下穿高速公路橋梁改造方案及交通組織研究

陳登峰

（百色樞紐通航投資有限公司，廣西 百色 533000）

隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的穩(wěn)步持續(xù)發(fā)展，為滿足鐵路、公路、市政道路及電力、輸油輸氣管道等設(shè)施的規(guī)劃或設(shè)計(jì)要求，需上跨、下穿公路設(shè)施的工程日趨增加。對(duì)運(yùn)行中的高速公路或開放交通時(shí)的公路下穿橋梁開展改造施工，容易破壞原有的道路結(jié)構(gòu)及配套設(shè)施，更會(huì)對(duì)道路功能的發(fā)揮和行車安全造成一定影響。

因區(qū)域條件限制，部分下穿高速公路橋梁常常是其他道路及管線穿越的最優(yōu)通道。但由于部分橋梁跨徑不足，為滿足下穿構(gòu)筑物修建施工及運(yùn)營，需對(duì)其進(jìn)行改造。下穿高速公路橋梁的改造采取何種方式最佳，采取何種交通組織方式對(duì)運(yùn)營的高速公路通行影響較小，需對(duì)其進(jìn)行研究。本文結(jié)合昆明東繞城高速公路某下穿橋梁改造項(xiàng)目進(jìn)行改造方案及交通組織進(jìn)行研究，能為類似項(xiàng)目實(shí)施提供重要的參考。

1 工程概況

昆明的東繞城高速已于2006年12月28日通車，橋梁下穿改造處，昆明東繞城按80km/h 速度設(shè)計(jì)，采用雙向六車道瀝青混凝土路面，路幅35 米，中分帶寬2.5m，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查交通量如下表所示：

表1 所涉及道路交通情況統(tǒng)計(jì)表

需改造的下穿橋梁原為單線鐵路下穿通道，為滿足鐵路遠(yuǎn)期客貨運(yùn)需求，需在該鐵路線路附近增設(shè)一處雙線鐵路。改造增設(shè)橋?yàn)橐蛔?+14+4)m 的鋼筋混凝土剛構(gòu)橋。

2 改造及交通組織方案

2.1 改造設(shè)計(jì)及施工方案

下穿橋梁改造原設(shè)計(jì)采用一座1-12.5m 框架橋下穿既有昆明東繞城高速公路，橋梁采用分幅頂進(jìn)施工，設(shè)計(jì)及保通方案于2013年1月通過了由昆明樞紐建設(shè)指揮部組織的專家評(píng)審。

變更設(shè)計(jì)采用（4+14+4）剛構(gòu)橋，全長24.51m，橋面總寬35m，分左、右兩幅，中間設(shè)置2m 寬的中央分隔帶，每幅組成為：0.5m 防撞墻+14.75m 行車道+0.75m 路緣帶+0.5m 防撞墻，橋面設(shè)2%的人字形橫坡，橋面橫坡通過梁部結(jié)構(gòu)傾斜設(shè)置，橋面橋墩及基礎(chǔ)混凝土為C40，梁部混凝土為C40。

變更后此處橋梁將采用蓋挖逆作法進(jìn)行施工作業(yè)。首先，在鐵路穿越處昆明東繞城高速公路的中央綠化帶采用12 根1.25×1.25m×7m 人工挖孔樁防護(hù)進(jìn)行防護(hù)，以防止路基在后面的借道保通過程中路基的穩(wěn)定性；其次，進(jìn)行左幅橋梁施工；再次，進(jìn)行有福橋梁施工；最后進(jìn)行剛構(gòu)橋橋下路基開挖及土釘墻防護(hù)施工。

2.2 交通組織方案

第一階段防護(hù)樁施工期間占用高速兩側(cè)靠近綠化帶各一條車道，通過導(dǎo)流將車輛導(dǎo)入外側(cè)兩條車道，保證兩側(cè)各有兩條車道60km/h 通過。

第二階段公路橋施工期間將占用昆曲路方向全部車道，將原昆曲路方向車輛導(dǎo)入原廣福路方向兩內(nèi)側(cè)車道，車輛并行段斷面形式為0.5m（側(cè)向凈距)+3.5×2(車行道)+0.5（雙黃線）+3.5×2（車行道）+0.75（路肩）=16m。保證雙向各有兩條車道60km/h 通行。

