自制钢便桥在浅埋隧道下穿既有公路施工中的应用

赵 亮

（云南交投公路建设第五工程有限公司，云南交投集团公路建设有限公司，昆明 030004）

在隧道施工过程中，经常会遇到浅埋段下穿既有路的情况。有些既有路由于地势陡峭而无法实施道路改移措施。施工过程中如有重载车辆从隧道上方既有路通过，就会存在严重的安全隐患，在施工中需要格外注意。针对该问题已有学者从不同角度做出了研究。在穿越段施工对拱顶及路面影响力学机理研究方面，曹成勇等结合数值计算和现场测试方法，对隧道下穿高速公路时的地表和隧道拱顶沉降、掌子面挤出位移、初期支护受力特征及二次衬砌应力的变化规律进行了分析总结，指出对掌子面进行锚喷加固、把握好支护时机、优化施工程序及时封闭隧道断面和加大监控测量频率可有效控制地表沉降［1］；王凤喜运用有限元的方法通过设置不同的埋深对围岩和支护结构的受力特征做出了分析，指出随着埋深的增加，围岩和初期支护的最大和最小主应力逐渐增大，围岩塑性区范围逐渐增大而后趋于稳定［2］。在研究不同开挖工法对路面沉降和围岩变形影响方面，贾蓬等应用三维数值模拟方法分析比较了双侧壁导坑法、中隔壁法、CD 法及CRD 法的优缺点，为施工工法的选择提供参考［3］；宋战平等运用数值分析软件对比分析了不同开挖工法时隧道围岩变形特征及高速公路路面的沉降变形规律，表明当隧道下穿既有高速公路时采用CRD 法开挖施工时对拱顶和路面的沉降影响较小［4］。在控制穿越段拱顶和路面沉降变形施工措施研究方面，胡守云依据当地地质情况，结合具体工程案例把控制措施分为两个大方面，即穿越施工前和穿越施工时，指出隧道穿越施工前需采取加固地层措施，如水平和垂直旋喷桩、超前大管棚等，隧道施工时应采取合适的开挖方法，有效控制了地表沉降［5］；雷亚峰等对隧道围岩采取了优化施工工法、加固掌子面及拱脚、加强现场施工管理确保施工质量等一系列的隧道变形控制技术，控制效果明显［6］。李建等针对某隧道现有施工方案无法使土体表面沉降得到有效控制的问题，提出了减小开挖面积、侧导多台阶开挖、预留核心土及时封闭成环及加强初期支护等施工整治措施，有效控制了拱顶和路面沉降［7］。综合来看目前学者针对这种情况一般会加强本段隧道初期支护强度或改变开挖工法严格控制变形，但在施工过程中尤其是立架工序，隧道掌子面属于暴露阶段，施工风险很高。隧道为24 h 不间断施工，时不时会进行封路也会造成道路交通堵塞，道路保通工作也比较繁重。最好采用一种一劳永逸的措施，既能保证隧道正常施工，又能保证道路正常通行。针对上述问题，决定采用自制钢便桥横跨隧道开挖断面，彻底将重载车辆与路面隔离，避免车辆对路面冲击引起隧道拱顶下沉甚至塌方，造成安全事故。施工后效果良好，可为类似工程提供参考。

1 工程概况

墨江至临沧高速大春田隧道出口段下穿长安农村公路，大春田隧道为分离式双线隧道，围岩级别Ⅴ级，左右幅长度均为845 m，左幅起止里程为K210+475～K211+320，右幅起止里程为 K210+445～K211+290。隧道共涉及4 处下穿长安路，分别为右K211+276、右K210+510、左K211+310、左K210+520，4 处隧道洞身均与长安路正交，埋深为5～8 m。

2 工艺特点及流程

钢便桥可将车辆与路面隔离，避免车辆轮胎直接冲压隧道拱顶上方路面，保障路面车辆通畅行驶的同时能保证隧道施工安全，具有材料易采购，加工工艺简单，并可以用于后续隧道仰拱施工或用于施工便道跨越沟渠，转场方便，不需拆装的特点。本工艺施工流程为：钢便桥选型→便桥强度刚度计算→便桥加工制作→现场检验→测量放样→浇筑台座→便桥安装就位→正常通车→便桥拆除及转场。

