河道鄰近開挖對(duì)互通區(qū)橋梁及路基的影響分析*

李梅芳 豐月華 夏華盛

(浙江公路水運(yùn)工程咨詢有限責(zé)任公司,浙江 杭州 310006)

1 引言

近年來,我國交通運(yùn)輸事業(yè)快速發(fā)展,公路、鐵路、水運(yùn)里程持續(xù)增長,交通網(wǎng)絡(luò)日臻完善。然而,受到國土空間規(guī)劃和自然環(huán)境的限制,許多新建項(xiàng)目都涉及鄰近開挖施工的問題。開挖施工引起的土體地層擾動(dòng),將對(duì)鄰近橋梁樁基、路基產(chǎn)生附加內(nèi)力和變形[1-5],嚴(yán)重時(shí)甚至引起結(jié)構(gòu)破壞、路基失穩(wěn)等事故。因此,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此問題開展了廣泛的研究:魏麗敏等[6]針對(duì)浙江省寧波北站工程,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)及數(shù)值分析對(duì)深厚軟土地區(qū)無支護(hù)基坑開挖對(duì)鄰近高鐵橋梁樁基變形與內(nèi)力的影響進(jìn)行了分析,認(rèn)為鄰近開挖將劣化樁基工作性能,并探討了基坑寬度、邊緣凈距等因素對(duì)鄰近樁基的影響規(guī)律;喬然等[7]結(jié)合浙江省寧波某新建河道下穿杭深高鐵工程,分析河道開挖、結(jié)構(gòu)澆筑等階段對(duì)于高鐵橋梁的影響,認(rèn)為下穿新建河道對(duì)橋梁影響較大,建議增加維護(hù)結(jié)構(gòu)及分區(qū)塊均勻開挖以減小河道開挖對(duì)橋梁的影響;張青青等[8]采用工程地質(zhì)調(diào)查、數(shù)值模擬等方法對(duì)開挖引起的廣州某高速公路路基塌陷事故的原因進(jìn)行了分析,建議涉路基坑開挖工程采用嚴(yán)格的變形控制措施,并加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)。

本文以浙江省臺(tái)州市某公路工程菱形互通為例,對(duì)互通橋下河道改移對(duì)橋梁樁基、匝道路基的影響進(jìn)行了分析與計(jì)算,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出了具體建議措施,以期為同類工程提供經(jīng)驗(yàn)。

2 項(xiàng)目背景

2.1 工程概況

浙江省臺(tái)州某公路工程全長約22.3 km,為一級(jí)公路兼顧城市快速路功能,設(shè)計(jì)速度80 km/h。改建河道位于本項(xiàng)目菱形互通位置,互通全長1640 m。互通中間快速路部分采用主線高架橋梁跨越地面道路。主線橋采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ),圓柱墩接蓋梁,樁徑1.6 m,立柱直徑1.5 m,樁長81.5 m,樁頂設(shè)置系梁。主線橋的左右幅外側(cè)鉆

孔灌注樁位于匝道路基的邊坡上。主線地面道路采用A2、B2、C2、D2四條匝道與交叉地面道路相接,匝道地基采用雙向水泥深層攪拌樁處理?；ネㄆ矫鎴D見圖1,互通橫斷面見圖2。

圖1 互通平面圖

圖2 互通橫斷面圖

現(xiàn)狀泄洪河道與路線呈15°斜交,河道斜穿A2、D2匝道路基;改移泄洪河道工程位于互通主線高架橋下,在主線高架橋的第2孔接入,沿橋梁中線直至25跨再接原河道,改移長度約667 m。改移后河道頂面寬度約14～17 m不等,河床底寬4～10 m不等,深度2.5 m,邊坡邊率1∶2.0;設(shè)計(jì)改河后河床采用1.0 m厚的片石鋪底,邊坡采用30 cm厚的漿砌片石護(hù)坡。

河道改移后,主線高架橋的左右幅外側(cè)樁基位于路基(河道)坡腳范圍內(nèi),內(nèi)側(cè)樁基位于河道內(nèi),河道底標(biāo)高約0.3 m,與路面頂標(biāo)高相差約4.2 m,鋪砌片石底標(biāo)高距路面頂標(biāo)高5.2 m。匝道路基與改移河道、主線橋樁基位置見圖3。

