桥梁施工对既有铁路隧道的影响分析

方建强

（北京中铁诚业工程建设监理有限公司 北京 100070）

为了保证高铁运行的安全性，在工程建设中往往采用桥梁方案，而非采用路基方案上跨高速铁路的隧道。在广州从化—黄埔高速公路上，穿越广州枢纽东北方向的大梅山隧道段，采用MIDAS GTS NX 有限元软件，对跨梅山隧道段进行了数值仿真，预测了隧道的收敛性、二次衬砌的稳定性。

1 道路桥梁隧道工程施工的特点

1.1 依赖性

路面桥梁隧道建设的施工内容大多包括了大桥、隧洞等复杂路段，所以在一般情况下需要进一步熟悉现场的地质条件要求。其中，在路面桥梁隧道工程施工前，工作人员必须仔细勘查场地上可能产生的地质问题，并以此为基准形成完备的预防事故措施，从而可以为各项工程建设的顺利实施提供技术指导，也可保证在现场施工事故产生时能及时处理，以减少工程的经济损失。

1.2 差异性

通常情况下，由于道路、桥梁、隧道的建设要求的不同，选用的结构形式也不尽相同。除了工程因素之外，技术上的差别也是道路、桥梁、隧道的主要特点。在隧道施工中，由于隧道的地质条件十分复杂，施工人员要不断地调整施工方法，以确保施工的有序、高效，同时避免施工中发生的安全事故，提高施工的质量。

1.3 未知性

基于实际的道路桥梁隧道项目施工过程，由于施工现场多存在着相当复杂的地质条件，因此在施工过程中非常容易发生各类意外，特别是隧道碎石问题，不但会给工作人员造成生命危险，同时也不利于大型机械设备在施工中的正常使用，进而严重影响了施工效果，这也是道路桥梁隧道项目施工中的一个难题。

2 道路桥梁隧道工程施工的难点

2.1 防给排水安全性主要问题

在城市交通桥梁隧道工程施工过程中，防给排水安全性问题一直是工程建设的首要难题之一。其中，因为各种道路及桥梁隧道的水文、地貌等条件都具有很大不同，从而导致一旦在桥梁隧道建筑施工发生地下水突涌及岩体破碎等重大问题，轻则妨碍了建筑施工的持续开展，重则造成了巨大的建筑施工事故，从而危及了现场施工人员的身体安全，并且给建筑施工机械设备造成了很大的损失。在一般情况下，对于防排水问题可以通过防水构件和防水材料提高施工的防水特性，但是目前由于中国在该领域内的科研力量不足，导致防水技术运用过程中仍存在着很多困难，从而无法达到防水施工的基本条件。

2.2 砼开裂预防问题

在现实交通桥梁隧洞工程施工过程中，因为浇筑期普遍较长，所以浇筑中难免存在因温度而变形的问题。在低温气候下，很容易出现混凝土开裂问题。为了保证砼施工的稳定性，通常可以通过控制砼水化热程度及把控制砼模板拆除时间等方式进行作业，但是从现实的施工效果出发，由于砼工程质量会受施工素质和施工方法合理性等诸多因素的影响，使得目前砼开裂预防问题也成为道路桥梁隧洞工程施工的技术难题。另外，尽管预应力技术的运用可以对砼开裂问题产生一定的预防效果，但目前该技术还未能获得普及和广泛使用。

2.3 爆炸塌方预防问题

以隧道施工为例，因为隧洞施工时必须对岩体实施不同程度的爆破，所以在爆炸破碎以前，工作人员就需对现场地质要求进行多次核实，以防爆破作业时引发坍塌事件。不过，由于各个隧洞施工的水文地质要求都有着很大不同，导致工作人员在进行爆破作业时普遍没有足够的经验指导，从而不得不依靠更加细致的勘查来优化作业方法，而在此过程中，如果工作人员的安全意识淡漠或对现场勘查欠缺，便很容易造成爆破坍塌事件，威胁工作人员的安全，从而导致施工工作无法顺利开展。

3 桥梁隧洞工程施工难易产生的影响因素

3.1 施工安全意识薄弱

从实际调研中不难发现，施工安全意识欠缺也是导致目前道路桥梁隧道施工中存在着诸多问题的主要因素之一。就目前的道路桥梁隧道工程施工公司的施工队伍组成状况分析来看，不但大部分施工不具有专业的施工资质证，同时也因为没有系统的教学训练，导致大部分施工的人员文化素质普遍较低，难以满足公路、桥梁、隧道工程施工中安全技术质量等级的要求。然而，在实际施工中，由于存在着相对薄弱的施工隐患，致使他们未能及时地发现存在的安全隐患，这种情况不仅会影响到施工的质量，还会危及到工人的生命安全，严重地制约着施工企业的健康发展。

