清水河大橋新橋樁基施工對老橋的影響性分析

徐紅圖

摘要 為了研究改擴建項目在老橋拆除前利用橋下空間提前進行新建橋梁樁基施工的可行性，文章以蕪宣高速公路清水河大橋為依托，利用有限元分析與理論研究相結(jié)合的方法，對新橋樁基施工過程對老橋基礎(chǔ)變形影響進行了分析，并研究了由于基礎(chǔ)變位引起的老橋上部結(jié)構(gòu)的影響。研究表明樁基施工對既有橋梁下部結(jié)構(gòu)的影響集中于開挖階段，樁基填筑將恢復(fù)部分開挖卸載引起的變形，新橋樁基施工引起老橋的基礎(chǔ)變形均在1 mm以內(nèi)，對上部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響不超過0.1 MPa，施工過程中運營的老橋結(jié)構(gòu)安全性良好，論證了這種施工工序的可行性，其他類似工程可參考與借鑒。

關(guān)鍵詞 改擴建項目；樁基施工；老橋影響；數(shù)值分析

中圖分類號 U418.8文獻標識碼A文章編號 2096-8949（2023）16-0052-04

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，日益增長的交通需求對交通設(shè)施的要求持續(xù)增加。既有交通設(shè)施需要通過提升改進，進一步提升服役能力，以滿足交通流量增加的需求。因此，近年來我國既有高速公路開始了大規(guī)模的改擴建建設(shè)。與改擴建相關(guān)的研究也開始陸續(xù)開展[1-2]。

已經(jīng)開展的改擴建相關(guān)的研究主要集中在老橋拼寬基礎(chǔ)、新老橋梁連接技術(shù)、老橋拆除施工等方面的研究，這些研究重點解決了上部結(jié)構(gòu)的拼接技術(shù)問題[2-4]。朱敏[5]等人也對拓寬后橋梁對老橋基礎(chǔ)的影響性進行了研究。蘇磊[6]等人對新橋建成后老橋基礎(chǔ)拆除對新橋的影響性進行了研究。汪明成[7]等人研究了老橋拆除后原廢舊基礎(chǔ)對新橋樁基礎(chǔ)施工的影響及對應(yīng)的解決措施。已有研究中，對樁基下部結(jié)構(gòu)施工過程對老橋的影響性研究較少。對于在老橋拆除前，利用橋下空間提前進行樁基礎(chǔ)施工的研究更少。

蕪宣改擴建項目屬于交通繁忙的既有高速公路改擴建工程，具有施工周期短，施工難度大的特點。在大橋的施工組織設(shè)計中，考慮在老橋拆除前利用老橋橋下空間先完成部分新建橋梁樁基的施工，以節(jié)約施工工期。為了分析這種施工組織的可行性，該文對清水河大橋新橋樁基施工對老橋的影響性進行了分析。

1 工程概述

1.1 總體概況

清水河大橋是蕪宣改擴建項目WX03標范圍內(nèi)跨越蕪太運河的關(guān)鍵節(jié)點。在項目改擴建由原有雙向四車道拓寬為雙向八車道，改建中將原有的老橋拆除，新建分幅雙向八車道橋梁。清水河大橋老橋采用變截面連續(xù)箱梁橋梁，橋梁跨徑組合為（30+9×52+30）m，其中中間兩個52 m孔跨為通航孔。大橋采用分幅布置，單幅主梁斷面為單箱單室斷面，根部梁高為2.8 m，跨中梁高為1.5，頂板寬為12.75 m，底板寬為5.0 m，橋面設(shè)置2%的橫坡，橋面橫坡由腹板高度調(diào)整。橋墩采用獨柱式圓形橋墩，橋墩直徑為2.2 m，墩頂沿橫橋向擴大支撐主梁。左右幅橋墩沿著河道方向進行錯孔布置，老橋采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁基直徑為1.5 m。

