斜拉桥支架施工对既有地下隧道的受力影响分析

康广朝 刘海宽 张代 胡锋

（河南省交通科学技术研究院有限公司，河南 郑州 450000 ）

斜拉桥支架施工对既有地下隧道的受力影响分析

康广朝 刘海宽 张代 胡锋

（河南省交通科学技术研究院有限公司，河南 郑州 450000 ）

桥梁支架施工方便，能较好的确保桥梁的设计线形，但当支架地基范围内有地下结构物时，应考虑支架附加荷载对既有地下结构的影响。以郑州市郑东新区北三环跨西运河斜拉桥为例，应用布西奈斯克公式计算了土体应力，并结合有限元软件对紧邻桥梁的地下隧道进行了受力分析，评估了支架附加荷载对地下隧道的影响。

支架施工；布西奈斯克；隧道；受力分析

斜拉桥是一种由塔、梁、索三种基本构件组成的组合桥梁结构体系，其施工方法多种多样。对于一般大跨径斜拉桥，上部主梁主要采用悬臂浇筑施工方法；对于中小跨径斜拉桥，可结合桥位实际地形条件和结构特点，采用支架法、顶推法或平转施工等方法。

支架法是在桥位搭设满堂支架，然后立模浇筑混凝土主梁的施工方法。支架法一般应用于桥下净空较低、搭设方便、不影响桥下通行的桥梁，支架法施工方便，能较好的确保桥梁的设计线形。支架施工要求支架应有足够的承载能力和稳定性，并在浇筑混凝土前进行预压试验，以检验其承载能力和稳定性，并消除非弹性变形。当支架地基范围内有地下结构物时，应考虑支架附加荷载对既有地下结构的影响。

1 工程概况

1.1 桥梁概况

郑州市郑东新区北三环跨西运河桥设计为独塔双索面预应力混凝土斜拉桥，跨越西运河。受北三环道路规划用地和已建成地下北三环隧道的影响，该桥紧邻隧道两侧采用分离式双幅桥，并在跨径组合上采用反对称布置，其中左幅跨径组合为（40+109+70）m，右幅跨径组合为（70+109+40）m，桥梁左幅箱梁全宽29.0m，右幅箱梁全宽26.5m。桥梁左幅立面布置如图1.1所示。桥梁支架横断面布置如图1.2所示。

1.2 施工方法

郑州市郑东新区北三环跨西运河桥主梁采用满堂支架施工，主塔采用翻模节段浇筑，待塔、梁施工完成后从主塔向两侧对称挂斜拉索张拉，完成体系转换后拆除主梁满堂支架。由于左右两幅桥梁紧邻隧道，且桥梁部分支架落在隧道上部填土之上，桥梁施工过程中上部梁体重量对土体产生的附加应力将对隧道结构受力产生一定的影响。

1.3 地下隧道结构

北三环地下隧道横断面采用双孔箱涵形式，单孔净宽13.5m，隧道结构全宽30.6m，隧道全长4520m，隧道洞身采用C40防水混凝土。该地下隧道采用明挖施工，每隔22～30m设置一道沉降缝，隧道主体施工完成回填土方将隧道埋于地下。桥梁施工时该隧道已建成通车，桥梁施工区范围内隧道顶部填土厚度平均为1m左右。

图1.1 北三环跨西运河桥立面图（左幅，单位：cm）

图1.2 桥梁横断面布置图（单位：cm）

2 土中应力的计算

桥梁施工支架荷载将引起隧道顶部、侧面土体应力的增加，引起隧道受力的变化。桥梁左右幅非同步施工，当桥梁左幅先行支架施工时，隧道受力最不利，因此验算在左幅桥支架荷载附加作用下隧道受力和变形情况。

2.1 荷载与计算简图

桥梁和隧道在顺桥向均为长条形结构，可取单位长度作为计算单元，并将支架荷载作用于地面，土中应力按均布条形荷载计算［1］。根据支架方案，支架系统和模板系统的重量按混凝自重的15%计。施工人员及施工设备、施工材料等荷载按2.5kN/m2计算，振捣混凝土产生的振动荷载水平面板按2.0kN/ m2计算，垂直面板按4.0kN/m2计算。计算上部支架作用于地面的荷载组合值p=57.4kN/m，荷载分布宽度32.4m。隧道填土容重取γ=19.0kN/m3，内摩擦角取φ=25°，地下水位按隧道底面以上3m考虑。隧道计算简图如图2.1所示，隧道顶部填土按1m进行计算。