圖3 匝道路基與改移河道、主線橋樁基位置圖

2.2 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

互通區(qū)地層主要有粉質(zhì)黏土、淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及粉砂層。具體土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 互通區(qū)土層物理力學(xué)指標(biāo)表

2.3 初步擬定的施工工序

為盡量縮短施工時(shí)間,項(xiàng)目初步擬定的施工工序如下。

1)現(xiàn)狀河道圍堰斷流清淤換填,開挖臨時(shí)溝渠;同步施工不受現(xiàn)狀原河影響的B2、C2匝道水泥攪拌樁。

2)臨時(shí)溝渠引流后,施工A2、D2匝道水泥攪拌樁;匝道路基攪拌樁施工完成后進(jìn)行初步路基填筑、預(yù)壓(填筑高度0.5～0.8 m);同步施工主線橋梁樁基、下部結(jié)構(gòu)。

3)開挖新建河道、鋪筑河底。

4)施工主線橋上部結(jié)構(gòu);同步分層填筑匝道路基至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

3 河道開挖影響分析

3.1 理論分析

沿河公路路基穩(wěn)定性受河道開挖深度、水位升降、河流沖刷等多種因素影響。河道開挖本質(zhì)上是沿河道位置的土體荷載大量卸載,必然使得周邊影響區(qū)域內(nèi)的土體產(chǎn)生應(yīng)力釋放,導(dǎo)致周圍土體產(chǎn)生水平和豎向位移。在軟土地區(qū),由于地基土物理力學(xué)性質(zhì)差,近鄰開挖河道對(duì)路基穩(wěn)定性將產(chǎn)生較大影響,處理不當(dāng)時(shí)可能導(dǎo)致周邊構(gòu)筑物發(fā)生變形,甚至破壞[9]。

本項(xiàng)目河道開挖位置為主線橋正下方,河道開挖引起的地表沉降及橫向水平位移會(huì)導(dǎo)致橋梁下部結(jié)構(gòu)不同位置產(chǎn)生不同的位移,此時(shí)將在橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生附加彎矩、剪力和軸力,當(dāng)附加應(yīng)力超過一定限值,橋梁各構(gòu)件將發(fā)生開裂,最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。因此,河道開挖對(duì)鄰近橋梁不利影響的控制性因素為結(jié)構(gòu)裂縫。

而河道開挖對(duì)鄰近路基的影響依據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2015)進(jìn)行控制,規(guī)范中對(duì)軟土地區(qū)路堤提出了兩項(xiàng)要求:路堤穩(wěn)定性、路基工后沉降。

根據(jù)土力學(xué)基本原理,黏性土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性主要取決于黏性土的含水狀態(tài)、抗剪強(qiáng)度等,其破壞面基本為圓弧面,因此,有關(guān)學(xué)者分析粘性土邊坡穩(wěn)定時(shí)近似假定土坡失穩(wěn)的破壞面為圓弧滑動(dòng)面,規(guī)范中亦建議軟土路堤穩(wěn)定性驗(yàn)算采用圓弧滑動(dòng)法。穩(wěn)定安全系數(shù)要求見表2。

表2 穩(wěn)定安全系數(shù)容許值

路基工后沉降計(jì)算采用分層總和法,主固結(jié)沉降Sc按下式計(jì)算[10]:

式中:Esi——地基中各分層的壓縮模量(kPa);

Δpi——地基中各分層中點(diǎn)的附加應(yīng)力(kPa)。

路基工后沉降的具體要求見表3。

表3 容許工后沉降(單位:m)

本項(xiàng)目匝道路基一般路段填高1～2.5 m,鄰近改移河道匝道路基段在河道開挖后路基單側(cè)臨空面高度提高至4.2 m。根據(jù)路基工后沉降計(jì)算公式可知,路基沉降由路堤中心填高及地基土物理力學(xué)性質(zhì)決定。而河道開挖對(duì)本項(xiàng)目匝道路堤中心填高及其地基土物理力學(xué)指標(biāo)并未產(chǎn)生影響,因此,河道開挖對(duì)鄰近匝道路基影響的控制性因素并非工后沉降,而是路基臨河道開挖側(cè)穩(wěn)定性。

