某公路桥梁上跨铁路隧道安全评估的主要流程及分析内容

某公路桥梁上跨铁路隧道安全评估的主要流程及分析内容

孙晓阳

甘肃综合铁道工程承包有限公司兰州730000

摘要：随着国家及城市的发展，建设项目的上跨下穿等情况越来越多，处理好工程之间的相互影响，更显得尤为重要，通过有限元软件的模拟分析能较好地解决这一问题。

关键词：桥梁，上跨，隧道，midasgts

1、引言

公路铁路相互及与其他项目的上跨下穿越来越多，通过有限元软件（采用midasgts）模拟分析，能合理分析项目间的影响，从而可确保既有项目的安全运营；有限元软件分析前的各种资料准备、建模及确定合理参数，是有限元软件分析前最为关键的环节。

2、项目概况

高速公路大桥与双线铁路隧道斜交114.98度（公路路线前进方向顺时针旋转至铁路中线方向），大桥上跨铁路隧道的方案为长50m及40m装配式预应力混凝土简支T梁结构。

3、立交工程的主要情况

3.1大桥主要设计标准如下：汽车荷载等级：公路-I级；设计洪水频率：大桥为1/100；；地震：地震烈度Ⅷ度，地震动峰值加速度为0.2g；环境类别：Ⅰ类。

3.2铁路隧道概况

双线铁路隧道；隧道内轮廓采用“通隧（2008）0201”中的衬砌内轮廓，;隧道采用复合式衬砌，初期支护采用喷锚支护，二衬采用C35钢筋混凝土结构；隧道已经建成未运营。

3.3立交工程范围地质条件及气象

3.3.1场地地层结构及岩性

3.3.1.1第四系全新统冲洪积粉质粘土（Q4al+pl）：红棕色，硬可塑，土质不均，以粘粒为主，含少量粉细砂，局部含云母颗粒，手可搓条。

3.3.1.2新近系（N2）：岩性为桔红色泥岩、砂质泥岩。

3.3.2区域地质构造：区域内构造相对简单，未发现有大的构造形迹。

3.3.3主要气象资料：最冷月平均气温-7.1℃，最大季节性冻土深度101cm。

4、立交工程的平面相交关系

该桥下部结构采用柱式墩，墩台采用桩基础，均按嵌岩桩设计。上跨铁路隧道处桩基础桩径为2.2m，本桥24、25号桥墩位置之间为上跨铁路隧道区间，其中24号桥墩距铁路隧道衬砌外边缘最小距离为13.20m，25号桥墩距铁路隧道衬砌外边缘最小距离为12.77m；在地面位置处设置地系梁连接墩柱和桩基础。

5、对既有隧道进行雷达检测

根据地质雷达数据处理的结果和相关内部缺陷的判断方法，判断测试段内衬砌质量情况；对于隧道施工期间，是否存在塌方等情况也应探测清楚，并收集相关资料。

6、结构设计安全评估

6.1计算方法

选取框架结构受荷最不利断面采用荷载-结构法分析框架内力变化情况，进行有限元分析，可以用简化后的二维断面进行分析以及采用三维模型进行分析。

6.2计算原则

6.2.1地层结构法

计算中假定围岩连续均匀、各向同性,不考虑岩土的离散特性；将衬砌和地层视为整体共同受力的统一体系，在满足变形协调条件的前提下计算衬砌的内力；地层、衬砌及桩均采用实体单元模拟，土层类别通过赋予相应的物理力学参数来实现；计算中不考虑施工振动荷载、地震荷载等偶然荷载的影响。

6.2.2荷载结构法

采用荷载-结构模型，应用破损阶段法，对构件截面强度及裂缝宽度进行验算；假定衬砌为小变形弹性梁，衬砌为离散足够多个等厚度直杆梁单元；用布置于各节点上的弹簧单元来模拟土体与衬砌的相互约束；假定弹簧不承受拉力，即不计围岩与衬砌间的粘结力；弹簧受压时的反力即为围岩对衬砌的弹性抗力；荷载按二维地层结构模型计算得到土压力反加在框架结构上，来分析桥梁运营期间的隧道结构内力的变化。

6.3计算参数

根据地质勘察资料，选取距计算段落最近钻孔的地层信息作为计算参数来源。土层及结构力学参数按照表1进行选取。地下水位位于隧道上方10m。其余模型计算参数如下：

表1材料参数表

图1车道荷载

其中，均布荷载标准值为qK=10.5kN/m，集中荷载标准值Pk按以下规定选取：

桥梁计算跨径Lj≤5m时，Pk=270kN；桥梁计算跨径Lj≥50m时，Pk=360kN。

6.4模型建立

6.4.1模型

土体模型采用弹塑性理论计算，土体材料模型采用摩尔-库仑准则。土体及结构均采用平面应变单元。

6.4.2模型计算荷载：结构自重；桥梁上部结构自重及车辆荷载传递到承台的荷载。

6.4.3计算边界条件：模拟边界条件的选取时除了模型上边界为地表，取为自由边界，其他面均采取法向约束。

6.4.4计算方法和屈服准则：计算模型采用岩土有限元计算软件，土体材料的屈服条件采用M-C屈服准则。

6.4.5计算工况：考虑到铁路隧道已建成，主要分析运营期间公路对隧道的影响，因此计算分析过程主要分三步，第一步初始状态即隧道已贯通；第二步考虑公路桥梁基础逐步施工；第三步考虑公路桥通行，激活公路-I级荷载。

7、使用软件的分析模块，进行计算分析桥梁对衬砌结构影响，主要的分析内容如下：

7.1初始地应力及位移分析

7.2桥梁施工各阶段对隧道的影响分析

7.3激活公路-I级荷载后对隧道的影响分析

7.4两阶段对隧道进行分析的内容

7.4.1隧道的位移分析

分析外部影响引起隧道拱顶最大沉降、拱底最小沉降以及拱脚水平最大收敛变形值。

7.4.2进行隧道和桩周边的土体局部塑性屈服分析

分析桩与隧道附近地层的塑性范围情况，并判断塑性区域是否存在贯通情况。

7.4.3根据衬砌内力进行相应的结构检算

按照荷载-结构法将上述地层-结构模式得出的结构内力，施加在衬砌结构上，并按照《铁路隧道设计规范》（TB10003—2016）可以计算构件各截面的安全系数，根据各断面的配筋形式，计算截面指定位置的裂缝宽度，确保达到规范要求。

7.5根据不同跨度模型的结算结果，进行全面对比分析，确定合理的上跨方案，必要时在桥梁桩基施工前进行相应的超前处理措施，以达到技术可行经济合理的目的。

同时根据建模分析结果，对桥梁桩基施工提出相应的工序工法及注意事项等，以及进行必要的监控量测，并根据项目特点设置或加强必要的安全防护设置。

8、结语

根据安全评估项目的主要特点，落实项目的地质情况，并对既有结构进行相应的检测，必要时对敏感范围内的地层进行相应探测，并收集相关的施工中的重要资料，合理确定对结构的影响阶段，通过MidasGTS有限元软件合理建模，来准确地反映新建项目施工及运营过程中对既有结构物的影响程度；根据分析结果，采取合理的上跨方案，必要时采取合理措施，以达到立交工程长久的质量安全。

参考文献

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