拟建上跨桥梁对下方既有隧道的安全影响分析

谭双全，刘廷伟

（1.重庆市勘测院，重庆市 400020；2.重庆市岩土工程技术研究中心，重庆市400020）

0 引言

随着我国城市化进程的快速发展，城市道路交通需求量迅速增长，由于城市空间有限，新建道路与既有道路之间往往存在立体交叉。而对于山地城市，不可避免地会出现新建道路或桥梁上穿既有隧道的情况。在既有隧道上方施作建构筑物，将会对隧道结构产生一定的影响[1][2]。本文通过工程实例，根据拟建上跨桥梁与下方既有隧道的空间关系特点，基于MIDAS-GTS有限元软件进行隧道结构安全性影响分析，研究既有隧道产生的附加内力和变形规律。其成果可为类似的工程设计和研究提供参考依据。

1 工程概况

隧道上方拟建道路为一条东西向城市次干路，标准路幅宽度26 m，双向4车道，道路在终点附近以桥梁方式上跨现状隧道，桥跨方向与隧道接近正交。拟建桥梁全长80 m，桥跨布置为2×35 m简支小箱梁，转桥面连续，梁高1.8 m。桥墩采用盖梁加圆形桥墩，盖梁高2.2 m，桥墩直径1.8 m。基础采用单桩基础，直径2.0 m，桩基础为嵌岩桩。桥台采用U型桥台，基础采用群桩基础，桩基直径1.5 m，桩基础为嵌岩桩。桥台后侧挡墙为衡重式挡墙。

该隧道于2007年建成运营，现状稳定，隧道分西洞和东洞，两洞间净距约为16 m。隧道开挖采用暗挖法，钻爆法施工，采用光面爆破技术。根据隧道竣工图纸，隧道采用复合式衬砌（见图1）。拟建桥梁上跨段隧道锚杆长3.5 m，二次衬砌采用45 cm厚C30混凝土。

图1 衬砌断面图（单位:mm）

该拟建项目勘察区位于地质构造属龙王洞背斜西冀倾伏端，岩层呈单斜状产出。受地质构造影响轻微，区内未见断层及次级褶皱，地质构造较为简单。岩层产状275°∠15°，基岩中主要发育2组裂隙，主要分布于砂岩地层内。

根据工程地质测绘和野外钻探揭示，场区地层由于土石方开挖，全部为基岩出露，基岩地层为侏罗系中沙溪庙组（J2s）砂、泥岩互层，其中以泥岩为主，砂岩存在尖灭现象。隧道围岩级别为Ⅳ级。

图2为拟建桥梁与隧道的立面位置关系图。

图2 拟建桥梁与隧道的立面位置关系图

2 安全评估

分析的思路是：（1）搜集上跨桥梁、既有隧道竣工资料和地质勘察资料；（2）分析风险源，拟建桥梁基础开挖引起隧道变形与内力变化、桥梁修建和运营产生的荷载对已建成的隧道产生变形与内力变化为主要风险源；（3）有限元计算，运用有限元计算软件进行数值计算，预测该隧道工程在拟建工程施工过程和运营期所发生的变形和内力；（4）隧道安全性评估，根据计算结果，结合隧道工程的变形限值条件，以及安全系数，评价隧道结构的安全性。

有限元分析采用MIDAS-GTS完成。三维有限元模型的坐标系选取如下：X轴垂直隧道走向方向，即桥跨方向；Z轴垂直向上；Y轴沿隧道轴线方向（见图3）。数值计算中假定岩体为各向同性，采用Mohr-Coulomb屈服准则。岩土体的计算参数根据地勘报告中的数据进行取值，经换算、折减后有限元模型采用的计算材料参数如表1所列。

图3 三维有限元模型图

在进行数值计算时，计算模型边界条件设置如下：水平边界上采用横向位移约束，底部边界采用竖向位移约束，顶部地表为自由约束。计算上跨桥梁施工影响时，利用MIDAS-GTS中激活/钝化单元功能，模拟桥梁施工及桥梁运营。整个计算采用6种工况对施工过程进行模拟，如表2所列。

