大断面隧道下穿既有桥梁的安全评估及控制★

廖烟开，郭德平，李瑞林，王兴猛，唐俊林

(叙镇铁路有限责任公司，云南威信 657999)

1 概述

随着交通基础设施建设的快速发展，穿越复杂条件的隧道工程越来越多，鉴于我国西南地区地形条件，新建铁路线不可避免的会与既有铁路、公路线相交，因此遇到的隧道下穿上跨等问题也越来越多。隧道下穿既有桥梁的施工过程中，会打破桩基周边岩(土)体原有的应力平衡状态，造成桥墩的承载能力和自稳能力的降低而导致桥梁结构的失稳或损坏；同时由于桥墩荷载的影响造成隧道开挖发生坍塌的风险极大。张志强、何川[1]以数值模拟计算为手段分析了隧道近接既有桥梁开挖施工的力学响应。苏洁[2]采用模糊综合评价方法提出了桩基承载力损失的概念并对桥梁桩基础受隧道施工的影响程度进行了评价。郭宏伟[3]通过数值模拟计算得出了下穿隧道施工导致桥梁桩基础侧向负摩阻力产生的结论。周济民[4]以北京地铁下穿高架桥桩基群为例，通过数值计算得出，桩基群纵断面方向的差异沉降量和倾斜量明显小于横断面方向。贾瑞华[5]采用桩土接触的三维计算模型，较全面的分析了金沙洲隧道施工掌子面前方地层的位移趋势、洞内初支及桩基响应等。刘云亮[6]以新建隧道下穿地铁高架桥为例，运用有限元计算方法确定适宜的桥梁加固措施和隧道的合理施工工法。

本文以新建成昆铁路米易至攀枝花段垭口隧道下穿西攀高速城门洞大桥为例，在详细分析隧道下穿过程中存在的风险的基础上，采用数值模拟方法对桥梁上部结构安全进行了评估分析，对拟采用的工法和支护措施进行了结构检算，以现场监测数据验证了控制措施的有效性和可靠性。

2 工程概况

2.1 隧道概况

新建成昆铁路米易至攀枝花段垭口隧道全长12 447 m，进口里程D2K540+228，出口里程D2K552+675，双线隧道，设计为7‰，-3‰的人字坡。隧道跨度14.48 m，开挖断面面积约140 m2，属于特长大断面铁路隧道。该隧道于D2K552+210～D2K552+410段以30斜交下穿西攀高速公路连续刚构城门洞大桥的百米桥墩。

2.2 城门洞大桥概况

西攀高速公路城门洞大桥左右分离式桥梁，主桥为60 m+110 m+60 m连续刚构。桥面净宽(单幅)为10.25 m(行车道)+2×0.5 m(防撞护栏)。梁体为单箱单室三向预应力变高度箱梁。箱顶宽11.25 m，底板宽6.45 m，箱梁跨中及边跨现浇段梁高2.5 m，墩顶处梁高6.5 m。梁高以1.7次抛物线变化。箱梁腹板在墩顶范围内厚80 cm，1号～6号梁段腹板厚60 cm，其余梁段腹板厚50 cm。箱梁底板在0号段范围内为100 cm，其余各梁段从箱梁根部的80 cm以二次抛物线渐变到跨中的28 cm。

2.3 隧道与大桥相互关系及下穿段施工风险

图1和图2分别为垭口隧道与城门洞大桥和桥梁桥墩相关关系图。

垭口隧道下穿大桥主跨，下穿段(D2K552+215～D2K552+410)长195 m，主要影响右线3号、4号墩和左线4号、5号墩。

左线4号墩，沟侧桩壁与隧道开挖轮廓线水平距离约7 m，拱顶距桩底约33 m；左线5号墩，沟侧桩壁距离隧道开挖轮廓线约24 m，拱顶距桩底约20 m；右线3号墩，沟侧桩壁距离隧道开挖轮廓线约33 m，拱顶距桩底约31 m；右线4号墩，沟侧桩壁距离隧道开挖轮廓线约6 m，拱顶距桩底约19 m；4个墩为单桩基础，为645 cm×680 cm的矩形墩；左线4号、5号墩和右线3号、4号墩的跨径均为110 m。

隧道在沟心与左线4号墩和右线3号墩间下穿，存在偏压现象；下穿段受断层及火成岩侵入影响，围岩岩体中节理裂隙较发育，岩体破碎，完整性较差(Ⅴ级围岩)，加之上部14 100 t的桥梁结构荷载作用，隧道开挖过程中存在以下风险：

1)隧道拱顶及洞壁掉块、坍塌；2)桥墩下沉、平移进而导致桥梁结构破坏。

2.4 地质概况

下穿段隧道上覆第四系全新统人工弃土，以碎石土为主，局部夹块石，灰、深灰、灰白色等，松散～稍密，潮湿。碎、块石石质以强～弱风化状片岩、砂岩、石英砂岩及少许混凝土块为主。分布于隧道出口段D2K552+180～D2K552+360段斜坡沟槽内，据钻探揭示厚10 m～25 m不等，系修建西攀高速公路隧道的弃碴。

下伏基岩主要为片岩、片麻岩夹石英砂岩，岩质坚硬。中～厚层状片麻岩呈深灰色，细粒变晶结构，片麻状构造，主要矿物为石英、长石、角闪石、云母等；片岩呈浅灰色，片理发育，矿物成分以长石、石英及云母为主；浅灰色薄～中厚层状石英砂岩，为局部夹层。受多期构造作用，岩体节理发育，较破碎，部分深孔岩芯裂面可见镜面擦痕，局部具糜棱化。

