铁路隧道下穿既有连续刚构桥施工相互影响及工程应对措施研究

陈连喜

湖南交通国际经济工程合作有限公司 湖南长沙 410000

摘要：目前，我国交通基础设施建设正处于大规模发展阶段，铁路网规划也日渐完善，西南地区铁路建设也紧跟步伐，势必会带动大规模的山岭隧道建设。限于西南地区崇山峻岭，无论是公路还是铁路线路，桥隧比都非常高，必然会出现对线型要求严格的高铁、既有铁路复线、扩能改造工程的大量建设。限于西南地区地形条件，山岭隧道在前期选线及后期施工建设过程中将不可避免的会遇到与既有运营铁路、公路桥梁近接相交的情况。

关键词：铁路隧道下穿；刚构桥施工；施工相互影响；工程应对措施研究

隧道下穿既有桥粱施工过程中，毫无疑问会导致周边一定范围内围岩产生变形和位移，当周边围岩的应力及变形传递到桥梁时，会打破桩基周围土体原有已经平衡的应力状态，降低桩基及上部结构的承载能力和自稳能力，直接影响既有运营桥梁的正常使用，甚至会导致桥梁桩基结构及上部结构产生失稳破坏。同时，由于既有桥梁多种荷载的作用，将严重影响到隧道自身开挖阶段的施工效率，后期运营阶段的安全也势必受到影响3。隧道邻近既有桥梁施工不仅直接增加工程建设成本，甚至会引发重大施工事故，已经成为制约我国交通基础设施建设和发展的重要因素，因此开展新建隧道下穿既有运营桥梁条件下的桥梁与隧道两者的相互作用及工程应对措施研究显得意义重大。

一、研究铁路隧道下穿施工工程的意义

目前，有关隧道工程近接施工方面的分析讨论大体上可归纳成三大类别:新建工程接近既有隧道、新建隧道接近既有工程、两条及以上新建隧道近距离同期施工例。在新建隧道近接下穿既有桥梁施工研究方面，绝大多数研究均集中于浅埋暗挖法及盾构法施工的城市地铁和地铁车站近接既有城市桥梁施工，且施工所近接的既有桥梁一般较矮，结构形式较为简单，多为简支梁桥，并且多数研究只单方面考虑新建隧道施工对邻近既有桥梁影响，很少关注运营桥墩对新建隧道施工过程及安全保障的影响。而针对新建铁路隧道下穿既有连续刚构桥施工相互影响分析和工程应对措施的研究尚处空白，尤其针对下穿既有138m 高墩连续刚构桥的研究，笔者尚未查阅到相关研究资料及参考项目。特别是在我国交通基础设施建设大跨步发展的今天，新建铁路隧道近接既有各种结构形式桥梁的工程将日益增加。

二、隧道施工的相互影响

2.1隧道施工对地层变形影响

隧道施工引起的围岩变形大体可分为开挖过程的围岩变形和后期稳定阶段的地层变形，开挖过程中地层变形包括隧道开挖过程中周边围岩向隧道内侧移动、支护结构背后空隙及不密实土体密合、隧道支护结构受力变形及隧道结构整体变形引起的地层变形。稳定阶段的变形是在含水地层中隧道开挖以后，因地下水流失，诱发土体空隙水压力减小，进而导致有效压力增大，致使土体压缩而导致地层产生形变位移。

2.2引起的地层变形后对桩基影响

在新建隧道开挖施工之前，桩基与桩周土体在桩基建成以来长期的排水固结和外荷载相互作用下早已达到了平衡状态，隧道的开挖施工将会打破这种原有的平衡状态，经应力重分布寻求新的平衡状态。隧道施工毫无疑问会引发围岩产生变形，在一定的范围内这种变形将会延伸至桥梁桩基，桩基受影响后将难免产生变形。若变形过大引起桩基产生过大偏移和沉降，将会使桩基承载能力大幅度降低，进而对既有桩基的正常承载和安全使用造成致命影响。

2.3隧道下穿施工对既有桥梁基础作用的研究方法

目前，有关隧道下穿施工对既有桥梁基础作用的研究方法主要分为整体法和两阶段法，前者是在计算隧道施工时，将桩基和周围土体建成一个模型来进行计算;后者为两阶段法，就是把隧道施工对桥梁基础产生的影响拆分成两个阶段来进行研究:首先研究隧道施工导致的桩基础周围土体的位移;然后将前述位移作用到桩基础上，采用多种方法研究桩基产生的应力应变响应[21。国内外学者关于隧道下穿施工引起的地层变形对桩基的影响方面的研究可大致归纳为四种途径:解析法、实测数据回归法、室内模型法和数值计算法。

