横穿地铁隧道的桥梁结构安全性分析

袁星同，郭文龙

(1.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010；2.武汉地铁集团有限公司，湖北 武汉 430070)

0 引 言

近年来，随着我国基础设施的逐步完善[1]，城市路网的复杂度不断提高，道路、桥梁以及隧道之间的下穿交叉情况越来越常见，在提升人民出行效率的同时也给设计人员带来了巨大的挑战。

目前，国内外虽然没有桥梁隧道工程横穿的相关技术规范，但已有相关学者对该工程问题开展了大量研究。韩秋石[2]依托广佛环线沙堤隧道下穿佛开高速公路汾江大桥实体工程，研究盾构隧道下穿施工对地层变形和既有桥梁桩基础承载特性、受力与变形特性的影响，建立了系统的盾构隧道下穿既有桥梁桩基础施工影响控制技术体系。赵江涛[3]以北京地铁7#线工程为背景，对城市暗挖隧道穿越既有桥梁的安全控制方法进行了深入系统的研究。李早[4]采用两阶段分析方法，计算了隧道开挖对群桩竖向位移和内力影响，并用有限元法以及边界元法对分析结果进行对比，得到了较好的一致性。刘文涛[5]以星江特大桥为工程依托，选用专家评议法定性分析与风险评价矩阵法及指标体系法定量分析的办法来对该工程做风险评估，得出相应的风险发生概率及风险等级，对施工项目现场施工组织及风险规避具有一定的借鉴意义。

综上，关于工程之间的施工交互影响已广受关注并已做出诸多研究，但对于规划地铁隧道在未来施工时对目前新建桥梁结构安全的影响研究还需继续深入，利用桥梁博士软件(V3.0)，建立相关计算和分析模型，验证桥梁结构的安全性，可为今后横穿隧道的桥梁工程设计提供借鉴和参考。

1 工程背景

沪南路道路等级为城市主干路，改建工程范围南起上南路，北至康花路。秀龙桥位于梓康路与秀浦路之间，桥位中心处道路桩号K0+796.179，跨越现状陆家浜河河道。秀龙桥跨径组合8 m+16 m+8 m，三跨一联，结构简支、桥面连续，桥宽40 m，桥梁中心线与河道中心线逆交10.18°。

桥位处道路与规划地铁18#线平行，地铁隧道分两孔，单孔盾构外壁直径6.8 m。隧道均在道路红线范围内，从桥梁下部结构穿过。依据地铁隧道盾构的保护要求，桥梁桩基外侧与隧道外缘最小距离不小于2 m。

桥梁上部结构采用刚接空心板梁，下部结构为门式框架，桥墩(台)在桥梁结构中心线处设置沉降缝一道，盖梁结构分为东西两幅，均采用单端张拉的预应力混凝土盖梁。立柱下设小群桩承台，桩基采用Φ1 000 mm的钻孔灌注桩；按照是否临近盾构侧，桩基分为B类(临近盾构侧)和A类(远离盾构侧)。

桥面横断面布置为：40 m=2.8 m(人行道，含人行栏杆)+3.2 m(非机动车道)+2.0 m(侧分带)+11.0 m(机动车道)+2.0 m(中分带)+11.0 m(机动车道)+2.0 m(侧分带)+3.2 m(非机动车道)+2.8 m(人行道，含人行栏杆)。

2 设计方案

2.1 桥梁设计技术标准

道路等级：城市主干路，设计时速：50 km/h，结构安全等级：一级，桥梁荷载：城-A级；人群荷载按《城市桥梁设计规范》(2019年版)(CJJ 11—2011)计算取值，设计基准期：100年，设计使用年限：100年，桥墩、桥台盖梁按A类预应力混凝土构件进行设计，桥面宽度：40 m。横坡：机动车道双向2%(向外)，人行道单向1%(向内)。梁底标高：陆家浜河为水利排涝河道，无通航要求。梁底标高≥4.8 m。抗震要求：抗震设防类别：丙类；地震动峰值加速度为0.1 g，抗震基本烈度为7度；抗震措施等级8度；地震调整系数：Ci：E1：0.46；E2：2.2。高程坐标：吴淞高程系统，平面坐标系采用上海市城市坐标系；环境类别：桥梁结构混凝土耐久性的基本要求按I-C环境类别设计。台后填土高度：不大于2.5 m。桩基与盾构隧道净距：桩身外缘与地铁盾构施工隧道外缘之间的净距≥2 000 mm。不均匀沉降要求：边墩、中墩基础不均匀沉降≤5 mm。桩身截面最不利水平位移：盾构施工引起的桥梁桩基截面(与盾构中心线同一标高)的最不利水平位移≤10 mm。

