新建河道下穿城市高架橋梁工程技術(shù)難點(diǎn)分析及總體布置方案比選

陸 揚(yáng)，張舒靜

(上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200061；上海灘涂海岸工程技術(shù)研究中心，上海 200061)

近幾十年以來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展以及不斷加快的城市化進(jìn)程，城市人口膨脹，建筑空間擁擠，地面硬化增多，城市交通及防洪排澇局勢嚴(yán)峻。為了緩解該局勢，城市水系建設(shè)勢在必行，城市建設(shè)中交叉與鄰近工程越來越多，新建工程對既有工程產(chǎn)生影響的案例屢見不鮮，最為典型的是堆載卸載工程(基坑開挖、河道開挖等)與已有的下穿(隧道、管線等)、上跨(橋梁、管線橋等)工程相互影響難以避免。

河道工程的開挖卸載會對周圍土體產(chǎn)生擾動，一定深度范圍內(nèi)的地應(yīng)力將重新分布，引起河底一定范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生回彈，繼而影響周邊已建工程。針對以上問題，需提出經(jīng)濟(jì)、科學(xué)的工程技術(shù)措施與既有構(gòu)筑物保護(hù)方案，確保工程順利進(jìn)行。

1 工程概況及實(shí)施技術(shù)難點(diǎn)

1.1 工程概況

本文以上海某規(guī)劃河道新建工程為例，擬實(shí)施河道為上海市浦東新區(qū)的一條規(guī)劃次干河道。工程范圍內(nèi)河道與主干路高架橋相交，豎向上河道岸坡位于已有橋梁下方約6m處。如圖1—2所示。

圖1 高架橋與擬建河道平面關(guān)系圖

圖2 高架橋與擬建河道豎向關(guān)系圖

現(xiàn)狀主線高架橋始建于1998年，道路等級為城市主干路，規(guī)劃紅線寬度約90m，設(shè)計(jì)車速為主線90km/h，匝道40km/h。擬新開河道下穿高架橋梁，共涉及4個(gè)橋墩，其中2個(gè)橋墩(Pm08#、09#)落在河槽內(nèi)，另外2個(gè)橋墩(Pm07#、10#)落在河道岸邊；對應(yīng)的上部結(jié)構(gòu)為2跨22m簡支空心板梁結(jié)構(gòu)和1跨3m×30m連續(xù)梁的邊跨。既有橋梁總體布置如圖3所示。

圖3 代表性斷面(承臺距離藍(lán)線最近位置，單位：m)

橋梁分雙幅橋設(shè)置，每幅橋橋?qū)?3m，中央分隔帶寬2m。橋梁上部結(jié)構(gòu)為空心板梁和連續(xù)梁。橋墩形式均為樁柱式橋墩，蓋梁下接2根1.2m×1.2m的矩形方立柱，立柱下接承臺，其中Pm07#、08#承臺為啞鈴型斷面，平面尺寸8.75m×2.95m，承臺厚度為1.8m，承臺下方樁基礎(chǔ)采用8根450mm×450mm小方樁，樁長45m；Pm09#、10#承臺為矩形斷面，平面尺寸9.5m×3.38m，承臺厚度為1.8m，下部基礎(chǔ)采用7根直徑550mmPHC管樁，樁長55m。

1.2 技術(shù)難點(diǎn)

擬建河道規(guī)劃口寬50m，河底寬度20m，河底高程-1.5m，同時(shí)需在既有高架橋下實(shí)施河槽開挖，卸土高度達(dá)6m。經(jīng)分析，認(rèn)為工程存在如下技術(shù)難點(diǎn)：

(1)卸土高，影響現(xiàn)狀橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。河道施工過程中的土體卸載將對現(xiàn)狀橋墩承臺及樁基周圍土體產(chǎn)生擾動，一定深度范圍內(nèi)的地應(yīng)力將重新分布，必然引起一定范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生回彈。輕則使已建橋梁產(chǎn)生大的縱向變形，出現(xiàn)滲漏水、漏氣和裂縫等病害；重則會影響橋梁的正常運(yùn)行，限制運(yùn)行車速甚至造成停用。因此，需采取合理的總體布置方案和一定的墩臺及樁柱保護(hù)措施，確保工程實(shí)施及運(yùn)營階段主線高架橋梁安全。

