高速公路桥墩桩基施工对既有隧道力学行为研究及稳定性分析

闵亚芝

（中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070）

近年来，广西高速公路迎来快速发展建设时期。以南宁为中心贯通各地市和“通江达海、出省出边、衔接重要枢纽节点”的高速公路网架基本建成。这样，某些局部地区就不可避免地会出现公路与铁路立体交叉的情况。公路技术标准与铁路技术标准的特点大相径庭，两者对于设计、建设、运营安全的要求也不尽一致。因此，国内对于公铁线路交叉问题做了很多研究，例如采用刚性分载板设计解决新建高速公路上跨既有铁路隧道的问题。

下面针对新建高速公路桥梁上跨既有铁路隧道的特殊情况，通过数值模拟验证了桥墩桩基施工及成桥运营对既有铁路隧道结构影响的安全性。

1 工程概况

新建高速公路设计标准为时速120 km/h，采用双向六车道。既有铁路隧道为双线单洞形式，设计时速250 km/h。该隧道于2016年12月28日全线通车运营。

高速公路与南昆客专的交叉处位于南宁站与南宁西站之间，交叉处南昆客专里程桩号为K23+788，对应本项目桩号为Q2K8+780，轨顶至桥梁底的距离为17.21 m，与南昆客专夹角68°。

根据地质勘察资料，新建高速公路与既有高铁隧道相交段具体地质情况见表1。

表1 主要土层岩石力学参数

2 工程方案

桥梁上部结构主桥采用一联（40+60+40）m连续钢箱梁，桥梁分左右两幅，左幅靠近铁路隧道洞口，设置两道护栏加防抛网，主梁采用单箱四室斜腹板箱形截面；右幅远离洞口，采用单箱三室斜腹板箱形截面。全桥采用统一的等截面箱梁，梁高2.8 m。

桥墩采用双柱式桥墩，柱径2 m；采用钻孔灌注桩基础，桩径2.2 m。桥台采用肋式台，承台厚1.8 m，桩径1.2 m。

桥墩桩基距南昆客专中心线的最小距离为26.25 m，距南昆客专隧道外边缘的最小距离为19.24 m。

3 方案安全性评价

3.1 计算环境及模型假定

根据本工程的实际情况和特点，在三维有限元分析时进行了如下假定和简化。

1）将土层简化为水平层状分布的连续材料。基于宏观行为，计算模型中土层采用3D实体单元进行模拟，模型假定岩土体为各向同性，采用M-C屈服强度准则。

2）隧道地层采用莫尔-库伦本构模型，衬砌结构和锚杆采用线弹性本构模型。

3）为简化地形地面采用最不利坡面进行模拟。

4）隧道地层只考虑自重引起的初始应力场。

5）模型的左右边界施加水平约束，底部施加竖向位移约束，顶面自由。根据工程经验分析，考虑到挖方和填方土体的影响范围及尽可能简化减少节点等因素，计算范围选取150 m×60 m的土体单元。在此区域模拟土层、隧道、桥梁桩基，通过激活钝化开挖区域的土体单元，衬砌单元模拟开挖及桩基施工。隧道桩基相对位置关系如图1所示。

图1 隧道桩基相对位置示意

模型中初期支护采用2D板单元进行模拟，锚杆在模型中采用1D植入式桁架进行模拟，隧道材料参数见表2。

表2 隧道材料参数

3.2 计算工况

结合迈达斯GTS软件的激活、钝化技术及网格自适应功能可有效准确地计算具有复杂几何边界及多种介质条件下的岩土、结构等二维力学运算，施工步设置及控制区域见表3。

表3 施工步设置及控制区域

3.3 计算云图及数据

3.3.1 桩基成孔影响分析

软件模拟2.2 m直径桩基成孔时考虑了40 mm厚钢护筒支护。桩基成孔后地层产生的位移如图2所示，隧道发生的位移如图3所示。

图2 桩基成孔后地层位移

图3 桩基成孔后隧道发生的位移

计算发现地层横向位移最大值及最小值出现于桩孔底部位置处，最大位移值为0.68 mm，最小位移值为-0.44 mm。地层竖向位移最大值出现于桩孔底部位置处，为4.95 mm，竖向最小位移值出现于桩孔中心置处，为-0.44 mm，地层横向位移及竖向位移值均处于安全范围内。

桩基成孔后隧道产生横向位移，其最小值仅为-0.01 mm。可以认为桩基成孔对隧道影响极其微小。

桩基成孔后隧道产生竖向位移最大值位于拱底位置处，为-0.06 mm，竖向位移最小值位于左侧拱肩位置处，为-0.12 mm。可以认为桩基成孔对隧道极其微小。

3.2.2 成桥运营影响分析

成桥阶段，软件考虑桥面二期荷载及活载，运营后地层产生的位移如图4所示，隧道发生的位移如图5所示。

图4 成桥后地层位移

图5 开挖完成桩基时隧道发生的位移

计算发现地层横向位移最大值及最小值出现于桩孔底部位置处，最大位移值为0.70 mm，最小位移值为-0.41 mm。地层竖向位移最大值出现于桩孔底部位置处，为4.49 mm，竖向最小位移值出现于桩孔中心偏上置处，为-0.96 mm，地层横向位移及竖向位移值均处于安全范围内。

成桥后隧道产生横向位移，其最小值仅为-0.03 mm。可以认为成桥及施加桥面恒载和活载后对隧道影响极其微小。桩基开挖完成后隧道产生竖向位移最大值位于拱底位置处，为-0.13 mm，竖向位移最小值位于左侧拱肩位置处，为-0.26 mm。可以认为成桥及施加桥面恒载和活载后对隧道影响极其微小。

4 结论

1）高速公路桥梁上跨既有铁道隧道，在桩基施工及成桥运营阶段对隧道的影响非常微小，桩基施工基本不会引起隧道主体结构的位移及变形。

2）桥梁设计中应提高防撞护栏的安全等级，增加防抛网等防抛措施。

3）桩基施工应尽量避开雨期施工，并采取可靠的护臂支护措施。桩基施工宜采用振动较小的回旋钻或旋挖钻。