河道改造對營運高速公路橋梁的影響分析

傅家鯤

(成都市市政工程設計研究院有限公司，四川 成都 610023)

0 引言

惡劣天氣會導致暴雨災害，造成城市內澇不斷加劇，給人民生命財產造成損失，生活造成不便。城市內的河道作為最主要的泄洪通道，其暢通性和過流能力對泄洪有著重要影響。因此，政府部門和社會群體對城市河道的治理工作越來越重視，城市河道的提升改造也迫在眉睫。但是道路的建設一般先于河道的改造，道路跨越河道時僅根據河道規劃寬度預留改造條件，而在已建成的橋梁下改造河道容易對橋梁結構的安全性和耐久性產生影響[1-2]。

本文以成都市高新排洪渠(成自瀘高速公路江家立交段)改造工程為背景，分析營運高速公路橋下河道改造開挖對橋梁的影響并介紹其保護方案。

1 工程概況

1.1 現狀河道情況

現狀高新排洪渠為天然河道，其斷面為底寬5～6 m、頂寬12～14 m、深度3 m的倒梯形斷面。河道流向為由東向西，穿越已營運的成自瀘高速公路(G4215)江家全互通立交橋南側主線和匝道。河道平面如圖1所示。

1.2 運營高速公路情況

成自瀘高速公路為已運營道路，江家全互通立交為成自瀘高速公路與成都繞城高速公路的轉換點，互通立交匝道多、交通繁忙、車流量大，且兩條高速公路均為國家高速公路，施工期間需保證道路的暢通和安全。

江家全互通立交節點中跨越高新排洪渠的橋梁共計11座，其中兩座為6×25 m連續梁橋，9座為單跨25 m簡支梁橋。根據原橋梁竣工資料，橋梁基礎均采用樁徑1.8 m的樁基礎，樁長22～26 m，均為端承樁。樁基依次穿越黏土、砂礫石、強風化巖層，最后嵌入中風化巖層，嵌入中風化巖層深度均<15 m。

圖1 現狀河道平面圖

2 設計方案

2.1 總體設計

高新排洪渠是成都市高新區中和環城生態區工程的重要組成部分，也是高新區中和片區的重要防洪工程。現狀河道寬度和深度均不能滿足100年一遇的洪水通行需求，需要將河道拓寬為寬度為20 m、深度為4.1 m的矩形斷面。河道標準斷面如圖2所示。

圖2 河道標準斷面圖(cm)

改造平面以現狀河道為基礎，在江家全互通立交橋區域利用已建高速公路橋下的預留通道，對平面線形進行優化。對于橋下空間無法滿足20 m寬度的局部位置，將河道分叉繞行，以滿足河道的過流能力。河道設計總平面圖如圖3所示，穿越橋梁段河道平面圖如圖4所示。

圖3 河道設計總平面圖

圖4 穿越橋梁段河道平面圖

2.2 結構設計

在非橋梁區段，河堤采用了素混凝土重力式河堤結構；在橋梁區段，由于空間受限，采用鋼筋混凝土U形槽河堤結構，如圖5所示。U形槽河堤凈寬為20 m，凈高為5.1 m；側墻厚度為60 cm，底板厚度為70 cm；底板上設置透水孔，防止U形槽結構在槽內河水位較低時受周邊地下水影響而上浮。

圖5 U形槽結構斷面圖(cm)

3 橋梁保護方案

3.1 控制標準

河道的開挖將會使橋梁樁基臨河側土體被挖除，部分樁身將裸露在土層外，從而引起樁基的豎向承載力減小和側向位移增大。當樁基豎向承載力小于承受荷載時，樁基會發生下沉，導致橋梁產生不均勻沉降，造成上部結構受損。樁基發生側向位移也必然導致樁基承受彎矩，從而造成樁基混凝土開裂。因此樁基的豎向承載力和裂縫為本工程控制橋梁安全性的主要因素，當其不滿足允許值時，橋梁樁基會發生破壞，影響橋梁結構的安全性和耐久性。

