下穿路基施工與運(yùn)營(yíng)對(duì)橋梁安全的影響分析

趙衛(wèi)國(guó)

（云南交投集團(tuán)云嶺建設(shè)有限公司，昆明 650224）

為更好地利用高速公路網(wǎng)帶動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，需將高速公路與地方道路有機(jī)連接，形成綜合交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，然而在改擴(kuò)建施工中土石方開挖或回填會(huì)對(duì)周邊的橋梁產(chǎn)生擾動(dòng)，施工控制不好將導(dǎo)致路基不均勻沉降及變形，危害原橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)安全。因此有必要在項(xiàng)目建設(shè)前對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，確保施工過程及運(yùn)營(yíng)階段安全可控。本文以某運(yùn)營(yíng)橋梁下方下穿某新改建公路工程路基施工為例，根據(jù)設(shè)計(jì)圖、樁板擋墻設(shè)計(jì)圖、路線平面設(shè)計(jì)圖及相關(guān)地勘報(bào)告等資料，針對(duì)下穿路基施工和運(yùn)營(yíng)對(duì)上跨橋梁的影響進(jìn)行安全評(píng)估，對(duì)鄰近范圍內(nèi)的大橋主梁及下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全影響分析，通過評(píng)估確定路基修建對(duì)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(jì)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(zhǎng)度為30 m。該段落新建公路路基左側(cè)及右側(cè)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(cè)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(cè)設(shè)置樁板墻后進(jìn)行土方回填。上跨橋梁全長(zhǎng)849.5 m，共7 聯(lián)，每一聯(lián)為3×40 m 預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁（后張），先簡(jiǎn)支后連續(xù)，3#、4#橋墩位于橋梁后2 聯(lián)。平面位置關(guān)系圖如圖1 所示，斷面位置關(guān)系圖如圖2、圖3 所示。

圖2 K1+210 斷面位置關(guān)系圖

圖3 K1+240 斷面位置關(guān)系圖

1.2 風(fēng)險(xiǎn)源分析

新改建公路工程路基施工先采用樁板擋墻進(jìn)行支護(hù)，然后再進(jìn)行路堤回填（少量開挖）施工，經(jīng)分析主要存在以下4 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

風(fēng)險(xiǎn)源1：樁板擋墻的基坑開挖可能會(huì)對(duì)臨近橋墩造成影響。

風(fēng)險(xiǎn)源2：樁板擋墻的修建，會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生擠壓作用，可能會(huì)對(duì)臨近橋墩造成影響。

風(fēng)險(xiǎn)源3：路堤回填。該處從起點(diǎn)至終點(diǎn)都存在大量的土方回填，最大回填高度達(dá)10 m，大量的土方回填會(huì)產(chǎn)生較大的主動(dòng)土壓力，可能會(huì)使臨近橋墩發(fā)生較大位移，從而影響橋梁上部結(jié)構(gòu)安全。

風(fēng)險(xiǎn)源4：運(yùn)營(yíng)階段。路面鋪裝和車輛荷載會(huì)對(duì)路基產(chǎn)生壓力，該壓力會(huì)轉(zhuǎn)化為土壓力從而傳遞至鄰近橋墩，該土壓力會(huì)與前面土方回填產(chǎn)生的影響相互疊加，此時(shí)橋墩發(fā)生的位移最大，該階段為最不利工況，對(duì)主梁結(jié)構(gòu)安全影響最大。

1.3 計(jì)算內(nèi)容

結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別并根據(jù)安全影響分析目的，本文主要計(jì)算內(nèi)容如下。

一是根據(jù)當(dāng)前條件下地質(zhì)資料及設(shè)計(jì)圖紙，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察，確定當(dāng)前地面線高度，巖土分層，各結(jié)構(gòu)物的相對(duì)位置以及路面設(shè)計(jì)標(biāo)高，建立模型模擬路基施工各個(gè)階段（開挖樁板基坑-修建樁板擋墻-回填路堤-運(yùn)營(yíng)階段），并以此評(píng)估橋墩受到施工影響后的安全性。

二是根據(jù)橋墩位移計(jì)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(luò)下橋梁的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，評(píng)估原有高速公路橋梁結(jié)構(gòu)受新建下穿公路工程影響的安全性，進(jìn)一步確定橋梁是否會(huì)出現(xiàn)倒塌或產(chǎn)生不適宜正常運(yùn)營(yíng)的過大變形。

2 路基施工過程仿真分析

本文通過分析結(jié)構(gòu)物之間的相互影響關(guān)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(jié)構(gòu)，橋墩、承臺(tái)及樁基結(jié)構(gòu)，樁板擋土墻結(jié)構(gòu)，均采用三維實(shí)體單元模擬并賦予相應(yīng)力學(xué)參數(shù)。根據(jù)下穿公路路基與橋梁結(jié)構(gòu)空間相對(duì)位置關(guān)系建立有限元模型如圖4 所示。

