考慮差異沉降的互通式立交橋改擴建設(shè)計探討

黃 云，唐咸遠，楊鑒生

(1.廣西交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，廣西 南寧 530029；2.廣西科技大學土木建筑工程學院，廣西 柳州 545006)

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考慮差異沉降的互通式立交橋改擴建設(shè)計探討

黃 云1，唐咸遠2，楊鑒生1

(1.廣西交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，廣西 南寧 530029；2.廣西科技大學土木建筑工程學院，廣西 柳州 545006)

高速公路立交橋改擴建工程設(shè)計必須考慮新舊橋梁的不均勻沉降問題，文章以一地質(zhì)情況復(fù)雜的立交橋改擴建工程為研究對象，根據(jù)改擴建設(shè)計原則確定了新舊橋基的不均勻沉降差控制指標，并根據(jù)不同地質(zhì)條件計算出不同樁長的工后沉降量，提出了相應(yīng)的橋梁拓寬設(shè)計方案。

互通式立交橋；擴建；沉降差；加寬拼接；設(shè)計

0 引言

在高速公路橋梁改擴建工程中，舊橋涵經(jīng)過10～20年的運營，基礎(chǔ)沉降已基本完成，而新建橋涵的基礎(chǔ)沉降正在發(fā)展中，新、舊橋涵必然會產(chǎn)生差異沉降，引起上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力；當差異沉降量過大時會引起橋面產(chǎn)生裂縫而損壞，影響行車安全。因此，研究新、舊橋涵的差異沉降有著重要的工程實際

意義[1][2]。

目前高速公路橋梁樁基是以承載力控制為主，滿足變形要求為輔的設(shè)計方法。一般采用現(xiàn)行規(guī)范上常用的樁基沉降計算方法[3-6]，計算出其總沉降，同時按經(jīng)驗及試驗數(shù)據(jù)估計工后沉降。這與高速公路改擴建中采用工后沉降進行控制的方法不能很好地銜接，且計算精度相對較低，迫切需要精度更高、能與工后沉降相銜接的樁基沉降計算方法。本文以一具體的互通式立交橋改擴建設(shè)計為研究對象，考慮橋梁拓寬后的不均勻沉降，根據(jù)差異沉降對拼接后新、舊橋受力的影響，提出改擴建項目新、舊橋涵差異沉降控制指標，并介紹了相關(guān)的橋梁設(shè)計思路。

1 工程概況

廣西某高速公路于1998年建成通車，原設(shè)計速度為120 km/h，路基寬33.5 m(雙向六車道)。隨著交通量的不斷增長，必須進行改擴建以增強道路的通行能力。改擴建項目設(shè)計速度與原設(shè)計一樣，拓寬基本采用在原路基的基礎(chǔ)上兩側(cè)加寬成標準八車道的形式，擴建后路基寬度為42 m。

原高速公路只有那馬互通1處互通式立交。該互通位于那馬鎮(zhèn)東面1.5 km處，被交路為南寧至北海二級公路(G325)，互通型式為單喇叭B型，主線上跨。共設(shè)四條單向單車道匝道(寬8.5 m)和一條對向分離雙車道匝道(寬度為15.1 m)，匝道設(shè)計速度為40 km/h。立交區(qū)有主線跨線橋為1×20 m的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板。

2 立交橋改擴建方案

2.1 改擴建設(shè)計原則

橋梁設(shè)計以加寬為主，同時根據(jù)原橋檢測結(jié)果，按現(xiàn)行規(guī)范進行計算原橋梁不能滿足荷載等級要求，因此必須拆除上構(gòu)，并充分利用舊橋下部結(jié)構(gòu)。改擴建設(shè)計的基本原則如下：

(1)根據(jù)路線改擴建方案采用兩側(cè)拼接加寬為主，相應(yīng)橋梁也采用兩側(cè)整體式拼接加寬，并綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、施工工藝、交通組織及造價等因素。改擴建路基寬度由原來的33.5 m加寬至42 m，則橋梁每側(cè)加寬4.25 m。

