既有橋梁下新建隧道安全性能評估

摘要：隨著地鐵和其他軌道交通工程的不斷發(fā)展，新建隧道和既有鄰近建筑物相互影響下的結(jié)構(gòu)安全評估成為關(guān)注熱點(diǎn)。本文基于橋梁外觀檢測開展既有橋梁技術(shù)狀況評定，利用有限元數(shù)值模擬分析，開展新建隧道基坑開挖和樁基入侵相互影響下的結(jié)構(gòu)安全評估。研究表明：既有橋梁樁基水平位移受基坑開挖影響較豎向位移敏感。最大水平變位和豎向變位均發(fā)生在樁頂位置。當(dāng)樁基埋深gt;15 m后，隨著埋深的增加，水平位移減小幅度降低。當(dāng)埋深gt;20 m后，樁基豎向位移基本不受開挖影響。樁基入侵后新建隧道仰拱位置承載力安全系數(shù)最小，接近2.51。隧道基坑開挖和樁基入侵相互影響后，結(jié)構(gòu)安全性能滿足要求。

關(guān)鍵詞：新建隧道；既有橋梁；安全評估；基坑開挖

中圖分類號：U448.22+2" "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" "文章編號：２０９６-2118（2024）04-0116-05

Safety Performance Evaluation of New Tunnels under Existing Bridges

ZENG Xiaoguang

（Jiangxi Transportation Science Research Institute Co.，Ltd.，Nanchang Jiangxi〓330052，China）

Abstract：With the continuous development of subway and other rail transit engineering，the structural safety assessment of newly built tunnels and adjacent buildings under their mutual influence has become a hot topic of attention.This article evaluates the technical condition of existing bridges based on bridge appearance inspection，and uses finite element numerical simulation analysis to conduct structural safety assessment under the mutual influence of excavation of new tunnel foundation pits and pile foundation intrusion.Research has shown that the horizontal displacement of existing bridge pile foundations is more sensitive to excavation than vertical displacement.The maximum horizontal and vertical displacement occur at the top of the pile.When the burial depth of the pile foundation is greater than 15 meters，with the increase of burial depth，the reduction of horizontal displacement decreases.When the burial depth is greater than 20 meters，the vertical displacement of the pile foundation is basically not affected by excavation.After the invasion of pile foundation，the safety factor of bearing capacity at the inverted arch position of the newly built tunnel is the smallest，close to 2.51.After the mutual influence between tunnel excavation and pile foundation intrusion，the structural safety performance meets the requirements.

Keywords：new tunnel；existing bridges；security assessment；excavation of foundation pits

0 引言

近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化水平的不斷提高，我國的土木工程取得了蓬勃發(fā)展[1-2]，伴隨著人口的快速增長，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求的增大使可利用的地面空間越來越少，各類交通設(shè)施建設(shè)逐漸向地下和地上區(qū)域延伸[3]，從而達(dá)到節(jié)省空間的目的。因此，地鐵等軌道交通工程建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，不可避免會涉及隧道工程。新建隧道與既有鄰近建筑物相互影響，增加了結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)[4]。因此，基于工程實(shí)際建設(shè)條件和環(huán)境，準(zhǔn)確評估既有建筑物和新建隧道安全性能意義重大。

本文在分析新建隧道及既有橋梁工程實(shí)際建設(shè)條件的基礎(chǔ)上，考慮既有橋梁樁基和新建隧道之間的相互影響，開展既有橋梁及新建隧道安全性能評估。本文的評估方法可為此類工程結(jié)構(gòu)的安全評價(jià)提供參考。

1 項(xiàng)目概況

1.1 新建隧道

重慶市某換乘通道下穿立交工程，全長66.58 m，其中與區(qū)間共建段長20 m，標(biāo)準(zhǔn)段長46.58 m，隧道埋深22.5 m，覆土厚度約12.5 m，巖層厚約10 m，隧道圍巖為砂質(zhì)泥巖與砂巖互層（上臺階為砂質(zhì)泥巖、下臺階為砂巖），Ⅳ級圍巖。

