某海底隧道下穿海湾大桥连接线匝道桥安全性评估

马宇平

(广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司,广东 广州 510507)

1.1 项目平面位置

某海底隧道全长8280 m，进口里程DK407+850，出口里程DK416+130。其中除进口1427 m、出口1000 m采用明挖法施工外，其他段落采用盾构法施工。隧道水域段左侧80～280 m位置为海湾大桥；
隧道穿出海湾后继续下穿海湾大桥连接线A匝道桥。隧道与海湾大桥连接线A匝道桥的相对位置关系如图1所示。

图1 隧道与海湾大桥连接线A匝道桥相对位置关系

隧道左线在DK412+762里程处下穿海湾大桥连接线匝道A3#桥墩桩基，隧道与桩基最小净距1.4 m；
右线在DK412+782.5里程处下穿A4桥墩桩基，隧道与桩基最小净距1.30 m。考虑对A3、A4桥墩桩基进行托换，区间隧道埋穿越<5-4>粉质黏土，管顶深约19.5 m。隧道管片内径12.6 m，外径13.8 m，管片厚0.6 m，左、右路线设计线间距4.6 m。隧道与海湾大桥连接线 A 匝道桥桥墩的相对位置关系如图2所示。

(a)DK412+762位置

1.2 方案设计

方案设计拟对既有海湾大桥连接线A匝道桥A3、A4桥墩桩基进行托换加固。海底隧道外径1380 cm，与A3、A4桥墩桩基净距分别为140 cm、130 cm。隧道路线设计线与A匝道设计线斜交，根据托换桩与旧桩之间桩间距以及托换桩与隧道边净距的要求，托梁承台设计长3000 cm。A3、A4原承台尺寸为300 cm×300 cm×200 cm，托换梁竖向需满足包住原承台且预留预应力竖弯空间，因而托换梁高设计为350 cm。同时托换梁横向在扣除原桩基(180 cm)后的净宽需满足钢束平弯布置空间，因而托换梁宽设计为350 cm。

方案采用2根φ200 cm托换桩，桩基采用φ220 cm钢护筒跟进，新建托换承台跨越隧道。为保证施工期间既有桥梁及行人、车辆的安全，同时为便于施工过程中位移、变形的控制，被托换桥墩在顶升过程期间对既有桥梁交通进行管制，禁止汽车通行，待托换体系完成后方可通行。桩基托换平面图及立面图如图3所示。

图3 海湾大桥连接线A匝道桥桩基托换平面图(单位：cm)

根据《公路桥梁和隧道工程设计安全风险评估指南》(试行)进行公路桥梁工程设计安全风险评估[1]。一是通过调查类似结构工程的安全风险发生情况，确定关键风险源及将要风险源；
二是采用定性与定量相结合的方法，对风险源的风险发生概率及损失进行分析和评估，确定其发生的可能性及严重程度；
三是根据已确定的风险发生概率等级和风险损失等级，按照相关要求确定安全风险等级；
四是针对不同的安全风险等级，研究提出相应的应对措施。

在选定风险源时，需确认推测的风险源是否存在不确定性，并推测该不确定性带来的各种可能事故。本文风险源以是否影响结构安全的角度进行选定，不考虑结构受力以外的人为因素。结合海湾大桥连接线A匝道桥A3、A4桥墩桩基托换设计方案，具体从托换承台受力状况、托换桩基承载力、墩柱与承台连接受力进行分析；
并根据计算分析结果对风险的发生概率进行判定；
最后根据风险发生概率等级和风险损失等级确定安全风险等级。

2.1 下穿连接线A匝道桥A3、A4桥墩风险源分析计算

2.1.1 A3、A4桥墩桩基托换计算模型

(1)计算方法。采用MIDAS有限元软件对该托换工程建立空间杆系有限元模型：根据荷载组合内容进行内力、应力、承台极限承载力计算，按A类预应力构件验算结构的使用阶段应力、极限承载力是否符合规范要求。

(2)计算参数。计算模型分3个施工阶段模拟桩基托换的实际受力情况(见图4)：施工阶段1为托换前，只有原桩基承受全部上部荷载；
施工阶段2为浇注新建桩基和承台；
施工阶段3为截桩后，只有新桩和承台受力的情况。

图4 施工阶段1～3模型

查阅竣工图《连接线匝道桥桥墩参数一览表》可得,桩顶容许承载力为7100 kN，将桩顶力容许值的30%充当活载、70%充当恒载加载至原桩帽上。托换承台长宽高为3000 cm×350 cm×350 cm，采用C50混凝土，托换桩采用C35混凝土，直径200 cm。承台配置12根17-φs15.2 mm预应力钢绞线，管道采用金属波纹管。隧顶埋深约为19.5 m，隧道主要穿越粉质黏土，土质可塑～硬塑状，质较均匀，韧性中等，干强度较高，切面较光滑，局部夹微薄层粉砂，属于稳定地层。

2.1.2 风险源受力分析

(1)托换承台。①根据MIDAS计算结果得知抗弯、抗剪承载能力满足规范要求。②持久状况和短暂状况构件的应力计算结果见表1。由计算分析可知：承台在承载能力极限状态和正常使用极限状态下验算结果均满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)规范要求[2]。