3.2 施工企业管理体系的不足问题

在道路桥梁隧道建设项目施工管理过程中，建立健全的企业管理体系是保证所有工程建设作业正常有序、高效开展的关键和前提条件。但从实践上出发，目前大部分的道路桥梁隧道建设项目建筑施工公司都无法根据复杂施工现场具体情况形成比较明确的施工企业管理体系，特别是对质量、建筑安全性等工程建设条件的管控不足，从而导致在施工管理过程中时常发生各类施工问题，很易影响工程建设的顺利开展。另外，在具体施工流程中，大部分建筑施工公司的管理观念主要停留在成本管理和效益管理之上，但在这样一味追求施工速度的管理模式下，不但建筑施工品质很难获得保证，同时在面对常见施工难点时也并无法做出合理的化解与管理，从而严重影响了路面桥梁隧道施工的总体施工效果。

3.3 现场监督不足

在高速公路桥梁隧道工程施工中缺少系统的现场监督，是导致施工过程产生多个现场施工难点的主要因素。因为缺乏兼具安全技术管理和品质管控功能的监督模式，也导致了许多建筑施工公司无法有效处理在现场碰到的难点，轻则影响施工进度，重则留下不小的施工管理隐患，为建筑后期交付使用时造成负面影响。另外，关于建筑施工过程，尽管目前建筑施工行业已具备了相对科学的质量管理规范，但由于不同类型的工程项目存在着截然不同的施工特点，导致施工过程仍会存在着相应的违规操作，不但极易发生施工安全问题，而且还会严重危害建筑品质和施工效果。

4 道路桥梁隧道工程施工技术人员的使用要求

4.1 GPS测量技术

面对着复杂多变的路面桥梁隧道施工，GPS 技术不失为一个针对该类施工问题的十分有用的手段。以隧道建设为例，在使用了GPS技术系统后，施工者就可以更加全面地对隧道周围的水文地质条件进行测量，不但能合理优化设计方案，从而避免了施工过程中发生爆炸破碎坍塌等问题，同时还可以缩短工作内容，从而减少因各种施工问题所造成的施工耽误问题。另外，基于GPS技术系统中非常关键的测量技术，对现场数据信息也可以进行更加准确、合理的计算与记录，从而可以对交通桥梁隧道建设项目施工过程进行更加全面的指导，并可以带动建设项目施工效益的提高。

4.2 钢筋混凝土工程技术问题

在实际的交通桥梁隧道工程施工过程中，钢筋混凝土工程技术也非常重要。其中，针对以往钢筋砼施工中常出现的钢筋腐蚀问题，除需通过加强现场混凝土管理工作、定期维护来保证水泥和钢材质量之外，还应严格控制水泥材质的选用，尽可能从配比、浇筑技术等方面加以改进。例如，水泥拌和流程应该严格遵循行业标准比例进行拌和，同时浇筑环节应该避免堆积问题发生，并在适宜气温和潮湿环境下保证水泥的质量，以便延长水泥寿命，提高施工的总体质量。

4.3 支护防水技术

在国家高速公路桥梁隧洞工程施工过程中，支护防水技术由于在预防隧洞渗漏问题上的巨大优越性，而受到了工程建设行业的广泛关注。锚喷支护技术也是支护防水技术研究的重点内容，该技术通过利用增强支护围岩稳定性来提高隧洞总体结构质量，可以有效遏制隧洞的坍塌问题，并可防止其他隧洞施工重大安全事故出现。但是，在支护防水技术使用过程中，三台阶施工和初期保护工作必须同步进行而且同时完成，并要求施工人员必须在施工完成后及时就施工情况进行检验，以避免因施工条件不合理而造成的施工重大安全事故。

4.4 防水工艺技术

根据防水层面的特点，在公路桥梁、隧道工程中，除支护等防水技术外，还应采取相应的防水措施。在工程建设中，为了避免长期的雨水对混凝土、钢筋、混凝土等建筑物的损坏，需要利用具有柔性特征的防水材料对建筑加以保护。因此，在砼浇筑过程，可选用沥青材料或药用高分子材料保护砼，从而延长砼的使用寿命。另外，鉴于我国材料产业尚处在蓬勃发展时期，因此需要对现有防水工艺进行深入的研发与实验推广，从而为高速公路桥梁隧道项目工程建设提供充分的科技保证。