本工程換乘通道采用非爆法施工，直墻拱形斷面，復(fù)合襯砌支護(hù)。根據(jù)設(shè)計(jì)文件，施工完成后先開挖下部區(qū)間并施作二襯，最后開挖上部換乘通道。區(qū)間隧道埋深約36 m～46 m，圍巖級別為Ⅳ級。區(qū)間右線長786.497 m；區(qū)間左線長774.594 m。區(qū)間隧道開挖方式采用臺階法開挖，暗挖法施工。

1.2 既有橋梁

既有橋梁現(xiàn)狀如圖1所示。

既有立交站共有3個(gè)匝道，施工影響區(qū)域共有2條匝道，匝道總長289 m。項(xiàng)目暗挖區(qū)間隧道和換乘通道施工主要影響其B（1B-1，1B-2，2B，3B橋墩），C（0C，1C橋墩）匝道。B匝道高架橋位于直線上，上部結(jié)構(gòu)均為普通鋼筋混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，梁體采用C40混凝土，下部結(jié)構(gòu)橋采用圓柱形橋墩，直徑1.2 m，墩臺基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，直徑1.5 m；橋面匝道寬度12.75 m，即0.5 m（防撞護(hù)欄）+11.75 m（車行道）+0.5 m（防撞護(hù)欄）。C匝道高架橋位于曲線上，上部結(jié)構(gòu)采用等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)橋采用圓柱形橋墩，直徑1.2 m，墩臺基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，直徑1.5 m；橋面寬度為8.5 m，即0.5 m（防撞護(hù)欄）+7.5 m（車行道）0.5 m（防撞護(hù)欄）。

2 既有橋梁安全評估

2.1 原橋?qū)ｍ?xiàng)檢測

1） 混凝土強(qiáng)度及碳化深度

既有橋梁主梁混凝土碳化深度為5.0 mm，墩柱混凝土碳化深度為5.0 mm?；炷翉?qiáng)度測試評定結(jié)果見表1。主梁混凝土測試強(qiáng)度推定值為41.4 MPa～43.1 MPa，橋墩柱混凝土測試強(qiáng)度推定值為32.8 MPa～33.7 MPa，推定強(qiáng)度勻質(zhì)系數(shù)均＞1，所抽檢部位混凝土強(qiáng)度狀況良好。

2） 鋼筋保護(hù)層厚度及銹蝕情況

既有橋梁各部位鋼筋保護(hù)層厚度評定結(jié)果見表2。主梁各部位鋼筋保護(hù)層厚度評定標(biāo)度均為1，鋼筋保護(hù)層厚度對結(jié)構(gòu)鋼筋耐久性影響不顯著。此外，鋼筋銹蝕測試部位鋼筋銹蝕不明顯，對結(jié)構(gòu)承載能力影響較小。

既有橋梁外觀檢查結(jié)果結(jié)合本橋相關(guān)資料分析表明：既有橋梁技術(shù)狀況指數(shù)BCI在80分以上[5]，既有橋梁安全性評估等級為“合格級”，橋梁可以正常運(yùn)營，應(yīng)進(jìn)行日常保養(yǎng)。

2.2 基坑開挖對既有橋梁樁基變位影響

由于既有橋梁橋墩距離新建隧道最小凈距僅為3.13 m，新建隧道基坑開挖對既有橋墩存在安全風(fēng)險(xiǎn)，本節(jié)分析最不利斷面開挖對既有橋梁受力影響規(guī)律，開展既有橋梁安全性評估。

圖2～圖3反映不同基坑開挖深度下距離基坑最近的橋梁樁基水平位移和豎向位移變化情況。

從圖2可以看出：既有橋梁水平位移受基坑開挖影響較大，同一位置水平位移隨著基坑開挖深度增加逐漸增加。在不同開挖深度下，樁基水平位移隨埋深的變化規(guī)律一致；在同一開挖深度下，樁基水平位移隨著埋深增加有所減小，當(dāng)樁基埋深＞15 m后，水平位移隨著埋深增加的減小幅度降低。最大水平位移發(fā)生在樁頂位置，基坑開挖深度為1 m，2 m，3 m時(shí)，樁頂水平位移分別接近0.47 mm，0.68 mm，0.75 mm。

