使用阶段对隧道的影响大于施工阶段的影响。若选用大跨径独塔双柱斜拉桥方案，应加强隧道变形监测，确保隧道运营安全。

3.3 隧道影响范围分析

同一桥型桩基位置相对固定的情况下，隧道距离桥梁基础位置越近受到影响最大。随着隧道位置距离桥梁基础的增加，隧道产生的变形影响快速降低。对引起隧道变形值超过预警值的，应分析超过预警值的范围，以便供隧道监控时参考。分析表明，独塔双柱斜拉桥引起的隧道变形超过预警值的范围为±35m，独塔单柱斜拉桥引起的隧道变形超过预警值的范围为±33m，如图3所示。