长距离下穿高速公路地铁隧道对高速公路的影响

第43卷第6期 山西建筑Vol.43No.6
2 0 1 7 年 2 月 SHANXI ARCHITECTURE Feb.2017 •177 •文章编号：1009-6825 (2017)06-0177-03
长距离下穿高速公路地铁隧道对高速公路的影响
毕可为
(沈阳铁道勘察设计院有限公司，辽宁沈阳110013)
摘要:介绍了沈阳地铁10号线长距离下穿绕城高速公路工程的基本情况与设计方案，并采用三维数值计算模型，从公路路基沉 降与匝道桥桩变形两方面，分析了矿山法下穿施工对高速公路的影响，得出了一些有价值的结论。

关键词:地铁，高速公路，路基，桥桩,沉降值
中图分类号:U455 文献标识码:A
〇引言
随着我国轨道交通的快速发展,新建隧道下穿既有高速公路 的情况时有发生。

尤其新建隧道穿越距离较长，影响范围较广 时，除工程自身结构的安全风险外,所穿越的既有高速公路的变 形控制是施工过程当中的控制重点[1_3]。

对于新建隧道下穿邻近建(构)筑物的施工影响，国内外学者 做了大量研究，王明慧等[5]以重庆至贵阳铁路扩能改造工程白杨 湾隧道下穿高速公路为例，从开挖方法选择、施工技术应用等方 面论述了施工过程中采取的相应对策与技术措施;王洪昌等[4]为 解决大西客运专线忻州隧道下穿大运高速公路时可能引发的路 面沉降及结构安全问题，采用三维数值模拟手段研究了工法中不 同设计参数及施工对地面沉降的影响;郭磊等[6]以草帽山隧道工 程为背景，采用数值模拟的方式，对铁路隧道下穿高速公路时对 高速公路的影响进行了研究;虽得出了很多有意义的结论，但是 对于地铁隧道长距离下穿高速公路的研究工作还不多见。

本文 以沈阳地铁10号线下穿沈阳绕城高速公路为工程背景，研究隧 道施工过程中对高速公路路基及桥桩的变形影响。

1工程概况
1.1 工程基本情况
沈阳绕城高速公路是环绕辽宁省沈阳市的一条高速公路，道 路宽约30 m,双向六车道。

在建沈阳地铁10号线工程丁香湖停 车场出人线自丁香公园站起，线路首先沿沈马公路西侧敷设，后 右转向北先后下穿沈马公路、沈彰高速B匝道、绕城高速公路北 环、沈彰高速A匝道，后向北方向继续敷设至丁香湖停车场，区间 左线侧穿B匝道桥，最小水平净距为13 m，该处桥梁为预应力空 心板简支桥，基础形式为桩基础，桥桩长15 m,桩径1m。

区间右 线侧穿A匝道桥，最小水平净距为12. 7 m，A匝道桥为沈彰高速 公路连续梁桥，A29号桥台，基础形式为桩基础，桩长35 m，桩径1m。

1.2工程地质
根据地质勘察报告，下穿区间范围内地基土主要由第四系全 新统人工堆积层、全新统浑河高漫滩及古河道、第四系浑河新扇、上更新统浑河老扇及第四系波状台地粘性土、砂类土、碎石类土 组成。

下穿绕城高速段地层自上而下特性具体描述见表1。

下穿区间范围内有两层地下水，上层地下水主要赋存于砾砂 层中，属孔隙潜水含水层，水位埋深约14.5 15.5 m;下层地下水主要赋存于第四系浑河粗砂层、砾砂层，属孔隙承压水，水位埋 深为4.90 m~ 9.50 m;地下水径流条件良好，除粉质粘土和粉土 外，含水层渗透性强。

表1区间下穿绕城高速段地层描述表
土层名称土层特性土层厚度/m
粉质粘土黄褐色、灰褐色，可塑，局部软塑，稍湿，干强度中等，韧性中等16.5粉土灰褐色、灰色，稍湿，稍密，干强度差，韧性中等16.9
粉细砂青灰色、灰褐色，中密，饱和，矿物成分以石英、长石为主 4.3
中粗砂黄褐色，中密，饱和，矿物成分以石英、长石为主，颗粒较均匀15.2
1.3拟定下穿段设计方案
考虑到沈阳绕城高速公路交通繁忙，车流量较大，车型复杂，
对于路基沉降及桥桩变形要求较高，为保障下穿段既有高速公路
的安全运营，针对本工程的实际情况，对以下几个方面进行了重
点设计。

