新建特大橋跨越既有供水箱涵方案安全性分析

羅宏偉

(廣東華迪工程管理有限公司，廣州 510030)

0 引 言

隨著城市基礎設施建設的不斷進行，新建設施跨越既有工程的現象較為常見。張偉光等[1]對地鐵施工過程中穿越既有建筑物的風險進行分析，認為施工過程中嚴格按要求施工，可控制對既有建筑物的影響，韓健勇等[2]采用數值模擬方法分析了深基坑開挖對既有工程的影響；李二偉等[3]研究了臨近既有建筑物深水植樁復合圍堰施工技術，以減少對既有工程的擾動。根據前人研究可知，雖然提前采取加固措施、控制施工質量，可降低新工程建設對既有工程的影響，但新工程建設對既有工程產生的影響程度是各不相同的，針對這方面進行研究是十分重要的。目前，針對臨近既有建筑物新工程建設的研究方法主要為數值模擬方法，采用數值模擬方法，具有建模簡便，計算速度快，可模擬多種工況等優勢[4-7]。

1 跨越方案研究

1.1 新建特大橋概況

根據大橋設計圖紙，92#-93#墩橋面結構采用預制無砟軌道后張法預應力混凝土簡支箱梁(CRTSI型雙塊式無砟軌道，雙線；直線：70.60kN/m；曲線：80.96kN/m)。梁體混凝土強度等級為C50，梁長為32.6m，防護墻內側凈寬9m，橋梁寬度12.6m，橋梁建筑總寬12.9m。橋臺采用雙線矩形空心橋臺，橋墩均采用圓端形實體墩。支承墊石采用C40鋼筋混凝土，頂帽及托盤采用C35鋼筋混凝土，墩身混凝土采用C35。每個橋墩采用鉆孔灌注樁基礎，底部設置8根摩擦樁，樁徑1.0m，92#墩每根樁樁長34m，93#墩每根樁樁長31.5m。

1.2 供水工程概況

輸水箱涵采用現澆鋼筋混凝土雙孔矩形斷面結構型式，單孔尺寸3.2mX4.0m(凈寬×凈高)。輸水箱涵沿線設四級檢修公路，寬度7.0m。永馬公路-西枝江泵站進廠段檢修公路為混凝土路面，其余均為泥灰結石路面。輸水箱涵頂標準覆土厚度為1.0m，涵側及涵頂回填土料郵碎石、砂土、黏性土等組成，回填密實度≥90%。輸水箱涵標準斷面(A型)見圖1所示。箱涵采用C30混凝土，以10m一段進行分縫，以銅片止水，混凝土保護層為35mm。

圖1 箱涵標準斷面

1.3 大橋承臺基坑及樁基施工方案

1.3.1 基坑施工方案

大橋基坑根據不同的地質條件分別采用鋼板樁、開挖放坡、開挖放坡+錨噴防護等形式，具體防護措施見表1所示。根據表1，距供水箱涵最近的92#墩承臺基坑開挖深度為3.21m，土層為：素填土及粉質黏土層，采用放坡開挖型式。

表1 基坑支護方案

1.3.2 樁基施工

大橋樁基共2058根，每樁長17-45.5m，樁徑有Φ1.0m、Φ1.25m、Φ1.5m、Φ2.0m四種。其中Φ1.0m的1841根；Φ1.25m的99根；Φ1.5m的64根；2.0m的54根。根據地質情況結合嵌巖深度分析，采用沖擊鉆機施工墩臺4個，旋挖鉆機施工墩臺241個。大橋跨越水源工程供水箱涵的92#、93#墩樁基直徑為1.0m，樁的類型屬摩擦樁，采用旋挖鉆機施工。

1.4 大橋與箱涵關系

淡水河特大橋以橋跨方式跨越東部供水水源工程，跨越位置大橋樁號為DK143+880-DK143+913(對應大橋墩號為 92#-93#)。跨越位置東部供水水源工程的樁號約為 21+280(屬永馬路交叉-淡水河段輸水箱涵 19+414.372-22+664.851段)。淡水河特大橋中心線與水源工程供水箱涵中心線夾角約為 89°，大橋 92#橋墩樁基距離供水箱涵結構邊線為 5.24m， 93#橋墩樁基距離供水箱涵結構邊線為15.01m，兩者關系如圖2所示。

圖2 大橋與箱涵關系

2 數值模擬分析

通過三維地層結構法分析特大橋樁基對輸水管道影響的定量分析主要從樁基施工前、后輸水管道受力變化情況來判定樁基施工的影響。建模分析按實際的施工步驟模擬，把回填土狀態作為初始狀態，于是主要施工步驟為：①供水管現狀(考慮樁基施工期間供水箱涵位于通水狀態，故供水管現狀為運行狀態)→→②承臺基坑開挖→→③樁基開挖及澆注→→④承臺及橋面施工→→⑤大橋運行。

2.1 模型建立

根據相應的地質鉆孔資料以及施工步驟，建立有限元模型如下列圖所示(模型長×寬×高為100m×50m×60m，網格數量為270000)。

2.2 計算工況

本次輸水箱涵結構安全復核，主要研究淡水河特大橋樁基對箱涵結構的影響。根據相關單位提供的施工圖設計資料：92號橋墩樁基礎：樁基礎單根灌注樁的最大豎向力為3983.1kN，共8根樁。93號橋墩樁基礎：樁基礎單根灌注樁的最大豎向力為3977.1kN，共8根樁。

荷載步1：未打樁，箱涵受自重應力作用；

荷載步2：承臺基坑開挖，箱涵靠92號墩側存在一定卸荷作用；

荷載步3：全部樁基開挖及澆注，……；

荷載步4：樁基和承臺施工，……；

荷載步5：大橋投入運行，施加樁頂設計荷載，箱涵受自重應力及樁頂荷載對箱涵側邊土體作用。

2.3 計算結果分析

依照主要施工步驟進行實際模擬，各個計算步驟供水箱涵變形及主應力值見表2。供水箱涵整體變形見圖3所示。各步驟箱涵最大大主應力(拉應力)及最小小主應力(壓應力)如圖4所示(由于研究主要對象為供水箱涵，模型中未考慮橋面箱梁自身預應力的作用，僅考慮相關結構自重及外荷載作用)。由表3可以看出，隨著不同施工步驟，供水箱涵的變形值有一定的增加，最大變形值為3.771mm。箱涵最大大主應力隨著不同施工步驟變化量基本穩定，增量未超過3%，同時最大大主應力數值也未超過箱涵混凝土C30抗拉強度設計值1.43MPa；箱涵最小小主應力隨著不同施工步驟有一定的增加，最大增幅為10.78%，但最小小主應力值未超過-0.5MPa，遠小于箱涵混凝土C30抗壓強度設計值-14.3MPa。綜合上述分析結果，特大橋施工期及運行期對供水箱涵的影響基本可控。

表2 地層分布表

表3 供水箱涵變形及主應力值

(1)初始狀態

(1)初始狀態

3 結 論

以淡水河新建特大橋工程為例，采用有限元數值模擬方法分析大橋建設及運行使用過程中對既有供水箱涵工程的影響，通過建立數值模型，分析大橋基坑開挖、樁基施工、主體施工、建成使用等不同階段箱涵的變形和應力。隨著施工階段的進行，箱涵變形有所增大，最大變形值為3.771mm。箱涵應力整體變化較小，特大橋施工期及運行期對供水箱涵的影響基本可控。