第三階段公路橋施工期間將占用廣福路方向全部車道，將原廣福路方向車輛導(dǎo)入原昆曲路方向兩內(nèi)側(cè)車道，車輛并行段斷面形式為0.5m(側(cè)向凈距)+3.5×2(車行道)+0.5（雙黃線）+3.5×2（車行道）+0.75（路肩）=16m。保證雙向各有兩條車道60km/h 通行。

3 改造及交通組織方案分析

3.1 改造方案分析

為了較為準(zhǔn)確的判別橋梁改造方案是否合理，項(xiàng)目采用MIDAS/GTS 有限元分析軟件對(duì)項(xiàng)目施工過程進(jìn)行分析，分析采用的參數(shù)及過程如下：

根據(jù)有限元分析處理經(jīng)驗(yàn)，在水平方向的影響范圍為3～5 倍開挖深度（開挖邊界外），而豎向的影響范圍則為開挖底部向下2～4 倍開挖深度。綜合考慮模型實(shí)際情況，整體三維模型尺寸為131m×150m×52m(寬×長×高)。

表2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

對(duì)本項(xiàng)目建立三維有限元模型，計(jì)算模型的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為86758 個(gè)，單元為109142 個(gè)。

圖1 網(wǎng)格模型細(xì)部（項(xiàng)目施工后）

橋梁施工階段中最為關(guān)鍵的階段為左幅橋、右幅橋開挖及開挖橋下鐵路路基路塹、施工土釘墻等3 個(gè)階段。結(jié)合MIDAS/GTS 有限元分析可知：

（1）左幅橋路基開挖階段。左幅橋施工階段，引起的基坑最大水平向變形為4.21mm，最大豎向變形為9.0mm。左幅橋路基開挖階段，塑性應(yīng)變主要影響范圍為開挖面及臨近右幅橋待開挖部分土體。對(duì)比左幅橋開挖前和開挖后的基坑應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，基坑開挖存在一定程度的應(yīng)力釋放，但是整體影響較小。

（2）右幅橋路基開挖階段。右幅橋?qū)嵤r(shí)導(dǎo)致的地層最大水平向變形為2.12mm，最大豎向變形為8.99mm。右幅橋施工階段，塑性應(yīng)變主要影響范圍為開挖面及左右幅橋坡底土體。對(duì)比左右幅橋開挖階段的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D可知，其應(yīng)力及應(yīng)變有小幅增長。

（3）剛架橋施工完成階段。剛架橋施工完成時(shí)，引起的基坑最大水平變形為3.26mm，最大豎向變形為9.10mm。施工完成，引起臨近既有橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的最大水平變形為0.53mm，最大豎向變形為5.86mm。可見，剛架橋施工對(duì)既有鐵路橋的變形影響較小。

下穿高速公路橋梁蓋挖逆作法施工中左右幅橋及進(jìn)行橋梁清方和土釘墻施工時(shí)，既有鐵道橋受基坑開挖影響的應(yīng)力及塑性應(yīng)變分布范圍較小，橋臺(tái)位移值滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求。因此，采取蓋挖逆作法施工對(duì)其影響甚微，方案是有效可行的。

3.2 區(qū)域交通組織分析

結(jié)合項(xiàng)目道路參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，建立仿真路網(wǎng)模型，模型結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況及委托方所提供的施工方案為背景，建模涉及昆明東繞城高速公路涉路施工段900m 范圍，在建模起終點(diǎn)插入行程時(shí)間檢測(cè)器和檢測(cè)點(diǎn)，仿真確定在未施工時(shí)單車通過擬施工區(qū)域昆明東繞城高速公路行程時(shí)間及排隊(duì)情況。

結(jié)合委托方所提供的方案，其中對(duì)項(xiàng)目實(shí)施期間道路保通說明較為詳細(xì)，對(duì)保通方案的分析結(jié)合方案分三個(gè)階段進(jìn)行具體分析如下：

（1）綠化隔離帶人工挖孔樁施工（封閉兩側(cè)最內(nèi)側(cè)車道）。通過導(dǎo)流將車輛導(dǎo)入外側(cè)兩條車道，保證兩側(cè)各有兩條車道通行，區(qū)域限速60km/h 通過，對(duì)施工路段進(jìn)行模擬分析如下：

圖2 項(xiàng)目實(shí)施第一階段路段仿真

（2）監(jiān)控門式桁架拆除與安裝及左幅剛構(gòu)橋施工（封閉左幅車道車輛借道通行）。封閉左幅路（王家營西側(cè)），將左幅（王家營西側(cè)）公路車流分至右幅（昆明東側(cè)）通行，區(qū)域限速60km/h 通過，對(duì)施工路段進(jìn)行模擬分析如下：

