高速公路桥隧相接形式与施工方法研究

文／韩光 北京市政路桥股份有限公司 北京 100000

引言：

在高速公路建设的支持下，山区交通运输情况得到了极大改善，从而又进一步带动了山区经济发展。桥梁和隧道数量与高速公里数量在一定程度上表现出较强正相关性，即高速公路数量越多，桥梁与隧道数量也就越多，这与地形情况有着密切联系。当前我国的桥梁与隧道建设速度明显赶不上高速公路建设速度，由过程中会涉及到工程设计方面的问题，比如桥梁路基宽度要比隧道宽度大，而受地形地质条件限制，工程施工经常会陷入停顿状态。如何在科学理论、原理、模型的支持下，结合包括地质地形在内的实际自然环境，以及工程施工要求，研制切实可行的施工方案，创新施工技术，制定施工策略，从而更好地将桥梁和隧道在山区中连接起来，最终使桥隧相接变得更具现实意义，以解决当前高速公路建设存在的问题及面临的困难，是工程建设者们需要认真思考的问题。

1、桥隧相接类型与特点

1.1 桥隧相接的定义与类型

桥隧相接是指一种或一类工程段，由隧道地洞口部、桥梁的端口部分，以及桥隧间的连接路段等几部分组成，其中隧道的洞口部又由洞口段、洞门，以及其前后一部分的区间组成。对桥隧相接的描述无法达到准确的程度，因为各部分内容所涵盖的范围是很难去定义的。

当前所有桥隧相接类型共被分为三种，即整体式桥隧相接、紧靠型桥隧相接、连接型桥隧相接。其中整体式桥隧相接又被分成整幅桥梁与连拱隧道相接，单幅桥梁与分离式隧道相接两种。分别见图1、图2、图3。

图1 连拱隧道与整幅桥梁相接

图2 桥隧相接中变截面梁与隧道连接图

图3 桥隧相接中隧道洞口变截面与桥梁连接图

整体式桥隧相接在结构、受力和变形、设计、施工等四个方面分别具有以下特点：

（1）桥梁桥台与隧道洞口保持不分离，始终成为一个整体。

（2）桥台隧道洞口在变形上呈现连续一致状态，且共同承受荷载。

（3）结构分析与受力计算需要在桥梁桥台和隧道洞口作为整体的条件下进行。

（4）桥隧结构完整性能够被保证。

所谓紧靠型桥隧相接，是指隧道与桥梁之间仅存在较小施工缝，但却是像个相对独立的部分。该类型最主要的特点在于，因为隧道与桥梁存在施工缝，所以二者分别承受的荷载是不会相互传递的，彼此受力不会给对方造成影响。相接段设置桥台图见图4，桥台置于护坡结构上图见图5。

图4 桥隧相接中相接段设置桥台图

图5 桥隧相接中桥台置于护坡结构上图

1.2 桥隧连接工程的特点

相互干扰性、综合性、独立性、时间效应等，是桥隧连接工程的四个主要特点。相互干扰性是指，相连接桥梁与隧道在工程施工中存在一定程度的影响，但由于隧道相连类型不同，所以这种影响也会不同；综合性是指，在整个桥隧连接工程施工过程中，因为会涉及到不同构造类型，如路基路面、桥梁、隧道，所以工程设计需要同时兼顾三种不同类型的结构形式，既要保证各自功能能够被发挥，又要使工程具有一定健全性；所谓独立性是指，虽然桥隧连接工程会涉及到不够结构形式，并且需要兼顾综合性和发挥健全性，但各结构的自身建设仍然是重要主体，各自的独特性功能是无法被取代的；所谓时间效应是指，工程建设在后期运营过程中需要表现出较好的稳定性，桥隧连接的稳固程度不会随时间流逝而发生大幅度降低。

2、明洞桥隧相接形式数值模拟

2.1 洞口段数值模拟

（1）单元类型及材料选取

本研究采用Mohr-Coulomb 准则作为围岩的力学模型，采用solid45单元，模型模拟行为主要针对于Ⅳ级围岩。计算参数选取情况见表1。

表1 计算参数选取表

solid45单元的坐标系与节点方向，以及几何形状描述见图6。

图6 SOLID45单元几何描述

输入数据内容主要为：节点、自由度、实常数、材料特性、表面载荷、体载荷、特殊性征、KEYOPT（1）、KEYOPT（2）、KEYOPT（3）、KEYOPT（4）、KEYOPT（5）、KEYOPT（6）、KEYOPT（7），详见图7-1和7-2。