1) 超前加固措施:超前支护采用拱顶120°范围双排小导管超 前注浆并加固地层，第一排小导管长i= l.8 m,环向间距30 cm,
倾角15°,第二排小导管长i= 3.0 m,环向间距30 cm,倾角20°。

2) 初期支护:初支采用小6.5@ 15 c m X 15 c m钢筋网、纵距 0.5 m的<(>25格栅钢拱架及25 cm厚C25喷射混凝土。

为减少初
支封闭时间，初期支护增设临时仰拱，二衬为35 cm厚C40，P10
防水混凝土。

3) 旋喷隔离桩:侧穿A，B匝道桥桩采用区间结构与桥桩之间 打设旋喷隔离桩，旋喷桩加固沿线路桥桩位前后各6 m范围，其
中旋喷桩施工不占用A,B匝道路面，不影响路面交通，采用垂直
旋喷加固。

4)施工方法:矿山法下穿绕城高速段采用环形台阶法施工，首先施作拱部超前小导管,注浆加固地层，接着开挖土体,施作初
期支护，再敷设仰拱部分防水层，浇筑二衬，最后敷设侧墙及顶拱
防水层并浇筑二衬，完成主体结构。

上述施工方案及设计参数是否合理、能否有效保障沈阳绕城
高速公路运营安全将是重点关注的内容。

因此，采用数值模拟手
段对隧道下穿高速公路段路基及桥桩安全性分析是很有必要的。

2数值模拟
2.1 模型建立
采用MIDAS/GTS数值分析软件对区间下穿绕城高速段进行
三维施工数值模拟，有限元计算模型的范围确定为140 m X290 m X
50 m，包括绕城高速公路路基、A匝道路基、B匝道路基，以及出人
线左右线区间。

模型上表面边界取自地表（地表高差变化较小，
简化为水平面），下表面边界取自隧道底部以下约30 m，模型边界
处隧道开挖面距A，B匝道路基最近约50 m。

有限元模型共
84 251个单元，15 261个节点。

模型的上表面为地表，取为自由
边界;侧面边界水平位移受到约束，底面边界约束所有位移自由
度，如图1所示。

收稿日期:2016-12-08
作者简介:毕可为（1985-),男，硕士,工程师
•178 •
第43卷第6期
2 0 1 7年2月山西建筑
_
地铁区间
材料类别重力密度
kN/m3
弹性模量
MPa泊松比粘聚力
kPa内摩擦角
(°)
粉质粘土19.5 5.780.32010粉土19.7 5.750.3139粉细砂19.514.80.3226中粗砂19.717.60.29228.9小导管加固区土体22 1.5 x lO30.2520025初期支护25 3.2x l040.2——二次衬砌23 2.9x l040.2——锁脚锚杆78.5 2.1 x lO50.2——
A匝道路基
隧
轮_
DISPLACEMENT
T3,m
j 15.2%
I45.0%
i8.3%
i成i t速公路路基
7.7%
7.5%
7.8%
li E...6.4%
I 2.2%
+2.785 34e-003
+5.306 76e-004
-1.723 99e-003
-3.978 66e-003
-6.233 32e-003
-8.487 99e-003
-1.074 27e-002
-1.199 73e-002
-1.325 20e-002
值指隧道掌子面到达构筑物之前，正值指隧道掌子面通过构筑
物后。

''b 匝 j i
图1数值计算模型
2.2参数取值
土层计算参数为现场地勘参数确定，地基各土层采用弹塑性
D-P模型，隧道及周边围岩、注浆加固区域采用了实体单元进行模 拟，初期支护和掌子面喷混采用板单元进行模拟，桥桩采用梁单 元进行模拟，锁脚锚杆采用桁架单元进行模拟。

其中，注浆加固效 果通过提高围岩参数来进行模拟。

具体材料计算参数值见表2。

表2材料计算参数
3计算结果分析
3.1 高速路基沉降分析
经过MIDAS/GTS求解，计算系统达到平衡后,得到土体及路 基竖向沉降,计算结果如图2所示。

沿路基纵向中心线，提取其 沉降值，得到路基纵向沉降槽曲线，路基纵向沉降槽曲线如图3 所示。

由图3可知，隧道开挖引起上方地表及高速公路路基的沉 降，其中绕城高速公路主线路基最大沉降值为10.5 mm,A匝道路 基最大沉降值为13.3 mm,B匝道路基最大沉降值为9. 8 mm。