(2)原橋設(shè)計采用1985年規(guī)范[7]，荷載等級為汽車-超20級，掛車-120級，新建及拓寬橋梁采用2004年規(guī)范，荷載等級為公路-I級。因此拼接完成后原有橋梁應(yīng)滿足公路-I級要求。

(3)考慮本項目車輛超載嚴重的實際情況，為保證結(jié)構(gòu)的安全性，在結(jié)構(gòu)計算時適當提高汽車活載的組合系數(shù)，跨徑≥20 m時提高25%；25 m以下提高30%。

(4)加寬拼接的橋梁下部基礎(chǔ)形式根據(jù)地質(zhì)條件確定，嚴格控制新舊橋梁的不均勻沉降和對舊墩臺基礎(chǔ)的影響，并優(yōu)先考慮樁基礎(chǔ)。

2.2 沉降差控制

由于本項目中的舊橋建成通車已10余年，基礎(chǔ)沉降已穩(wěn)定或者后期沉降值很小，而新加寬橋梁的基礎(chǔ)沉降還在發(fā)展中，這樣會形成新舊橋梁基礎(chǔ)的沉降差，在舊橋上部結(jié)構(gòu)截面產(chǎn)生沿縱橋向的附加內(nèi)力，同時在拼接處也會產(chǎn)生橫向的附加內(nèi)力，隨著沉降差的不斷增大，進而導致舊橋、接縫處受力惡化，從而造成橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，降低橋梁的使用性能，故必須控制新舊橋梁的沉降差。參考張福強[8]的采用MARC軟件計算成果，并借鑒沈大高速公路改擴建及滬寧高速公路改擴建的研究成果及經(jīng)驗[9][10]，本橋梁擴建新舊橋的差異沉降控制在≤5 mm的范圍內(nèi)。

3 互通立交橋改擴建設(shè)計

現(xiàn)以那馬互通為例，對主線上跨的跨線橋改擴建設(shè)計進行介紹。

3.1 那馬互通改擴建方式

那馬互通位于那馬鎮(zhèn)東南方，距離那馬鎮(zhèn)約1.5 km，通過匝道與G325(二級公路)相連，目前交叉樁號KI997+434.879。該互通主要解決良慶、那馬等區(qū)鎮(zhèn)的車輛上下高速公路。

互通位置為微丘地形，存在以下特點：(1)主要交通量為那馬往返欽州、北海方向，單向交通量為693 pcu/h，交通量不是特別大，原有互通為單喇叭A形，滿足主要交通流向的要求；(2)互通采用主線上跨，方案簡單合理；(3)互通的平縱面指標較高，環(huán)形匝道的最小半徑為77.55 m。

綜合考慮本互通的特點，本設(shè)計保持原互通型式不變，主線兩側(cè)直接拓寬，匝道隨之接線的方式進行改擴建。在原有互通基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計，既保證滿足交通量和交通安全的需要，又要達到較高的平縱面指標，故原有跨線橋可加以利用，以節(jié)省工程投資，減少占地。

3.2 工程地質(zhì)情況

K1997+434.897原跨線橋為1×20 m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板。舊橋地質(zhì)資料表明，原橋采用擴大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)設(shè)置于砂質(zhì)泥巖上，地質(zhì)條件較好。加寬時在橋的左右兩側(cè)及南北方向上分別進行四個鉆孔(Z1-Z4)，鉆探結(jié)果表明，本橋基本由素填土(Qml)、粘土(Qel)、全風化礫巖(〔fa0〕=300kPa)及強風化礫巖(〔fa0〕=450kPa)組成，不同鉆孔的地質(zhì)條件差異非常明顯，鉆孔的土層基本情況詳見表1。