4.5 铺涂层防脱工艺技术

面对由于长时间超负载而造成的铺涂层剥落问题，也可以通过铺涂层防脱技术进行处理。一方面，要尽可能地选择具有良好曲线特征的铺装层，以减少由铺装层引起的弯曲开裂；另一方面，应该选择具有防水性能的或具有抗裂性能的混凝土铺装层，以保证铺装层的使用寿命。此外，建筑材料的选用也要依据建筑环境的不同而科学合理，比如面对冷冻区域采用沥青砼、面对非冷冻区域采用保护砼等，并且为了确保对铺装层的有效性，通常可把铺装层厚度限制在8～10cm。

5 工程概况

广州市内从化至官洲公路与广州枢纽东北货车道外绕制相交于DIIK34+617.8，轨顶标高为81.193m，地面标高为106.408m，大桥上段使用了25m+40m+3×的装配式预应力砼简支小箱梁、简支T柱，该桥的桩基高度距隧洞外缘净差最少为12.2m，且左右幅1号、2号与该桥的桩底高度差均小于隧洞外仰拱高度。大梅山隧洞在交叉节点附近段落采取ⅴb型模筑衬砌，φ42超前小导管注浆方式夯实土质岩层，三台阶临时仰拱法浇筑，总埋深约为17m，按土质岩层分布自上而下为砂子黏性土、全风化作用花岗岩、强风化花岗石。隧道洞身则位于强风化花岗石之中。

5.1 有限元数值模拟

按照《路面工程技术规范》（JTG B01-2014），高速机动车道设计负荷为普通公路工程的ⅰ级别时，负荷平均值为=10.5kN/m。在建模中，将大桥的上部构件和支承台上回填覆土转换为效应于支承台顶上面的垂直均布压力，经估算左右侧在支撑承台顶面上的相互作用负荷依次为230kPa、200kPa。

在有限元仿真中，单元数为98 433，结点55 546个，自由度为171 435。在这些工程中，隧道二次衬砌共1558个单元，节点1599个。隧道周围的网格分布比较密集，而从隧道外部逐渐稀疏。对大梅山隧道与桥墩之间的相互作用进行了有限元仿真。

5.2 计算参数及边界条件

因为桩承台所穿过的全风化花岗岩土层很稀薄，结构模型中只选择由砂质黏性土和强风化花岗岩土层所构成。而土体选择弹塑性，因此使用莫尔－库伦本构模型；而大桥桩承台和隧洞的二次模筑衬砌则使用了弹性本构模型。有限元模型上施作加法向压力界限，在模具的各侧及下方施以法向移动约束界限。以仿真施工过程为“产生墙体的自重地应变场→隧洞开凿产生一定压力→施作二衬砌产生剩余荷载→大桥桩承台施工→再产生桥梁压力”。其中，可以使用钝化土壤地层的实体单位、二衬片单位，以实现对隧洞施工的仿真；采用活化基桩施工梁单体和改变支承台等实物单位的结构属性，以完成对大桥桩承台施工的仿真。

5.3 数值模拟计算结果

5.3.1 位移分析

大桥上部结构荷载直接作用于承台上，再经由桩承台传导到附近地层构造中，从而间接地对大梅山隧道构成了影响。在隧道内接近桩承台的一段，就会受的影响比较明显。在大桥上部结构荷载影响下，桩承台和大梅山隧道内模筑衬砌之间都产生了竖向位移，且桩承台的竖向位移又高于隧洞内模筑衬砌的竖向位移。左边桩承台的竖向位移又高于右边桩承台的竖向位移，这是因为左侧承台上部的回填土厚度较大，所以其承载力也比较大，因此，左支承台处的结构荷载大于右侧支座。所以，深圳市梅山中学隧道在施工过程和结构荷载作用下，会在一定程度上影响到大梅山隧道。深圳市梅山中学的隧道衬砌最大垂直位移为1.1mm左右，比既有线路施工控制要求的5mm小。

5.3.2 应力分析

在桥梁施工条件及上部构造荷载的影响下，近桩或基础段落隧道工程围岩中势必出现的内部应力重分布现象。在评价隧道工程稳定性时，就有必要对其围岩的内部应力状况加以分析。在仰拱应力最集中的位置，主应力最大值分别为73.407kPa和-195.020kPa。

6 结论

（1）大梅山隧道的衬砌构件，在桥梁施工条件及上部构造荷载的影响下出现了严重竖向偏移，竖向位移范围最大约1.1mm，远小于国家规范要求的5mm 的最大控制标准差。（2）大梅山隧道在桩基周围的围岩应力状态没有明显的变化。（3）采用最大影响断面的内力分析方法，对已有隧道模筑衬砌的截面刚度进行了检验，其强度值满足设计规范。