2.2 桥梁设计荷载

(1)恒载

①一期恒载

预应力混凝土容重γ=26 kN/m3；钢筋混凝土容重γ=25 kN/m3；

钢材：γ=78.5 kN/m3。

②二期恒载

铺装：钢筋混凝土90 mm，γ=25 kN/m3；沥青混凝土铺装90 mm，γ=23 kN/m3；

人行道栏杆：10 kN/m。

(2)汽车荷载

汽车荷载：城-A级。

(3)人群荷载

人群荷载按《城市桥梁设计规范》(2019年版)(CJJ 11—2011)取用。

(4)预应力

钢绞线控制张拉力：σcon=0.70～0.75 fpk，σcon为锚下控制应力(即计算输入应力)；

管道与工艺：采用预埋塑料波纹管及真空压浆工艺，u=0.14，k=0.0015；

钢绞线为低松弛预应力钢绞线(ζ=0.3)。

(5)混凝土徐变与收缩

混凝土收缩应变终极值和徐变系数：按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)表6.2.7取用；

阶段混凝土收缩应变和徐变系数：按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)附录F提供的方法计算。

(6)温度影响

①体系温差

上部结构体系温差：基准温度15 ℃，升降温根据混凝土桥面有效温度计算；

下部桥墩体系温差：基准温度15 ℃，按升温20 ℃、降温20 ℃计。

②梯度温差

局部升降温：混凝土结构按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)第4.3.10条梯度温度效应计算。升温：T1=14 ℃，T2=5.5 ℃，降温：T1=-7 ℃，T2=-2.75 ℃。

(7)风荷载

按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)第4.3.7条及《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T 3360-01—2018)计算风荷载标准值。

(8)支座摩阻力

支座摩擦系数按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)表4.3.13条计算。边支座滑动支座摩阻系数0.06。

(9)汽车制动力

汽车荷载制动力按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)第4.3.6条计算和分配。

(10)地震荷载

地震动峰值加速度为0.1 g，抗震设防烈度为7°。

抗震设防类别：丙类。地震调整系数Ci：E1地震作用为0.46，E2地震作用为2.2。

(11)不均匀沉降

边墩基础竖向位移±5 mm。

(12)桩身截面最不利水平位移

盾构施工引起的桥梁桩基截面(与盾构中心线同一标高)的最不利水平位移≤10 mm。

(13)施工荷载

按施工过程中发生的施工机械、临时荷载等其他荷载计算。

3 结构安全性分析

3.1 上部结构结算分析

上部结构采用上海市市政工程标准设计图集《先张法预应力混凝土空心板(桥梁)》(DBJT 08-101—2015，图集号：2005沪G1005)的8 m、16 m标准跨径，斜交角度10°，荷载：城-A级。

采用8 m、16 m标准跨径刚接空心板，梁高55 cm、85 cm，中梁宽1 250 mm，边梁宽1 475 mm，中心梁距b=1 647 mm，湿接缝宽度397 mm。

经横向分布计算：8 m中梁的汽车荷载跨中最不利横向分布系数为0.374(小于0.475)，8 m边梁的汽车荷载跨中最不利横向分布系数为0.436(小于0.482)；16 m中梁的汽车荷载跨中最不利横向分布系数为0.386(小于0.456)，16 m边梁的汽车荷载跨中最不利横向分布系数为0.457(小于0.466)。

因此：横向分布系数不超出标准图集最不利横向分布系数，上部结构除8 m空心板外，不再另行计算，将支反力值列出，提供下部结构计算使用。

跨径8 m预应力混凝土刚接空心板计算。

通过桥梁博士3.0，在后张法计算中的预应力钢束的预应力损失、预应力传递长度、松弛率、松弛天数等方面进行调整，实现对先张法刚接板的等效计算。

截面配置底缘8C20的纵向普通钢筋，主筋净保护层35 mm，预应力钢束：直径φs15.2共计6根，其中2根隔离长度为2 500 mm，2根隔离长度1 500 mm，2根隔离长度100 mm。

通过桥梁博士建立主梁纵向计算模型如图1所示。

图1 主梁纵向计算模型

基于以上模型对桥梁上部结构持久状况正常使用的极限状态进行计算。

主梁按A类预应力混凝土构件计算：

(1)正常使用极限状态荷载I(长期组合)；

图2 组合一截面顶、底缘应力(单位：MPa)

主梁截面顶、底缘无拉应力，满足规范要求。

(2)正常使用极限状态荷载II(短期组合)σst-σpc≤0.7ftk；σtp≤0.5ftk；主梁底缘最大拉应力为-1.24 MPa<-1.855 MPa，满足规范要求。

图3 组合二截面顶、底缘应力(单位：MPa)

图4 截面顶、底缘主应力(单位：MPa)

主梁顶、底缘最大主拉应力-1.31 MPa，满足规范要求。

3.2 下部结构计算分析

(1)预应力混凝土桥墩盖梁计算

桥墩盖梁预应力采用后张法张拉施工，单个盖梁分两幅(2 cm沉降缝)，每幅各设置相应的张拉端及固定端。混凝土养护期后，分两批张拉预应力钢束。混凝土标号C50，预应力钢束类型选用M15.2-12和M15.2-9，波纹管外径100 mm、90 mm。

