高速公路橋隧相接形式與施工方法研究

文／韓光 北京市政路橋股份有限公司 北京 100000

引言：

在高速公路建設的支持下，山區(qū)交通運輸情況得到了極大改善，從而又進一步帶動了山區(qū)經(jīng)濟發(fā)展。橋梁和隧道數(shù)量與高速公里數(shù)量在一定程度上表現(xiàn)出較強正相關性，即高速公路數(shù)量越多，橋梁與隧道數(shù)量也就越多，這與地形情況有著密切聯(lián)系。當前我國的橋梁與隧道建設速度明顯趕不上高速公路建設速度，由過程中會涉及到工程設計方面的問題，比如橋梁路基寬度要比隧道寬度大，而受地形地質條件限制，工程施工經(jīng)常會陷入停頓狀態(tài)。如何在科學理論、原理、模型的支持下，結合包括地質地形在內的實際自然環(huán)境，以及工程施工要求，研制切實可行的施工方案，創(chuàng)新施工技術，制定施工策略，從而更好地將橋梁和隧道在山區(qū)中連接起來，最終使橋隧相接變得更具現(xiàn)實意義，以解決當前高速公路建設存在的問題及面臨的困難，是工程建設者們需要認真思考的問題。

1、橋隧相接類型與特點

1.1 橋隧相接的定義與類型

橋隧相接是指一種或一類工程段，由隧道地洞口部、橋梁的端口部分，以及橋隧間的連接路段等幾部分組成，其中隧道的洞口部又由洞口段、洞門，以及其前后一部分的區(qū)間組成。對橋隧相接的描述無法達到準確的程度，因為各部分內容所涵蓋的范圍是很難去定義的。

當前所有橋隧相接類型共被分為三種，即整體式橋隧相接、緊靠型橋隧相接、連接型橋隧相接。其中整體式橋隧相接又被分成整幅橋梁與連拱隧道相接，單幅橋梁與分離式隧道相接兩種。分別見圖1、圖2、圖3。

圖1 連拱隧道與整幅橋梁相接

圖2 橋隧相接中變截面梁與隧道連接圖

圖3 橋隧相接中隧道洞口變截面與橋梁連接圖

整體式橋隧相接在結構、受力和變形、設計、施工等四個方面分別具有以下特點：

（1）橋梁橋臺與隧道洞口保持不分離，始終成為一個整體。

（2）橋臺隧道洞口在變形上呈現(xiàn)連續(xù)一致狀態(tài)，且共同承受荷載。

（3）結構分析與受力計算需要在橋梁橋臺和隧道洞口作為整體的條件下進行。

（4）橋隧結構完整性能夠被保證。

所謂緊靠型橋隧相接，是指隧道與橋梁之間僅存在較小施工縫，但卻是像個相對獨立的部分。該類型最主要的特點在于，因為隧道與橋梁存在施工縫，所以二者分別承受的荷載是不會相互傳遞的，彼此受力不會給對方造成影響。相接段設置橋臺圖見圖4，橋臺置于護坡結構上圖見圖5。

圖4 橋隧相接中相接段設置橋臺圖

圖5 橋隧相接中橋臺置于護坡結構上圖

1.2 橋隧連接工程的特點

相互干擾性、綜合性、獨立性、時間效應等，是橋隧連接工程的四個主要特點。相互干擾性是指，相連接橋梁與隧道在工程施工中存在一定程度的影響，但由于隧道相連類型不同，所以這種影響也會不同；綜合性是指，在整個橋隧連接工程施工過程中，因為會涉及到不同構造類型，如路基路面、橋梁、隧道，所以工程設計需要同時兼顧三種不同類型的結構形式，既要保證各自功能能夠被發(fā)揮，又要使工程具有一定健全性；所謂獨立性是指，雖然橋隧連接工程會涉及到不夠結構形式，并且需要兼顧綜合性和發(fā)揮健全性，但各結構的自身建設仍然是重要主體，各自的獨特性功能是無法被取代的；所謂時間效應是指，工程建設在后期運營過程中需要表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，橋隧連接的穩(wěn)固程度不會隨時間流逝而發(fā)生大幅度降低。

2、明洞橋隧相接形式數(shù)值模擬

2.1 洞口段數(shù)值模擬

（1）單元類型及材料選取

本研究采用Mohr-Coulomb 準則作為圍巖的力學模型，采用solid45單元，模型模擬行為主要針對于Ⅳ級圍巖。計算參數(shù)選取情況見表1。

表1 計算參數(shù)選取表

solid45單元的坐標系與節(jié)點方向，以及幾何形狀描述見圖6。

圖6 SOLID45單元幾何描述

輸入數(shù)據(jù)內容主要為：節(jié)點、自由度、實常數(shù)、材料特性、表面載荷、體載荷、特殊性征、KEYOPT（1）、KEYOPT（2）、KEYOPT（3）、KEYOPT（4）、KEYOPT（5）、KEYOPT（6）、KEYOPT（7），詳見圖7-1和7-2。