表1 鉆探一覽表

3.3 基礎(chǔ)沉降量的計算

因拼接加寬橋梁按與原橋同跨徑、同結(jié)構(gòu)形式進行，嚴格控制新舊橋梁的不均勻沉降和對舊墩臺基礎(chǔ)的影響，并綜合考慮原那馬互通立交橋的基礎(chǔ)為U型臺擴大基礎(chǔ)的特點，拓寬部分下部結(jié)構(gòu)采用U臺樁基礎(chǔ)。

為了控制新舊橋的沉降差，先要計算橋梁基礎(chǔ)的總沉降量。本橋新建橋臺的沉降量主要由樁基礎(chǔ)造成，而U型臺的沉降主要是混凝土的收縮徐變，引起的沉降相對較小，可以忽略不計。樁基的總沉降計算主要按文獻[5]、[6]介紹的方法進行。計算出總沉降量后，用總沉降量減去施工期間發(fā)生的沉降量，就可估算樁基的工后沉降量，并可根據(jù)施工后的沉降量和工后沉降控制指標之間的差距，確定經(jīng)濟合理的基礎(chǔ)處理措施，以達到控制工后沉降的目的。

施工期間的基礎(chǔ)沉降與時間的關(guān)系，可應(yīng)用單向固結(jié)滲透理論近似估算。當然，施工過程中基礎(chǔ)的沉降量可以通過試驗進行準確計算，在沒有試驗數(shù)據(jù)的情況下可根據(jù)地質(zhì)狀況參考已有經(jīng)驗進行估算，本文施工期間沉降按總沉降量的75%計算，計算結(jié)果詳見表2。

表2 沉降計算結(jié)果表

從表2可以看出，本橋基樁全部采用1.5m樁徑，不同樁長計算的總沉降是有差異的，相同樁長不同地質(zhì)情況計算出的總沉降量也不同，但按工后沉降為總沉降的25%計算出來的結(jié)果滿足差異沉降控制在≤5mm的要求。

3.4 橋梁拓寬設(shè)計

新橋采用上構(gòu)換梁并連接，舊橋下部構(gòu)造加以利用，拓寬后的橋梁下部構(gòu)造不連接。

3.4.1 跨線橋的上構(gòu)設(shè)置

原互通立交橋為1×20m預(yù)應(yīng)力混凝土(先張法施工)簡支空心板主線上跨?？缇€橋交叉樁交角為100°，改擴建后仍維持原有跨徑，但需要進行加寬。原橋面左幅凈寬19.20m，右幅凈寬14.75m。拼寬后左幅凈寬23.50m，右幅凈寬19.50m。拼寬部分橋梁上部采用1×20m后張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，下部結(jié)構(gòu)為U臺樁基礎(chǔ)。

設(shè)計上構(gòu)采用20m后張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，其加寬后的斷面如圖1所示，預(yù)制空心板、鉸縫和橋面現(xiàn)澆層均采用C50；空心板封端、防撞護欄和鋼護欄座采用C40；橋面鋪裝采用瀝青混凝土。空心板采用濕接縫，接縫圖如圖2所示。

圖1 舊橋加寬構(gòu)造圖

圖2 空心板接縫圖

3.4.2 跨線橋的下構(gòu)設(shè)置

因為原有橋梁基礎(chǔ)為U臺擴大基礎(chǔ)，為了保證基礎(chǔ)形式一致，拓寬部分也采用U型臺基礎(chǔ)，考慮不同部位的不均勻沉降，U型臺下設(shè)柱基礎(chǔ)，全橋樁基采用鉆孔摩擦樁。每個新增加的部分橋臺下均設(shè)2根樁基，見圖3。

換梁后上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土(后張)簡支空心板；下部結(jié)構(gòu)采用U型橋臺，樁基礎(chǔ)。本橋平面位于R=5 500m的左偏圓曲線上，橋面橫坡為雙向2%，縱斷面縱坡1.546%。要求1號橋臺樁基整體入土深度≥16.5m，左幅0號橋臺樁基整體入土深度≥33.5m，右幅0號橋臺樁基整體入土深度≥19.5m，見圖4～5。