(2)交叉情況復(fù)雜，影響河道流線流態(tài)。交叉位置不僅要滿足橋梁結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)要保證河道行洪除澇能力。主干道高架橋橋墩承臺位于規(guī)劃河底以上，占用了部分河道過水?dāng)嗝?，橋墩及承臺順?biāo)鞣较蛑休S線與規(guī)劃河道中心線交角約13°，需優(yōu)化河道線型布置，提出河道行洪斷面補(bǔ)償方案，并分析補(bǔ)償后的河道主槽流線流態(tài)和過流能力。

(3)橋下凈空高度不足，施工難度大?，F(xiàn)狀橋梁梁底至地面凈空高度僅6m，橋下施工作業(yè)面有限，圍護(hù)樁施工難度大，樁間咬合質(zhì)量難以控制。同時(shí)現(xiàn)狀主干路交通流量大，應(yīng)提出合理的施工期交通保障方案，確保施工期間交通分流有序。

2 工程總體布置方案比選

2.1 總體布置方案

針對以上工程技術(shù)難點(diǎn)，結(jié)合城市橋梁安全保護(hù)技術(shù)要求，本文擬定3種工程總體布置方案，并從河道過流能力及流態(tài)、河槽開挖對既有橋梁結(jié)構(gòu)的影響、工程施工難度等方面進(jìn)行比選。

方案一：在河道范圍內(nèi)涉及的4座橋墩承臺外側(cè)施打鋼板樁，保留現(xiàn)狀墩臺及下部基礎(chǔ)外側(cè)土體，呈“島”狀布置；同時(shí)將橋墩處河道往兩岸疏拓，河道設(shè)計(jì)口寬自50m疏拓為74m。如圖4所示。

圖4 方案一剖面圖(單位：m)

方案二：對4座橋墩承臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行原位加固，將每根橋墩立柱下的承臺部分每邊擴(kuò)大1.55m，并在擴(kuò)大的承臺基礎(chǔ)下增加4根Φ600mm的鉆孔灌注樁。如圖5所示。

圖5 方案二剖面圖(單位：m)

方案三：橋梁投影范圍內(nèi)的河道采用C30鋼筋砼U型槽結(jié)構(gòu)，避免開挖水中橋墩基礎(chǔ)。如圖6所示。

圖6 方案三剖面圖(單位：m)

2.2 河道過流能力及流態(tài)分析

從河道水流條件及過流能力分析，各方案優(yōu)缺點(diǎn)如下：

方案一優(yōu)點(diǎn)是對河道過流能力影響較小，通過放大局部河道設(shè)計(jì)口寬，可補(bǔ)償因鋼板樁圍護(hù)占用的河道過水?dāng)嗝妫噍^規(guī)劃規(guī)模過水?dāng)嗝婷娣e擴(kuò)大了約2.2%，對河道過流及汛期行洪除澇無明顯影響。但由于鋼板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的局部阻水，造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)附近流態(tài)紊亂，水流存在一定的折沖，對岸坡、河勢穩(wěn)定有不利影響。體系不能補(bǔ)償因卸荷導(dǎo)致的樁基負(fù)摩阻力增加，對老橋結(jié)構(gòu)仍存在一定的影響，并且高架橋下凈空高度僅6m，施工作業(yè)面有限，鋼板樁需采用接樁焊接，施工質(zhì)量難以保證。