圖3 項(xiàng)目實(shí)施第二階段路段仿真

（3）右幅剛構(gòu)橋施工期間的保通（封閉右幅車道車輛借道通行）。左幅（王家營西側(cè)）恢復(fù)路面通行后，將右幅（王家營西側(cè)）公路車流分至左幅（昆明東側(cè)）通行，區(qū)域限速60km/h 通過，對(duì)施工路段進(jìn)行模擬分析如下：

圖4 項(xiàng)目實(shí)施第三階段路段仿真

3.3 道路交通組織優(yōu)化

由于該道路交通流量相對(duì)較大，在施工未進(jìn)行時(shí)，該路段按調(diào)查交通量分析時(shí)，昆曲高速公路方向、廣福路方向服務(wù)水平為二級(jí)；按委托方方案進(jìn)行保通施工時(shí)，第一、二、三階段均導(dǎo)致東繞城高速公路服務(wù)水平降為四級(jí)。但保通方案未考慮擁堵期間的交通分流措施，需進(jìn)一步完善。具體分析數(shù)據(jù)詳見下表：

表3 項(xiàng)目實(shí)施過程中路段通行情況分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

為確保施工過程中道路通行順暢、安全，建議需對(duì)本項(xiàng)目交通組織做進(jìn)一步優(yōu)化及補(bǔ)充。具體分階段組織實(shí)施情況如下：

（1）第一階段。結(jié)合施工實(shí)際情況及分析計(jì)算結(jié)論，建議在施工第一階段完成：中央分隔帶開口拆除施工及人工挖孔樁施工作業(yè)，該階段施工過程中考慮區(qū)域限速60km/h，封閉兩方向最內(nèi)側(cè)行車道，車輛通過剩余車道通行，在交通流量較大的情況下可考慮增加硬路肩通行，實(shí)施過程中設(shè)置相應(yīng)安全防護(hù)設(shè)施及警示標(biāo)志通行，具體保通及交通組織示意圖詳見下圖所示。

圖5 建議第一階段施工期間交通組織

（2）第二階段。結(jié)合施工實(shí)際情況及分析計(jì)算結(jié)論，建議在施工第二階段完成：電子監(jiān)控門式桁架拆除與安裝及左幅剛構(gòu)橋施工，該階段施工過程中考慮區(qū)域限速60km/h，封閉東繞城高速公路昆曲高速公路方向所有行車道，該方向車流通過第一階段拆除的中央分隔帶跨越至對(duì)向車道進(jìn)行通行，在交通流量較大的情況下組織車輛繞行分流通行，實(shí)施過程中設(shè)置相應(yīng)安全防護(hù)設(shè)施及警示標(biāo)志通行。

圖6 建議第二階段施工期間交通組織

（3）第三階段。結(jié)合施工實(shí)際情況及分析計(jì)算結(jié)論，建議在施工第三階段完成：右幅剛構(gòu)橋施工，該階段施工過程中考慮區(qū)域限速60km/h，封閉東繞城高速公路廣福路方向所有行車道，該方向車流通過第一階段拆除的中央分隔帶跨越至對(duì)向車道進(jìn)行通行，在交通流量較大的情況下組織車輛繞行分流通行，實(shí)施過程中設(shè)置相應(yīng)安全防護(hù)設(shè)施及警示標(biāo)志通行。交通組織方式與第二階段相似。

（4）第四階段。結(jié)合施工實(shí)際情況及分析計(jì)算結(jié)論，建議在施工第四階段完成：中央分隔帶開口恢復(fù)施工作業(yè)，該階段施工過程中考慮區(qū)域限速60km/h，封閉兩方向最內(nèi)側(cè)行車道，車輛通過剩余車道通行，在交通流量較大的情況下可考慮增加硬路肩通行，實(shí)施過程中設(shè)置相應(yīng)安全防護(hù)設(shè)施及警示標(biāo)志通行。

4 結(jié)語

采用蓋挖逆作法進(jìn)行運(yùn)營公路橋梁改造是行之有效的施工工藝，對(duì)施工區(qū)域結(jié)合施工工序分階段采取借道、分車道等交通組織方式，可在確保區(qū)域施工時(shí)有效地保障施工區(qū)域車輛基本通行及行車安全。本工程作為一個(gè)下穿高速公路橋梁改造及交通組織應(yīng)用案例，希望對(duì)以后的同類工程有借鑒作用。