当新建高速公路连续梁桥跨越铁路隧道时,在施工中存在较多安全隐患;桩基施工引起既有隧道沉降,若不均匀沉降过大,将导致既有隧道衬砌的开裂,影响既有隧道衬砌结构的安全和交通安全运营。
1 引言
目前,针对新建上跨结构对既有隧道安全影响的研究主要有:新建结构基础开挖卸载对既有隧道的影响;上跨结构施工荷载对既有隧道的影响;隧道纵向变形与相邻土体之间的相互作用研究等。针对如何有效评估上跨结构基础对隧道的影响方面,国内外的研究成果较少。Schroeder借助3D有限元软件对新建桩基施工引起的隧道变形进行了模拟,通过考虑相互作用机理分析了新建桩基对既有隧道的影响,并与工程实测的变形结果进行了对比分析;谭双全等结合工程案例,根据上跨桥梁与既有隧道的空间关系特点,采用有限元软件分析了既有隧道的位移和内力,并对隧道结构的安全性进行了评估;刘力英等采用有限元软件分别从空间和平面两个维度建立了新建上跨结构桩基与既有隧道模型,分析了上跨结构桩基对既有隧道的影响。在实际工程案例方面,目前国内高速公路梁桥跨越既有铁路隧道洞门段的案例较少,但高速公路桥梁跨越既有铁路(隧道)的案例较多。
2 风险分析及评估
2.1 潜在风险分析
在施工和运营中,新建高速公路大桥跨越铁路隧道时存在以下风险点:
(1)在新建桥梁施工过程中,桩基施工易引起既有隧道的沉降且不均匀沉降较大,甚至导致既有隧道衬砌的开裂,影响既有隧道衬砌结构的安全和铁路交通的安全运营。
(2)新建高速公路大桥建成后,当存在超载时易造成桥梁结构的损坏、垮塌,甚至危及铁路隧道洞门段结构和铁路线路。
2.2 评估方法
基于地勘资料和设计方案资料,分析归纳各环节中可能存在的风险事件和风险因素,然后针对各种风险提出处理措施,以期将风险控制在可以接受的范围内,达到安全环保的目的。
新建高速公路大桥对既有铁路隧道的影响主要包括以下几个方面:
(1)新建高速公路桥梁桩基施工时将引起桩基周边土层的变形和应力调整,并进一步影响铁路隧道结构的变形和受力。
(2)在新建高速公路桥梁运营期内,桩基在恒载和车辆荷载作用下将引起桩基周边土层的变形和应力调整,并进一步影响铁路隧道结构的变形和受力
3 工程案例
3.1 工程概况
某高速公路与广达铁路在达州市交叉,拟采用桥梁方案上跨铁路,采用2-40 m预应力混凝土简支T梁,桥墩采用双柱式墩、桩基础,桥台分别采用桩柱台、桩基础和肋板台、桩基础。T梁采用集中预制和架桥机安装预施工,下部结构采用旋挖钻、回旋钻等对桩周岩土扰动较小的钻机及工艺施工嵌岩桩和立模现浇墩台身。桥梁右侧的防撞护栏外缘距铁路隧道口的最小距离约为11.45 m。公路桥梁0#台桩基外缘距铁路隧道二次衬砌外缘的最小距离为11.61 m,距隧道洞口的距离为15.36 m,1#墩桩基外缘距铁路隧道二次衬砌外缘的最小距离为11.49m,距隧道洞口的距离为14.09m。由地质钻探结果知,桥址区基岩岩性主要为泥岩,基岩覆盖层厚度在0#台处约1 m、1#墩处约5～7 m。
新建高速公路大桥的第1孔跨越铁路隧道,交叉点的法向夹角为75°,桥孔采用对称布置。从立面布置来看,公路桥梁在交叉点K83+028.8处设计高程为373.428 m,受超高影响,桥梁右侧边缘为最低点,设计高程为372.898 m;按高速公路高程系统实测的铁路轨面高程为351.229 m。
3.2 数值模拟和计算分析
采用有限元软件分析了新建高速公路桥梁施工对铁路隧道的影响,新建高速公路桥梁与铁路隧道成75°夹角,0号桥台桩基外缘距隧道衬砌的最小距离为11.61 m,桩底位于隧道内轨面以下2.972 m;1号桥墩桩基外缘距隧道二衬外缘的最小距离为11.49 m,桩底位于隧道内轨面以下13.586 m。模型共划分219 636个单元、41 174个节点。模型X向取116 m,模型Y向取84 m,模型中隧道埋深随地形变化,Z方向取约50 m。建模时采用梁单元模拟桥梁桩基,采用三维实体单元模拟隧道衬砌,桩与土体之间以及桩端设置界面接触。计算分析时分3为个工况,即:
工况1:施工桩基前的初始平衡状态;工况2:桩基施工状态;工况3:桥梁运营状态。
3.2.1 隧道围岩分析
在桩基施工和运营期荷载工况中,隧道围岩在弯矩、剪力及轴力作用下,会产生竖向和水平变形,其中隧道围岩的最大水平位移为0.13mm,隧道围岩的竖向沉降值为0.9 mm。隧道围岩的最大主应力为0.04 MPa,最小主应力为-1.12 MPa。
3.2.2 隧道结构分析
在桩基施工和运营期荷载工况中,隧道结构(衬砌)的最大水平位移约为0.05 mm,最大竖向沉降约为0.2 mm,最大值点均位于隧道拱顶偏下的位置处。隧道结构(衬砌)的最大主应力为1.07MPa,最小主应力为-1.26 MPa,均出现在边底和仰拱结合部。
3.2.3 数值分析结果
利用上述数值分析结果,分析新建高速公路桥梁桩基施工及运营期对广达铁路隧道结构的影响。其中,隧道结构的最大沉降值约为0.2 mm,隧道结构产生的最大水平位移较小,约为0.05 mm。由此可知,高速公路桥梁在施工和运营过程中均对既有广达铁路隧道结构产生影响,但影响较小。由受力分析结果可知,在新建桥梁桩基施工及运营期附加荷载作用下,隧道结构的最大主应力为1.07 MPa,最小主应力为-1.26MPa,隧道结构的受力变化较小,说明桥梁桩基施工及运营对既有隧道的安全性影响较小。