上跨桥梁施工对既有隧道结构安全性影响的分析

上跨桥梁施工对既有隧道结构安全性影响的分析
摘要：竹箐河大桥上跨大洼头3号隧道工程，公路桥台位于隧道的正上方，距洞顶约64m，桥桩基础与隧道水平距离约31m，采用MIDAS-GTS软件建立三维有限元模型，分析了既有隧道受影响的规律，判断了桥梁施工对既有隧道结构的安全性影响，为以后相似工程提供一定的参考依据。

关键词：上跨桥梁既有隧道结构安全性
Analysis on the Influence of Cross Bridge Construction for the Structure Safety of Existing Tunnel
Chen Dejian
（China railway fifth survey and design institute group CO.,LTD,Beijing102600）
Abstract：The engineering of Zhu Jing River bridge cross Dawatou No. 3 tunnel. Highway bridge is located just above the tunnel roof, distance of about 64m, pile foundation and tunnel horizontal distance of about 31m. Using the MIDAS-GTS software to establish a three-dimensional finite element model, analysis the law of the existing tunnel affected, judge the influence of the bridge construction on existing tunnel structure, providing some reference for future similar projects.
Keywords: Cross；Bridge；Existing tunnel；safety of structure
1 工程概况
新建盘县两河至冯家庄（高铁站）至红果快速通道地处贵州省西南部。

项目起于G320国道与沪昆高速公路两河互通连接线交点，跨竹箐河及水红铁路后与盘县红果主城区西北出口道路工程连接。

建设标准为一级公路兼城市道路，设计速度为60km/h。

该段快速通道以桥梁型式跨越大洼头三号隧道，桥梁设计荷载为公路Ⅰ级。

公路为双向六车道，左右分离。

既有水红铁路大洼头三号隧道1972年建成，长272m，纵断面位于2.5‰上坡段，平面位于R=600m的曲线上，隧道净高7.5m，净宽5.7m，90年进行电化改造，为单线电气化隧道。

行车速度120km/h；衬砌采用直墙整体式衬砌。

2 公路和既有隧道交叉位置关系
2.1平面位置关系
新建盘县两河至冯家庄（高铁站）至红果快速通道上跨水红铁路大洼头三号隧道，交叉处：公路桩号K15+319.502=水红铁路K166+250.232，交叉角度,47°38′58″，交叉方式为公路桥梁上跨铁路大洼头三号隧道。

交叉关系如图2-1所示。

图2-1 平面位置关系示意图
2.2交叉处竖向位置关系
公路采用桥梁形式跨越，竹箐河大桥3号桥台位于铁路隧道上方，桥台基础基底面设计标高距铁路隧道顶面约64m，桥台距隧道洞口约110m。

竹箐河大桥2号桥墩桩基与隧道最小距离约31m，承台开挖面与隧道顶部高差约17m，2号桥墩距离隧道洞口约81m。

3 地质概况
3.1地形地貌
大洼头三号隧道位于盘县红果镇沙坡村与沙陀村交界处，位于竹箐河西侧岸坡上，地形坡度30°左右，植被不发育。

竹箐河大桥横跨竹箐河，大桥位于溶蚀-侵蚀构造地貌之河谷、斜坡地段，2#墩位于河谷西岸坡中部，墩位处地形为缓坡、陡壁，地形坡度15-85°，植被不发育；3#桥台位于西侧岸坡上部，桥台处地形为陡坡，地形坡度30°左右，植被不发育。

3.2地层岩性
隧道范围上覆亚粘土，厚度约0~1m，偶夹碎石，竹箐河底为冲积砂砾卵石层，厚约1~3m，下伏基岩为关岭组一、二段（T2g1+2）浅灰、白灰色薄至中厚层状微至细晶白云岩夹质灰岩。

岩层产状：场区基岩为单斜地层（产状300°∠4-8°），无区域性构造形迹发育。

根据地质及区域地质资料显示路线附近亦未见有隐伏岩溶发育。

墩位区覆盖土层薄、分布零星，基岩多出漏，岩土层有第四系残破积粘土和三叠系中统关岭组第三段白云岩。

4 新建竹箐河大桥与既有隧道相互影响分析
4.1隧道与其上方桥梁施工相互影响概述
在既有隧道上方修建桥梁关键是正确认识和掌握隧道影响区内桥台施工、桩基开挖与隧道围岩以及衬砌结构协同作用机理和规律，在此基础上，才能合理评价修筑公路桥梁对既有隧道以及既有隧道对公路桥梁的影响，从而提出经济上合理、技术上可行的处理措施。

