新建橋梁樁基對既有隧道的影響分析

冼長策 劉斌

（1.云南交通咨詢有限公司，云南 昆明 650000；2.云南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院勘察設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650501）

隨著城市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)逐漸完善。為滿足城市日益增長的交通運(yùn)輸需求，需要設(shè)計(jì)部分道路的交通分流改造。但因城市地下隧道、管線錯(cuò)綜復(fù)雜，可能會出現(xiàn)新建橋梁跨越既有隧道的情況。若盲目增大橋梁跨徑、樁長，不僅會增加橋梁的工程造價(jià)，而且將導(dǎo)致橋跨比不協(xié)調(diào)，影響城市橋梁景觀效果。

本文以某橋梁上跨既有隧道為例，分析新建橋梁樁基施工及建成后對既有隧道的影響。同時(shí)，根據(jù)不同樁—隧道凈距及樁底標(biāo)高下隧道變形的大小程度，得出安全且經(jīng)濟(jì)的樁—隧道凈距及樁底標(biāo)高。

一、項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目為節(jié)點(diǎn)改造工程，節(jié)點(diǎn)現(xiàn)狀為平交口，擬改建為互通式立交，形式為主線上跨簡易菱形立交。主要結(jié)構(gòu)物為一座總寬18.4m、長237m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋及若干段擋墻。

既有隧道以“西北—東南向”斜下穿改造設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)，其自南向北與節(jié)點(diǎn)主線呈約38°夾角。

根據(jù)隧道有關(guān)資料，隧道襯砌結(jié)構(gòu)按新奧法原理設(shè)計(jì)，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，鉆爆法施工。既有隧道位于Ⅳ圍巖淺埋段，隧道寬12.06m，高8.74m，矢跨比1:1.38，隧道拱頂埋深約18.5m，隧道斷面尺寸如圖1所示。

圖1 隧道斷面圖

二、既有隧道場區(qū)周圍地質(zhì)情況

第四系全新統(tǒng)（Q4ml）雜填土：僅局部少量分布，主要分布在民房建筑一帶，物質(zhì)差異性較大，結(jié)構(gòu)松散～稍密，堆積年限約5年～15年不等，厚1.50m～1.70m。

第四系全新統(tǒng)（Q4el+dl）粉質(zhì)黏土：呈褐紫紅色，可～塑狀，土芯切面光滑度一般，手拍切面無水印，因一般含粉粒物質(zhì)，黏性一般，搓成細(xì)長土條較難，韌性中等，干強(qiáng)度中等，厚0.60m～9.90m。

第四系全新統(tǒng)（Q4col+dl）碎塊石土：物質(zhì)成份為碎塊石夾黏性土、粉土質(zhì)砂，碎塊石母巖以砂巖為主，少量為泥巖，直徑4cm～55cm，含量55%～70%，細(xì)粒成份為粉質(zhì)黏土、粉砂等，厚度1.5m～9.3m。

侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組巖層（J2x）：

泥巖：紫紅色，主要成分為黏土礦物，含砂質(zhì)，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中～厚層狀構(gòu)造，強(qiáng)風(fēng)化帶厚0.40m～9.70m。

砂巖：褐黃色，褐灰色，青灰色，成分以長石、石英為主，細(xì)～中粒結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，厚層～巨厚層狀構(gòu)造，強(qiáng)風(fēng)化帶厚0.40m～9.80m。

三、有限元模型建立及分析

借助Midas GTS軟件，橋墩樁基礎(chǔ)、隧道結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，巖土參數(shù)采用摩爾—庫倫模型。

施工階段模擬依次包括初始應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算，位移清零、應(yīng)力計(jì)算；施工軌道結(jié)構(gòu)；位移清零、應(yīng)力計(jì)算；橋梁樁基的施工，以及位移計(jì)算和應(yīng)力計(jì)算；橋梁上部荷載施加，以及位移計(jì)算和應(yīng)力計(jì)算。

四、有限元結(jié)果分析

（一）樁—隧道凈距=4.5m

樁基施工完成時(shí)隧道結(jié)構(gòu)最大豎向變形為0.025mm，位于隧道結(jié)構(gòu)左側(cè)拱肩；最大橫向變形為0.005mm，位于隧道結(jié)構(gòu)中隔墻上部。采用隧道仰拱反映隧道梁豎向變形，仰拱最大豎向變形為0.01mm。

擬建項(xiàng)目建設(shè)完成后隧道結(jié)構(gòu)最大豎向變形為2.9mm，位于隧道結(jié)構(gòu)左側(cè)拱肩；最大橫向變形為0.6mm，位于隧道結(jié)構(gòu)中隔墻上部。采用隧道仰拱反映隧道梁豎向變形，仰拱最大豎向變形為0.8mm。

項(xiàng)目建設(shè)完成后，依據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，隧道所處地層無較大塑性變形擴(kuò)展，可認(rèn)為擬建項(xiàng)目建設(shè)不降低隧道結(jié)構(gòu)所處地層地基承載力。