方案二優(yōu)點(diǎn)是對河道過流能力影響極小，過水?dāng)嗝婷娣e比方案一更大，較規(guī)劃過水面積擴(kuò)大了約4%；同時(shí)對既有承臺的擴(kuò)大和加固，基本不會改變原有橋墩處的流場，對河勢穩(wěn)定無明顯影響。采用承臺擴(kuò)大的加固方式可有效補(bǔ)償因河道開挖引起的老結(jié)構(gòu)樁基負(fù)摩阻力增加，對橋梁結(jié)構(gòu)受力更為有利，同時(shí)在有限作業(yè)面下，鉆孔灌注樁的施工質(zhì)量更易保證。

方案三中U型槽方案會使河道主槽中水流被分為三汊且呈偏態(tài)布置，并且U型槽與東西兩側(cè)岸坡需設(shè)錐形過渡段進(jìn)行銜接，進(jìn)一步加劇了主槽偏流，使水流流態(tài)極為不利，易產(chǎn)生紊流沖刷上下游岸坡，對河勢穩(wěn)定有較大負(fù)面影響。

2.3 卸載及保護(hù)措施對既有結(jié)構(gòu)影響分析

從上述方案比選可知，從對河道過流能力影響方面分析，方案一、二明顯優(yōu)于方案三。因此考慮各種施工因素和復(fù)雜的地表面邊界條件的影響，合理分析河道開挖施工中土體的力學(xué)行為和施工引起的地表沉降，進(jìn)一步對方案一、二進(jìn)行比選。

本文采用專業(yè)巖土工程有限元計(jì)算分析軟件PLAXIS，分析河道開挖施工引起的土體變形情況及其變形程度、施工土體應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律、施工影響范圍等。

2.3.1計(jì)算參數(shù)選取

(1)初始應(yīng)力場的模擬：根據(jù)地勘報(bào)告提供的土層剖面，考慮不同的土體分層條件和重度，模擬土體初始應(yīng)力場分布。

(2)連續(xù)介質(zhì)模擬：有限元數(shù)值計(jì)算中土體采用基于Mohr-Coulomb的H-S高級土體行為模型，該模型是一個(gè)可以模擬包括軟土和硬土在內(nèi)地不同類型的土體行為的先進(jìn)模型(土體剛度是應(yīng)力相關(guān)的)，它使用的是塑性理論，而不是彈性理論。其次它考慮了土體的剪脹性，考慮了土體的卸荷對開挖的影響。再次，它引入了一個(gè)屈服帽蓋。

(3)根據(jù)軟件的內(nèi)置材料模型并結(jié)合實(shí)際情況，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，該單元可以設(shè)定抗彎剛度以及抗壓剛度等參數(shù)。

(4)模擬結(jié)構(gòu)-土作用的參數(shù)采用Rinter，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及上海地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，取為0.65。

(5)河道開挖過程模擬：通過有限元軟件的“單元生死”，結(jié)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工順序，模擬河道開挖的施工全過程。

(6)計(jì)算區(qū)域?yàn)椋荷疃热≈磷銐蛏疃?，為地表以?20m?；悠拭嬗?jì)算寬度為150m，同時(shí)對模型邊界進(jìn)行約束，左右兩側(cè)進(jìn)行x向約束，底部進(jìn)行y向約束。采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元進(jìn)行模擬土體。

2.3.2方案一計(jì)算成果

整體計(jì)算模型及河道開挖施工后整體位移云圖如圖7—8所示，北側(cè)橋墩位移矢量如圖9所示，南側(cè)橋墩位移矢量如圖10所示。由計(jì)算結(jié)果可知，北側(cè)橋墩最大位移為13.96mm，水平位移為4.88mm，垂直位移為13.40mm，南側(cè)橋墩最大位移為18.95mm，水平位移為18.07mm，垂直位移為5.83mm。

圖7 有限元模型圖

圖8 整體位移計(jì)算云圖

圖9 北側(cè)橋墩變形總位移矢量圖

圖10 南側(cè)橋墩變形總位移矢量圖

2.3.3方案二計(jì)算成果

整體計(jì)算模型及河道開挖施工后整體位移云圖如圖11—12所示，北側(cè)橋墩位移矢量如圖13所示，南側(cè)橋墩位移矢量如圖14所示。由計(jì)算結(jié)果可知，北側(cè)橋墩最大位移為9.63mm，水平位移為4.10mm，垂直位移為9.20mm，南側(cè)橋墩最大位移為14.13mm，水平位移為12.24mm，垂直位移為7.22mm。