新建橋梁為滿足三級航道要求，采用一跨過河的橋梁方案，主跨采用178 m鋼結(jié)構(gòu)系桿拱橋，大里程快遞引橋采用85 m鋼結(jié)構(gòu)系桿拱橋，小里程引橋采用[（40+66+40）+3×40]m的鋼箱組合梁。下部結(jié)構(gòu)采用圓形墩柱和鉆孔管柱樁基礎(chǔ)，樁基直徑為2 m。

新建橋梁和老橋的平面線位關(guān)系如圖1所示。新建左幅橋梁為老橋平面線位處，新建右幅橋梁位于老橋右側(cè)，新建橋梁左右幅也采用錯孔布置，以滿足與河道斜交的要求。

1.2 施工特點

針對改擴建項目施工周期段和工期進展的特點，在大橋的施工組織設(shè)計中，考慮在老橋拆除前利用老橋橋下空間先完成部分新建橋梁樁基的施工，以節(jié)約施工工期。在老橋拆除前擬施工的樁基位置與老橋承臺及樁基的位置關(guān)系如圖2所示。由圖示位置關(guān)系可知，在老橋拆除前需要提前施工的橋墩為大橋左幅14#～19#橋墩的樁基。

其中新建15#橋墩與老橋15#墩位置臨近，因此計劃15#橋墩只進行2根樁基提前施工，此外16#橋墩與老橋橋墩的位置也很近。由于新建橋梁提前施工樁基與老橋的樁基距離非常臨近，為了分析新橋樁基提前施工的可行性，需要對新橋樁基施工對老橋的影響性進行分析，以確保施工過程老橋的安全可靠。

2 計算方法

2.1 計算模型

為了提高計算效率，該次計算采用上下部分離的方式進行計算。即將上部結(jié)構(gòu)的反力施加在下部結(jié)構(gòu)上，分析下部結(jié)構(gòu)在施工過程中的變形，再將針對下部土地及樁基礎(chǔ)施工過程的相互影響性分析利用有限元軟件PLAXIS 3D建立清水河大橋橋梁樁基的數(shù)值分析模型，分析計算新建樁基對既有橋梁樁基的影響。PLAXIS程序是專門用于分析巖土工程變形和穩(wěn)定性的大型有限元計算程序。計算模型如圖3所示。根據(jù)評估樁基范圍，選定建模范圍為450 m×150 m×60 m。模型的邊界條件：模型底部為完全固定，即土體水平向和豎向位移均約束；模型的四周為法向固定，即土體水平約束，豎向自由，各底層的土體參數(shù)與地勘獲得的主要參數(shù)保持一致。

2.2 模型參數(shù)

該場地地層以軟黏土為主，為了準確模擬開挖卸載與樁基施工的影響，采用HSS土體本構(gòu)模型，如圖4所示。HSS本構(gòu)模型不僅考慮剪切硬化和壓縮硬化，同時還考慮土體小應(yīng)變剛度特性，而且還增加了對土體小應(yīng)變情況下的剪切模量衰減行為的考慮，在理論上更進一步。因此，HSS本構(gòu)模型能更好地適用于敏感環(huán)境下開挖及對周圍復(fù)雜環(huán)境的數(shù)值分析，計算結(jié)果能更好地預(yù)測既有樁基變形情況。

計算中各土層的土力學參數(shù)及本構(gòu)模型中的主要參數(shù)的取值如表1所示。

計算中分別模擬了每組樁基轉(zhuǎn)孔、管注工況下老橋基礎(chǔ)的變化情況，在計算中將上部結(jié)構(gòu)計算得到的反力標準組最大值施加在樁頂，并在縱向限位支座對應(yīng)的墩頂施加水平反力。

3 基坑穩(wěn)定性計算

3.1 19#墩樁基施工過程影響分析

以樁基深度和群樁數(shù)量最多的19#橋墩樁基施工為例，新建橋梁的19#墩樁基對既有橋梁樁基的影響主要作用于舊橋#21墩。在樁基開挖階段，舊橋21#墩樁基產(chǎn)生上浮變形值為0.21 mm，最大水平位移為0.34 mm，沿線路走向。垂直于線路走向的最大水平位移為0.01 mm。如圖5所示。