从 图3中可以看出，左右线隧道两侧路基沉降基本对称，最大沉降
发生在左右线隧道中间。

图2隧道下穿引起的公路路基竖向位移(单位:m)
♦道路基 +绕城高速公路路基+A匝道路基
图4路基最大沉降历时曲线
由图4可以看出，在左线隧道上台阶掌子面距路基20 m时，主要沉降开始发生，在左线隧道掌子面位于路基正下方时，路基 发生3.5 mm~ 5.7 mm的竖向沉降，随着左线隧道下台阶的开挖，以及右线暗挖隧道的掘进，路基沉降逐渐增大，在左线隧道上台 阶掌子面远离路基40 m时（此时右线隧道上台阶掌子面远离路 基20 m)，路基沉降基本稳定。

比较A匝道，B匝道和绕城高速公 路三者的路基沉降值，A匝道的沉降最大，这主要是因为隧道与A 匝道交角较小，隧道在匝道下方暗挖距离较长，对上方匝道路基 影响较大进而引起路基较大沉降。

3.2A，B匝道桥桩变形分析
下穿隧道距B匝道路基西侧桥桩最近距离约为13. 0 m，距A 匝道路基东侧桥桩最近距离约为12.7 m,分别对A,B匝道在打 设旋喷桩下进行桥桩的变形分析。

计算结果表明:隧道开挖引起其邻近侧的桥桩位移及变形较 大，其中A祖道的桥桩最大侧向位移约为2. 6 mm,最大竖向沉降 约为3.0 mm,最大差异沉降约为2. 1mm;B阻道的桥桩最大侧向 位移约为3.0 mm,最大竖向沉降约为3. 4 mm,最大差异沉降约为 1.9 mm〇
3.3路基及桥桩安全评价
丁香湖停车场出人线正线下穿B匝道、绕城高速路基段以及 A匝道段施工时，经模拟仿真分析计算，绕城高速公路主线路基
最大沉降值为11.8 mm,A匝道路基最大沉降值为14.4 mm,B匝 道路基最大沉降值为11.0 mm，隧道开挖引起A匝道桥桩最大竖 向沉降约为3.0 mm,最大差异沉降约为2. 1mm,最大侧向位移约 为2.6 mm;B匣道桥桩最大坚向沉降约为3.4 mm,最大差异沉降 约为1.9 mm,最大侧向位移约为3.0 mm。

结合JTG H20—2007 公路技术状态评定标准[7]，JTG H11 —2004公路桥涵养护规范[8]的规定，及国内类似工程案例，路基沉降数值小于最大沉降控制 标准20 mm，桥桩总沉降、差异沉降和水平侧向位移均远小于安 全控制值,可判定高速公路路基处于安全状态，隧道暗挖施工不 影响其正常使用。

以左线上台阶掌子面掘进情况为时间参考，绘制沉降曲线如 图4所示，图4中左线上台阶掌子面距高速公路路基的距离:负4结语
对于地铁隧道长距离下穿既有高速公路施工，既要考虑隧道 本身的施工安全，又要考虑高速公路路基沉降及桥桩变形带来的 交通安全隐患，所以选择合理的施工方案及保护措施是安全施工 的关键。

依据本文中采取的保护措施可将高速路基及匝道桥桩 的变形控制在允许范围内，保证地铁区间结构施工安全,可供同 类工程施工借鉴。

参考文献：
[1]王成，林森斌.浅埋土质大断面隧道下穿高速公路变形控
制技术研究[J].铁道标准设计,2013 (8):
105-108.
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2 0 1 7 年 2 月 SHANXI ARCHITECTURE Feb.2017 •179 •文章编号：1009-6825 (2017)06-0179-03
常见连续刚构桥病害成因分析
杨则英席兴华谭婷婷
(山东大学土建与水利学院，山东济南250061)
摘要:简述了连续刚构桥现阶段存在的问题，对连续刚构桥的典型病害的成因与影响因素进行了分析，指明了影响连续刚构桥 的主要病害为跨中下挠与主梁开裂。

关键词:连续刚构桥，跨中下挠，主梁开裂
中图分类号:U445.71 文献标识码:A
〇引言
目前大多数经过一段时间运营的连续刚构桥,都出现了许多 病害，病害的形式多种多样，对桥梁危害最大的病害有两种:跨中 下挠过大与箱梁主梁开裂。

这两种病害之间又有着密切的关系：主梁开裂产生裂缝会降低箱梁的刚度，加剧了跨中下挠，而严重 的跨中下挠会导致底板混凝土超过极限拉应力而开裂，形成了一 种恶性循环。

如不及时加固修补，很可能会造成主体结构的严重 破坏。

下面就对这两种病害进行详细的成因分析。

1主梁下挠成因分析
1.1 混凝土徐变的影响
连续刚构桥作为典型的预应力混凝土结构，混凝土的徐变特 性对桥梁的长期服役能力有很大的影响，成为制约其跨越能力的 关键问题。