盖梁通过“桥梁博士3.0”建立横向计算模型对盖梁进行结构验算，其中立柱长度根据桥墩一般构造图精确取值，承台底面设置水平向、竖向、转动约束及弯剪系数约束，其中约束参数依据桩基布置、桩长、桩土作用效应等条件进行等效模拟。

(2)预应力混凝土桥台盖梁计算

桥台盖梁预应力布置、张拉施工工艺与桥墩盖梁基本相同，混凝土C50，预应力钢束类型选用M15.2-9、M15.2-12，波纹管外径90 mm、100 mm。

限于篇幅，桥台盖梁承载能力极限状态的抗弯、抗剪、抗扭的计算过程此处从略，经计算均满足规范要求。

3.3 桩基础计算

(1)Pm1、Pm2桥墩桩基计算

桥梁桩基础为直径1 m的钻孔灌注桩，桥墩桩基顶标高为0.0 m，桩底标高为-50.0 m，桩端持力层为⑦1-1层砂质粉土。

依据《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG 3363—2019)以及桥墩模型计算结果，对桩顶顺桥向、横桥向、竖向荷载进行组合，其中最不利荷载组合汇总如表1所示。

表1 最不利桩顶荷载汇总表

依据勘察单位提供的岩土工程详细勘察报告，以及承载力容许值计算公式：

计算得桥墩单桩轴向受压承载力容许值[Ra]=3 010 kN(未扣除桩基浮重)，富裕度=(3 010-490)/2 431×1.25=1.3，见表2。

表2 桥墩单桩竖向受压承载力容许值计算表(J11孔)

对单桩进行计算分析：

B型桩(临近隧道侧)：桩身(L/2以上)纵向钢筋配筋率1.9%，主筋为40C22，桩身最大裂缝宽度0.14 mm；

通过在盾构中心附近对临近隧道侧的桩身施加水平位移进行桩身强度验算：在配筋率1.9%情况下，盾构施工引起的桥梁桩基截面(与盾构中心线同一标高)的最不利水平位移须满足≤8 mm，该工况下不考虑作用长期效应影响系数(C2取1.0)，该截面的最大裂缝宽度Wfk=0.19 mm，桩身最大压应力及钢筋应力满足规范要求。

A型桩(远离隧道侧)：桩身(L/3以上)纵向钢筋配筋率0.8%，主筋为16C22，桩身最大裂缝宽度0.16 mm。

计算结果表明：桥墩桩基的计算结果满足规范要求。

(2)Pm0、Pm3桥台桩基计算

桥梁桩基础为直径1 m的钻孔灌注桩，桥台桩基顶标高为0.5 m，桩底标高为-49.5 m，桩端持力层为⑦1-1层砂质粉土。

桩顶顺桥向、横桥向、竖向荷载进行组合，其中最不利荷载组合为：Md=39 kN·m，Vd=101 kN，Nd=2 079 kN。(桥台台下立柱之间设置“L”型挡土墙，桥台结构仅立柱计入水平向土压力)

依据勘察单位提供的岩土工程详细勘察报告，以及摩擦桩类型、承载力容许值计算公式。

计算得桥台单桩轴向受压承载力容许值[Ra]=3 010 kN(未扣除桩基浮重)，富裕度=(3 010-490)/2 079×1.25=1.51。

对单桩进行计算分析：

B型桩(临近隧道侧)：桩身(L/2以上)纵向钢筋配筋率1.9%，主筋为40C22，桩身最大裂缝宽度0.1 mm；考虑桩身水平位移的最不利工况分析基本与桥墩桩基相同，此处不再列出。

A型桩(远离隧道侧)：桩身(L/3以上)纵向钢筋配筋率0.8%，主筋为16C22，桩身最大裂缝宽度0.12 mm。

计算结果表明：桥台桩基的计算结果满足规范要求。

4 结 论

通过建立秀龙桥上下部结构模型进行计算和分析，验证桥梁结构的安全性，主要得出以下结论。

(1)秀龙桥位处道路与规划地铁18#线平行，地铁隧道从桥梁下部结构穿过。其受力必然会受到地铁施工和运营的影响，设计时充分考虑远期荷载对桥梁安全性的影响，可为其它桥梁设计提供借鉴；

(2)根据桥梁下部结构横穿地铁隧道的特殊情况，将紧邻地铁隧道的桩基和远离地铁隧道桩基分为不同类别，有针对性地采用不同的技术要求，并利用最不利荷载组合验证桩基础的安全性；

(3)通过桥梁博士软件建立计算模型，分析桥梁上部结构和下部结构的受力特点，验证了桥梁结构的安全性。