新建橋梁跨越既有供水箱涵安全影響分析

田嘉麟，鄧 堅(jiān)

（深圳市東江水源工程管理處,廣東 深圳 518036）

0 引言

隨著我國(guó)高速公路、橋梁、城市管廊等基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展,與城市既有工程的交叉隨之增加,特別是大城市不可或缺的大型輸水工程[1-2],新建工程勢(shì)必會(huì)對(duì)既有輸水建筑物的安全運(yùn)行造成影響。如何滿足城市的快速發(fā)展,又保證城市供水安全成為急需解決問(wèn)題。

在新建基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)既有管道影響的研究中,羅偉宏[1]采用數(shù)值模擬分析了新建特大橋跨越施工期間對(duì)既有箱涵的影響,表明隨著施工階段進(jìn)行箱涵變形有所增大。白雪[2]分析了新建橋梁樁基對(duì)既有高鐵箱涵的影響,表明了隔離樁的間距和排數(shù)等因素對(duì)箱涵影響不同。還有一些學(xué)者[3-5]研究了地鐵下穿既有建筑物、基坑開(kāi)挖等對(duì)既有建筑物影響情況,表明不同新建工程對(duì)既有建筑物影響各不相同。但針對(duì)新建橋梁對(duì)長(zhǎng)距離輸水建筑物（箱涵、隧洞等）的影響研究,目前還是缺乏的?；诖?本文以東部過(guò)境高速公路橋基跨越既有供水箱涵為研究對(duì)象,通過(guò)Midas GTS 建立三維數(shù)值模型,研究橋梁施工及后期運(yùn)行期間對(duì)既有供水箱涵的影響。

1 跨越方案

1.1 工程概況

東部過(guò)境高速公路以深圳東部口岸為起點(diǎn),向南與香港東部通道相銜接,形成《珠江三角洲城鎮(zhèn)群協(xié)調(diào)發(fā)展規(guī)劃》中“十三縱”之一的“粵贛高速”的組成部分,并通過(guò)與“沿海高速”以及“博深高速”相交,形成以香港為起點(diǎn)的、向粵東地區(qū)以及華南東部沿海地區(qū)發(fā)散的重要交通通道,全長(zhǎng)22.373 km。東部過(guò)境高速公路與東江水源工程供水網(wǎng)絡(luò)干線工程共線段為坪山箱涵,東部過(guò)境高速公路在共線路段均采用橋梁結(jié)構(gòu)。

1.2 東江水源供水箱涵既有

箱涵與基樁凈距為4.19 m～20 m,箱涵的覆土埋深為4.36 m～9 m。既有箱涵的規(guī)格為4.2 m×3.0 m,頂板、側(cè)墻和底板厚度均為0.5 m,箱涵采用C30,以20 m一段進(jìn)行分縫,以銅片止水。

綜合分析設(shè)計(jì)橋涵整個(gè)施工過(guò)程中,樁基施工對(duì)既有箱涵的安全影響較大；其它分部分項(xiàng)施工均在地面以上,施工工藝對(duì)既有箱涵的影響微乎其微。

樁基的直徑為1.2 m～2.0 m,通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)圖紙中基樁平面位置與既有供水箱涵平面位置的比對(duì),東江供水1 號(hào)橋～站前路高架橋設(shè)計(jì)樁基507 根,樁邊緣距既有供水箱涵對(duì)應(yīng)的側(cè)邊小于5m 的樁基數(shù)量共19 根,樁邊緣距既有供水箱涵對(duì)應(yīng)的側(cè)邊小于5 m～10 m 的樁基數(shù)量共29 根,樁邊緣距既有供水箱涵對(duì)應(yīng)的側(cè)邊小于10 m～20 m 的樁基數(shù)量共66 根。

1.3 橋梁樁基施工方案

（1）施工工藝流程

棧橋設(shè)計(jì)→方案制定→設(shè)備材料進(jìn)場(chǎng)→施工放樣→橋臺(tái)施工→桁架拼裝→拖拉、接長(zhǎng)→主梁拖拉就位→橫梁安裝→縱梁安裝→橋面鋼板鋪裝→抗風(fēng)拉桿安裝→結(jié)束

（2）施工放樣

根據(jù)施工圖位置,采用直接量距方法放出橋臺(tái)基礎(chǔ)位置,棧橋主橋兩側(cè)橋臺(tái)設(shè)在陸地上,然后用全站儀確定方向。

（3）橋臺(tái)基礎(chǔ)施工

橋臺(tái)基底采用50 cm 石灰土夯填密實(shí),先進(jìn)行基底承載力檢測(cè),確?；壮休d力不小于180 kPa。橋臺(tái)立模澆筑C30混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ),模板加固牢靠。

