新建桥梁上跨既有隧道工程设计及其参数计算

高奇浪

（南京交通职业技术学院，江苏 南京 211188）

在国民经济不断发展的过程中，城镇化建设也在持续发展。进入到21世纪，城市隧道和地下工程朝着深层次方面发展，城市隧道属于地下交通运输的主要通道，还是地下空间使用开发的重点，要求具有安全且牢固的结构[1]。对城市交通体系进行完善，能够使可持续发展战略需求得到满足。在有限的城市土地背景下，实现既有隧道周围空间与土地的开发使用。基于既有隧道周围实现桥梁与道路的创建，使隧道受力情况改变。因为附加应力的作用，就会导致隧道二次变形的出现，对隧道结构的正常与安全性造成影响[2]。以此，为了保证既有隧道结构安全性，就要在开工之前分析新建桥梁基坑开挖和结构载荷对于既有隧道的影响，实现施工安全措施的制定。

1 工程概况

某新建桥梁上跨既有隧道，图1为新建桥梁和既有隧道的位置结构，K0+351.697 为桥梁中心桩号，全桥共1 联：普通钢筋混凝土连续箱梁，在直线和R=32m 的右偏圆曲线中设置桥平面，设置桥面横坡为单向的-2%，设置桥端80 型伸缩缝。设置桥面宽度为9.5m-11.5m，通过1.5m 等高普通钢筋设置上部结构，设置向量横断面为单箱双室，在改变箱室宽度的时候会使箱梁桥面宽度出现变化。第一孔箱梁顶板宽度为11.5-9.5m，第二到第四孔顶板的宽度为9.5m，悬臂长度为150cm，底板宽度为7.5m。因为既有隧道具有大尺寸断面，而且桥梁上跨隧道段设置圆曲段，为了均匀的传递桥梁荷载，并且具备安全的结构，将支座支承应用到PM3 与PM4 地方，支座在隧道顶板，但是不利于隧道的顶板受力。为了实现既有隧道均匀的受力，使用托架厚板托换的支座，通过托架使上部结构荷载到隧道侧壁传递，托架使用植筋和既有隧道侧壁相互连接[3]。

图1 新建桥梁和既有隧道的位置结构

2 桥梁对既有隧道的影响

2.1 计算模型确定

在桥梁计算过程中，一般都是使用MIDAS 软件计算桥梁和隧道的结构，使用此选件计算之后分析施工工况，并且基于施工范围中选择各个路段岩土实现，以得到的数据设计模型，实现此工程路段立体模型。在隧道工程前期阶段，将三维实体单元弹性模型应用到支护工程中，并且创建隧道二衬浇筑工程，实现隧道板单元模拟。

2.2 荷载施工阶段计算

在高速公路桥梁施工过程中，建设单位与施工单位要对隧道两侧承台工程和侧桩基进行考虑，在施工过程中会受到施工开挖影响。完成工程之后，桥梁在运营过程中的荷载重量是在桥梁中作用，并且利用桥柱降低重量，使其他重量到桥梁桩基中传递，会导致桥柱周围地势出现变形。因为此部分土地层和浇筑之后作为受力整体，在土层结构变形前利用桥梁荷载力的计算计量隧道侧衬。保证运营过程中荷载满足实际需求。

2.3 计算结果分析

以数值模拟结果表示，在创建此工程项目中，创建桥梁和隧道的结构方式为相交断面对于后续使用具有恶劣影响，此结构会导致出现断面形变，而且隧道顶拱会出现坍塌的情况。在整体工程创建的过程中，在边底和仰拱结合部位出现结构最大轴力与弯矩。在工况1 中，工作人员分析施工前高速公路，通过结果可以看出来，隧道顶部覆盖土层面积设置为10m2。设置此时建筑环境为初始状态，那么结构位移就是0。在工况2 中，高速公路桥梁施工模拟过程中的方案为基于隧道两侧，在相同方向中顺次开挖桥梁基桩，然后在上方施工进行桩基承台，最后实现桥梁上方施工。在工况3 中，结束桥梁模拟施工以后再次模拟运营，主要模拟方式要以桥梁相关设计规范需求实现标准施工，将行车道荷载与车辆集中荷载布置到桥梁上方[4]。利用三个工况工程施工模拟之后，表1和表2为计算结果。

表1 交叉路段结构荷载计算结果

表2 交叉路段结构变形计算结果

通过表1数据可以看出来，在结束桥梁施工之后，隧道一衬和二衬结构处于底板拱脚处，增加弯矩2.5kN*m，而且降低隧道拱脚处轴力29.6kN。隧道结构在整个过程中会受到盒子压力，但是较小，表示桥梁在整体施工过程中对于隧道施工并没有太大的影响，保证两者同时施工安全性。

通过表2数据表示，在桥梁施工的过程中，会影响到隧道结构，隧道结构严重下沉，桥梁桩基位置偏移，两侧沉降垂直方向降低，最大垂直方向位置移动-5.56mm，对桥梁质量造成影响[5]。

利用回旋钻成孔的方式对基墩台桩进行施工，设计桩径为1.8m、2m。回旋成孔要充分考虑防塌孔措施。隧道二衬外缘与桩基外缘两者最小的距离为9m，设计隧道系统锚杆的长度为3m，设计隧道系统锚杆与桩基外缘的距离为6m。在开挖桩基的过程中，桩孔中心的位置为底层不同方向中最大的位移，并且在桩身中具备2m 的直径，最大值设置为2.48mm。在具体施工的过程中，要对旱季施工进行选择，禁止通过爆破计算，利用人工钻孔方法进行施工，充分保证隧道结构安全性与桩基施工质量。在施工桩基的过程中，在水平方向位移中实现隧道桩基开挖，设置最大值为0.9mm，说明开挖桩基并不会过于影响隧道。装机加载与施工的过程中会使土体具备线下的挤压力，抵消部分土地的回弹位移，土地也会轻微的下沉[6]。