图2.1 隧道受力计算简图（单位：m）

2.2 土体对隧道作用力计算

隧道两侧填土均为人工回填、分薄层碾压的匀质土。将支架地基看成匀质、各向同性的线弹性半无限体。如图2.2所示，对于垂直荷载引起的土体内应力，采用布西奈斯克（Boussinesq）公式按均布条形荷载作用计算土中应力，图中p为在土体表面作用的均布条形荷载，b为荷载其分布宽度［1～4］。计算土中任一点M（x，z）的竖向应力为σz：

图2.2 均布条形荷载作用下土中σz计算

表2-1 均布条形荷载α0

考虑支架均布荷载和土的作用，土中隧道各特征点总的竖向应力，对于地面以下土体容重取浮重度。根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）中的计算公式，土体作用效应分项系数取为1.4，土的侧向土压力系数［5］

如图2.1中所示，计算隧道各特征点总的竖向应力和测压应力统计于表2-2，对于E点以外远离支架的隧道洞身不计支架荷载影响。

表2-2 隧道特征点应力值计算

3 有限元模型计算

采用midas/Civil有限元软件建立隧道的实体计算模型，取30m长隧道作为计算单元。隧道洞身混凝土强度等级为C40，隧道洞身外部荷载按表2-2计算值施加，两特征点之间线形内插。隧道底板铺装层作为均布荷载作用于底板。

如图3.1所示，计算结果显示隧道洞身结构最大拉应力为1.497Mpa，位于隧道中墙和底板交接处；靠支架侧隧道隧道洞身顶板计算竖向变形最大值为1.322mm，计算洞身横向水平位移最大值为0.916mm。

图3.1 隧道应力云图及变形

在支架附加荷载和土压力共同作用下，隧道洞身最大拉应力小于洞身混凝土抗拉强度设计值1.71Mpa，隧道洞身变形量较小，桥梁支架施工不会对隧道洞身结构造成不利影响。

4 结论

支架施工除要求支架地基应有足够的承载能力和稳定性外，尚应考虑支架附加荷载对地基范围内内既有地下结构物的影响。对于人工回填、分薄层碾压的匀质土看成匀质、各向同性的线弹性半无限体，可采用布西奈斯克公式计算土体应力。对现有地下结构物的受力计算应同时考虑附加荷载和土压力的共同作用，选择合理的计算简图和计算模型。经计算分析，郑州市郑东新区北三环跨西运河桥主梁支架施工不会对隧道洞身结构造成不利影响。

［1］ 李广信，张丙印，于玉贞著.土力学［M］.北京：清华大学出版社，2013.

LI Guangxin，ZHANG Bingyin，YU Yuzhen. Soil Mechanics. Beijing：Tsinghua University Press， 2013 .

［2］ 符金库，梁发云，李彦初.基于布西奈斯克解的堆载土体水平位移解答［J］.结构工程师，2012年4月第28卷第2期，106-110页.

FU Jinku，LIANG Fayun，LI Yanchu. Analytical Expression of Lateral Soil Movement due to Surcharge Loadings Based on Boussinesq's Solution［J］. Structural Engineers，Vol.28，No. 2 Apr.2012.

［3］ GB 50007-2011，建筑地基基础设计规范［S］.

GB 50007-2011，Code for design of building foundation［S］.

［4］ JTG D63-2007，公路桥涵地基与基础设计规范［S］.JTG D63-2007，Code for Design of Ground Base and Foundation of Highway Bridges and Culverts［S］.

［5］ JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范［S］.

JTG D60-2004， General Code for Design of Highway Bridges and Culverts ［S］.

康广朝，男，工程硕士，工程师，研究方向：桥梁检测与加固设计、施工。

U455

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1003-5168（2015）11-040-03