2.4桩基沉降对既有桥梁上部结构影响分析

分析桩基沉降如何影响既有桥梁上部结构，将常见桥梁结构形式简化为对应的力学模型，根据结构力学中力法或位移法，模拟隧道近接桥梁施工桩基产生竖向位移，进而研究桩基位移对上部结构造成的影响。计算过程中假定桥梁结构均为线弹性结构，即结构的位移与荷载成正比，应力与应变的关系符合胡克定律，因而计算位移时荷载的影响可以叠加，该结构为静定结构，无多余约束，支座施加竖向位移不能引起上部结构内力的变化，但是桥梁结构受到轴向拉力作用，可能产生受拉破坏。

2.5不同施工工艺情况下隧道与桥墩相互影响研究

针对不同围岩级别、开挖断面大小及形状、埋置深度、工期要求、施工安全及特殊施工环境等相关因素选择最优隧道施工工法，无疑是加快施工进度、提高施工效率、节约建设成本的前提。隧道常见的施工工法有全断面法、台阶法、台阶设置临时仰拱、CD法、CRD法、双侧壁导坑法等。其中双侧壁导坑法无论是在控制隧道变形，还是在控制既有桥墩沉降方面均显示出一定的优势。那么在采用双侧壁导坑法下穿施工既有城门洞大桥过程中，左导洞（近桥墩侧）和右导洞（远桥墩侧）开挖先后究竟对隧道洞内变形和桥墩沉降有无影响，左右导洞究竟哪个先行开挖对施工有利，利用数值模拟来分析左右导洞开挖先后对隧道与桥墩变形的影响程度。

三、连续钢构桥的作用及模型的建立

3.1连续钢构桥的作用

刚构桥是指墩梁刚性连接的桥梁。连续刚构桥是连续梁和T形刚构桥的组合，兼并了两者的受力特点，是预应力混凝土大跨梁式桥的重要桥型之一。主要特点有：

（1）通常有两个及以上主墩采用墩梁固结,主墩应有一定柔度。

（2）受力特性，上部结构受力依旧同连续梁，需同时考虑桥墩受力、混凝土收缩徐变以及温度变化造成的形变使上部结构产生的附加应力。

（3）墩梁固结的特点使桥墩的结构尺寸大幅度减少，大概是梁在支点处高度的0.2～0.4倍。

3.2模型的建立

采用MIDAS/CIVIL数值计算软件建立连续刚构桥整体计算模型，主要分析因隧道下穿施工过程产生的桥墩沉降对城门洞大桥桥梁结构的影响。MIDAS/CIVIL是桥梁专业常用的有限元计算软件，被国内各大桥梁设计研究院广泛应用，其功能强大而全面，直观性好，特别是对一些特殊桥梁结构能够进行静力分析和动力分析，如斜拉桥、悬索桥和吊桥等，其分析结果细致而精确，对于结构各个时期的屈服分析也有其突出的优势和同特点。

四、隧道下穿施工工程应对措施研究

隧道下穿施工对既有桥梁的影响主要是由于隧道掘进过程中所诱发的地层变形延伸既有桥梁桩基，使桥墩和上部结构产生不利受力状态，进而可能引发施工事故。如果，隧道下穿施工对既有桥墩及上部结构的施工影响，那么影响来源可以认为是隧道的开挖施工，影响载体可以认为是地层变形，影响对象可以认为是既有桥梁。所以下穿段隧道施工工艺，即是从影响来源进行分析和控制，也是控制隧道下穿施工对既有桥梁影响的第一道屏障。

五、结语

目前，在隧道下穿既有桥梁研究方面，绝大多数研究均集中于城市地铁近接既有城市桥梁，而针对铁路隧道下穿既有运营连续刚构桥的研究笔者尚未查阅到相关研究资料。因此，本文以新建成昆铁路堙口隧道下穿城门洞大桥为依托工程，采用现场调研、理论分析、现场监测和数值计算为研究手段，进行了一系列研究，通过力学角度解读，隧道在周围围岩中无论开挖施工或是支护均是改变地层原有应力状态，从而扰动周边环境。加载、卸载的路径不同，对土体变形的影响也是不同的，对隧道开挖过程中及开挖完成后的各阶段的地层变形及既有桥梁影响也不相同。

参考文献：

[1]陈建平,何能方,周平.大断面隧道下穿既有高墩大跨连续刚构桥施工技术[J].铁道建筑,2018,58(10):47-50.

[2]段明明. 铁路隧道下穿既有连续刚构桥施工相互影响及工程应对措施研究[D].西南交通大学,2016.