表1 应力计算结果

(2)托换桩。由计算模型得出支反力分别为6948 kN、10689 kN，反推托换桩桩顶力分别为6458 kN、10199 kN。根据《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG 3363—2019)(6.3.3-1)计算可得近墩柱托换桩桩基承载力为19 196 kN，较10 199 kN富余53.2%，远离墩柱的托换桩桩基承载力为12 754 kN，较6458 kN富余65.9%，桩基承载能力满足规范要求[3]。

(3)墩柱与承台的连接。根据《公路桥梁加固设计规范》(JTG/T J22—2008)(A.2.2-1～2和A.2.3)可得植筋胶抗拉承载力为50.3 kN，植筋抗拉承载力为103.7 kN；
同时求出单根钢筋抗剪承载力为47.9 kN。由此可见植筋受剪破坏早于抗拔破坏以及基材破坏。270根φ20 HRB400钢筋抗剪承载力为13 025 kN，满足剪力N=7100 kN的要求[4]。

2.3 风险概率判定

结合以上计算分析结果及表2中的标准，可将风险源发生的概率定性判断为很少发生。根据安全风险发生概率等级和损失等级，按表3确定风险等级。

表2 风险发生概率等级判断标准

表3 风险水平等级矩阵表

2.4 相似工程案例类比分析

某隧道工程东、西线盾构隧道分别从(31+45+31)m预应力连续刚构桥跨中穿越。区间东线隧道距桥桩最小净距4.35 m，区间西线隧道距桥墩最近9.86 m。区间隧道与桥墩的关系见图5。

依据某设计院提供资料，两端桥墩下方桩长38 m，中间两座桥墩下方桩长30 m，均为摩擦型钻孔灌注桩，桩径为1.5 m。西线、东线盾构分别从45 m、31 m桥跨下平面正交穿越，穿越处地层主要为粉土、可硬塑粉质黏土。其中，东线隧道距离桩基最小净距约3.91 m，隧道穿越的地层以粉质黏土及细砂层为主。由于隧道施工引起邻近桩基周围土体松动变形，造成桩基沉降和挠曲变形，对桩基及上部结构产生一定影响，若变形过大就会影响桥梁的正常使用，因此需要制定邻近桩基沉降控制标准，采取相应保护措施，将隧道施工造成的影响控制在允许范围内。

图5 隧道与桥梁平面关系图

根据桥梁实际情况，综合考虑桥桩与隧道之间的关系、工程地质情况，并参考国内相关工程经验及成果，该工程穿越处推荐采用隔离桩+旋喷桩地面预加固对桥梁进行保护，以减小穿越施工对桥梁影响，保证桥梁运营安全。

(1)东线隧道施工前在桥梁桩基与隧道之间设置一排φ1.0 m @1.2 m隔离桩，隔离桩设置在南北方向距离桥墩边缘外各10 m范围内，桩顶设置冠梁，并用连梁连接。盾构隧道上方采用三重管高压旋喷桩加固地层，厚度为3.0 m。同时，在91#、92#桥桩与隔离桩之间打设袖阀管对砂层进行跟踪注浆加固，沿隧道向长10 m、深33 m。

(2)西线盾构隧道在施工前，在桥梁桩基与隧道之间设置一排φ1.0 m@1.2 m 隔离桩，隔离桩设置在南北方向距离桥墩边缘外各10 m范围内。具体工程措施详见图6。

图6 隔离桩+旋喷桩加固平面布置图

2.5 安全风险评估结论

根据本工点的设计施工方案、施工工序以及区域地质情况，结合类似工程项目对海底隧道下穿海湾大桥工程风险等级做如下评估：

(1)隧道下穿连接线A匝道桥A3～A4号桥墩桩基风险发生概率等级为等级2(很少发生)，风险损失级别为等级2，根据表3将下穿连接线A匝道桥A3～A4号桥墩桩基工程安全风险等级定为Ⅱ级风险。

(2)结合相似工程案例类比分析结果，建议针对海底隧道盾构段下穿海湾大桥的下穿工况，在桥梁桩基外侧合理设置隔离加固措施，做好防护与监测措施，以提高工程施工的安全性，降低安全风险。

(3)上述风险水平有条件接受，工程有进一步实施预防措施以提升安全性的必要。

(1)海底隧道与海湾大桥并行段区间隧道采用盾构法施工，方案合理。盾构法施工对周围土体扰动较小，适合在城市内及建(构)筑物密集路段施工。对于本工程，盾构隧道施工对下穿桩基的影响主要在于开挖引起土体扰动，从而减小桩周的摩擦力，降低桩基承载力。由于泥水平衡盾构施工对土层扰动小，且可通过摸索总结到达下穿段落前不同施工参数对盾构周围土体的扰动影响，得出不同盾构推进速度、泥水压力及注浆压力(同步注浆、二次注浆以及事后跟踪注浆)对地层的影响，从而确定盾构下穿大桥施工的最优施工参数，降低对大桥的影响，保证大桥安全。

(2)海底隧道与海湾大桥并行段，为保证海湾大桥的运营安全，除了隧道穿越A匝道3#、4#桥墩时采用主动托换方案外，还应对海域范围桥梁和陆上桥梁布设监测点，建立系统监测方案，在隧道施工期间与运营后半年进行基础沉降和位移监测，并于陆上桥梁和隧道间预设计隔离桩，为大桥安全提供进一步保障。

(3)隧道穿越桥梁桩基时采用主动托换方案，该方案技术成熟，在国内已广泛应用，桩基托换方案可行。

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