海中互通立交施工對運營橋梁位移影響及控制措施分析

席俊杰

(廣東省公路建設有限公司， 廣東廣州 510000)

近年來，隨著國內經濟快速發展，城市或地域發展需求的相應增大，許多跨海、跨江的水中公路基礎設施項目不斷涌現，例如南昌紅谷隧道、港珠澳大橋珠海口岸隧道、廣州洲頭咀隧道等。由于地質條件、兩岸接線、城市既有建筑等條件的約束，此類項目的設計難度、施工難度均較大，尤其對于既有建筑的變形控制是設計和施工過程中關注的重點。

本文圍繞我國珠三角地區某高速公路通道接線工程水下互通施工難點，通過數值模擬，研究水下互通施工對既有橋梁的位移變形影響，并將研究結果反饋于設計，從設計角度給出變形控制措施，保證工程設計方案的科學、合理。

1　工程概況及地質條件簡介

該互通立交位于珠江出海口東岸，實現主線通道以及各匝道隧道與既有公路之間互通連接，互通采用渦輪形互通，所有轉向匝道均采用半直連或直連匝道，互通包括主線隧道，E、F、L、G、H、J匝道(圖1)。

圖1　互通立交平面布置

互通立交主隧道、F匝道、H匝道均與既有沿江高速高架橋交叉。既有高架橋為多跨連續梁結構，采用群樁基礎，樁底進入中微風化花崗巖地層。其中主隧道所穿橋跨兩側采用直徑2.5 m樁基，F匝道和H匝道穿越橋跨采用直徑1.6 m樁基。三處下穿位置既有橋梁底標高約18.4～20.1 m(圖2～圖4)。

圖2　主線下穿高架橋剖面(單位:m)

圖3　F匝道下穿高架橋橫剖面(單位:m)

圖4　H匝道下穿高架橋橫剖面(單位:m)

互通區地層從上至下依次為淤泥、粉質黏土、黏土、砂層、粉質黏土、全風化混合花崗巖、強風化混合花崗巖、中風化混合花崗巖(圖5)。地質條件較差，基底以淤泥及黏土層、粉質黏土地層為主，地基承載力較差，且淤泥較厚，多為流塑狀。

圖5　互通區地質剖面

2　有限元數值模型

互通區域的施工關鍵步序為：基槽開挖—圍閉筑壩結構施工—壩內回填砂—基坑開挖支護—主線及匝道施工—實現水下互通立交與隧道施工轉換。主線與F、H匝道的施工關鍵步序類似，主線的基坑深度和寬度均大于兩條匝道。

結合上述施工步序及圍巖參數分別針對F匝道、主線隧道下穿高架橋建立有限元模型。采用MIDAS/GTS數值計算軟件，計算模型橋墩和承臺采用實體單元模擬，彈性模型；圍巖、島壁采用實體單元模擬，采用摩爾庫倫模型；圍檁、內支撐及橋樁、橋墩采用梁單元模擬，本構關系為彈性，地下連續墻及橋面采用板單元模擬(表1～表3、圖6～圖9)。

表1　地質參數

圖6　F匝道模型及高架橋模型

3　模擬結果分析

根據JGJ 94-2008《建筑樁基技術規范》中5.5.4的規定，相鄰樁基差異沉降小于0.002L0(按最小橋跨27 m計算，相鄰樁基的差異沉降允許值為54 mm)，整體傾斜小于0.008 h(按橋高20 m計算，橋梁豎向位移差允許值為160 mm)，樁基最大累計沉降量小于350 mm；根據JGJ 94-2008《建筑樁基技術規范》中5.7.2～5.7.3的規定，水平位移允許值小于10 mm(表4、表5、圖10～圖13)。

圖7　F匝道施工工序

線路標高/m-4.0基坑底標高/m-5.5基坑深度8.5m考慮先期回填至+3.0m標高后再施工基坑基坑寬度/m17支撐設置設置兩道支撐(第一道鋼混支撐600mm×800mm,間距6m,與冠梁結合;第二道鋼支撐φ600,t=14,間距3m,采用工字鋼腰梁),采用梁單元模擬地連墻厚度0.8m,采用板單元模擬,嵌固12.9m既有高架橋承臺采用C30混凝土實體單元,樁基采用梁單元,樁徑1.6m,樁底入中風化,橋面采用板單元模擬,橋墩采用梁單元模擬,墩身尺寸1.8m×2.2m基坑頂面荷載/kPa20海水圍閉及內側回填在海中進行,因此圍閉結構和回填過程中海面以下至海床范圍采用浮容重,在海床面上施加海水水壓,施加海水水壓及重力后位移清零,模擬前期固結

圖8　主線模型及高架橋模型

從上述結果中分析可見，橋梁的最大豎向位移約5.4 mm(沉降)，遠小于規范允許的控制值要求。橋梁的最大水平位移為38.85 mm，發生在一期基坑開挖后，其中島壁填筑完畢時橋梁樁基的最大水平位移已達28.2 mm，壩內填砂完畢時最大水平位移為34.9 mm，因此壩體填筑及壩內回填階段為主要水平位移的產生來源。

