下穿路基施工與運營對橋梁安全的影響分析

趙衛(wèi)國

（云南交投集團云嶺建設有限公司，昆明 650224）

為更好地利用高速公路網帶動地方經濟社會發(fā)展，需將高速公路與地方道路有機連接，形成綜合交通運輸網絡，然而在改擴建施工中土石方開挖或回填會對周邊的橋梁產生擾動，施工控制不好將導致路基不均勻沉降及變形，危害原橋梁結構的運營安全。因此有必要在項目建設前對原結構進行安全風險評估，確保施工過程及運營階段安全可控。本文以某運營橋梁下方下穿某新改建公路工程路基施工為例，根據設計圖、樁板擋墻設計圖、路線平面設計圖及相關地勘報告等資料，針對下穿路基施工和運營對上跨橋梁的影響進行安全評估，對鄰近范圍內的大橋主梁及下部結構進行安全影響分析，通過評估確定路基修建對橋梁的安全影響是否可控，為今后類似工程提供參考。

1 工程背景及計算思路

1.1 工程背景

新改建公路工程路基下穿高速公路某橋3#、4#橋墩，下穿里程段為K1+210～K1+240，長度為30 m。該段落新建公路路基左側及右側K1+227.45～K1+239.12 為填方段，最大填土高度為9.8 m；新建公路右側路基段K1+214.67～K1+227.45 m 為挖方段，最大開挖高度為7.5 m。該段路基緊鄰高速公路橋梁3#、4#橋墩，不具備放坡施工條件，在兩側設置樁板墻后進行土方回填。上跨橋梁全長849.5 m，共7 聯(lián)，每一聯(lián)為3×40 m 預應力混凝土T 梁（后張），先簡支后連續(xù)，3#、4#橋墩位于橋梁后2 聯(lián)。平面位置關系圖如圖1 所示，斷面位置關系圖如圖2、圖3 所示。

圖2 K1+210 斷面位置關系圖

圖3 K1+240 斷面位置關系圖

1.2 風險源分析

新改建公路工程路基施工先采用樁板擋墻進行支護，然后再進行路堤回填（少量開挖）施工，經分析主要存在以下4 個風險點。

風險源1：樁板擋墻的基坑開挖可能會對臨近橋墩造成影響。

風險源2：樁板擋墻的修建，會對土體產生擠壓作用，可能會對臨近橋墩造成影響。

風險源3：路堤回填。該處從起點至終點都存在大量的土方回填，最大回填高度達10 m，大量的土方回填會產生較大的主動土壓力，可能會使臨近橋墩發(fā)生較大位移，從而影響橋梁上部結構安全。

風險源4：運營階段。路面鋪裝和車輛荷載會對路基產生壓力，該壓力會轉化為土壓力從而傳遞至鄰近橋墩，該土壓力會與前面土方回填產生的影響相互疊加，此時橋墩發(fā)生的位移最大，該階段為最不利工況，對主梁結構安全影響最大。

1.3 計算內容

結合風險源識別并根據安全影響分析目的，本文主要計算內容如下。

一是根據當前條件下地質資料及設計圖紙，并結合現場勘察，確定當前地面線高度，巖土分層，各結構物的相對位置以及路面設計標高，建立模型模擬路基施工各個階段（開挖樁板基坑-修建樁板擋墻-回填路堤-運營階段），并以此評估橋墩受到施工影響后的安全性。

二是根據橋墩位移計算情況，確定橋梁在最不利荷載工況承載能力極限狀態(tài)下所有荷載組合包絡下橋梁的強度、剛度和穩(wěn)定性，評估原有高速公路橋梁結構受新建下穿公路工程影響的安全性，進一步確定橋梁是否會出現倒塌或產生不適宜正常運營的過大變形。

2 路基施工過程仿真分析

本文通過分析結構物之間的相互影響關系，選取了下穿道路基施工與橋梁3#、4#墩交叉段范圍建立三維有限元模型。有限元模型包括巖土結構，橋墩、承臺及樁基結構，樁板擋土墻結構，均采用三維實體單元模擬并賦予相應力學參數。根據下穿公路路基與橋梁結構空間相對位置關系建立有限元模型如圖4 所示。

圖4 模型中結構各空間位置圖

為了更加真實地模擬地基應力現狀，模型應從橋梁基礎還未施工時開始模擬，當橋梁基礎施工完成后，再將位移清零，從而獲得施工路基對橋墩的單一影響結果，根據計算要求，模型施工階段劃分為初始地基應力-橋梁基礎施工-位移清零-樁板基坑開挖-樁板擋墻施工-路堤回填開挖-道路運營階段共7 個施工階段，對各施工階段通過結構網格組、荷載及邊界的激活與鈍化進行模擬分析。