同样，对于已建桥梁的检测、维修、加固来说，准确计 算混凝土的徐变效应显得尤为重要。

徐变是混凝土这种非线性材料的一种表现形式，目前非线性 徐变理论远未达到准确适用的地步，学者们常近似认为徐变变形 与应力之间存在着线性关系。

现有的计算方法均不能准确计算 得出混凝土的徐变大小，大多数设计人员对混凝土（特别是高标 号混凝土)徐变的严重性和长期性认识不足，片面地理解徐变终 止于桥梁建成三年之后[2]。

从国内的实际情况来看，一些大跨径 的连续刚构桥，跨中下挠往往历时五年仍在继续。

而20世纪
90年代强调的结构轻型化，减小了箱梁腹板和底板尺寸，而混凝 土的徐变理论表明，构件越轻薄，理论厚度越小，混凝土承受的应SO-S 9-O-S9-O-S SO-S 9-O-S SO-S 9-O-S9-O-S SO-S 9-O-S9-O-S SO-S 9-O-S SO-S 9-O-S9-O-S
[2]王志，杜守继，张文波，等.浅埋铁路隧道下穿高速公路施
工沉降分析[J].地下空间与工学报，2009(3) :531-535,572.
[3]金淮，吴锋波,马雪梅，等.首都国际机场线下穿机场高速
公路变形特性研究[J].工程勘察,2010(10) :61-66.
[4]王洪昌，马志富，曾青，等.忻州隧道下穿大运高速公路技
术方案研究[J].隧道建设，2014(11) :1082-1086.力越大，徐变系数就越大。

由于对徐变估计不足，美国1978年完 工的采用轻骨料混凝土的鹦鹉渡口桥在运营12年后，接近200 m 的主跨跨中下挠了 63.5 cm。

1_2预应力损失的影响
对于预应力混凝土构件来说，预应力损失的程度与有效预应
力度有着密切关系，而后者是影响整个结构性能的关键所在[3]。

这里所指的预应力损失多种多样，既有纵向的，也有竖向和横向 的损失。

我国公路桥涵规范(JTG D62 —2012)中就规定预应力混 凝土构件在正常使用极限状态计算中，应考虑预应力钢筋与管道
壁之间的摩擦、锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩、预应力钢筋与台
座之间的温差等6种预应力损失。

有研究表明，徐变变形随着预应力度的增大有减小的趋势，
反之亦然。

因此若桥梁的预应力度变小，则有可能徐变变形增 大，导致主梁下挠变形增大。

1.3设计问题
国内在某段时间设计连续刚构桥时由下弯钢束改为了直线
型钢束，后期的检测报告显示这种改动直接加速了跨中的下挠。

交通部曾组织专家研究单位进行了调查研究，并对纵向顶板预应
力筋只布设直线形索的方法给予了否定[4]。

另外在设计时对中
支点负弯矩钢束的预估不足，只按照上缘不出现拉应力控制负弯
矩钢束的数量,没有考虑到预应力与徐变下挠之间的关系，有研
究资料表明，负弯矩区域截面的应力梯度与徐变下挠密切相关，
如图1所示。

S O-S 9-O-S 9-O-S S O-S 9-O-S 9-O-S S O-S 9-O-S S O-S 9-O-S 9-O-S S O-S 9-O-S 9-O-S S O-S 9-O-S 9-O-S S O-S 9-C [5]王明慧，李敢，李大平.渝黔铁路白杨湾隧道下穿高速公
路综合施工技术[J].铁道建筑，2015(3) :80-83.
[6]郭磊，帖卉霞，周钦.下穿高速公路铁路隧道对高速公
路的影响研究[J].铁道标准设计,2010(5) :94-96.
[7] JTG H20—2007,公路技术状况评定标准[S].
[8] JTG H11—2004,公路桥涵养护规范[S].
Research on the influence of long distance subway tunnel on expressway
Bi Kewei
(Shenyang Railway Survey and Design Institute Company Limited,Shenyang 110013, China)
Abstract：This paper introduced the basic situation and design scheme of Shenyang subway No.10 line long distance underneath pass ring high­way engineering,and using3D numerical calculation model,from the highway roadbed settlement and ramp bridge pile two aspects,analyzed the influence of mining method underneath pass construction to highway,obtained some valuable conclusions.
Key words：subway,highway,roadbed,bridge pile,settlement value
收稿日期=2016-12-13
作者简介:杨则英（1973-),女，副教授；席兴华（1987-),男，在读硕士；谭婷婷（1992-),女，在读硕士。