（二）樁—隧道凈距=10m

當(dāng)樁—隧道凈距為10m時(shí)，因凈距變大，使橋梁結(jié)構(gòu)跨徑增大，需增加樁基以確保橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

樁基施工完成時(shí)隧道結(jié)構(gòu)最大豎向變形為0.01mm，位于隧道結(jié)構(gòu)臨近擬建橋樁側(cè)邊墻；最大橫向變形為0.01mm，位于隧道結(jié)構(gòu)臨近擬建橋樁側(cè)拱頂。采用隧道仰拱反映隧道梁豎向變形，仰拱最大豎向變形為0.01mm。

擬建項(xiàng)目建設(shè)完成后隧道結(jié)構(gòu)最大豎向變形為0.39mm，位于隧道結(jié)構(gòu)臨近擬建橋樁側(cè)拱肩；最大橫向變形為0.1mm，位于隧道結(jié)構(gòu)臨近擬建橋樁側(cè)拱肩。采用隧道仰拱反映隧道梁豎向變形，仰拱最大豎向變形為0.3mm。

項(xiàng)目建設(shè)完成后，依據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，隧道所處地層無較大塑性變形擴(kuò)展，可認(rèn)為擬建項(xiàng)目建設(shè)不降低隧道結(jié)構(gòu)所處地層地基承載力。

通過以上分析可知，當(dāng)樁—隧道凈距為4.5m、10m時(shí)，項(xiàng)目施工及建成后，其對既有隧道的影響差距較小，且引起隧道結(jié)構(gòu)變形均小于10mm，隧道仰拱變形均小于4mm，滿足相關(guān)規(guī)范對隧道變形的要求，隧道結(jié)構(gòu)所處地層地基承載力也能夠滿足要求。

因此，對于跨既有隧道橋梁工程，橋梁樁基距既有隧道的安全距離為4.5m時(shí)，其對隧道產(chǎn)生的變形影響可滿足規(guī)范要求，工程設(shè)計(jì)不應(yīng)盲目增大橋梁跨徑，增加工程投資。

（三）樁底標(biāo)高位于隧道拱頂附近

當(dāng)樁—隧道凈距為10m、樁底標(biāo)高位于隧道頂板附近時(shí)，經(jīng)計(jì)算，擬建項(xiàng)目樁基施工完成時(shí)隧道結(jié)構(gòu)最大豎向變形為0.02mm，位于隧道結(jié)構(gòu)臨近擬建橋樁側(cè)邊墻；最大橫向變形為0.01mm，位于隧道結(jié)構(gòu)臨近擬建橋樁側(cè)拱頂。采用隧道仰拱反映隧道梁豎向變形，仰拱最大豎向變形為0.02mm。

擬建項(xiàng)目建設(shè)完成后隧道結(jié)構(gòu)最大豎向變形為0.43mm，位于隧道結(jié)構(gòu)臨近擬建橋樁側(cè)拱肩；最大橫向變形為0.15mm，位于隧道結(jié)構(gòu)臨近擬建橋樁側(cè)拱肩。采用隧道仰拱反映隧道梁豎向變形，仰拱最大豎向變形為0.37mm。

擬建橋梁建設(shè)完成后，由計(jì)算結(jié)果可知，隧道所處地層無較大塑性變形擴(kuò)展，可認(rèn)為擬建項(xiàng)目建設(shè)不降低隧道結(jié)構(gòu)所處地層地基承載力。

通過以上分析可知，當(dāng)新建橋梁樁底標(biāo)高位于隧道拱頂附近時(shí)，項(xiàng)目建設(shè)及建成使用所引起隧道結(jié)構(gòu)變形均小于10mm，隧道仰拱變形均小于4mm，滿足相關(guān)規(guī)范對隧道的變形要求，隧道結(jié)構(gòu)所處地層地基承載力也能夠滿足要求。

因此，對于類似工程設(shè)計(jì)，當(dāng)樁-隧道凈距大于10m時(shí)，樁底標(biāo)高宜位于隧道拱頂附近，不應(yīng)盲目增大樁長。

五、結(jié)語

當(dāng)樁—隧道凈距為4.5m，樁基施工對既有軌道產(chǎn)生的最大豎向變形為0.025mm、最大橫向變形為0.005mm，仰拱最大豎向變形為0.01mm，其對隧道產(chǎn)生的變形影響可滿足規(guī)范要求，不應(yīng)盲目增大安全凈距。

當(dāng)樁—隧道凈距為10m，樁底標(biāo)高位于隧道頂板附近時(shí)，樁基施工對既有軌道產(chǎn)生的最大豎向變形為0.02mm、最大橫向變形為0.01mm，仰拱最大豎向變形為0.02mm，其對隧道產(chǎn)生的變形影響可滿足規(guī)范要求，不應(yīng)盲目增大樁長。

樁基施工對既有隧道產(chǎn)生的影響與項(xiàng)目建成通車就對隧道產(chǎn)生的影響相差不大，類似案例分析時(shí)應(yīng)以樁基施工影響分析為主。