隧道上部3#桥台明挖施工过程会引起邻近围岩或土体的应力重分布，进而引起地层变形，既有隧道结构的变形往往是上跨施工关注的重点，其变形是地层变形的直接结果，而既有隧道的存在同样也会反作用于地层，使其变形与自由场地层不同。

因隧道上部开挖，土压被解除，对垂直荷载来说，侧压变大，拱顶会发生向上方的拉伸变形和位移，埋深小时会损伤拱作用，使衬砌的垂直荷载增加；开挖时对隧道来说如是非对称的情况，衬砌会受到偏压作用。

4.2三维计算有限元模型的建立
（1）模型建立
按照公铁交叉设计图以及既有铁路竣工图等相关资料，利用MIDAS-GTS软件建立三维有限元模型。

在三维建模中，计算区域要根据既有隧道以及新建公路桥梁的布置情况，并满足边界效应的要求。

隧道的影响范围，一般取3~5倍的洞径，洞径为5.0m，另外考虑到桥梁与隧道的交叉处2#桥墩和3#桥台的位置，沿隧道方向取110m，隧道横向取110m，下部底板距洞底30m，上限为山体表面，整个计算模型为图4-1所示。

图4-1三维几何模型
（2）网格划分
隧道与桥台开挖相交段的等轴测视图如图4-2所示。

在网格划分时，采用的是四节点四面体单元，整个模型共有单元130233个，节点22857个。

图4-2 网格划分
（3）基本参数的选取
根据所提供的资料以及相应技术规范，确定在有限元分析中，围岩以及支护结构的物理力学参数如表4-1所示。

表4-1有限元分析参数取值表
（4）支护模拟
在公路桥台挖上跨施工中，大洼头三号隧道支护采用壳单元模拟，在隧道实体上析取单元生成，共生成900个单元，506个节点，其支护布置如图4-3所示。

图4-3 支护布置图
4.3三维计算有限元分析
在新建桥梁开挖的模型中，对上部桥台、路基及桩基边坡施工阶段对既有铁路隧道的影响分析；
4.3.1横向分析
根据其开挖顺序，重点研究桥台上跨段土石方开挖过程中的围岩及结构的力学行为特征，通过计算分析，既有铁路隧道的竖向位移分布、大小主应力分布情况分别如图4-4~6所示，以下各图均取在y=80m处，即在水红铁路K166+250处的剖断面，上部剖切到桥台开挖的纵向断面，下部剖切到既有隧道的横断面。

图4-4桥台开挖后竖向位移
图4-5 桥台开挖后最大主应力云图
图4-6 桥台开挖后最小主应力云图
由以上数值计算结果可得出，既有隧道拱顶将产生上浮，底板向上的隆起，从分布趋势来看，最大上浮及隆起量均发生在拱部，往隧道底板位置逐渐减小；但隧道位移量值总体较小，最大不足1mm。

在应力分布方面，隧道衬砌最大拉应力仅达0.78MPa，最大压应力也仅为2.8MPa。

4.3.2纵向分析
在路基开挖完成之后，既有铁路纵断面位移分布情况如图4-7所示。

其中，上部剖切到公路的纵向断面，下部剖切到既有隧道的纵向断面。

从计算结果可以看到，上部路基的开挖主要对位于其下部的既有隧道影响很小，引起既有铁路隧道拱顶衬砌向上抬起量均不超过1mm。

图4-7 既有隧道纵向位移图
5 结论
根据工程经验并结合数值模拟计算结果分析，得出以下结论：
（1）在静力影响作用下，新建竹箐河大桥3#桥台开挖对既有隧道影响很小，桥台明挖施工使得既有大桥村三号隧道的上抬最大位移量不超过1mm，不会造成既有隧道的衬砌发生超过要求的变形，既有铁路隧道衬砌结构能满足安全需要。

（2）2#墩的承台开挖边坡较高，对山体扰动较大，增加了铁路隧道的偏压程度，对隧道的结构安全有一定的影响。

参考文献
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