图7-1

图7-2

注释：①非线性解输出前提是仅当单元具有非线性材料；

②如果KEYOPT（6）等于1,2，或者4，会进行表面输出；

③用＊GET 可以获得质心位置的结果。

注释：①在单元有非线性材料情况下，并且KEYOPT(6）为附带每个积分点的非线性解，则在 8 个积分点处进行结果输出。

②如果KEYOPT(5）为在所有积分点上重复基本解，则在每个积分点输出结果。

③如果KEYOPT(5）为节点应力解，则在每个结点输出结果。

（2）有限元模型

Ansys软件一种专业的有限元分析软件，融合了多种内容分析，当前被应用于多个工业领域，如汽车、生物医学、电子、建筑、重型机械等。前处理、后处理，以及分析计算是该软件的三个组成模块，其中分析计算模块包含了结构、流体、电磁场、声场、耦合场等五项内容。最终几个模型见图8。

图8 最终几何模型

空心板自重、二期铺装自重、桥台自重、活载反力等标准荷载计算分别见式子（1）、（2）、（3）、（4），总荷载见式子（5）。

2.2 洞口段数值计算结果与分析

在该章节中，桥梁的施作对隧道明洞结构受力的影响时我们分析的重点。各结构段施作桥梁前后主应力值比较见表2。

表2 各结构段施作桥梁前后主应力值比较

（1）设置桥台段受力

在设置桥台段受力方面，结合表2数据，施作前的桥梁第一主应力最大应为2.2MPa，位置在墙角处；施作后的位置应在墙角前边缘处，其最大第一主应力为4.8MPa。第三主应力在施作前和施作后的位置应分别在直墙与拱脚的交接处与墙脚前边缘外侧。

（2）相邻桥台段受力

在相邻桥台段受力方面，与设置桥台段受力相类似，结合表2数据，施作前后明洞邻桥台渡段的第一主应力与第三主应力位置分别位于与内部隧道相接的部分、与内部隧道相接的拱腰部位、与内部隧道相接段的拱脚处（施作后第三主应力变化不大，因此位置与施作前相同）。

（3）远离桥台段受力

在远离桥台段受力方面，与前面设置桥台段受力和相邻桥台段受力研究思路相同，结合表2数据分别对施作前后的第一主应力和第三主应力位置进行设计，结果显示，施作前后第一主应力位置均在墙脚处；施作前第三主应力位置在直墙与拱脚的交接处，施作后第三主应力不变不大（6.5MPa），因此依然在施作前位置。

3、桥隧连接施工技术研究

3.1 隧道洞口施工技术

隧道洞口施工包括浅埋隧道洞口施工、岩堆洞口段施工、偏压隧道洞口段施工三项内容，每项内容均需采用相应的施工技术进行施工。在进行浅埋隧道洞口施工时需应用零刷坡进洞技术，可减少对隧道口的围岩扰动；岩堆洞口段施工建议采用管棚法，可有效解决穿越岩堆的难题；而对于偏压隧道洞口段施工来说，地形偏压和构造偏压是需要注意并解决的两种围岩压力不对称性问题。

3.2 桥台施工技术

桥台施工分为混凝土桥台施工、施工难点及处理措施、桥隧连接条件下桥台施工。在混凝土桥台施工方面，混凝土运送、搅拌、浇筑等需要做好质量控制。对于桥台的施工来说，其主要技术难点主要存在于两个方面，一个是大体积桥台的施工，另一个是软基桥台的施工。桥台施工中，软基桥台施工是需要注意的难点，可通过以下几项技术去解决：加强台身及基础的刚度法；台前加载法；台后减压法。在桥隧连接条件下桥台施工中，经常会出现的两种情况是，桥台在隧道洞门内施工和桥台在隧道洞门外施工，为了保证整个施工安全，准备工作尽量充分，遇到问题及时处理，最大限度保证施工质量。

3.3 桥隧连接下箱梁施工要点

主道路桥梁工程中，箱梁施工是其重要的施工部分，对道路桥梁施工建设的质量、效益等，均存在着较大的作用和影响。结合桥隧连接条件下箱粱施工开展的实际情况，其中，桥隧连接段的箱梁架设施工，是整个桥隧连接施工的重点，并且由于桥隧结构的空间有限，导致在桥隧架设施工中对箱梁架设使用设备的应用局限性较为显著，使得整个施工开展的困难性更加显著。 要工序有增设箱梁的预制场地、扩大隧道的断面、改预制为现浇、双片或多片组合箱梁代替整孔箱梁、后浇整孔箱梁部分翼缘板。

结语：

本文对高速公路桥隧相接形式与施工方法进行了较为粗浅的研究，文章的全部内容都在是认真分析专业知识和技术基础上所提出的。其中在文章第二部分中只给出了明洞桥隧相接形式数值模拟，而实际环境中，除了明洞形桥隧外，还有喇叭形洞口桥隧，由研究程度有限，并未在文章中提及。本文内容只是在专业知识和技术的支持下对桥隧连接工程进行了经验层面的总结和分析，并未结合具体工程过程进行数据实测，因此实用性价值并不突出。对该课题的研究还有待于做进一步改善，争取在实测数据基础上进行完善。