在樁基澆筑完成后，由于混凝土壓重造成既有舊橋21#墩樁基的沉降，最大沉降量增加至0.04 mm，最大水平位移為0.04 mm，方向垂直于線路走向。沿線路走向的最大水平位移為0.01 mm。以上計算結(jié)果表明19#橋墩樁基施工過程對老橋基礎(chǔ)帶來的位移均很小。

3.2 各墩樁基施工過程影響匯總

用同樣的方法對其他各橋墩樁基施工過程中引起的老橋橋墩變位進行了計算分析，得到各墩柱的影響結(jié)構(gòu)匯總情況如表2所示。

由表2的匯總結(jié)果可知，新建橋梁樁基施工（19#～14#）對舊橋下部結(jié)構(gòu)有一定影響，但最大值均小于0.5 mm，處于安全可控范圍內(nèi)。從分析結(jié)果可知樁基施工對既有橋梁下部結(jié)構(gòu)的影響集中于開挖階段，樁基填筑將恢復(fù)部分開挖卸載引起的變形。在施工19#墩時，最大位移產(chǎn)生于舊橋21#墩，開挖后的水平位移達0.34 mm，豎向隆起達0.21 mm。變形產(chǎn)生較大的主要因素為19#的樁基數(shù)量多，且同樣為近距離施工，開挖階段是主要風險點。

4 對主梁受力的影響性分析

下部結(jié)構(gòu)變形影響分析結(jié)果表明，在樁基提前施工過程中對橋墩產(chǎn)出的變形影響均在1 mm以內(nèi)。為了分析基礎(chǔ)沉降對上部結(jié)構(gòu)的影響量，按照基礎(chǔ)出現(xiàn)5 mm不均勻沉降的情況下分析結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化情況。

在橋墩出現(xiàn)5 mm不均勻沉降時，對主梁產(chǎn)生的附加應(yīng)力分布如圖6所示。主梁上緣出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力為0.15 MPa，主梁下緣出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力為0.32 MPa。當出現(xiàn)1 mm變位時，對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響不超過0.1 MPa，基本可以忽略不計。

在橋墩出現(xiàn)5 mm不均勻沉降時，主梁截面出現(xiàn)的最大正彎矩為4 377 kN·m，最大負彎矩為2 369 kN·m。與恒載下的彎矩相比不足0.5%，其對承載能力的影響基本可以忽略不計。

通過對基礎(chǔ)變位情況主梁上部結(jié)構(gòu)的計算分析可知，下部發(fā)生1 mm基礎(chǔ)變位對上部結(jié)構(gòu)的承載能力和主梁應(yīng)力基本無影響，結(jié)構(gòu)的承載能力滿足要求。由此可知在下部樁基施工過程中運營的老橋結(jié)構(gòu)安全性良好。

5 結(jié)論

該文以蕪宣高速公路改擴建項目水清河大橋拆除重建項目為依托，對臨近老橋基礎(chǔ)施工過程中老橋的影響性進行了分析，并對運營安全性進行了研究，得到以下主要結(jié)論：

（1）樁基施工對既有橋梁下部結(jié)構(gòu)的影響集中于開挖階段，樁基填筑將恢復(fù)部分開挖卸載引起的變形，新建橋梁樁基施工（19#～14#）對舊橋下部結(jié)構(gòu)有一定影響，但最大值均小于0.5 mm，處于安全可控范圍內(nèi)。

（2）當老橋基礎(chǔ)出現(xiàn)1 mm變位時，對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響不超過0.1 MPa，基本可以忽略不計。

（3）下部發(fā)生1 mm基礎(chǔ)變位對上部結(jié)構(gòu)的承載能力和主梁應(yīng)力基本無影響，結(jié)構(gòu)的承載能力滿足要求，由此可知在下部樁基施工過程中運營的老橋結(jié)構(gòu)安全性良好。

（4）該文針對老橋拆除前提前進行新橋樁基施工的可行性進行了分析，其他類似工程可參考與借鑒。

參考文獻

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