河道改造對(duì)營(yíng)運(yùn)高速公路橋梁的影響分析

傅家鯤

(成都市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610023)

0 引言

惡劣天氣會(huì)導(dǎo)致暴雨災(zāi)害，造成城市內(nèi)澇不斷加劇，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成損失，生活造成不便。城市內(nèi)的河道作為最主要的泄洪通道，其暢通性和過(guò)流能力對(duì)泄洪有著重要影響。因此，政府部門(mén)和社會(huì)群體對(duì)城市河道的治理工作越來(lái)越重視，城市河道的提升改造也迫在眉睫。但是道路的建設(shè)一般先于河道的改造，道路跨越河道時(shí)僅根據(jù)河道規(guī)劃寬度預(yù)留改造條件，而在已建成的橋梁下改造河道容易對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性產(chǎn)生影響[1-2]。

本文以成都市高新排洪渠(成自瀘高速公路江家立交段)改造工程為背景，分析營(yíng)運(yùn)高速公路橋下河道改造開(kāi)挖對(duì)橋梁的影響并介紹其保護(hù)方案。

1 工程概況

1.1 現(xiàn)狀河道情況

現(xiàn)狀高新排洪渠為天然河道，其斷面為底寬5～6 m、頂寬12～14 m、深度3 m的倒梯形斷面。河道流向?yàn)橛蓶|向西，穿越已營(yíng)運(yùn)的成自瀘高速公路(G4215)江家全互通立交橋南側(cè)主線(xiàn)和匝道。河道平面如圖1所示。

1.2 運(yùn)營(yíng)高速公路情況

成自瀘高速公路為已運(yùn)營(yíng)道路，江家全互通立交為成自瀘高速公路與成都繞城高速公路的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，互通立交匝道多、交通繁忙、車(chē)流量大，且兩條高速公路均為國(guó)家高速公路，施工期間需保證道路的暢通和安全。

江家全互通立交節(jié)點(diǎn)中跨越高新排洪渠的橋梁共計(jì)11座，其中兩座為6×25 m連續(xù)梁橋，9座為單跨25 m簡(jiǎn)支梁橋。根據(jù)原橋梁竣工資料，橋梁基礎(chǔ)均采用樁徑1.8 m的樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)22～26 m，均為端承樁。樁基依次穿越黏土、砂礫石、強(qiáng)風(fēng)化巖層，最后嵌入中風(fēng)化巖層，嵌入中風(fēng)化巖層深度均<15 m。

圖1 現(xiàn)狀河道平面圖

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 總體設(shè)計(jì)

高新排洪渠是成都市高新區(qū)中和環(huán)城生態(tài)區(qū)工程的重要組成部分，也是高新區(qū)中和片區(qū)的重要防洪工程?，F(xiàn)狀河道寬度和深度均不能滿(mǎn)足100年一遇的洪水通行需求，需要將河道拓寬為寬度為20 m、深度為4.1 m的矩形斷面。河道標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖2所示。

圖2 河道標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(cm)

改造平面以現(xiàn)狀河道為基礎(chǔ)，在江家全互通立交橋區(qū)域利用已建高速公路橋下的預(yù)留通道，對(duì)平面線(xiàn)形進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于橋下空間無(wú)法滿(mǎn)足20 m寬度的局部位置，將河道分叉繞行，以滿(mǎn)足河道的過(guò)流能力。河道設(shè)計(jì)總平面圖如圖3所示，穿越橋梁段河道平面圖如圖4所示。

圖3 河道設(shè)計(jì)總平面圖

圖4 穿越橋梁段河道平面圖

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在非橋梁區(qū)段，河堤采用了素混凝土重力式河堤結(jié)構(gòu)；在橋梁區(qū)段，由于空間受限，采用鋼筋混凝土U形槽河堤結(jié)構(gòu)，如圖5所示。U形槽河堤凈寬為20 m，凈高為5.1 m；側(cè)墻厚度為60 cm，底板厚度為70 cm；底板上設(shè)置透水孔，防止U形槽結(jié)構(gòu)在槽內(nèi)河水位較低時(shí)受周邊地下水影響而上浮。

圖5 U形槽結(jié)構(gòu)斷面圖(cm)

3 橋梁保護(hù)方案

3.1 控制標(biāo)準(zhǔn)

河道的開(kāi)挖將會(huì)使橋梁樁基臨河側(cè)土體被挖除，部分樁身將裸露在土層外，從而引起樁基的豎向承載力減小和側(cè)向位移增大。當(dāng)樁基豎向承載力小于承受荷載時(shí)，樁基會(huì)發(fā)生下沉，導(dǎo)致橋梁產(chǎn)生不均勻沉降，造成上部結(jié)構(gòu)受損。樁基發(fā)生側(cè)向位移也必然導(dǎo)致樁基承受彎矩，從而造成樁基混凝土開(kāi)裂。因此樁基的豎向承載力和裂縫為本工程控制橋梁安全性的主要因素，當(dāng)其不滿(mǎn)足允許值時(shí)，橋梁樁基會(huì)發(fā)生破壞，影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。

根據(jù)規(guī)范要求，當(dāng)河道開(kāi)挖后，樁基豎向承載力不應(yīng)小于承受荷載，樁基裂縫應(yīng)≤0.2 mm[3-4]。

智能化技術(shù)應(yīng)用到電氣工程中，能夠明顯的提高操作系統(tǒng)的便捷性，在電氣工程自動(dòng)化的操作中，通過(guò)智能化這種實(shí)時(shí)監(jiān)控和自動(dòng)調(diào)整，減少了電氣工程自動(dòng)化的消耗成本，提高了電氣工程的安全系數(shù)，而且擺脫了對(duì)工作環(huán)境的依賴(lài)性，還能夠保證產(chǎn)品質(zhì)量，在電氣工程自動(dòng)化中應(yīng)用智能化技術(shù)，對(duì)促進(jìn)電氣工程的發(fā)展，維護(hù)整個(gè)電氣工程的發(fā)展環(huán)境意義重大。

