疏浚對(duì)既有橋梁安全影響的分析

譚興豐，徐偉洲

（溫州設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，浙江 溫州 325000）

1 工程概況

溫州某大橋工程，北起永嘉縣東甌街道，經(jīng)江心嶼、江濱路、鹿城路與104國道溫州過境段相連，全長5173m，橋面寬21.4m，為雙向4車道，2000年8月11日正式開通運(yùn)營。大橋主要結(jié)構(gòu)，起點(diǎn)樁號(hào)為K1+191，終點(diǎn)樁號(hào)為K3+949，全長為2048m，橋下通航凈空為91×21m，航道等級(jí)為Ⅰ級(jí)[2]。本次涉及的江心嶼河段是甌江進(jìn)入河口過渡段經(jīng)歷的第一分汊河段，由于受上村丁順壩等工程的影響，甌江江心嶼河段南、北汊分流比出現(xiàn)失衡現(xiàn)象。南汊長期沖刷，影響堤防行洪安全，水深流急，不利于航道安全。北汊低潮位時(shí)局部露灘，影響江心孤嶼名勝景觀。為實(shí)現(xiàn)防洪安全目標(biāo)、游船通航目標(biāo)和景觀美化目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)交通、旅游、水利等綜合效益，開展江心嶼河段整治深化研究。由此引起河段開挖，對(duì)東甌大橋橋墩安全性的影響。橋梁區(qū)位如圖1所示。

圖1 橋梁鳥瞰區(qū)位圖

2 計(jì)算方法與模型分析

研究的對(duì)象主要是甌江江心嶼河段整治對(duì)東甌大橋下部結(jié)構(gòu)的影響，通過對(duì)甌江江心嶼河段整治過程中分步驟、分情況進(jìn)行疏浚整治的影響，對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)建立不同的模型進(jìn)行分析，分階段、分步驟、分情況進(jìn)行研究分析。

2.1 河段整治步驟[3-4]

（1）拆除上村丁順壩北汊進(jìn)口部分，拆壩有效長度約320m，底高程-3.3m。

（2）第一步完成后，北汊順槽“S形”開挖?？紤]到開挖后會(huì)有泥沙回淤，超挖0.3m，底高程為-3.6m。

（3）上村邊灘進(jìn)一步切灘，擴(kuò)大北汊口門寬度，以增加北汊水動(dòng)力，減少挖槽內(nèi)回淤。切灘底高程為-3.3m，上村丁順壩以下逐漸與北汊淺灘過渡到-2m左右。

（4）加大拆壩和開挖力度，以上范圍不變，拆壩和開挖底高程為-5m，目標(biāo)是在景觀的基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)游船通航的要求。具體各個(gè)階段的內(nèi)容如圖2所示。

圖2 河段疏浚位置內(nèi)容示意圖

2.2 橋梁計(jì)算工況

根據(jù)河段整治的步驟分析，對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)的影響對(duì)應(yīng)分為幾種不同的工況，具體如下：

工況一：按原設(shè)計(jì)地面（河床）標(biāo)高對(duì)東甌大橋北汊段各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核。

工況二：按照河道步驟二實(shí)施后，北汊挖槽至-3.6m對(duì)東甌大橋北汊段各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核。

工況三：按照河道步驟三實(shí)施后，上村邊灘切灘至-3.3m（北汊挖槽至-3.6m已完成），對(duì)東甌大橋北汊段各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核。

工況四：按照河道步驟四實(shí)施后，北汊進(jìn)一步挖槽至-5m（上村邊灘切灘已完成），對(duì)東甌大橋北汊段各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核。

2.3 影響節(jié)點(diǎn)劃分

節(jié)點(diǎn)A：引橋段20#墩~25#墩。由于上村邊灘在整治方案中須實(shí)施切灘，故將位于該切灘范圍內(nèi)的21#墩至25#墩之間的一聯(lián)橋梁作為一處主要考慮對(duì)象，同時(shí)將維持現(xiàn)狀地面標(biāo)高的20#墩納入至該節(jié)點(diǎn)的影響范疇，作為21#墩至25#墩的近鄰影響墩考慮。

節(jié)點(diǎn)B：引橋段29#墩~33#墩。該部分橋墩恰位于北汊挖槽區(qū)域相對(duì)中心位置，將其作為挖槽影響范圍的主要考慮節(jié)點(diǎn)。

節(jié)點(diǎn)C：路線右拼寬段35#墩~38#墩。由于江心嶼連接段拼寬橋梁橋型異于一般引橋段，橋面寬度、上部結(jié)構(gòu)梁板、下部結(jié)構(gòu)尺寸均不相同，故視為特殊節(jié)點(diǎn)考慮。節(jié)點(diǎn)劃分如圖3所示。

圖3 橋梁節(jié)點(diǎn)劃分示意圖

2.4 考慮的影響因素

（1）橋墩剛度重分配，由于切灘開挖，引起樁柱抗推剛度減小，意味著在全橋水平力（即汽車制動(dòng)力與溫度力）將重新按照全橋各墩的抗推剛度進(jìn)行分配，挖槽范圍內(nèi)的下部結(jié)構(gòu)和鄰近墩的抗推剛度（如鄰近尚未進(jìn)行切灘的21#墩至25#墩等）未發(fā)生變化的下部結(jié)構(gòu)都將受到影響，各樁柱所受水平力和彎矩?cái)?shù)據(jù)將隨即改變。