圖4 模型中結(jié)構(gòu)各空間位置圖

為了更加真實(shí)地模擬地基應(yīng)力現(xiàn)狀，模型應(yīng)從橋梁基礎(chǔ)還未施工時(shí)開始模擬，當(dāng)橋梁基礎(chǔ)施工完成后，再將位移清零，從而獲得施工路基對(duì)橋墩的單一影響結(jié)果，根據(jù)計(jì)算要求，模型施工階段劃分為初始地基應(yīng)力-橋梁基礎(chǔ)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(yùn)營(yíng)階段共7 個(gè)施工階段，對(duì)各施工階段通過結(jié)構(gòu)網(wǎng)格組、荷載及邊界的激活與鈍化進(jìn)行模擬分析。

經(jīng)計(jì)算，路基施工及運(yùn)營(yíng)階段左右幅3#、4#橋墩墩頂位移值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 路基施工各階段3#、4#橋墩墩頂位移統(tǒng)計(jì)值 mm

橋梁墩柱頂部水平位移過大會(huì)導(dǎo)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(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)整體沉降，影響橋梁承載能力。從表1 可知，對(duì)橋墩造成最不利影響即橋墩發(fā)生最大位移的階段為運(yùn)營(yíng)階段。①參照J(rèn)TG F80/1—2017《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》第8.6.1 條關(guān)于墩臺(tái)豎直度限值的相關(guān)規(guī)定：當(dāng)橋墩高度小于等于60 m 時(shí)，墩臺(tái)頂水平位移小于等于0.1%倍墩臺(tái)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(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全影響較小，風(fēng)險(xiǎn)可控。②參照J(rèn)TG F80/1—2017《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》第8.12.6 條關(guān)于梁橋支座安裝誤差限值的相關(guān)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(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全影響較小，風(fēng)險(xiǎn)可控。

3 橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析

結(jié)合本文第二節(jié)計(jì)算結(jié)果，運(yùn)用MIDAS/Civil 結(jié)構(gòu)有限元分析軟件對(duì)3#、4#橋墩影響范圍內(nèi)的兩聯(lián)橋梁進(jìn)行建模計(jì)算，比較公路工程施工及運(yùn)營(yíng)前后引起橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的改變，第一種情況為橋梁原始設(shè)計(jì)狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)內(nèi)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(jié)構(gòu)的內(nèi)力。該有限元計(jì)算模型如圖5 所示。

圖5 橋梁有限元計(jì)算模型

3.1 上部結(jié)構(gòu)計(jì)算

經(jīng)過有限元模型計(jì)算出原始設(shè)計(jì)狀態(tài)下結(jié)構(gòu)內(nèi)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(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形，在此不詳細(xì)列出2 種情況下內(nèi)力計(jì)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(jì)算公式為彎矩差值百分比=（修路后彎矩-原設(shè)計(jì)彎矩）/原設(shè)計(jì)彎矩×100%，具體計(jì)算結(jié)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(hào)T 梁承載能力極限狀態(tài)下各控制截面彎矩增量變化遠(yuǎn)小于5%的準(zhǔn)許變化限值，相同計(jì)算方法可得，道路修建前后，1—5 號(hào)主梁的剪力增量變化均遠(yuǎn)小于5%的準(zhǔn)許變化限值，所以改擴(kuò)建公路工程對(duì)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(jì)算結(jié)果對(duì)比 %

3.2 下部結(jié)構(gòu)計(jì)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(diǎn)分析3#、4#橋墩的內(nèi)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(yīng)力及位移計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表3。從表中可以看出，修路前后，橋墩的應(yīng)力及位移均較小，且應(yīng)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(nèi)，所以改擴(kuò)建公路工程對(duì)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(nèi)力及位移計(jì)算結(jié)果對(duì)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(yīng)力及位移計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表4，從表中可得修路前后，樁基的應(yīng)力及位移均較小，且應(yīng)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(kuò)建公路工程對(duì)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(nèi)力及位移計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

4 結(jié)論及建議

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

2）通過對(duì)結(jié)構(gòu)有限元分析軟件對(duì)3#、4#橋墩影響范圍內(nèi)的2 聯(lián)橋梁進(jìn)行建模計(jì)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(zhǔn)許變化值。橋墩的應(yīng)力及位移均較小，且應(yīng)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(nèi)。樁基的應(yīng)力變化小于5%，位移變化雖然超過5%，但位移絕對(duì)值很小，影響可忽略。

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