新建特大橋跨越既有供水箱涵方案安全性分析

羅宏偉

(廣東華迪工程管理有限公司，廣州 510030)

0 引 言

隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷進行，新建設(shè)施跨越既有工程的現(xiàn)象較為常見。張偉光等[1]對地鐵施工過程中穿越既有建筑物的風(fēng)險進行分析，認為施工過程中嚴格按要求施工，可控制對既有建筑物的影響，韓健勇等[2]采用數(shù)值模擬方法分析了深基坑開挖對既有工程的影響；李二偉等[3]研究了臨近既有建筑物深水植樁復(fù)合圍堰施工技術(shù)，以減少對既有工程的擾動。根據(jù)前人研究可知，雖然提前采取加固措施、控制施工質(zhì)量，可降低新工程建設(shè)對既有工程的影響，但新工程建設(shè)對既有工程產(chǎn)生的影響程度是各不相同的，針對這方面進行研究是十分重要的。目前，針對臨近既有建筑物新工程建設(shè)的研究方法主要為數(shù)值模擬方法，采用數(shù)值模擬方法，具有建模簡便，計算速度快，可模擬多種工況等優(yōu)勢[4-7]。

1 跨越方案研究

1.1 新建特大橋概況

根據(jù)大橋設(shè)計圖紙，92#-93#墩橋面結(jié)構(gòu)采用預(yù)制無砟軌道后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁(CRTSI型雙塊式無砟軌道，雙線；直線：70.60kN/m；曲線：80.96kN/m)。梁體混凝土強度等級為C50，梁長為32.6m，防護墻內(nèi)側(cè)凈寬9m，橋梁寬度12.6m，橋梁建筑總寬12.9m。橋臺采用雙線矩形空心橋臺，橋墩均采用圓端形實體墩。支承墊石采用C40鋼筋混凝土，頂帽及托盤采用C35鋼筋混凝土，墩身混凝土采用C35。每個橋墩采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，底部設(shè)置8根摩擦樁，樁徑1.0m，92#墩每根樁樁長34m，93#墩每根樁樁長31.5m。

1.2 供水工程概況

輸水箱涵采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土雙孔矩形斷面結(jié)構(gòu)型式，單孔尺寸3.2mX4.0m(凈寬×凈高)。輸水箱涵沿線設(shè)四級檢修公路，寬度7.0m。永馬公路-西枝江泵站進廠段檢修公路為混凝土路面，其余均為泥灰結(jié)石路面。輸水箱涵頂標(biāo)準(zhǔn)覆土厚度為1.0m，涵側(cè)及涵頂回填土料郵碎石、砂土、黏性土等組成，回填密實度≥90%。輸水箱涵標(biāo)準(zhǔn)斷面(A型)見圖1所示。箱涵采用C30混凝土，以10m一段進行分縫，以銅片止水，混凝土保護層為35mm。

圖1 箱涵標(biāo)準(zhǔn)斷面

1.3 大橋承臺基坑及樁基施工方案

1.3.1 基坑施工方案

大橋基坑根據(jù)不同的地質(zhì)條件分別采用鋼板樁、開挖放坡、開挖放坡+錨噴防護等形式，具體防護措施見表1所示。根據(jù)表1，距供水箱涵最近的92#墩承臺基坑開挖深度為3.21m，土層為：素填土及粉質(zhì)黏土層，采用放坡開挖型式。

表1 基坑支護方案

1.3.2 樁基施工

大橋樁基共2058根，每樁長17-45.5m，樁徑有Φ1.0m、Φ1.25m、Φ1.5m、Φ2.0m四種。其中Φ1.0m的1841根；Φ1.25m的99根；Φ1.5m的64根；2.0m的54根。根據(jù)地質(zhì)情況結(jié)合嵌巖深度分析，采用沖擊鉆機施工墩臺4個，旋挖鉆機施工墩臺241個。大橋跨越水源工程供水箱涵的92#、93#墩樁基直徑為1.0m，樁的類型屬摩擦樁，采用旋挖鉆機施工。