圖9　主線施工步序

基坑深度/m18.6基坑寬度/m47支撐設置設置四道支撐(第一^第三道支撐采用鋼混支撐800mm×800mm,間距6m;第四道鋼支撐φ609 t=14,間距3m,采用工字鋼腰梁),采用梁單元模擬,設置兩排中立柱,立柱采用豎向約束模擬地連墻厚度1m,采用板單元模擬,嵌固約10m既有高架橋承臺采用C30混凝土實體單元,樁基采用梁單元,靠近基坑樁徑2.5m,遠離基坑樁徑1.6m,樁底入中風化,橋面采用板單元模擬,橋墩采用梁單元模擬,墩身尺寸1.8m×2.2m基坑頂面荷載/kPa20

表4　橋梁位移(F匝道施工模擬)　mm

圖10　無軟基處理最大水平位移

圖11　有軟基處理最大水平位移

考慮島壁以外的橋區淤泥處理后，橋梁最大水平位移由原來的最大38.9 mm降至最大22.3 mm，發生在海床面與樁相交位置，最大豎向位移由原來5.4 mm減小為4.7 mm。

通過上述模擬，樁基位移有以下特點：

主要發生在壩體回填階段和壩內填砂階段；最大位移發生在樁基和海床面相交位置，向下逐漸減小；位移來源主要是上部軟弱地層受擠壓后整體移動，以水平位移為主。

雖然進行了橋區范圍的整體地基處理，但橋梁變形仍較大，水平位移超出規范允許值。因此簡單的橋區淤泥處理無法控制對既有橋梁的影響。

表5　橋梁位移結果(主線隧道基坑施工模擬)　mm

圖12　常規基坑開挖施工橋梁最大水平位移

圖13　常規基坑開挖施工橋梁最大豎向位移

從上述結果分析可見，橋梁水平位移發生在靠近基坑的兩組樁基，在承臺下4～5 m位置，即淤泥層中間位置，最大水平位移14.5 mm，大于樁基允許水平位移值10 mm的要求。橋梁豎向位移發生在橋面位置，最大為4.8 mm，樁基及承臺最大沉降3.5 mm，小于規范允許沉降差要求。

由于水平位移超限，需要采取工程措施控制位移過度發展，結合本工程實際，建議具體措施如下：

(1)主隧道兩側采用1.5 m直徑的鋼管樁支護，中間采用旋噴樁止水，一方面剛度較大，另一方面可以在填島前水上施工，在主跨作為運輸通道期間對橋樁起保護作用。

(2)將主基坑位置填土標高調整為3.0 m，高于設計施工期水位。

(3)對主基坑兩側承臺周邊土體進行加固，具體加固方式建議為攪拌樁。

主線隧道加固后的水平位移見表6。

表6　橋梁位移　mm

調整后的橋梁水平變形(圖14)。

圖14　加固后基坑開挖施工橋梁最大水平位移

4　結論

(1)通過對島壁橫穿橋梁的計算分析可知，拋石島壁橫穿或緊貼平行橋梁形成的擠壓作用對相鄰橋孔樁基影響較大，主要影響為既有橋樁的水平位移超限，填砂過程也會對橋樁形成較大側壓，因此建議盡量避免將島壁設置在橋下或緊貼橋梁。同時清淤、填島過程中應盡量避免不平衡壓力，盡量做到東西平衡，南北緩坡，建議在橋樁區域清淤或填砂的坡度控制在1∶5以下，左右高差小于2 m。

(2)在對稱回填的情況下，主隧道基坑在不采取加固處理的情況下，橋樁水平位移最大值達14.8 mm，超過控制值10 mm的要求，因此建議通過加強圍護剛度、對承臺周邊地基加固、降低主隧道基坑深度等方法進行控制，經分析采取措施后水平位移可以控制在10 mm以內。

(3)在對稱清淤回填的前提下，G匝道位置窄條狀島體施工可以滿足橋梁保護控制值要求，針對E匝道位置島體只有一側島壁結構的情況，建議施工前對相鄰碼頭與高架橋平行的邊線進行雙排鋼管樁隔離加固，然后對橋區進行對稱清淤、回填。為減小樁基清淤后樁體裸露過長而側向撞擊抵抗能力減弱的問題，建議在橋樁周圍增加鋼板樁保護，鋼板樁宜沿橋梁承臺形成圍合區域避免中間淤泥被清除。

(4)以上計算僅為理論工況，受限于有限元方法和計算水平，與實際施工工況無法完全相同，因此建議采取以下措施：①施工過程中加強監測，根據監測情況指導施工，必要時采取進一步保護措施；②在無法做到完全對稱的情況下，敏感位置的清淤宜優先清除理論計算樁基水平位移朝向的另一側，填島則相反，但高差不宜過大；③施工過程中應避免對橋樁撞擊，提前做好橋樁防護，建議設備材料運輸盡量利用主隧道處橋孔，如需利用其它較小橋孔，應控制通行船只的寬度和行駛速度；④針對橋梁各項控制指標，建議下階段與橋梁設計、施工、運營管理單位進一步溝通協調。