經計算，路基施工及運營階段左右幅3#、4#橋墩墩頂位移值統(tǒng)計結果見表1。

表1 路基施工各階段3#、4#橋墩墩頂位移統(tǒng)計值 mm

橋梁墩柱頂部水平位移過大會導致橋墩傾斜，影響橋墩整體穩(wěn)定性；墩柱上過大的豎向位移導致上部結構整體沉降，影響橋梁承載能力。從表1 可知，對橋墩造成最不利影響即橋墩發(fā)生最大位移的階段為運營階段。①參照JTG F80/1—2017《公路工程質量檢驗評定標準》第8.6.1 條關于墩臺豎直度限值的相關規(guī)定：當橋墩高度小于等于60 m 時，墩臺頂水平位移小于等于0.1%倍墩臺高，且小于20 mm。左幅3#墩墩頂最大水平位移3.133 mm≤54.491 mm，且小于等于20 mm，右幅3#墩墩頂最大水平位移2.463 mm≤51.081 mm，且小于等于20 mm，左幅4#墩墩頂最大水平位移1.031mm≤39.991mm，且小于等于20 mm，右幅4#墩墩頂最大水平位移0.736 mm≤35.181 mm，且小于等于20 mm。該位移值對橋梁結構安全影響較小，風險可控。②參照JTG F80/1—2017《公路工程質量檢驗評定標準》第8.12.6 條關于梁橋支座安裝誤差限值的相關規(guī)定：橋梁支座高程偏差限值為±5 mm。左幅3#墩墩頂最大豎向位移0.729 mm≤5 mm，右幅3#墩墩頂最大豎向位移0.410 mm≤5 mm，左幅4#墩墩頂最大豎向位移0.601 mm≤20 mm，右幅4#墩墩頂最大豎向位移0.393 mm≤5 mm。該位移值對橋梁結構安全影響較小，風險可控。

3 橋梁結構有限元分析

結合本文第二節(jié)計算結果，運用MIDAS/Civil 結構有限元分析軟件對3#、4#橋墩影響范圍內的兩聯(lián)橋梁進行建模計算，比較公路工程施工及運營前后引起橋梁結構強度、剛度的改變，第一種情況為橋梁原始設計狀態(tài)下的結構內力；第二種情況為修建樁板擋墻及公路后，3#、4#橋墩受到土體擠壓作用，墩頂發(fā)生偏位后橋梁結構的內力。該有限元計算模型如圖5 所示。

圖5 橋梁有限元計算模型

3.1 上部結構計算

經過有限元模型計算出原始設計狀態(tài)下結構內力值，以及3#、4#橋墩受到土體擠壓，墩頂發(fā)生最大位移情況下結構內力及變形，在此不詳細列出2 種情況下內力計算值，僅列出主梁各控制截面承載能力狀態(tài)下彎矩差值百分比，計算公式為彎矩差值百分比=（修路后彎矩-原設計彎矩）/原設計彎矩×100%，具體計算結果見表2。從表2 可以看出，公路修建前后2 種情況下，1—5 號T 梁承載能力極限狀態(tài)下各控制截面彎矩增量變化遠小于5%的準許變化限值，相同計算方法可得，道路修建前后，1—5 號主梁的剪力增量變化均遠小于5%的準許變化限值，所以改擴建公路工程對橋梁主梁受力影響不大。

表2 主梁承載能力狀態(tài)下彎矩計算結果對比 %

3.2 下部結構計算

新改建公路工程路基下穿大橋3#、4#橋墩，臨近橋墩受公路修建工程影響最大，因此重點分析3#、4#橋墩的內力及位移。公路修建前后2 種情況下，3#、4#橋墩承載能力極限狀態(tài)下橋墩應力及位移計算結果對比見表3。從表中可以看出，修路前后，橋墩的應力及位移均較小，且應力變化小于5%，位移變化雖然超過5%，但修路前后橋墩位移值均在允許值20 mm 以內，所以改擴建公路工程對大橋臨近橋墩受力影響可控。

表3 承載能力極限狀態(tài)下3#、4#橋墩內力及位移計算結果對比表

公路修建前后2 種情況下，3#、4#墩樁基承載能力極限狀態(tài)下應力及位移計算結果對比見表4，從表中可得修路前后，樁基的應力及位移均較小，且應力變化小于5%，位移變化雖然超過5%，但修路前后樁基位移值幾乎可以忽略，所以改擴建公路工程對大橋臨近橋墩樁基受力影響可控。

表4 承載能力極限狀態(tài)下3#、4#橋墩樁基內力及位移計算結果對比表

4 結論及建議

1）通過建立模型模擬路基施工各個階段，得到對橋墩造成最不利影響即橋墩發(fā)生最大位移的階段為運營階段。根據規(guī)范，墩頂發(fā)生最大位移值均在允許值范圍內。

2）通過對結構有限元分析軟件對3#、4#橋墩影響范圍內的2 聯(lián)橋梁進行建模計算，T 梁在承載能力極限狀態(tài)下彎矩和剪力均小于5%的準許變化值。橋墩的應力及位移均較小，且應力變化小于5%，位移變化雖然超過5%但均在允許位移范圍內。樁基的應力變化小于5%，位移變化雖然超過5%，但位移絕對值很小，影響可忽略。

3）通過計算分析可知，新建公路路基施工對橋梁的影響較小，故新改建公路工程對橋梁結構受力影響在安全范圍內。但在路基開挖和回填階段，建議施工盡量分區(qū)、分層、對稱、均衡施工，以保證施工的質量安全。