公路隧道 ２０１４年第１期（总第８５期） 桥隧相接段隧道洞口稳定性数值分析 郝 坤 胡学兵 （招商局重庆交通科研设计院有限公司 重庆４０００６７） 摘 要以在建的重庆市两江大桥渝中连接隧道为工程背景，运用Ｍｉｄａｓ—ＧＴｓ有限元分析软件，建立了桥 隧相接结构的三维分析模型。模拟明挖隧道在施工过程中对轨道六号线衬砌和相接桥台的影响，研究桥隧相接段 在施工中隧道洞口的稳定性，供同类隧道参考。 关键词桥隧相接隧道洞口稳定性分析 １ 工程概况 重庆两江大桥渝中连接隧道为双向４车道城市 公路隧道，全长７１６．５２ｍ，最大埋深３２ｍ左右，围岩 以砂岩、泥岩为主。该隧道位于重庆市最繁华的商 业区——渝中区，进口接东水门长江大桥，出口连 嘉陵江千厮门大桥。隧道出口上方为沧白路，下方 为已建成的轨道交通隧道，出口端洞门离千厮门大 桥桥台仅２．１ｍ左右的距离；洞口端设置了多条匝 道，且紧邻江边斜坡，地形条件复杂。 六号线区间隧道和桥台已经施工完毕，其顶部 两江桥渝中连接隧道明挖隧道的修建施工将对区 间隧道形成反复的加载与卸载过程，对区间隧道可 能存在较大影响。 城市隧道洞口桥隧相连的技术难题，相对山岭 隧道，需考虑的因素更多，受到的制约条件更复杂。 因此，开展城市环境下桥隧相接隧道洞口稳定性研 究就显得尤为重要。 ２围岩条件及结构设计 ２．１ 围岩条件 隧址区出露地层由上而下依次为第四系全新 统人工填土层（Ｑ４ ）、残坡积层（Ｑ４ ＋ｄ ）、冲积层 （Ｑ４ ）及侏罗系中统上沙溪庙组（Ｊ。ｓ）沉积岩层。其 中，连接隧道位于沙溪庙组（Ｊ ｓ）砂岩中，该砂岩分 砂质泥岩与砂岩。砂质泥岩中厚层构造，岩石单轴 饱和抗压强度９．０ＭＰａ，属软岩；砂岩中厚层状构 造，岩石单轴饱和抗压强度２５．４ＭＰａ，属较软岩。 隧道穿越长江与嘉陵江之间的河间坪状丘陵分水 岭，长江和嘉陵江切割深度较大，场区与两侧河流 高差５０￣８０ｍ，总体上不利于地下水的赋存，属水文 地质条件简单的区域。沿线无地下水含水层，岩体 ・ ６ 。 裂隙不发育～较发育，在本段隧道建设中涌水量很 小。综合节理裂隙、地下水情况评判，下穿建筑物 段连接隧道围岩级别为ＩＶ级。 ２．２结构设计 在千厮门大桥端，渝中连接隧道与轨道六号线 在空间上呈交叠状态，两者位置关系复杂，在平面 上表现为连接隧道向六号线轨道隧道逐渐靠拢，在 纵断面上，连接隧道底板位于轨道六号线区间隧道 顶部之上，如图１所示。明挖段基坑开挖宽度约 ２９．４ｍ，挖深约１２ｍ；按两级放坡，地表杂填土按 １：０．５放坡，￣９２５砂浆锚杆与２０ｃｍ厚带钢筋网喷 射混凝土护坡，砂浆锚杆长３～４ｍ，间距１．５× １．５ｍ，底层砂岩按１：０．１放坡，６ｐ２５砂浆锚杆与 １５ｃｍ厚带钢筋网喷射混凝土护坡，砂浆锚杆长３ｍ， 间距１．５×１．５ｍ。环框式隧道结构跨度２８ｍ，高度 ８．０５ｍ；主体结构采用Ｃ３０钢筋混凝土，顶板厚 １．３ｍ，底板厚０．８ｍ，转角处设肋板构造加强。 图１桥隧相接实体模型 ３计算模型与参数 ３．