從圖3可以看出：既有橋梁豎向位移受基坑開挖影響較水平位移受基坑開挖影響小。當(dāng)埋深＜20 m，樁基豎向位移隨開挖深度增加有所增加；當(dāng)埋深＞20 m后，樁基豎向位移基本不受開挖影響。在不同開挖深度下，樁基豎向位移隨埋深的變化規(guī)律一致。最大豎向位移位于樁頂位置，基坑開挖深度為1 m，2 m，3 m時(shí)，樁頂豎向位移分別為3 mm，3.02 mm，3.03 mm。

此外，計(jì)算各樁基豎向位移，得出由基坑開挖引起的不均勻沉降造成的最大傾斜度為0.000 04，在一定程度上會造成橋墩傾斜，對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。故尚需在考慮基坑開挖引起地基變位的情況下，對既有橋梁進(jìn)行安全評估。

2.3 地基變位后既有橋梁安全評估

將基坑開挖引起的樁基水平位移和豎向位移以強(qiáng)制位移方式作用于樁基對應(yīng)位置，計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮基坑開挖引起樁基變位后的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和承載力極限值，并根據(jù)文獻(xiàn)[6]展開安全評估，評估結(jié)果見表3。

結(jié)構(gòu)安全度K計(jì)算公式如下：

K=允許值/設(shè)計(jì)值（1）

從表3可以看出，基坑開挖后，既有橋梁內(nèi)力設(shè)計(jì)值均有所增加，最大正彎矩增加0.2%，最大負(fù)彎矩、最大主壓應(yīng)力和最大鋼筋應(yīng)力均增加1%，截面最大拉應(yīng)力和主拉應(yīng)力均增加11%。主拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值與允許值接近，安全度最小。

上部結(jié)構(gòu)最小安全度Kmin計(jì)算公式如下：

Kmin=1.82/1.76=1.03（2）

分析表明：新建隧道開挖后，主梁內(nèi)力仍滿足要求，最小安全度為1.03，既有橋梁主梁安全性能滿足要求。但斜截面抗裂性能較差，隧道開挖后，應(yīng)加強(qiáng)主梁裂縫檢測和監(jiān)控。

隧道開挖后，樁基承載力計(jì)算公式如下[6]：

R■=A■q■+0.5u■l■q■（3）

式（3）中：Ra為樁基承載力允許值，kN；qr為樁端土承載力允許值，kN/m2；Ap為樁端截面面積，m2；u為樁身周長，m；li為土層厚度，m；qik為各土層與樁側(cè)的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2。

根據(jù)式（3）算得樁基承載力允許值為36 478 kN，遠(yuǎn)大于樁底豎向力設(shè)計(jì)值6 381 kN。

故樁基安全系數(shù)為36 478/6 381=5.7，表明隧道開挖后，樁基安全儲備值較大，既有橋梁樁基安全性能滿足要求。

綜上所述，隧道基坑開挖后，既有橋梁上部結(jié)構(gòu)和樁基安全性能均滿足要求，但應(yīng)加強(qiáng)對主梁裂縫的檢測和監(jiān)控，并及時(shí)處治相關(guān)病害，從而提升主梁斜截面的抗裂性能。

3 考慮樁基入侵下新建隧道安全評估

3.1 荷載分析

新建隧道與0C樁基礎(chǔ)垂直相交，2B樁基與隧道截面相交于側(cè)墻頂部，新建隧道施工時(shí)將承受通過樁基傳遞而來的橋面豎向荷載，新建隧道二襯結(jié)構(gòu)可能會產(chǎn)生裂隙，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。為了保護(hù)新建隧道襯砌結(jié)構(gòu)，需驗(yàn)算新建隧道襯砌結(jié)構(gòu)受到圍巖壓力和樁基傳遞的豎向荷載，判斷其設(shè)計(jì)是否滿足其承載力及裂縫寬度要求。荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算簡圖見圖4。