表1 模型计算参数表

表2 工况一览表

2.1 衬砌结构位移分析

分析中提到的计算位移（见图4～图6所示）为桥梁修建引起的既有隧道位移增量。

图4 路基开挖后衬砌结构位移云图

图5 桥梁下部结构修建后衬砌结构位移云图

图6 桥梁运营后衬砌结构位移云图

由图4～图6可以看出，受路基开挖卸荷的影响，衬砌结构出现背离隧道中心的水平位移，最大水平位移出现在隧道拱腰部位，最大值为0.67 mm；由于卸荷作用，衬砌结构出现向上的位移，最大位移值为0.95 mm，出现在西侧隧道拱肩部位。路基开挖后，其位移最大值出现在西侧隧道拱肩部位，最大值为1.14 mm。最大水平位移、竖向位移均出现在西侧隧道，这是由于西侧隧道埋深较浅，桥台与路基离隧道竖向距离较近，桥梁修建对隧道影响更大。

桥梁下部结构修建后，由于结构、路基回填荷载对衬砌结构产生加载作用，导致衬砌结构出现向隧道内部收敛的水平位移，但位移量较小，最大水平位移仅0.47 mm。受路基回填、桥梁自身重力加载的影响，衬砌结构产生竖向向下的位移，最大值为0.82 mm，出现在上跨桥正下方西侧隧道拱顶部位。

桥梁运营后，受桥梁上部结构荷载的影响，衬砌结构竖向位移进一步增大，最大值出现的位置保持不变。桥梁运营后，西侧隧道最大水平位移最大值为向隧道内部收敛的位移0.45 mm，最大竖向位移增大至1.19 mm。

2.2 衬砌安全系数验算

从计算结果提取拱顶、拱肩、拱腰及拱脚的内力值，如表3所列。可以看出，衬砌拱顶、拱肩、拱腰及拱脚均为受压控制。根据文献[3]、[4]，可以计算衬砌各个截面安全系数，东、西侧隧道衬砌各个截面安全系数均大于规范要求的2.0。

2.3 衬砌裂缝验算

根据文献[3]、[4]、[5]，最大裂缝宽度限制为 0.2 mm，对e0/h0≤0.55的偏心受压构件，可不验算裂缝宽度，所以桥梁运营后，二次衬砌结构是安全的。

表4为桥梁建设过程中隧道各项变化指标统计表。从计算结果可以看出，路基开挖阶段受开挖卸荷的影响，衬砌最大轴力、弯矩均有所减小；随着桥梁修建及运营阶段荷载增加，最大轴力、弯矩有所增大。

表4 桥梁建设阶段各项指标统计表

桥梁修建各个阶段衬砌位移、内力各项指标均没有超过允许值，上跨桥修建及运营对隧道影响在可控范围之内。

3 结语

（1）通过数值计算，上跨桥修建引起的衬砌结构变形量较小，在许可范围之内。

（2）受路基开挖卸荷及桥梁加载的影响，衬砌内力呈先减小后增大的趋势。根据内力计算结果可计算出衬砌结构安全系数大于规范要求的2.0，衬砌稳定性在可控范围内。二次衬砌最大裂缝宽度在规范允许范围内，即上跨桥修建不会对衬砌结构造成损伤。

表3 安全系数验算表

（3）在上跨桥梁施工和运营过程中，加强隧道结构的变形和关键断面的应力监控量测，确保隧道结构的安全。

该工程实例可为类似工程的定性分析提供参考依据。

[1]周超.公路跨越既有铁路隧道的方案设计与研究[J].隧道建设，2014，（1）：32-40.

[2]刘斌.新建公路施工对既有隧道结构有限元分析[J].建筑技术开发，2015，（5）：38-41.

[3]JTG D70-2004，公路隧道设计规范[S].

[4]JTG/T D70-2010，公路隧道设计细则[S].

[5]GB 50010-2010，混凝土结构设计规范[S].