１计算模型 本文模拟分析Ｍｉｄａｓ－－ＧＴＳ有限元分析软件， 郝坤等桥隧相接段隧道洞１：７稳定性数值分析 拱顶沉降点 隧道、桥台及轨道交通的模拟采用１：１实体建模方 法；本次模型按最不利荷载组合计算，不考虑锚杆 和初期支护作用，只考虑二次衬砌作用。考虑到桥 台预留孔洞轨道断面大于区间隧道轨道断面，取最 ／ ４ 轨道六号线 不利荷载组合效应，即桥台预留孔洞轨道断面为模 型轨道断面。对于千厮门端明挖桥隧相接段，鉴于 明挖隧道处理的难度，围岩、隧道及桥台均采用实 水平收敛点 敛点 体单元模拟，以反应真实的应力变化。明挖型衬砌 桩基础采用实体单元模拟，按线弹性性质考虑。本 次计算分析中岩体力学模型采用理想弹塑性本构 关系，服从Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ屈服准则。计算模型 如图２所示，模型计算中轨道六号线各个监控点的 布点如图３所示。 类型 图３轨道六号线监控点布设图 ３．２计算参数 隧道围岩按Ⅳ级围岩计算，各岩土体的物理力 学参数见表１，结构的计算力学参数见表２。 表２混凝土材料物理力学参数 重度 （ｋＮ／ｍａ） ２２ ２５ ２５ 弹性模量 （Ｍ ａ） ２３ ３１ ３３．５ 泊松比 上 图２桥隧相接计算模型 Ｃ２５砼 Ｃ３０砼 ＣＡ０砼 ０．２ ０．２ Ｏ．２ 表１岩土体物理力学参数 岩土参数 重度（ｋＮ／ｍａ） 填土 ２１．０ 砂质泥岩 ２５．９ 砂岩 ２５．２ 结构面 ５０ 内聚力（ｋＰａ） ３０．０ ９８８ ２０２４ 内摩擦角（。） 地基承载力 （综合） ３４．０ １１００ ４１．７ ２５００ １８ 基本容许值［ｆａ０］（ｋＰａ） 抗压强度（ＭＰａ） 天然 饱和 １４．５ ９．３４．５ ２５．４ ０ 抗拉强度（ｋＰａ） 变形模量（ＭＰａ） ２４９ １３２５ ５２７ ２９０８ 弹性模量（ＭＰａ） 泊松比 １６５５ Ｏ．３６ ３４８８ ０．１３ ３．３模拟施工步序 本次桥隧相连段结构稳定性分析的模拟施工 顺序如下（空间结构关系见图１和图２）： １）初始地应力模拟； ４计算结果及分析 ４．１ 轨道周边围岩位移分析 ４．１．１轨道周边围岩竖向位移 ２）桥台基础开挖并浇筑桥台基础和台身，并施 加桥梁荷载； ３）轨道交通六号线区间隧道开挖和二次衬砌 施作； ４）两江隧道基坑开挖及支护； ５）两江隧道环框式二次衬砌结构施作； ６）回填桥台台后填土。 洞口段施工过程中轨道六号线周边围岩竖向 位移变化曲线图如图４所示。（“＋”表示向围岩侧 位移，“一”表示向临空侧位移，下面曲线图均同） 轨道六号线开挖支护后，围岩应力释放，各个 监测点围岩竖向位移均逐渐增大，明挖段基坑开挖 后，受到上部卸载作用影响，各个监测点的围岩竖 向位移均达到最大值，明挖段衬砌施作后，衬砌荷 ・ ７ ， 公路隧道 ０——－－ ２０１４年第１期（总第８５期） ＾ｇｇ 潍翠 匿 ０ ０ 。 ／０ ／ ∥ｒ —、 ・ 一 位置，水平平距最大值均出现在边墙中部位置。开 挖明挖段两江隧道及回填桥台台后填土对轨道二 次衬砌竖向向围岩侧位移了１．１２ｍｍ，水平平距减 少了０．