3.2 河道開挖對(duì)橋梁及路基影響的有限元分析

為深入分析橋下河道開挖對(duì)鄰近橋梁及路基的影響,采用Midas GTS建立有限元模型進(jìn)行數(shù)值分析,幾何模型選取路基填土較高土壓力較大的最不利斷面進(jìn)行模擬,鑒于施工工序中在進(jìn)行河道開挖前已經(jīng)填筑部分路基,施工狀態(tài)按以下不利狀況考慮:路基填筑至路床頂,河底開挖至鋪砌設(shè)計(jì)底標(biāo)高。幾何模型的x軸沿橫橋向,y軸為順橋向。材料模型中土體、樁基、系梁、蓋梁、輔助支撐等均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬,土體采用Mohr-Coulomb模型,樁基、系梁、蓋梁、輔助支撐采用彈性模型模擬材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。幾何模型及網(wǎng)格剖分情況如圖4所示,模型左側(cè)限制水平向位移,模型右側(cè)為對(duì)稱邊界,模型底部為固定邊界,頂部為自由邊界。

圖4 幾何模型及網(wǎng)格剖分情況

分析按照下列三種工況進(jìn)行計(jì)算,各工況橋梁墩柱水平及豎向位移云圖見圖5。

圖5 各工況計(jì)算結(jié)果

工況一:橋梁樁基、系梁、墩柱已經(jīng)施工完成,尚未施工蓋梁時(shí)進(jìn)行河道開挖,左右幅樁基之間不設(shè)置加固輔助支撐。

工況二:蓋梁已經(jīng)施工完成情況下進(jìn)行河道開挖,左右幅樁基之間不設(shè)置加固輔助支撐。

工況三:蓋梁已經(jīng)施工完成,左右幅樁基之間設(shè)置加固輔助支撐后進(jìn)行河道開挖。

3.3 數(shù)值模擬分析結(jié)果

3.3.1 河道開挖對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)的影響

計(jì)算三種工況下的橋梁墩柱變形,根據(jù)樁身受力變形情況計(jì)算鋼筋應(yīng)力,然后驗(yàn)算墩柱裂縫是否滿足規(guī)范要求。

1)位移計(jì)算結(jié)果

表4 墩柱位移計(jì)算結(jié)果(單位:cm)

2)橋梁墩柱裂縫驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362-2018)6.4.3條進(jìn)行裂縫寬度計(jì)算,計(jì)算公式如下:

式中:C1——鋼筋表面形狀系數(shù),帶肋鋼筋按1.0計(jì);

C2——長期效應(yīng)影響系數(shù),本次計(jì)算為施工階段,無活載,按1.5計(jì);

C3——與構(gòu)件受力有關(guān)的系數(shù),偏壓構(gòu)件,按0.75計(jì);

c——最外排鋼筋保護(hù)層厚度,本橋c=61 mm＞50 mm,按50 mm計(jì)算;

d——縱向受拉鋼筋直徑,本橋d=28 mm;

ρte——縱向受拉鋼筋有效配筋率;

σss——鋼筋應(yīng)力;

各工況裂縫計(jì)算結(jié)果如表5所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,各工況柱底截面裂縫寬度均滿足要求。

表5 各工況裂縫計(jì)算結(jié)果

3.3.2 河道開挖對(duì)匝道路基的影響

1)計(jì)算分析原理

土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性基于圓弧滑動(dòng)面假定進(jìn)行,目前主要采用兩種分析方法:①整體穩(wěn)定分析法。適用于均質(zhì)簡(jiǎn)單土坡:土坡上、下兩個(gè)土面水平,坡面是一平面情況;②條分法。適用于非均質(zhì)土坡、土坡外形復(fù)雜、土坡部分在水下時(shí)使用。由于本項(xiàng)目邊坡位于軟土地區(qū),路堤填料為土石混合料、地基土層均為粘性土;路基邊坡最不利工況為路基填筑至路床頂,河底開挖至鋪砌設(shè)計(jì)底標(biāo)高情況,因此采用圓弧條分法分析對(duì)開挖至最不利工況路基的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。

邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)F按下式計(jì)算:

式中:cqi、φqi——地基土或路堤填料的粘聚力

(kPa)和內(nèi)摩擦角(°),由快剪試驗(yàn)測(cè)得;

φcqi——地基土的內(nèi)摩擦角(°),由固結(jié)快剪試驗(yàn)測(cè)得;

Ui——地基平均固結(jié)度(%);

αi——土條底面與水平面交角(°);

Li——土條底面弧長(m);

WⅠi——土條地基部分重力(kN);