3 钢便桥选型及验算

3.1 便桥选型

依据前期制定的施工方案，本双线隧道开挖方式为“三台阶七部开挖法”，开挖断面横向最大尺寸为12.8 m，位于中台阶位置处。考虑便桥两端需要与台座搭接50 cm，故便桥长度不小于15 m。结合现场施工具体情况拟采用便桥长度为15.06 m，单幅宽1.15 m，两幅便桥中间用1.20 m 宽钢板连接，与每侧主梁搭接5 cm，便桥桥面总宽度3.4 m。单幅采用两根HW400 mm×400 mm 为主梁，长度15.06 m，宽0.4 m，主梁间距0.75 m，两根主梁中间采用I18 工字钢进行连接，工字钢的间距为0.6 m，共计20 根。上面铺设一层2 cm 厚钢板，宽度为0.35 m，居中布置，紧贴I18 工字钢顶面，两侧与主梁顶面进行焊接连接。桥面铺设一层Φ20 mm，长度1.15 m 的螺纹钢筋，间距20 cm。两端上坡处钢筋间距15 cm。台座采用0.5 m×3.8 m×0.3 m（长×宽×高）现浇C30 混凝土台座。钢便桥结构示意图如图1 所示。

图1 钢便桥结构示意图

3.2 钢便桥强度及刚度计算

3.2.1 计算荷载确定

隧道施工中所用的大型车辆有出渣车、挖掘机和混凝土罐车，各种车辆空载质量分别为17、17、20 t。考虑砂石料车满载为26 m3，混凝土罐车满载为8 m3，砂土密度为1.8～2.0 t/m3。按最大密度（2.0 t/m3）来计算，混凝土密度按2.5 t/m3来计算［8］，则

满载状态下砂石料车总质量为G1=17+26×2=69 t。

满载状态下罐车总质量为G2=17+8×2.5=37 t。

由上述计算可知，满载状态下砂石车质量最大，即便桥设计必须满足满载砂石料车的行车要求。既有路通过的砂石料车为后八轮自卸卡车，轴距为3.5 m+1.3 m。满载状态下砂石料车总质量为G1=17+26×2=69 t，单侧车轮传递力K=G1×g/2=69×10/2=345 000 N。假设中轮及后轮车轮传力K中及K后为K的45%，前车轮传力K前为总传力K的10%，则

此便桥为两根HW400×400 的H 型钢，所以每根H 型钢所承受的荷载为

考虑到砂石料车的行驶冲击效应，需要在原基础上添加冲击系数1.25［9］。则此时便桥荷载为

前轮位置每根H 型钢所施加的荷载：F前=F1×1.25=17 250×1.25=21 562 N。

中轮位置每根H 型钢所施加的荷载：F中=F1×1.25=7 7625×1.25=97 031 N。

后轮位置每根H 型钢所施加的荷载：F后=F1×1.25=77 625×1.25=97 031 N。

砂石料车为后八轮自卸卡车，轴距为3.5 m+1.3 m。验算时为了取最不利荷载下的最不利情况，取轴距为3 m+1 m。根据简支梁的受力特性，当荷载的合力位于简支梁桥的中心位置时，其受力状态最不利情况。取桥的实际有效长度为9 000 mm，两根H 型钢间距750 mm，并以600 mm 的间距设计I18的连接肋，并以此建立模型。

3.2.2 便桥强度计算

对于Q235B 钢材由相关规范［10］取：弹性模量E=2.06×105 MPa。抗拉、抗压、抗弯容许应力fy=215 MPa。

利用MIDAS CIVIL 建立模型进行的强度运算，结果如图2 所示。

图2 便桥应力分布图

由图2 强度计算结果显示：便桥桥组合最大压应力为135.3 MPa，出现在便桥桥跨径中间位置；便桥组合应力小于材料允许应力σ=215 MPa，故便桥强度满足要求。

3.2.3 便桥刚度计算

由相关施工规范［11］结构模板最大挠度不应超过模板构件跨度的l/250，利用MIDAS CIVIL 建立模型进行的变形量运算结果如图3 所示。

图3 便桥挠度分布图

由图3 可知便桥最大变形在跨径中间位置，并且挠度值f=24.9 mm＜l/250=36 mm。故便桥最大变形量符合设计要求。

4 所需材料及施工要点

4.1 材料及设备准备工作

钢便桥制作施工前应做好相关准备工作，钢便桥加工所需设备主要为：二氧化碳保护焊机2 台，乙炔切割机1 台，所需原材料见表1。

表1 施工材料清单

4.2 施工操作要点

1）H 型钢接长焊接要符合相关规定［12-13］，焊缝要饱满平顺，接长端要沿型钢纵方切不大于45°斜面进行焊接。

2）焊接缝两侧要用与肋板同厚度钢板加强。加强钢板长度要大于焊接缝水平长度，高度与肋板相同。加强钢板上下两边要与H 型钢上下面板焊接，竖向两边不进行焊接，保证弹性变形量。