（4）貝雷梁施工

貝雷主梁在橋頭空曠場(chǎng)地內(nèi)拼裝,下面墊枕木,用吊車將貝雷逐片吊起,用桁架銷子相互連接。用支撐架螺栓將豎向支撐架、水平上下支撐架和貝雷連成整體,每節(jié)貝雷接頭位置安裝支撐架各一片,貝雷、水平支撐架之間采用接頭錯(cuò)位連接。

（5）頂層分配梁及橋面施工

貝雷梁上設(shè)置I20 b工字鋼做橫向分配梁,吊車吊裝鋪設(shè),每隔0.3 m 布置一道,分配梁與貝雷梁之間采用夾具連接,安裝過(guò)程中確保工字鋼頂面平整；頂層分配梁上滿鋪1 cm 厚的壓花鋼板；鋼棧橋兩側(cè)設(shè)置欄桿（高度1.2 m）,護(hù)欄采用Ф48 mm×3.5 mm 鋼管,焊接固定在外緣的工字鋼上,鋼管橫向采用三道角鋼縱向焊連。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

通過(guò)建立三維模型分析橋梁施工及運(yùn)行對(duì)供水箱涵的受力變化,模型采用位移邊界作為邊界條件,除上表面為自由邊界外,各外表面均約束法線方向的位移,三維計(jì)算模型與空間位置關(guān)系見(jiàn)圖1。施工順序?yàn)椋汗┧浜扔校ㄕＭㄋ疇顟B(tài)）→樁基施工→貝雷梁施工→橋梁施工→高速路運(yùn)行期間。根據(jù)勘察報(bào)告資料,各土層參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

圖1 三維數(shù)值模擬計(jì)算模型

2.2 模擬過(guò)程

本次研究以最不利工況Y5 橋墩對(duì)供水箱涵影響進(jìn)行安全復(fù)核,模擬工況一施工期：①初始地應(yīng)力；②承臺(tái)基坑開(kāi)挖；③樁基開(kāi)挖；④樁基施工。工況二運(yùn)行期：⑤橋梁運(yùn)行。分別依照次序施工模擬,本文將支架和貝雷梁施工荷載采用均布荷載形式添加所在區(qū)域,經(jīng)計(jì)算其位移最大變形和最大應(yīng)力云圖見(jiàn)圖2、圖3,運(yùn)行期橋樁剪力和彎矩見(jiàn)圖4。

圖2 施工期結(jié)構(gòu)最大位移及最大應(yīng)力圖

圖3 運(yùn)行期結(jié)構(gòu)最大位移及最大應(yīng)力圖

圖4 運(yùn)行期橋樁剪力和彎矩圖

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)計(jì)算分析,箱涵變形及主應(yīng)力值見(jiàn)表2,施工和運(yùn)行各階段都對(duì)地表產(chǎn)生不同程度擾動(dòng),樁基與承臺(tái)結(jié)構(gòu)施工階段產(chǎn)生最大地層附加沉降為4.82 mm,箱涵上地表附加沉降值最大為2.2 mm,主要發(fā)生在貝雷梁施工階段,而運(yùn)行階段產(chǎn)生最大地層附加沉降為18.7 mm。橋梁施工過(guò)程中樁頂沉降大于樁底沉降趨勢(shì)。各階段都會(huì)引起箱涵結(jié)構(gòu)發(fā)生位移變形,而在運(yùn)行階段引起的箱涵位移變形最大,水平方向最大位移發(fā)生在箱涵側(cè)邊緣與頂部接觸位置,為1.88 mm,豎直方向最大變形在頂板位置,為8.23 mm。結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力1.02 MPa,最小主應(yīng)力0.53 MPa,未超過(guò)箱涵混凝土C30 抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.43 MPa,滿足規(guī)范要求要求。綜上述分析結(jié)果分析,橋梁施工與運(yùn)行期對(duì)供水箱涵的影響基本可控。

表2 箱涵變形及主應(yīng)力值

3 結(jié)論

本文以東部過(guò)境高速路橋基施工對(duì)供水箱涵影響分析為例,采用有限元模擬了橋梁施工、運(yùn)行期間對(duì)供水箱涵的影響,結(jié)果表明,隨著施工階段進(jìn)行,供水箱涵結(jié)構(gòu)變形累積發(fā)展,且最大主應(yīng)力和最大位移值發(fā)生在運(yùn)行期,但累計(jì)變化值比較小,均在可控范圍內(nèi)。但樁基施工對(duì)箱涵影響受樁距影響,且由于不同土層彈性模量不同,建議在類似交叉工程采取加固措施,更好地保障箱涵設(shè)施。