１２ｒａｍ，轨道二次衬砌位移趋于稳定状态。 。， ， 轨道线蠡护后明挖段燕垅开挖后明控段村确施侔黯嘲墒桥台白后填土后 －３ ／Ｈ———～ ／图４轨道围岩竖向位移时程曲线图 奄 ∥—、＝＝＝ ・ ’ ’ 。 载作用下，各个监测点围岩竖向位移有所减小，回 萋 蠡。．ｓ －０ 一∥ ∥ ，， 填桥台台后填土后，各个监测点围岩位移变化较 小，并趋于稳定状态。监测点围岩竖向位移最大值 出现在测点６位置，表现为向围岩侧位移。由图３ 轨避线 篓ｌ护后明挖段基坑开挖藉 明挖段衬瑚施作后回填桥台白后壤土后 ｌ 图６轨道二次衬砌竖向位移时程曲线图 可见，洞口段施工过程使轻轨六号线区间隧道周边 围岩位移最大变化量为１．１３ｍｍ，围岩位移处于稳 定状态。 ４．１．２轨道周边围岩水平位移 洞口段施工过程中轨道六号线周边围岩水平 位移变化曲线图如图５所示。 ＾＿日日ｖ簿暴Ⅲ ＼ ＼ ¨ 嘶 。 ＼ ／ ’ ＼／ 轨越线开挖支护后 明挖段 ・℃ 龟后 明挖段衬勘施作质嚼填矫白侍蔚填土后 图５轨道围岩水平位移时程曲线图 轨道六号线开挖支护后，轨道边墙中部监测点 围岩水平平距逐渐增大，明挖段基坑开挖后，由于 受到基坑开挖的影响，监测点围岩水平平距急剧减 少，明挖段衬砌施作后，监测点围岩水平平距开始 恢复增加，回填桥台后填土后，监测点围岩水平平 距趋于稳定状态，监测点围岩水平平距最大值均出 现在边墙中部位置。由图５可见，洞口段施工使轻 轨六号线区间隧道周边围岩水平平距减少了０． １３ｒａｍ，围岩位移处于稳定状态。 ４．２轨道隧道二次衬砌位移及应力 ４．２．１轨道隧道二次衬砌位移 洞口段施工过程中轨道六号线二次衬砌位移 变化曲线图如图６和图７所示。 轨道六号线开挖支护后，轨道二次衬砌各个监 测点竖向位移和水平位移逐渐增大；明挖段基坑开 挖后，轨道二次衬砌各个监测点的竖向位移均达到 最大值，水平平距开始恢复增加；明挖段衬砌施作 后，轨道二次衬砌各个监测点竖向位移有所减小， 水平平距回填趋于稳定状态；桥台台后填土后，轨 道二次衬砌各个监测点竖向位移趋于稳定状态，轨 道二次衬砌监测点竖向位移最大值均出现在测点６ ・ ８‘ 、 ＼ ，・ ・ ＼ ／ 轨道线开挖直护詹 明轻 坑 明挖鞋衬礤施作后阐填桥赍臼厨域土后 、－一， 图７轨道二次衬砌水平位移时程曲线图 ４．２．２轨道二次衬砌主应力 洞口段施工过程中轨道六号线二次衬砌主应 力变化曲线图如图８和图９所示。 １＿４ １．２ —＼ 皇１ ０．８ 嚣０．６ ／＿、、 ，，＝／—、＼ ０４ ０．２ 图８轨道隧道二次衬砌第一主应力时程曲线图 ０ 轨道线开挖支护赢喇挖线 ｉ 兰兰后喝把段衬瑚巍作后回填桥台台后壤土后 ．５ ／＼— —— ． § 一－ ｒ ，， 一 ～． ． 