3）测量放样时要准确定出台座位置，保证便桥台座平均分配于隧道两侧。

4）便桥必须经过验收后方可进行安装。便桥安装如图4 所示。

图4 现场便桥安装

5）在台座混凝土达到70%强度后方可进行便桥安装。如果时间紧急可以在台座混凝土中加入早强剂。现场可采用回弹仪检测混凝土强度。

6）便桥两端必须要放置到台座凹槽中，防止便桥移位。

7）隧道爆破时，要禁止车辆从便桥通过。每次爆破完成后要及时检查便桥台座是否出现裂纹及便桥焊缝是否脱落。

8）待既有路下方隧道二衬混凝土强度达到100%时，方可进行便桥拆除。

9）施工过程中，要做好沉降观测。一旦出现问题，立即采取措施处理。

5 安全与环保控制措施

5.1 安全控制措施

1）便桥加工前应对工人进行安全技术交底及培训。没有经过培训或培训不合格者，不得进行施工。

2）焊接人员应穿戴绝缘鞋、防护镜、电焊手套等。

3）施焊现场不得堆放易爆、易燃品。

4）电焊机电流大小应按规定的电流值于暂载率严格执行，不许超负荷使用。

5）清除焊渣时，面部必须避开正在清渣的焊缝，以免焊渣飞出伤眼。

6）带电的焊钳不许用胳膊夹持，以免触电。

7）在潮湿处工作时，不许用手触摸电焊机的导线部分。

8）禁止氧气瓶、乙炔发生器放在强烈阳光下暴晒及接近火源、热源和电闸箱，以免引起爆炸事故。

9）乙炔发生器、氧气瓶和焊枪三者的距离不得小于10 m。

10）焊接中，如焊枪发生爆炸声音或感到有振动时，应立即关闭氧气阀和乙炔阀，待其冷却后方可继续工作。

11）发现乙炔发生器产生高温时，应立即停止工作；发现乙炔发生器燃烧时，应立即把乙炔发生器朝安全方向放倒，并用黄砂扑灭火种。

5.2 环保控制措施

1）便桥拆除后，破碎台座混凝土要统一运到指定地点处理，不得随处乱到。

2）施工和焊接过程中产生的费料要堆放到废料区，不得随处乱放。

6 经济效益分析

6.1 贝雷架钢便桥经济效益分析

除了采用自制钢便桥过路外，还可以采用贝雷架钢便桥。贝雷架钢便桥跨径可以更大，安全风险也低，但是成本高，转场费用也大，重复利用效益较低［14］。

贝雷架钢便桥费用见租赁贝雷架钢便桥费用见表2（结合工程实际，按照2 个月计算，18 m 跨径）。

表2 租赁贝雷架钢便桥费用

表2 所计算费用是不含税的总计费用，若需转场利用，每次还需要40 000 元的拆除安装费用。综合效益较低。

6.2 超前支护经济效益分析

隧道顶部采用自制钢便桥过路，可以利用现场既有设备，所用的材料可用于后续隧道仰拱施工或施工便道跨越沟渠中。因此并不会额外增加成本费用，仅增加转场费用，按照正常支护形式即可；而若采取隧道超前支护的方法施工，路面上行荷载对隧道影响长度范围为15 m，初期超前支护形式为双层注浆小导管，长度4.5 m/根，搭接1.5 m，45 根/环。钢便桥转场按照8 h 计算，具体费用见表3。

表3 自制钢便桥和超前支护费用

通过表3 可以看出，每次过路使用自制钢便桥可以节余58 725-3 360=55 365 元。每次过路段按照5 环双层注浆小导管计算，一般每环单层注浆小导管施工周期为4 h，采取自制钢便桥可以大致节余20 h。综上所述，采用自制钢便桥要更经济实惠。

7 结论

隧道下穿既有公路时，公路上行车辆荷载给穿越段施工带来了极大的困扰，若不采取控制措施会造成路面及拱顶沉降，引起围岩变形，严重时甚至会造成路面塌陷，对施工人员生命安全造成严重威胁。而封闭道路又会造成路面交通阻塞，道路疏通工作烦琐，造成不良的社会影响。鉴于这种情况，采取自制钢便桥横跨穿越段的措施，有效地避免了上行车辆荷载对隧道穿越段施工的影响，取得了良好的施工效果，得到的结论如下：

1）结合现场实际情况，依据隧道断面尺寸和施工工法对自制钢便桥进行相应的选型，确定设计尺寸，运用MIDAS CIVIL 建立模型并进行刚度强度计算，确保承载能力和位移变形满足规范要求。

2）对自制钢便桥施工工艺流程、所需材料及设备、施工操作要点、安全与环保控制措施进行一系列总结归纳，并对采取贝雷架钢便桥和超前支护措施进行经济效益对比分析，体现了采取自制钢便桥措施的优越性。

3）自制钢便桥保证路面上行车辆正常行驶的同时大大减弱了上行荷载对隧道施工的影响，无需加强穿越段隧道围岩和支护结构，节约了施工成本，且具有材料易采购可循环利用、加工方便、转运场方便的特点，已在具体工程案例中得到应用，可为类似工程提供参考。