圖3 拓寬平面圖

圖4 舊橋立面圖

圖5 拓寬新橋左幅立面圖

3.5 實施效果分析

目前，該立交橋改擴建加寬施工已經(jīng)完成。通過施工現(xiàn)場監(jiān)測，新舊橋梁的工后不均勻沉降均能達到≤5mm的要求，橋面施工后狀況良好，沒有發(fā)現(xiàn)因基礎(chǔ)沉降引起的裂縫。實施情況表明充分利用舊橋下部結(jié)構(gòu)，新橋采用樁基礎(chǔ)，采取橋梁上部結(jié)構(gòu)連接、下部結(jié)構(gòu)分開的設(shè)計方案效果良好。

4 結(jié)語

通過以上立交橋的拓寬設(shè)計研究，可得出以下結(jié)論：

(1)橋梁加寬應(yīng)根據(jù)原橋檢測結(jié)果按現(xiàn)行規(guī)范進行計算，當計算不能滿足荷載等級要求時，必須進行加固設(shè)計或者拆除更換。

(2)加寬拼接的橋梁下部基礎(chǔ)形式根據(jù)地質(zhì)條件確定，嚴格控制新舊橋梁的不均勻沉降和對舊墩臺基礎(chǔ)的影響，并優(yōu)先考慮樁基礎(chǔ)。

(3)新舊立交橋基礎(chǔ)的差異沉降控制在≤5mm的范圍內(nèi)是合理的，也是可以控制的。

(4)鉆孔摩擦樁基不同樁長計算的總沉降有差異，相同樁長不同地質(zhì)情況計算出的總沉降量也不同，但按工后沉降為總沉降的25%計算的結(jié)果仍滿足差異沉降控制在≤5mm的要求。

[1]徐 強，等.高速公路改擴建工程橋涵結(jié)構(gòu)物拼接技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]JTGB01-2003，公路工程技術(shù)標準[S].

[3]JTGD60-2004，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[4]JTGD62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[5]JTGD63-2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

[6]JGJ94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[7]JTJ021-85，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[8]張福強.舊橋加寬樁基礎(chǔ)沉降控制技術(shù)研究[D].西安：長安大學，2002.

[9]李 偉.沈大高速公路改擴建工程[C].交通部專家委員會高速公路擴建工程技術(shù)研究年論文集，2004.

[10]謝家全，等.滬寧高速公路擴建工程綜述[C].交通部專家委員會高速公路擴建工程技術(shù)研究年論文集，2004.

Discussions on Interchange Bridge Reconstruction and Expansion Design Considering the Differential Settlement

HUANG Yun1，TANG Xian-yuan2，YANG Jian-sheng1

(1.Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029；2.School of Civil Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou，Guangxi，545006)

The reconstruction and expansion project design of expressway interchanges must consider the uneven subsidence problem of old and new bridges，and with the reconstruction and expansion pro-ject of an interchange under complicated geological conditions as the object，this article determined the uneven settlement difference control targets of old and new bridge foundation in accordance with the reconstruction and expansion design principles，calculated the post-construction settlement amount of different pile length according to different geological conditions，and proposed the corresponding bridge widening design programs.

Interchange bridge；Expansion；Differential settlement；Widened splicing；Design

黃 云(1971—)，男，高級工程師，主要從事道路與橋梁的勘察設(shè)計工作；

唐咸遠(1973—)，男，副教授，主要從事道路與橋梁的科研與教學工作；

楊鑒生(1964—)，男，教授級高級工程師，主要從事道路與橋梁的勘察設(shè)計工作。

廣西交通科技項目“廣西高速公路改擴建橋涵加寬拼接技術(shù)研究”(2012-13)

U412.35+

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.01.007

1673-4874(2015)01-0028-05

2014-12-01