（2）地面標(biāo)高的下降，將會(huì)使樁柱的計(jì)算長度發(fā)生變化，影響其正截面抗壓承載力的大小。

（3）地面標(biāo)高的下降顯然會(huì)使得樁基所處土層的參數(shù)發(fā)生變化，影響樁基單樁受壓承載力的大小。

2.5 結(jié)構(gòu)建模分析

利用Midas和橋梁設(shè)計(jì)師，分不同的工況，建立模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，具體結(jié)果如下。

由表1可知，位于切灘及挖槽范圍內(nèi)的橋墩由于地面（河床）標(biāo)高下降，引起抗推剛度減小，致使水平力分配比重下降，柱底彎矩均存在一定程度的減小。但類似20#墩這樣鄰近切灘或挖槽范圍并未改變其地面（河床）標(biāo)高的橋墩。雖然剛度未變化，但相應(yīng)水平力分配比重上升，反而引起柱底彎矩的增加。

表1 柱底彎矩匯總表

由表2可知，因北汊河段整治方案僅涉及地面（河床）標(biāo)高的變化，基本不會(huì)對(duì)樁頂最大豎向力產(chǎn)生影響。

表2 樁頂豎向力匯總表

由表3可知，由于切灘及挖槽的影響，范圍內(nèi)的樁柱式橋墩自由長度增大，墩柱穩(wěn)定性減弱，從而引起裂縫寬度增大。在各工況條件下，各節(jié)點(diǎn)位置裂縫寬度雖超限，但仍可滿足規(guī)范要求。

表3 柱底裂縫寬度匯總表

由表4可知，由于切灘及挖槽的影響，橋墩樁基入土深度減小，在樁頂最大豎向力基本不變的情況下，主要由于置換土重相應(yīng)減小，在切灘及挖槽范圍內(nèi)的橋墩樁身最大豎向力，且開挖深度越大，樁身最大豎向力增大越多，在切灘位置尤為顯著。

表4 樁身豎向力匯總表

由表5可知，由于切灘及挖槽的影響，橋墩樁基埋置深度減小。一方面，樁側(cè)所提供的摩阻力減小，所占比例不大；另一方面，由于修正后的樁端土承載力迅速減小，單樁軸向承載力容許值整體減小。且開挖深度越大，切灘及挖槽范圍內(nèi)的橋墩單樁軸向承載力容許值下降越多，在切灘位置尤為顯著。

表5 單樁受壓承載力匯總表

同時(shí)，引橋21#墩～23#墩在切灘實(shí)施后，單樁受壓承載力最大已下降至9126kN，即無法滿足原設(shè)計(jì)圖紙上對(duì)引橋段單樁承載力9500kN的要求。拼寬橋35#墩～37#墩在工況四，即挖槽深度達(dá)到-5m時(shí)，單樁受壓承載力計(jì)算得8493kN，已十分接近原設(shè)計(jì)圖紙上對(duì)拼寬橋單樁承載力8429kN的要求，富余量極小。此外，本次評(píng)估計(jì)算采用汽車荷載為公路Ⅱ級(jí)，實(shí)際東甌大橋現(xiàn)狀交通流量大，承受荷載也相應(yīng)較大，對(duì)此應(yīng)引起重視。

2.6 研究結(jié)論

（1）在切灘及挖槽的影響下，甌江江心嶼河段北汊范圍內(nèi)的橋墩所分配水平力比重下降，墩柱樁身所受彎矩相應(yīng)降低。但鄰近開挖范圍未改變其地面（河床）標(biāo)高的橋墩（如20#墩），其水平力分配比重將顯著上升，應(yīng)引起重視。

（2）在切灘及挖槽實(shí)施后，范圍內(nèi)橋墩樁柱計(jì)算長度將明顯增大，不利于其墩柱受壓穩(wěn)定，對(duì)于其偏心受壓截面承載力及墩柱裂縫寬度都將產(chǎn)生負(fù)面影響。由于在靠近江心嶼連接段工程的橋墩，其墩柱高度隨縱坡抬升而不斷增大，但相關(guān)構(gòu)造并未做提升，故在此范圍內(nèi)的高墩柱（引橋32#墩至37#墩及拼寬橋35#墩至37#墩）的問題更為突出。

（3）在切灘及挖槽實(shí)施后，范圍內(nèi)橋墩樁基單樁受壓承載力將不可避免地減小，在切灘處尤為明顯，減小幅度可達(dá)到近14%。雖然根據(jù)浙江省交通設(shè)計(jì)院原施工圖設(shè)計(jì)圖紙，引橋段橋墩樁基樁頂承載力設(shè)計(jì)值為9500kN，而在本次影響分析中樁頂最大豎向力基本均未變化，但在切灘及挖槽實(shí)施后，承載力容許值減小，可以看到切灘范圍內(nèi)部分樁基（21#墩至23#墩）承載力已無法滿足樁身最大豎向力要求，挖槽范圍內(nèi)樁基承載力富余值也已不大。

3 結(jié)語

通過對(duì)橋梁下部墩柱的計(jì)算，有效地評(píng)估了河段疏浚、河段開挖對(duì)已建橋梁下部結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)河段疏浚劃分不同的施工時(shí)序，不同時(shí)序?qū)?yīng)不同的橋梁計(jì)算工況，在不同工況下計(jì)算橋梁下部結(jié)構(gòu)的相關(guān)數(shù)據(jù)，評(píng)估下部結(jié)構(gòu)的安全性，提出可靠的數(shù)據(jù)供管養(yǎng)單位、河段疏浚單位進(jìn)行參考，此計(jì)算模型和方法可供類似工程參考。