、一 蚕 ５ ＿２ 躲 一２・５ ／ 一 一 ／ ３ 图９轨道隧道二次衬砌第三主应力时程曲线图 轨道六号线开挖支护后，轨道二次衬砌各个监 测点第一、三主应力逐渐增大；明挖段基坑开挖后， 轨道线受到上层卸载作用影响，测点６和测点２位 置第一主应力有明显的减小趋势，测点６位置第三 主应力有明显的增大趋势；施作衬砌后，测点２位置 第一主应力有增大趋势，测点６位置第三主应力有 减少趋势；回填桥台台后填土后趋于稳定，仰拱处 受到衬砌施作和台后回填的影响较小，几乎无变 化；拱腰和边墙位置处的第一主应力随着基坑的开 郝坤等桥隧相接段隧道洞口稳定性数值分析 挖有明显的增大，施作衬砌后迅速的减小，回填台 后填土后趋于稳定状态。整个施工过程对轨道衬 砌第一、三主应力影响较小，最大差值为０．８ＭＰａ左 右，各个监测位置的应力值均小于轨道衬砌（Ｃ４０混 凝土）的抗压、拉强度。 ４．３桥台结构变形与受力 ４．３。】桥台结构变形 （压应力）增大到０．１１ＭＰａ（拉应力），其它监测点也 ＾ｄ目Ⅱ】雉＿田 有较小的增加；明挖段基坑开挖后，持续卸载作用 ¨罢；。 影响，桥台结构预留孔洞底板第一主应力继续增大 到２．２４ＭＰａ，其他监测点也有较小的增大；施作衬 砌后，各个监测点第一主应力数据均有下降趋势， 第三主应力数据变化均较小；回填桥台台后填土后 维持稳定状态。整个施工过程对桥台结构第一、三 主应力影响较小，第一主应力最大差值为２．０４ＭＰａ 洞口段施工过程中桥台结构变形位移曲线图 如图１０和图ｌ１所示。 桥台结构开挖及浇筑加载后，桥台结构顶部和 基础底部Ｙ方向变化都很小，但下游支座处Ｚ方向 位移下沉趋势逐步增大；轨道线开挖支护后，桥台 结构顶部和基础底部Ｙ方向几乎没有变化，Ｚ方向 位移由于上部荷载卸载作用影响，上隆趋势逐渐增 大；明挖段基坑开挖后，由于上部卸载作用影响，桥 台顶部和基础底部Ｙ方向位移有较为明显的增大， ｚ方向位移上隆趋势逐渐增大；明挖段衬砌施作后， 桥台顶部和基础底部的Ｙ方向位移有一定程度的 减小，Ｚ方向位移开始有下沉趋势；回填台后填土 后，桥台顶部和基础底部Ｙ方向位移、Ｚ方向位移 趋于稳定状态。 ｌ ０．８ ０ ６ ０．４ ／ ／ ｊ ｎ： 明挖段基坑开挖后 回填桥台自后填土后 孰道线再 量 ｒ卜．明挖段材黜怍后 ： ＼ ６ ＼ ＼一一 一一 一 ．ｏ Ｂ －１ 图１０桥台Ｙ方向位移时程曲线图 一二＝＝ 矶疆珥丌亿卫 ’ ／ 明 段Ｈ确＾邗尉 一 萤罔９皇琬开挖后 同填桥台向后填土后 ｒ一— ｋ ・一 ／—、＼ ／ ●——— 图１１桥台Ｚ方向位移时程曲线图 ４．２．２桥台结构主应力 洞口段施工过程中桥台结构主应力变化曲线 图如图１２和图１３所示。 桥台结构开挖施作加载后，桥台结构各个监测 点第一、三主应力均逐渐增大，下游支座附近第一 主应力最大为１．９５ＭＰａ，第三主应力最大为ｌ３． ４８ＭＰａ（压应力）；轨道六号线开挖支护后，由于卸载 作用影响，桥台结构预留孔洞底板第一主应力开始 迅速增大到２．Ｏ０ＭＰａ，三主应力开始从０．０４ＭＰａ 左右，三主应力最大差值为０．１６ＭＰａ左右；各个监 测位置的应力值均小于轨道衬砌（ＣＡ０混凝土）的抗 压、拉强度，处于可控范围内。 ２・５ ，， 一 一 ２ — 重１．５ ’ ， ’ 。 ’ 巷１ ｆ 删 ｏ．５ ， ０ 轨道线升挖支护后＾ｌ明挖段基坑开挖后 斟料 辨＋ ．