根據規范要求，當河道開挖后，樁基豎向承載力不應小于承受荷載，樁基裂縫應≤0.2 mm[3-4]。

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3.2 保護措施

由于河道開挖施工期間不能中斷高速公路的營運，因此河道的開挖施工方法對高速公路橋梁結構的影響極為重要。河道開挖施工影響的橋型主要有簡支梁橋和連續梁橋兩種。連續梁橋考慮采用樁基兩側對稱開挖，對樁基影響較小，僅需滿足豎向承載力即可；簡支梁橋由于只能單側開挖，對樁基有豎向承載力和側向位移的雙重影響，故針對簡支梁橋采用以下施工措施(圖6)：

(1)開挖前先對橋臺樁間土和臺后土進行注漿加固，使土體固化。

(2)開挖前在兩側橋臺之間設置永久鋼橫撐，將兩側橋臺撐住，避免河道開挖后樁頂產生側向位移。每根樁基處對應設置一榀鋼支撐，鋼支撐規格采用φ609 mm×16 mm圓形鋼管，并施加50 kN預應力。

(3)開挖時采用噴錨支護，邊開挖邊噴錨，循環向下開挖，避免樁間土和臺后土發生滑動破壞。

(4)U形槽澆筑后，對側墻后背采用混凝土灌注，保證樁間土與U形槽側墻之間密貼無間隙。

圖6 河道開挖保護措施圖

4 橋梁結構的影響分析

4.1 樁基豎向承載力驗算

樁基豎向主要承受上部結構的活載+恒載和下部結構的恒載。活載采用公路-Ⅰ級，并采用標準組合值。

樁基承載力按支承在基巖上或嵌入基巖中的鉆(挖)孔樁計算，計算時只計入開挖河底以下的有效樁長部分的樁側摩阻力和樁端阻力。河道開挖造成樁基有效長度減少2.4～6.4 m，單樁豎向承載力變化的計算結果如下頁表1所示。

表1 單樁豎向承載力驗算結果表

4.2 樁基側向位移及裂縫驗算

簡支梁橋由于只能單側開挖，需對樁基側向位移和混凝土裂縫進行驗算。樁基側向位移主要受橋臺臺背活載、橋臺臺背回填土側壓力、樁基有效計算寬度范圍內土體側壓力影響。將臺背活載和臺背回填土按等效換算的原則加載于樁頂和樁側，采用m法計算彈性樁水平位移及作用效應，并根據作用效應和配筋情況，驗算樁基裂縫寬度。其計算模型簡圖如圖7所示。

圖7 側向位移及內力計算簡圖

由于在橋下鋼支撐施工不方便，故將設置鋼支撐和不設置鋼支撐這兩種施工方案進行對比分析，計算其對樁基側向位移及裂縫的影響。位移曲線對比示意如圖8所示，計算結果對比如表2所示。

根據表2驗算結果可知，當未設置鋼支撐時，樁基為懸臂結構，樁頂側向位移和樁身受力都較大，部分樁基混凝土裂縫>0.2 mm，不能滿足規范要求。當設置鋼支撐后，樁身最大位移發生在樁身1/4處，且側向位移和樁身受力均較小，所有樁基混凝土裂縫均滿足要求。

圖8 樁基側向位移結果對比示意圖(單位：mm)

表2 樁基側向位移及裂縫驗算結果表

5 結語

(1)營運高速公路橋下河道改造時，應根據規范和管理部門實際要求制定相應的變形、裂縫控制標準，并采取相應的施工措施進行控制，保障高速公路營運的安全。

(2)河道開挖前應先施工鋼橫撐，減小樁基側向位移和樁基混凝土裂縫，保障橋梁下部結構的安全和耐久性。

(3)采用計算軟件進行預測分析，驗證設計方案的可行性，并評估施工安全性。