圖11 有限元模型圖

圖12 整體位移計(jì)算云圖

圖13 北側(cè)橋墩變形總位移矢量圖

圖14 南側(cè)橋墩變形總位移矢量圖

從以上計(jì)算成果可知，采用方案二對現(xiàn)狀橋墩承臺進(jìn)行加固后，橋墩受河道開挖影響產(chǎn)生的位移可滿足相關(guān)規(guī)范允許值，且位移數(shù)值小于方案一，因此從河道施工對老結(jié)構(gòu)的影響程度分析，方案二優(yōu)于方案一。

2.4 施工難度分析

各方案施工難度優(yōu)缺點(diǎn)分析如下：

(1)方案一的鋼板樁圍護(hù)體系不能補(bǔ)償因卸荷導(dǎo)致的樁基負(fù)摩阻力增加，對老橋結(jié)構(gòu)仍存在一定的影響，并且高架橋下凈空高度僅6m，施工作業(yè)面有限，鋼板樁需采用接樁焊接，施工質(zhì)量難以保證。

(2)方案二采用承臺擴(kuò)大的加固方式可有效補(bǔ)償因河道開挖引起的老結(jié)構(gòu)樁基負(fù)摩阻力增加，對橋梁結(jié)構(gòu)受力更為有利，同時(shí)在有限作業(yè)面下，鉆孔灌注樁的施工質(zhì)量更易保證。

(3)方案三設(shè)置的U型槽雖避讓了現(xiàn)狀墩臺結(jié)構(gòu)，承臺及下部基礎(chǔ)不直接受土體開挖影響，但周邊區(qū)域開挖仍會產(chǎn)生土體擾動，影響老結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

從以上3方面的分析結(jié)果可知，采用方案二進(jìn)行總體布置不僅對橋梁結(jié)構(gòu)影響較小，且具有良好的水流條件和過流能力，施工難度和質(zhì)量易于控制，是較為合理經(jīng)濟(jì)的技術(shù)措施。

3 結(jié)論及展望

通過定性分析擬建河道3種總體布置方案下的河道水流條件和工程施工難度，定量計(jì)算河槽開挖對既有橋梁結(jié)構(gòu)的影響，得到如下主要結(jié)論：

(1)高架橋下河道岸線向陸域疏拓，局部擴(kuò)大河道設(shè)計(jì)口寬，可保證橋下河道的過流能力不縮減，也基本不會改變規(guī)劃河道流態(tài)，對河勢穩(wěn)定無明顯影響。而采用U型槽布置會引起河道偏流折沖，對水流條件和岸坡穩(wěn)定有不利影響。

(2)河道開挖對橋梁的安全影響主要表現(xiàn)在橋梁墩臺結(jié)構(gòu)的水平和豎向位移，數(shù)值分析結(jié)果標(biāo)明采用對原有橋墩承臺擴(kuò)大的加固方式可有效補(bǔ)償因河道開挖引起的老結(jié)構(gòu)樁基負(fù)摩阻力增加，對橋梁結(jié)構(gòu)受力更為有利，并且可以將開挖對橋墩的位移影響控制在規(guī)范允許值內(nèi)。

(3)本文的分析計(jì)算均為理論工況，研究成果可為同類工程提供技術(shù)支撐，但目前尚無施工監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行反演分析。鑒于城市主干道高架橋梁的重要性，在河道施工期間應(yīng)制定合理監(jiān)測方案，通過觀測數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)變形及沉降觀測數(shù)據(jù)進(jìn)一步計(jì)算分析，預(yù)測結(jié)構(gòu)沉降變形趨勢及大小，動態(tài)制定施工及保護(hù)方案。