3.2 保護(hù)措施

由于河道開(kāi)挖施工期間不能中斷高速公路的營(yíng)運(yùn)，因此河道的開(kāi)挖施工方法對(duì)高速公路橋梁結(jié)構(gòu)的影響極為重要。河道開(kāi)挖施工影響的橋型主要有簡(jiǎn)支梁橋和連續(xù)梁橋兩種。連續(xù)梁橋考慮采用樁基兩側(cè)對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖，對(duì)樁基影響較小，僅需滿(mǎn)足豎向承載力即可；簡(jiǎn)支梁橋由于只能單側(cè)開(kāi)挖，對(duì)樁基有豎向承載力和側(cè)向位移的雙重影響，故針對(duì)簡(jiǎn)支梁橋采用以下施工措施(圖6)：

(1)開(kāi)挖前先對(duì)橋臺(tái)樁間土和臺(tái)后土進(jìn)行注漿加固，使土體固化。

(2)開(kāi)挖前在兩側(cè)橋臺(tái)之間設(shè)置永久鋼橫撐，將兩側(cè)橋臺(tái)撐住，避免河道開(kāi)挖后樁頂產(chǎn)生側(cè)向位移。每根樁基處對(duì)應(yīng)設(shè)置一榀鋼支撐，鋼支撐規(guī)格采用φ609 mm×16 mm圓形鋼管，并施加50 kN預(yù)應(yīng)力。

(3)開(kāi)挖時(shí)采用噴錨支護(hù)，邊開(kāi)挖邊噴錨，循環(huán)向下開(kāi)挖，避免樁間土和臺(tái)后土發(fā)生滑動(dòng)破壞。

(4)U形槽澆筑后，對(duì)側(cè)墻后背采用混凝土灌注，保證樁間土與U形槽側(cè)墻之間密貼無(wú)間隙。

圖6 河道開(kāi)挖保護(hù)措施圖

4 橋梁結(jié)構(gòu)的影響分析

4.1 樁基豎向承載力驗(yàn)算

樁基豎向主要承受上部結(jié)構(gòu)的活載+恒載和下部結(jié)構(gòu)的恒載。活載采用公路-Ⅰ級(jí)，并采用標(biāo)準(zhǔn)組合值。

樁基承載力按支承在基巖上或嵌入基巖中的鉆(挖)孔樁計(jì)算，計(jì)算時(shí)只計(jì)入開(kāi)挖河底以下的有效樁長(zhǎng)部分的樁側(cè)摩阻力和樁端阻力。河道開(kāi)挖造成樁基有效長(zhǎng)度減少2.4～6.4 m，單樁豎向承載力變化的計(jì)算結(jié)果如下頁(yè)表1所示。

表1 單樁豎向承載力驗(yàn)算結(jié)果表

4.2 樁基側(cè)向位移及裂縫驗(yàn)算

簡(jiǎn)支梁橋由于只能單側(cè)開(kāi)挖，需對(duì)樁基側(cè)向位移和混凝土裂縫進(jìn)行驗(yàn)算。樁基側(cè)向位移主要受橋臺(tái)臺(tái)背活載、橋臺(tái)臺(tái)背回填土側(cè)壓力、樁基有效計(jì)算寬度范圍內(nèi)土體側(cè)壓力影響。將臺(tái)背活載和臺(tái)背回填土按等效換算的原則加載于樁頂和樁側(cè)，采用m法計(jì)算彈性樁水平位移及作用效應(yīng)，并根據(jù)作用效應(yīng)和配筋情況，驗(yàn)算樁基裂縫寬度。其計(jì)算模型簡(jiǎn)圖如圖7所示。

圖7 側(cè)向位移及內(nèi)力計(jì)算簡(jiǎn)圖

由于在橋下鋼支撐施工不方便，故將設(shè)置鋼支撐和不設(shè)置鋼支撐這兩種施工方案進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算其對(duì)樁基側(cè)向位移及裂縫的影響。位移曲線(xiàn)對(duì)比示意如圖8所示，計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表2所示。

根據(jù)表2驗(yàn)算結(jié)果可知，當(dāng)未設(shè)置鋼支撐時(shí)，樁基為懸臂結(jié)構(gòu)，樁頂側(cè)向位移和樁身受力都較大，部分樁基混凝土裂縫>0.2 mm，不能滿(mǎn)足規(guī)范要求。當(dāng)設(shè)置鋼支撐后，樁身最大位移發(fā)生在樁身1/4處，且側(cè)向位移和樁身受力均較小，所有樁基混凝土裂縫均滿(mǎn)足要求。

圖8 樁基側(cè)向位移結(jié)果對(duì)比示意圖(單位：mm)

表2 樁基側(cè)向位移及裂縫驗(yàn)算結(jié)果表

5 結(jié)語(yǔ)

(1)營(yíng)運(yùn)高速公路橋下河道改造時(shí)，應(yīng)根據(jù)規(guī)范和管理部門(mén)實(shí)際要求制定相應(yīng)的變形、裂縫控制標(biāo)準(zhǔn)，并采取相應(yīng)的施工措施進(jìn)行控制，保障高速公路營(yíng)運(yùn)的安全。

(2)河道開(kāi)挖前應(yīng)先施工鋼橫撐，減小樁基側(cè)向位移和樁基混凝土裂縫，保障橋梁下部結(jié)構(gòu)的安全和耐久性。

(3)采用計(jì)算軟件進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，并評(píng)估施工安全性。