圖7-1

圖7-2

注釋：①非線性解輸出前提是僅當單元具有非線性材料；

②如果KEYOPT（6）等于1,2，或者4，會進行表面輸出；

③用＊GET 可以獲得質心位置的結果。

注釋：①在單元有非線性材料情況下，并且KEYOPT(6）為附帶每個積分點的非線性解，則在 8 個積分點處進行結果輸出。

②如果KEYOPT(5）為在所有積分點上重復基本解，則在每個積分點輸出結果。

③如果KEYOPT(5）為節(jié)點應力解，則在每個結點輸出結果。

（2）有限元模型

Ansys軟件一種專業(yè)的有限元分析軟件，融合了多種內容分析，當前被應用于多個工業(yè)領域，如汽車、生物醫(yī)學、電子、建筑、重型機械等。前處理、后處理，以及分析計算是該軟件的三個組成模塊，其中分析計算模塊包含了結構、流體、電磁場、聲場、耦合場等五項內容。最終幾個模型見圖8。

圖8 最終幾何模型

空心板自重、二期鋪裝自重、橋臺自重、活載反力等標準荷載計算分別見式子（1）、（2）、（3）、（4），總荷載見式子（5）。

2.2 洞口段數(shù)值計算結果與分析

在該章節(jié)中，橋梁的施作對隧道明洞結構受力的影響時我們分析的重點。各結構段施作橋梁前后主應力值比較見表2。

表2 各結構段施作橋梁前后主應力值比較

（1）設置橋臺段受力

在設置橋臺段受力方面，結合表2數(shù)據(jù)，施作前的橋梁第一主應力最大應為2.2MPa，位置在墻角處；施作后的位置應在墻角前邊緣處，其最大第一主應力為4.8MPa。第三主應力在施作前和施作后的位置應分別在直墻與拱腳的交接處與墻腳前邊緣外側。

（2）相鄰橋臺段受力

在相鄰橋臺段受力方面，與設置橋臺段受力相類似，結合表2數(shù)據(jù)，施作前后明洞鄰橋臺渡段的第一主應力與第三主應力位置分別位于與內部隧道相接的部分、與內部隧道相接的拱腰部位、與內部隧道相接段的拱腳處（施作后第三主應力變化不大，因此位置與施作前相同）。

（3）遠離橋臺段受力

在遠離橋臺段受力方面，與前面設置橋臺段受力和相鄰橋臺段受力研究思路相同，結合表2數(shù)據(jù)分別對施作前后的第一主應力和第三主應力位置進行設計，結果顯示，施作前后第一主應力位置均在墻腳處；施作前第三主應力位置在直墻與拱腳的交接處，施作后第三主應力不變不大（6.5MPa），因此依然在施作前位置。

3、橋隧連接施工技術研究

3.1 隧道洞口施工技術

隧道洞口施工包括淺埋隧道洞口施工、巖堆洞口段施工、偏壓隧道洞口段施工三項內容，每項內容均需采用相應的施工技術進行施工。在進行淺埋隧道洞口施工時需應用零刷坡進洞技術，可減少對隧道口的圍巖擾動；巖堆洞口段施工建議采用管棚法，可有效解決穿越巖堆的難題；而對于偏壓隧道洞口段施工來說，地形偏壓和構造偏壓是需要注意并解決的兩種圍巖壓力不對稱性問題。

3.2 橋臺施工技術

橋臺施工分為混凝土橋臺施工、施工難點及處理措施、橋隧連接條件下橋臺施工。在混凝土橋臺施工方面，混凝土運送、攪拌、澆筑等需要做好質量控制。對于橋臺的施工來說，其主要技術難點主要存在于兩個方面，一個是大體積橋臺的施工，另一個是軟基橋臺的施工。橋臺施工中，軟基橋臺施工是需要注意的難點，可通過以下幾項技術去解決：加強臺身及基礎的剛度法；臺前加載法；臺后減壓法。在橋隧連接條件下橋臺施工中，經(jīng)常會出現(xiàn)的兩種情況是，橋臺在隧道洞門內施工和橋臺在隧道洞門外施工，為了保證整個施工安全，準備工作盡量充分，遇到問題及時處理，最大限度保證施工質量。

3.3 橋隧連接下箱梁施工要點

主道路橋梁工程中，箱梁施工是其重要的施工部分，對道路橋梁施工建設的質量、效益等，均存在著較大的作用和影響。結合橋隧連接條件下箱粱施工開展的實際情況，其中，橋隧連接段的箱梁架設施工，是整個橋隧連接施工的重點，并且由于橋隧結構的空間有限，導致在橋隧架設施工中對箱梁架設使用設備的應用局限性較為顯著，使得整個施工開展的困難性更加顯著。 要工序有增設箱梁的預制場地、擴大隧道的斷面、改預制為現(xiàn)澆、雙片或多片組合箱梁代替整孔箱梁、后澆整孔箱梁部分翼緣板。

結語：

本文對高速公路橋隧相接形式與施工方法進行了較為粗淺的研究，文章的全部內容都在是認真分析專業(yè)知識和技術基礎上所提出的。其中在文章第二部分中只給出了明洞橋隧相接形式數(shù)值模擬，而實際環(huán)境中，除了明洞形橋隧外，還有喇叭形洞口橋隧，由研究程度有限，并未在文章中提及。本文內容只是在專業(yè)知識和技術的支持下對橋隧連接工程進行了經(jīng)驗層面的總結和分析，并未結合具體工程過程進行數(shù)據(jù)實測，因此實用性價值并不突出。對該課題的研究還有待于做進一步改善，爭取在實測數(shù)據(jù)基礎上進行完善。