3 桥梁既有隧道工程设计

3.1 桥梁隧道结构数值模拟

在桥梁结构数值分析的过程中一般使用MIDAS 软件，桥梁隧道数值模型创建过程中主要的参数包括：

混凝土：根据《公路筋混凝土和预应力混凝土桥涵设计规范》，主梁使用C40混凝土，弹性模量E 设置为32500MPa，泊桑比设置为0.2，轴心抗拉强度设计为1.65MPa，轴心抗压强度设计值为18.4MPa。

普通钢筋：以《城市桥梁设计规范》，钢筋设计使用HPB300 和HPB400 钢筋，满足相应规定需求，表3为钢筋材料参数。

表3 钢筋材料参数

梁箱涵结构使用MIDAS 软件实现桥梁整体计算，此为设计箍筋与配筋的依据，主要的内容包括裂缝宽度验算、抗剪计算、全桥抗弯计算。桥梁结构长度为82.06m，使用空间梁单元实现分析，全桥一共82 个单元，图2为桥梁结构计算模型。

图2 桥梁结构计算模型

模型计算参数主要包括：

施工信息输入：第1 施工阶段为安装单元，混凝土自重26kN/m³ ，自重系数为1.04；第2 施工阶段为施加二期横载，设置为59.5-69.5kN/m；第3 施工阶段为将此施工阶段的365 天时间对新增混凝土收缩徐变时间依从性进行考虑；

使用信息输入：公路Ⅰ 级车到横向折减系数根据《公路桥涵设计通用规则》，充分考虑横向不均匀分布安全系数，实际横向分布调整系数为2-1.2=2.4。

不均匀沉降：墩台为0.5cm，出现沉降墩台为任意1-3 个组合。

3.2 上部结构连接既有隧道

基于标准组合，利用MIDAS 计算。在本工程支座中使用GPZⅡ2.5 级盆式橡胶支座，下部结构为地铁框架柱中L 型盖梁。充分考虑本桥纵坡比较大，PM2 使用墩梁固结，下部结构使用外墙厚度140cm 的实体墩，其他使用支座支撑，以此使既有隧道的受力均匀，下部结构使用托架厚度进行转变，上部结构荷载通过托架到隧道侧壁中传递，托架使用植筋和既有隧道侧壁相互连接。桥台使用支座支撑，桥台使用一字型桥台，桥台使用扩大基础，地基承载力超过150kPa。

3.3 支座托架设计

为了降低既有隧道顶板直接受力，将托架厚度转换应用到下部结构中，利用托架使上部结构返利到隧道壁中传递，托架使用植筋和既有隧道相互连接。通过混凝土厚度转换的方式应用到建筑结构中，从而实现上下结构的转换，对转换板对既有结构的影响为结构设计过程中的重点。现代工程中使用厚度分析方法主要包括根据交叉梁计算厚板、根据弹性板计算厚板。

本文设置厚板为弹性板3，针对转换厚板提出假设。以相应的规范实现设计对比，设置板厚为1，托架厚板混凝土强度等级使用C40，钢筋设置HRB400 级钢筋。

在隧道分析过程中，托架厚板使用板单元实现模拟，在托架厚度基于支座处使用0.1m 单元尺寸划分，其他单位尺寸设置为0.5。充分考虑长期荷载作用，对托架厚板最大的裂缝宽度进行计算。因为纵向配筋比横向配筋要少，横向裂缝为最大的裂缝0.04mm。以工程支座托架厚板裂缝控制为三级，设置最大裂缝宽度限值为0.2mm，满足实际需求。

3.4 抗震设计分析

在实现桥梁结构设计过程中，要充分考虑结构总体地震反应，抗震设计标准要以桥梁结构破坏过程和机制进行灵活的使用，并且全面掌握结构设计过程中的问题，实现科学合理解决。基于坚持总体布局原则，对细节部位处理结合实现抗震设计。

延性抗震设计主要是通过结构与构件自身延性耗能的作用对地震导致的作用力缓解。在实现延性桥梁抗震结构设计过程中要满足抗震设计原则，均衡抵抗水平地震的墩台数量和位置。在设计的过程中，首先增强结构与构件延性，基于允许塑性部分实现专门延性设计。延性抗震设计宗旨为允许结构与构件出现塑性变形，但是要对桥梁质量进行保证，不能够导致桥梁倾斜或者倒塌。在桥梁结构设计的过程中，对构件与结构的滞特性进行保证，以此对抗地震或者施工导致的变形。

在抗震设计过程中利用接口控制技术，在桥梁指定位置设置子结构，比如耗能支撑、调频质量阻尼器。或者施加外力，调整结构动力特性与作用效应，保护结构与构件。在大跨度桥梁设计过程中，利用结构控制技术使桥梁减震能力得到提高，并且节约成本费用。特制减震构件与装置在发生地震的时候能够进入塑性区生成阻尼，使地震作用力降低。

4 结束语

新建桥梁上跨既有隧道的过程中，桥梁自身荷载和施工的过程中会对隧道造成影响，以此在新建桥梁施工过程中与施工完成之后分析既有隧道的影响具有重要的作用，能够对既有隧道承载能力和变形规律全面掌握，并且保证隧道运行过程中的安全性。以此，本文基于某新建桥梁上跨既有隧道工程，使用数值分析方法分析了工程，并且实现了工程支护与抗震设计，保证工程施工与使用过程中的安全性，以此为今后隧道维护与工程施工提供可靠依据。