隧道对桥梁影响安全性分析

(华南理工大学 广东 广州 510641)

一、工程背景

随着全国各地城市发展的加快，城市中桥梁和隧道的建设也面临着空前的挑战，桥梁和隧道的空间要求越来越严格，可占用的空间越来越小，施工质量要求越来越高，在城市日益繁华的今天，难免会出现隧道下穿桥梁的情况，这就要严格分析施工的安全性，避免隧道施工破坏既有桥梁。

二、有限元分析

(一)模型概况。根据实际情况建模，材料参数如表1所示。

表1 材料参数

(二)模拟过程。采用从小里程往大里程开挖的顺序进行盾构模拟施工。具体的模拟过程如下：a、边界条件和初始条件：模型的四周、底部边界为法向约束，地表自由。在自重的作用下求解至平衡，位移清零；b、施做桥梁：部分电塔基础本身属性为各土层，通过改变材料属性使得其变成桩基，并激活桥梁单元，计算平衡后位移清零；c、盾构开挖：盾构隧道沿着其轴线方向推进，通过钝化一个计算步长(19.6m)范围内的隧道土体单元来实现开挖过程。每步开挖后，先进行30%应力释放，在下一步进行后续70%应力释放；d、支护：在上步钝化的隧道土体单元的区域内用板单元模拟衬砌，赋予衬砌力学参数，模拟衬砌对开挖土体四周的支撑作用；e、重复b至d的模拟步骤，直至隧道贯通。

(三)模型图。所建模型如图1所示。

图1 模型图

(四)结果分析

桥梁随着盾构的掘进，整体逐渐下沉。在盾构距离桥梁断面中心39.6m时，最大沉降值为2.38mm；在盾构距离桥梁断面中心20m时，最大沉降值为2.37mm；在盾构抵达时，最大沉降值为2.34mm；在盾构通过时，最大沉降值为2.36mm；在盾构远离桥梁断面中心38.8m时，最大沉降值为2.36mm；在盾构远离桥梁断面中心58.4m时，最大沉降值为2.36mm；在盾构贯通时，最大沉降值为2.36mm。杨喜等[1]研究表明隧道开挖对桥梁有一定影响，但变化较小。本研究与其结论较接近。

桥梁随着盾构的掘进，整体逐渐下沉。在盾构距离桥梁断面中心39.6m时，最大倾斜值为1.33mm；在盾构距离桥梁断面中心20m时，最大倾斜值为1.34mm；在盾构抵达时，最大倾斜值为1.35mm；在盾构通过时，最大倾斜值为1.34mm；在盾构远离桥梁断面中心38.8m时，最大倾斜值为1.34mm；在盾构远离桥梁断面中心58.4m时，最大倾斜值为1.31mm；在盾构贯通时，最大倾斜值为1.28mm。

桩基础随着盾构的掘进，逐步向盾构机所在位置倾斜。其中，在盾构距离桥梁断面中心39.6m时，最大倾斜值为1.33mm；在盾构距离桥梁断面中心20m时，最大倾斜值为1.34mm；在盾构机抵达时，最大倾斜值为1.35mm；在盾构通过时，最大倾斜值为1.34mm；在盾构远离桥梁断面中心38.8m时，最大倾斜值为1.34mm；在盾构远离桥梁断面中心58.4m时，最大倾斜值为1.31mm；在盾构贯通时，最大倾斜值为1.28mm。

最大主应力和最小主应力是用来说明材料受力状态的数据，可以表明材料受拉受压状态，最大拉应力理论(第一强度理论)认为在任何应力状态下材料脆断是由于三个主应力中最大的拉伸主应力达到该材料的极限值所。清楚地了解最大主应力与最小主应力的分布有着十分重要的作用。

桥梁的最大主应力分布：在桩支撑处最大，施工结束时，最小值+178.30Pa，最大值+12498.43kPa。施工结束时，桩基础的主应力最小值为-6386kPa，最大值为12626.22kPa。

最大主应力和最小主应力是用来说明材料受力状态的数据，可以表明材料受拉受压状态，最小主应力与最大主应力的差值越大越越不安全，所以最小主应力的分析也非常重要。

桥梁的最小主应力分布：在桩基支撑处最小，施工结束时，最小值-12652.95，最大值-186.32kPa。施工结束时，桩基础的主应力最小值-18606.90Pa，最大值-157.77kPa。

当盾构隧道贯通时，盾构隧道最大沉降值为2.69mm，最大隆起值为1.38mm。当盾构隧道贯通时，盾构隧道最大水平位移为0.85mm。

施工结束时，盾构隧道主应力最小值-800.36kPa，最大值1613.70kPa。最大主应力值小于材料的抗拉强度，说明结构没有发生破坏。盾构隧道弯矩最小值-50.44kNm，最大值83.89kNm。盾构隧道轴力最小值-2790.76N，最大值-187.71kN。盾构隧道剪力最小值61.77kN/m，最大值65.18kN。未发生破坏。

三、结论

以上计算分析表明：(1)隧道的建造对既有桥梁的位移、应力、轴力、弯矩和剪力有一定的影响；(2)影响很小，在允许范围内。