1.4 大橋與箱涵關(guān)系

淡水河特大橋以橋跨方式跨越東部供水水源工程，跨越位置大橋樁號為DK143+880-DK143+913(對應(yīng)大橋墩號為 92#-93#)?？缭轿恢脰|部供水水源工程的樁號約為 21+280(屬永馬路交叉-淡水河段輸水箱涵 19+414.372-22+664.851段)。淡水河特大橋中心線與水源工程供水箱涵中心線夾角約為 89°，大橋 92#橋墩樁基距離供水箱涵結(jié)構(gòu)邊線為 5.24m， 93#橋墩樁基距離供水箱涵結(jié)構(gòu)邊線為15.01m，兩者關(guān)系如圖2所示。

圖2 大橋與箱涵關(guān)系

2 數(shù)值模擬分析

通過三維地層結(jié)構(gòu)法分析特大橋樁基對輸水管道影響的定量分析主要從樁基施工前、后輸水管道受力變化情況來判定樁基施工的影響。建模分析按實際的施工步驟模擬，把回填土狀態(tài)作為初始狀態(tài)，于是主要施工步驟為：①供水管現(xiàn)狀(考慮樁基施工期間供水箱涵位于通水狀態(tài)，故供水管現(xiàn)狀為運行狀態(tài))→→②承臺基坑開挖→→③樁基開挖及澆注→→④承臺及橋面施工→→⑤大橋運行。

2.1 模型建立

根據(jù)相應(yīng)的地質(zhì)鉆孔資料以及施工步驟，建立有限元模型如下列圖所示(模型長×寬×高為100m×50m×60m，網(wǎng)格數(shù)量為270000)。

2.2 計算工況

本次輸水箱涵結(jié)構(gòu)安全復(fù)核，主要研究淡水河特大橋樁基對箱涵結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)相關(guān)單位提供的施工圖設(shè)計資料：92號橋墩樁基礎(chǔ)：樁基礎(chǔ)單根灌注樁的最大豎向力為3983.1kN，共8根樁。93號橋墩樁基礎(chǔ)：樁基礎(chǔ)單根灌注樁的最大豎向力為3977.1kN，共8根樁。

荷載步1：未打樁，箱涵受自重應(yīng)力作用；

荷載步2：承臺基坑開挖，箱涵靠92號墩側(cè)存在一定卸荷作用；

荷載步3：全部樁基開挖及澆注，……；

荷載步4：樁基和承臺施工，……；

荷載步5：大橋投入運行，施加樁頂設(shè)計荷載，箱涵受自重應(yīng)力及樁頂荷載對箱涵側(cè)邊土體作用。

2.3 計算結(jié)果分析

依照主要施工步驟進行實際模擬，各個計算步驟供水箱涵變形及主應(yīng)力值見表2。供水箱涵整體變形見圖3所示。各步驟箱涵最大大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)及最小小主應(yīng)力(壓應(yīng)力)如圖4所示(由于研究主要對象為供水箱涵，模型中未考慮橋面箱梁自身預(yù)應(yīng)力的作用，僅考慮相關(guān)結(jié)構(gòu)自重及外荷載作用)。由表3可以看出，隨著不同施工步驟，供水箱涵的變形值有一定的增加，最大變形值為3.771mm。箱涵最大大主應(yīng)力隨著不同施工步驟變化量基本穩(wěn)定，增量未超過3%，同時最大大主應(yīng)力數(shù)值也未超過箱涵混凝土C30抗拉強度設(shè)計值1.43MPa；箱涵最小小主應(yīng)力隨著不同施工步驟有一定的增加，最大增幅為10.78%，但最小小主應(yīng)力值未超過-0.5MPa，遠小于箱涵混凝土C30抗壓強度設(shè)計值-14.3MPa。綜合上述分析結(jié)果，特大橋施工期及運行期對供水箱涵的影響基本可控。

表2 地層分布表

表3 供水箱涵變形及主應(yīng)力值

(1)初始狀態(tài)

(1)初始狀態(tài)

3 結(jié) 論

以淡水河新建特大橋工程為例，采用有限元數(shù)值模擬方法分析大橋建設(shè)及運行使用過程中對既有供水箱涵工程的影響，通過建立數(shù)值模型，分析大橋基坑開挖、樁基施工、主體施工、建成使用等不同階段箱涵的變形和應(yīng)力。隨著施工階段的進行，箱涵變形有所增大，最大變形值為3.771mm。箱涵應(yīng)力整體變化較小，特大橋施工期及運行期對供水箱涵的影響基本可控。