地基對結(jié)構(gòu)作用采用彈簧模擬，彈性抗力系數(shù)為250 MPa/m。根據(jù)文獻(xiàn)[7]計(jì)算深埋隧道松散荷載垂直均布壓力及水平均布壓力。

垂直均布壓力計(jì)算公式如下：

w=1+i（B-5）=1+0.1×（10.34-5）=1.534（4）

h=0.45×2s-1×w=0.45×24-1×1.534=5.52（5）

p=γh=25.7×5.52=141.86（6）

式（4）～式（6）中：w為寬度影響系數(shù)；i為圍巖壓力增減率，%；h為等效高度，m；γ為巖石容重，kN/m3；p為垂直均布壓力，kN/m2。

水平均布壓力計(jì)算公式如下：

q1=q2=0.5×γh=0.5×141.85=70.93（7）

式（7）中：q1，q2為水平均布壓力，kN/m2；h為等效高度，m；γ為巖石容重，kN/m3。

此外，橋墩荷載P2經(jīng)計(jì)算取6 100 kN。

3.2 分析結(jié)果

樁基入侵后，隧道關(guān)鍵斷面內(nèi)力云圖如圖5所示。根據(jù)文獻(xiàn)[7]，裂縫和承載力驗(yàn)算結(jié)果見表4。

分析表明：樁基入侵后，新建隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足承載力及裂縫寬度要求，隧道全斷面無裂縫產(chǎn)生，新建隧道安全系數(shù)較高，仰拱位置承載力安全系數(shù)最小，為2.51，建議仰拱施工中提升初期支護(hù)參數(shù)。

4 結(jié)語

1） 對原橋技術(shù)狀況進(jìn)行評定，基于專項(xiàng)檢測結(jié)果，原橋安全等級評定為評估等級為“合格級”，橋梁可以正常運(yùn)營，應(yīng)進(jìn)行日常保養(yǎng)。

2） 既有橋梁水平位移受基坑開挖影響較豎向位移敏感，同一位置水平位移和豎向位移隨著基坑開挖深度增加逐漸增加。最大水平變位和豎向變位均發(fā)生在樁頂位置。當(dāng)樁基埋深超過15 m后，水平位移隨著埋深增加的減小幅度降低。當(dāng)埋深超過20 m后，樁基豎向位移基本不受開挖影響。由基坑開挖引起的不均勻沉降在一定程度上會造成橋墩傾斜，對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。故尚需在考慮基坑開挖引起地基變位的情況下，對既有橋梁進(jìn)行安全評估。

3）隧道基坑開挖后，既有橋梁安全性能滿足要求，但應(yīng)加強(qiáng)對主梁裂縫的檢測和監(jiān)控，并及時(shí)處治病害，從而提升主梁斜截面抗裂性能。

4） 樁基入侵后，新建隧道安全系數(shù)較高，滿足要求，最小安全系數(shù)為2.51，位于仰拱位置，建議仰拱施工中加強(qiáng)初期支護(hù)參數(shù)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]周倩，周建庭，馬虎，等.鋼管拱肋分段吊裝扣索一次張拉索力改進(jìn)算法[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2020，20（1）：92-101.

[2]周倩，周建庭，張嘉誠，等.大跨鋼管混凝土拱橋混凝土自調(diào)載灌注方法[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，52（3）：82-89.

[3]ZHOU Q，ZHOU J T，F(xiàn)ENG P C，et al.Full-scale experimental study on temperature field of large-diameter cfst arch bridges under strong radiation and large daily ambient temperature difference[J].Journal of Civil Structural Health Monitoring，2022，12（5）：1247-1263.

[4]黎鉅宏.綜合管廊近距離并行既有地鐵隧道的安全評估研究[J].北方建筑，2023（8）：35-38.

[5]交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院.公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)：JTG/T H 21—2011[S].北京：人民交通出版社，2011.

[6]中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司.公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范：JTG" D 60—2015[S].北京：人民交通出版社，2014.

[7]招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司.公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG 3370.1—2018[S].北京：人民交通出版社，2018.

編輯：楊 洋