高架桥梁和盾构隧道的相互影响研究

杨进先

（中铁大桥勘测设计院集团有限公司，武汉 430056）

1 工程概况

江阴滨江路快速化改造工程为江阴快速环线的组成部分，利用原滨江路进行快速化改造，全线除虹桥路隧道外均采用高架形式，高架桥在西外环路东侧上跨江阴靖江长江隧道。主路采用城市快速路标准兼公路功能，设计速度80 km，标准段桥宽26.1 m，桥涵设计荷载标准为城-A 级。江阴靖江长江隧道为江阴靖江之间的过江通道，隧道与滨江路斜交角度83°，隧道采用外径为15.5 m 的双管盾构隧道，在滨江路两盾构隧道净间距为9.9 m，隧道埋深14.5 m。桥梁上部结构采用38 m+66 m+38 m 现浇预应力混凝土连续梁跨越隧道，跨中梁高2.1 m，中支点梁高4.1 m，下部结构采用11 根直径1.5 m的钻孔桩基础，桥梁桩基与盾构隧道最小净距为7.81 m，桥梁和隧道的位置关系见图1。

图1 桥梁和隧道的位置关系图（单位:cm）

2 盾构隧道施工对桥梁桩基的影响

根据隧道和滨江路快速化的工程实施计划，滨江路跨线桥完成时间早于隧道穿越滨江路的时间，隧道和桥梁的相互影响主要盾构隧道施工地层损失引起的建构筑物沉降变形或倾斜[1]。根据盾构隧道施工案例，盾构隧道穿越建筑物时，地层损失率可以控制在0.5%以内。利用Plaxis 3D 有限元数值软件，对盾构隧道穿越滨江路跨线桥节点进行了数值模拟计算，周围土体最大位移变化及承台沉降分布如图2 和图3 所示。

图2 周围土体最大位移变化图

图3 承台沉降分布图

根据计算结果，盾构隧道在控制地层损失0.5%情况下，施工对周围土体的最大水平位移为25 mm，最大竖向位移为37.5 mm，承台最大水平位移为0.38 mm，最大隆起0.72 mm，计算的桩顶最大最大水平位移为1.55 mm，对桩基的受力影响较小。为防止不可预测因素的影响，确保结构安全，设计要求在盾构隧道穿越结构物时，加强对桥梁变形监测，同时加强对地层水平、竖向变形和地下水位监测，根据监测结果及时调整施工参数，制定报警机制、应急措施及加固预案。并在工后持续监测，根据数据结果确定后续监测时间。

3 桥梁上部结构施工对隧道的影响

在实际施工中，滨江路的快速化改造工程推进滞后于隧道施工，导致在桥梁下部结构施工至临近隧道两根桩时，盾构隧道穿越过桥梁。桥梁与盾构隧道的相互影响发生了变化，此时应由考虑隧道施工对桥梁的影响调整至考虑桥梁施工对隧道的安全的影响。经分析，桥梁施工对隧道安全存在的可能风险主要有两个方面：（1）钻孔灌注桩施工塌孔，造成周边土体塌陷，从而对隧道结构造成变形；（2）桥梁上部结构满堂支架施工荷载将会对隧道造成影响。

3.1 桩基施工对隧道的影响

在隧道通过后未完成施工的两桩距离隧道边缘净距约9 m，见图4，对隧道的主要安全风险点是钻孔灌注桩施工一旦发生塌孔，将对隧道周边的土体产生变形，从而影响隧道的安全[2]。为确保安全，提出按照目前铁路、地铁附近桩基施工的做法，采用全套管钻孔施工技术进行桩基施工，全套管钻孔施工技术对周围地层扰动小，施工质量容易保证，可有效避免灌注钻孔桩施工过程中的塌孔问题，消除给隧道带来的安全隐患。

图4 隧道通过后未完成施工的桩基布置

3.2 满堂支架施工荷载对隧道的影响

桥梁上部结构采用满堂支架施工，隧道上方进行满堂支架施工的主要风险是确保隧道在满堂支架施工期间的施工荷载作用下隧道安全。经隧道设计单位检算，隧道上方满堂支架传给地表的荷载控制在40 kPa 以内能确保隧道安全。由于箱梁的荷载分布不均，箱梁有腹板位置处的荷载远大于40 kPa，而翼缘和箱室位置的荷载小于40 kPa，若能做到均布传递下去即能满足要求。经充分研究及类似工程经验，考虑采用工字钢作为横向分配梁，横向分配梁在横向连续布设，在隧道上方纵向布设间距为0.6 m，钢管下垫0.6 m×0.6 m 的钢垫板。

施工荷载参数取值： 模板及木方自重0.3 kN/m2； 支架重3.0 kN/m2；施工荷载取3.0 kN/m2。

翼缘以内18.5 m 宽、1.2 m 长范围内荷载如下。

恒载计算：21.502×1.2×26=670.9 kN。

施工荷载计算：18.5×（0.3+3+2+1+2）×1.2=184.26 kN。

1）钢管间距按照60 cm×60 cm 布置，18.5 m 宽、1.2 m 长范围内总荷载量为：670.9+184.26=855.16 kN；

2）18.5 m 宽、1.2 m 长范围内共有钢管64 根钢管，单根钢管承载力为：855.16/64=13.36 kN；

3）地面承载压强计算为：13.36/0.6/0.6=37 kPa<40 kPa，符合要求。

3.3 变形监测

为确保隧道安全，在箱梁浇筑期间对隧道顶地面沉降、隧道顶沉降进行监测。观测点布置见图5，地表沉降及隧道拱顶沉降观测数据见表1 和表2。

表1 地表沉降观测数据

表2 隧道拱顶沉降观测数据

图5 沉降观测点位布置图

由表1 和表2 可见，在箱梁浇筑期间，地表及隧道顶沉降未发生突变，观测点地表累计沉降量最大为3 mm，隧道拱顶沉降1.1 mm，均满足盾构法隧道地表沉降监测控制值30 mm[3-4]，隧道结构安全。

4 结语

依据江阴滨江路快速化改造工程跨越盾构隧道工程实际情况，分析了不同的施工工序下桥梁和隧道间的相互影响，隧道穿越已施工的桥梁，应重点关注盾构土层损失引起的桥梁桩基变形，从而对桥梁的安全产生的影响；在隧道施工完成后施工桥梁，一方面应重点关注桥梁桩基施工塌孔对隧道安全的影响，另一方面应关注满堂支架施工荷载对隧道的影响。本项目在实施过程中，根据施工工序的调整，充分分析了桥梁隧道的相互影响，并采取了一些保证措施确保安全施工，目前已顺利安全完成上跨桥梁及隧道的施工。