3 桥梁变形与隧道钢架变形及应力数值模拟计算

3.1 计算方式简介

1)原桥计算分析模型建立。根据收集的大桥竣工资料，首先建立了原桥有限元计算分析模型(无桥墩沉降和偏位)，模型考虑了施工全过程的仿真计算，且各参数根据竣工图纸取得，可以较准确反映大桥原始的受力状态。

2)结构建模。采用MIDAS Civil2012进行结构建模，如图3所示。主梁及主墩采用梁单元模拟，边界条件根据实际情况模拟；为准确计算结构的内力状态，首先对大桥进行施工阶段仿真计算，如图4所示，然后对4号墩沉降及平面变位进行模拟，见图5。

3)主量安全性评估计算。在仅考虑4号墩沉降对结构影响计算过程中，取用沉降10 mm的级差进行，即分别计算了4号墩沉降10 mm，20 mm，30 mm，40 mm和50 mm工况，然后根据计算结果，对两个极值状态下结构的安全性进行了评估计算，即模型三和模型四，同时对特征沉降工况，即4号墩沉降30 mm(模型二)，进行评估计算。

在综合考虑4号墩沉降和横向偏位对结构影响计算过程中，因存在两个变量，无法获得唯一的临界状态，故只能采取包络计算，根据计算结果，建立了模型五，对大桥的安全性进行了评估计算。

共分析5个有限元分析模型，包括：

模型一：原桥(桥墩无沉降)；模型二：4号墩沉降30 mm；模型三：4号墩沉降40 mm；模型四：4号墩沉降50 mm；模型五：4号墩沉降20 mm、横向偏位10 mm。

同时对各模型中4号墩及3号墩墩顶应力进行计算，分析其受力安全性。

3.2 计算参数

3.2.1 永久作用

结构自重：包括按永久集中作用或永久分布作用考虑的部分。容重按26 kN/m3计。

混凝土收缩、徐变：按04规定计算。

预应力钢束采用低松弛高强度钢绞线，单根钢绞线直径为15.20 mm，松弛率为3.5%，标准强度为fpk=1 860 MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa，张拉控制应力为1 395 MPa，钢绞线面积Ay=139 mm2。预应力摩阻系数取0.17，管道偏差系数取0.001 5，锚具压缩变形量0.006。

桥面系自重，包括栏杆、铺装等，按顺桥向均布作用计。

3.2.2 可变作用(活载)

汽车荷载：横向两车道，横向折减取值为1，偏载系数取值为1.15。

汽车冲击力：冲击系数按04规范的有关规定取值为0.05，负弯矩冲击系数取值0.11。

3.2.3 其他可变荷载

1)温度作用。全桥结构体系温差取-3 ℃～34 ℃，温度梯度取值为：正温度梯度：20 ℃，6.7 ℃，0 ℃。合龙温度范围设定为18 ℃。

2)施工荷载。挂篮移动产生的竖向临时荷载，按照1 000 kN；中跨和边跨合龙方式按照采用挂篮合龙计算。

3)支座摩阻力。采用的盆式橡胶支座，常温(-25 ℃～60 ℃)状态摩阻系数为0.03，偏安全计，取值为0.05。

3.3 结构材料参数

数值模拟计算分析中材料特性按表1采用。

表1 结构材料及力学性能

3.4 数值计算结论

1)原桥各项指标均满足规范要求。

2)模型二(4号墩沉降30 mm)中，在结合原桥计算分析的基础上，满足规范要求。

3)模型三(4号墩沉降40 mm)中，在结合原桥计算分析的基础上，满足规范要求。不过在运营阶段主梁法向压应力接近规范限值。

4)模型四(4号墩沉降50 mm)中，施工阶段(考虑4号墩沉降50 mm)结构受力安全，不过在运营阶段主梁法向压应力已经超出规范限值，不满足规范要求。

5)模型五(4号墩沉降20 mm、横向偏位10 mm)中，持久状况下，主梁法向压应力满足规范要求，不过计算应力已逼近规范限值。

6)各模型中墩顶截面全截面受压，且压应力小于规范限值，墩顶截面受力安全。

综上，建议仅考虑沉降时，桥墩沉降以30 mm为限；同时考虑沉降及横向偏位时，应以沉降20 mm和横向偏位10 mm为包络进行控制。

4 施工方法及控制措施

4.1 控制措施

1)地表右线4号桥墩和左线5号桥墩两侧的边坡预应力锚索框架梁加固，大桥右线4号墩靠沟侧地表钢花管注浆加固。

3)D2K552+230～D2K552+280段洞内全环双层H175 mm×175 mm型钢钢架加强支护；D2K552+330～D2K552+410段拱部双层仰拱和边墙单层H175 mm×175 mm型钢钢架加强支护；D2K552+200～D2K552+230和D2K552+280～D2K552+330段单层H175 mm×175 mm型钢钢架加强支护。

4)D2K552+200～D2K552+410段φ25 mm预应力药包系统锚杆加固锚杆预应力5 t。

5)D2K552+330～D2K552+410段用双侧壁导坑法、D2K552+200～D2K552+330段采用三台阶临时仰拱法开挖[7-8]。

6)D2K552+200～D2K552+410段采用非爆破开挖。