明挖段衬确赡作后 回填矫白白后填生后 ０ ａＰ Ｍ埔 图１２桥台结构第一主应力变化曲线图 轨道线 支护后 明挖段村 藏作丽 ． 综合开挖施怍后 明挖段基坑开挖后 回填桥ｆｔ白后填土后 图１３桥台结构第三主应力变化曲线图 ５结语 通过建立桥隧相接洞口有限元模型分析，计算 隧道明挖段施工过程对周边轨道六号线及千 厮门端Ａ０桥台结构影响，得出如下结论： （１）轨道隧道开挖时，拱顶沉降点向临空侧位 移，周边收敛点向围岩侧位移，仰拱点有向临空侧 位移的趋势，明挖段开挖后，由于上部结构的卸载 作用，轨道衬砌各个拱顶沉降点均有向围岩侧位移 的趋势，周边收敛点向临空侧位移，明挖隧道衬砌 施作后，由于加载作用，拱顶沉降点向临空侧位移， 周边收敛点向围岩侧位移。 （２）桥台结构位移体现为Ｚ方向位移（竖向位 移）变化显著，当桥台自身结构施作时，结构Ｚ方向 位移向下侧围岩位移，明挖段开挖时，卸载作用下 的桥台结构Ｚ方向位移向背向围岩位移，明挖衬砌 施作后，加载作用下的桥台结构向Ｚ方向位移向围 岩侧位移。 （下转Ｐ３３页） ・ ９ ・ 郑成浩等 沉管法施工的海底隧道结构构造及钢结构构配件介绍 表８压舱水箱（１个 主要材料表 在国际上也不多见。港珠澳大桥海底隧道沉管法 序号 构件 名称 １ 钢立柱 材料性能 Ｑ３４５Ｂ 构件数量 ２６根 合计 数量／ｔ ９．４ 厶． 施工开创了国内同类工程的先河，其沉管结构 造、施工辅助钢结构构造的设计施工经验总结，能 很好地为后续国内跨海大型海底隧道工程项目提 ２ 横梁 ３ 拉杆 Ｑ３４５Ｂ Ｑ３４５Ｂ ４根 ４根 若干 供经验借鉴。 ２ ８ ６。４＋２．１ 参考文献 ［１］中交公路规划设计院．港珠澳大桥主体工程岛隧工程摊 工图设计第四篇第二册沉管段＼［Ｒ＼］．２０１２． 厂口１羞打 钍． ，｝ｔ．： ． —１．军皿 Ｌ皿、厂＾ 、］ 一 古 音・；｝ ｒ＋ｆ Ｉｉ； ４ 预埋件 Ｑ２３５Ｂ＋ＨＲＢ３３５ ５ 连接件 Ｍ１Ｏ＋Ｍ２Ｏ （１０４＋２８８）套 ５结语 ［３］ ．港珠澳大桥海底隧道工艺 超大型海底隧道沉管法施工在国内尚属首次， 图系列＼［Ｒ＼］．２０１２． （上接Ｐ９页） 参考文献 ［１］李勇，丁浩．桥隧相接条件下超大断面隧道的设计 娟．桥隧相连段隧道衬砌动力特性 ［４］重庆交通科研设计院．公路隧道设计规范（ＪＧＪ Ｄ７０— ２００４）［ｓ］．北京：人民交通出版社，２００４． Ｅ５３丁［７］赵［８］薛浩，蒋树屏，程崇国，王建华．桥隧混合异型结构设 峰，夏永旭，许东．桥隧连接隧道明洞稳定性研究 杰．山区高速公路桥隧连接工程关键性技术研究 计口］．建筑监督检测与造价，２００９，２（１１～１２）：５８＂＇６２． －［Ｊ３．公路，２００９，１２：１８０￣１８６． －［Ｄ３．武汉：武汉理工大学硕士学位论文，２０１０． ＥＪ］．地下空间与工程学报．２００６，２（３）． ［２２李耀珠，彭立敏，黄探讨ＥＪ３．山西建筑．２００５，３１（１０）． Ｅｓｌ施成华，雷明锋，彭立敏，赵丹．桥隧相连结构静动力特 性影响因素分析［Ｊ］．中南大学学报（自然科学版）． ２０１１，４２（４）． ・ ３３ ・