WⅡi——土條路堤部分重力(kN)。

2)分析結(jié)果

采用圓弧條分法對(duì)不同匝道路基處理方式下路基的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。其中,水泥攪拌樁樁徑為0.5 m,樁間距采用1.5 m,水泥攪拌樁處理后的復(fù)合地基抗剪強(qiáng)度采用《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T D31-02-2013)中5.6.4進(jìn)行計(jì)算,復(fù)合地基抗剪強(qiáng)度τps=mτp+(1-m)τs,m為置換率,經(jīng)計(jì)算,其值為0.1;τp為水泥攪拌樁抗剪強(qiáng)度,取為300 kPa,τs為土體強(qiáng)度,取為9.0 kPa;因此復(fù)合強(qiáng)度τps=35.1 kPa。泡沫砼換填主要起到減輕路堤重度作用,計(jì)算時(shí)其重度取為7.0 kN/m3。本項(xiàng)目采用的各加固措施示意圖見圖6。

圖6 橫向輔助支撐、水泥攪拌樁加固處理、泡沫砼處理范圍示意圖

不同處理方式下,匝道路基穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如表6所示。

依據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的要求,攪拌樁加固至填方路基坡腳時(shí),匝道路堤穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求;攪拌樁加固區(qū)域擴(kuò)展至河道底時(shí),路基穩(wěn)定系數(shù)可顯著提升至1.21,能夠滿足規(guī)范要求;攪拌樁加固區(qū)域擴(kuò)展至河道底,同時(shí)路基采用泡沫砼填筑(換填1 m泡沫砼),則路基穩(wěn)定系數(shù)可進(jìn)一步提升至1.24。

表6 匝道路基穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

4 建議施工加固措施及工序優(yōu)化

1)計(jì)算分析結(jié)果顯示,河道開挖將使鄰近橋梁下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力及位移,施工順序?qū)ζ渲涤休^大影響:先施工蓋梁,再開挖河道時(shí)橋梁墩柱產(chǎn)生的附加內(nèi)力及位移小于施工完成墩柱后即開挖河道時(shí)的內(nèi)力及變形;同時(shí),左右幅樁基之間設(shè)置加固輔助支撐情況下進(jìn)行河道開挖,橋梁樁基、立柱的變形將顯著減小。

故推薦采用左右幅樁基之間增設(shè)橫向混凝土輔助支撐的加固方案;并建議施工工序優(yōu)化為先施工完成橋梁蓋梁及左右幅樁基間橫向混凝土輔助支撐,后開挖新建河道。

2)河道兩側(cè)匝道路基穩(wěn)定系數(shù)較低,不能滿足規(guī)范中的穩(wěn)定性安全系數(shù)要求,建議水泥攪拌樁處理范圍擴(kuò)大至改河斷面;建議施工工序優(yōu)化為:施工完成橋梁蓋梁及左右幅樁基間橫向混凝土輔助支撐后,開挖新建河道,待河底水泥攪拌樁加固完成再進(jìn)行河底鋪筑。此外,必要時(shí)可采用泡沫砼換填路基,以進(jìn)一步提高匝道路基穩(wěn)定性。

3)河道開挖、匝道路基填筑過程中建議保持橋梁立柱兩側(cè)對(duì)稱施工,以免對(duì)橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生單側(cè)擠出影響。

4)由于軟土壓縮性大,變形穩(wěn)定時(shí)間長,施工期間建議加強(qiáng)橋梁樁基、墩柱及軟土路基位移監(jiān)測(cè)。

5 主要結(jié)論

本文結(jié)合浙江臺(tái)州某公路工程互通區(qū)河道改移工程實(shí)例進(jìn)行分析與計(jì)算,得到以下主要結(jié)論。

1)河道開挖引起上方主線橋梁產(chǎn)生附加位移及應(yīng)力,導(dǎo)致橋梁墩柱產(chǎn)生裂縫。根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果,優(yōu)化施工時(shí)序(橋梁蓋梁施工后再進(jìn)行河道開挖),增加左右幅橋梁間橫向支撐將有效控制橋梁下部結(jié)構(gòu)變形及裂縫。

2)河道開挖對(duì)鄰近匝道路基的控制性影響為路基穩(wěn)定性。可通過擴(kuò)大水泥攪拌樁處理范圍至河道底部,或泡沫砼換填路基的方式,有效提高路基穩(wěn)定性。