新建橋梁跨越既有供水箱涵安全影響分析

田嘉麟，鄧 堅

（深圳市東江水源工程管理處,廣東 深圳 518036）

0 引言

隨著我國高速公路、橋梁、城市管廊等基礎設施的快速發展,與城市既有工程的交叉隨之增加,特別是大城市不可或缺的大型輸水工程[1-2],新建工程勢必會對既有輸水建筑物的安全運行造成影響。如何滿足城市的快速發展,又保證城市供水安全成為急需解決問題。

在新建基礎設施對既有管道影響的研究中,羅偉宏[1]采用數值模擬分析了新建特大橋跨越施工期間對既有箱涵的影響,表明隨著施工階段進行箱涵變形有所增大。白雪[2]分析了新建橋梁樁基對既有高鐵箱涵的影響,表明了隔離樁的間距和排數等因素對箱涵影響不同。還有一些學者[3-5]研究了地鐵下穿既有建筑物、基坑開挖等對既有建筑物影響情況,表明不同新建工程對既有建筑物影響各不相同。但針對新建橋梁對長距離輸水建筑物（箱涵、隧洞等）的影響研究,目前還是缺乏的。基于此,本文以東部過境高速公路橋基跨越既有供水箱涵為研究對象,通過Midas GTS 建立三維數值模型,研究橋梁施工及后期運行期間對既有供水箱涵的影響。

1 跨越方案

1.1 工程概況

東部過境高速公路以深圳東部口岸為起點,向南與香港東部通道相銜接,形成《珠江三角洲城鎮群協調發展規劃》中“十三縱”之一的“粵贛高速”的組成部分,并通過與“沿海高速”以及“博深高速”相交,形成以香港為起點的、向粵東地區以及華南東部沿海地區發散的重要交通通道,全長22.373 km。東部過境高速公路與東江水源工程供水網絡干線工程共線段為坪山箱涵,東部過境高速公路在共線路段均采用橋梁結構。

1.2 東江水源供水箱涵既有

箱涵與基樁凈距為4.19 m～20 m,箱涵的覆土埋深為4.36 m～9 m。既有箱涵的規格為4.2 m×3.0 m,頂板、側墻和底板厚度均為0.5 m,箱涵采用C30,以20 m一段進行分縫,以銅片止水。

綜合分析設計橋涵整個施工過程中,樁基施工對既有箱涵的安全影響較大；其它分部分項施工均在地面以上,施工工藝對既有箱涵的影響微乎其微。

樁基的直徑為1.2 m～2.0 m,通過對設計圖紙中基樁平面位置與既有供水箱涵平面位置的比對,東江供水1 號橋～站前路高架橋設計樁基507 根,樁邊緣距既有供水箱涵對應的側邊小于5m 的樁基數量共19 根,樁邊緣距既有供水箱涵對應的側邊小于5 m～10 m 的樁基數量共29 根,樁邊緣距既有供水箱涵對應的側邊小于10 m～20 m 的樁基數量共66 根。

1.3 橋梁樁基施工方案

（1）施工工藝流程

棧橋設計→方案制定→設備材料進場→施工放樣→橋臺施工→桁架拼裝→拖拉、接長→主梁拖拉就位→橫梁安裝→縱梁安裝→橋面鋼板鋪裝→抗風拉桿安裝→結束

（2）施工放樣

根據施工圖位置,采用直接量距方法放出橋臺基礎位置,棧橋主橋兩側橋臺設在陸地上,然后用全站儀確定方向。

（3）橋臺基礎施工

橋臺基底采用50 cm 石灰土夯填密實,先進行基底承載力檢測,確保基底承載力不小于180 kPa。橋臺立模澆筑C30混凝土擴大基礎,模板加固牢靠。

（4）貝雷梁施工

貝雷主梁在橋頭空曠場地內拼裝,下面墊枕木,用吊車將貝雷逐片吊起,用桁架銷子相互連接。用支撐架螺栓將豎向支撐架、水平上下支撐架和貝雷連成整體,每節貝雷接頭位置安裝支撐架各一片,貝雷、水平支撐架之間采用接頭錯位連接。

（5）頂層分配梁及橋面施工

貝雷梁上設置I20 b工字鋼做橫向分配梁,吊車吊裝鋪設,每隔0.3 m 布置一道,分配梁與貝雷梁之間采用夾具連接,安裝過程中確保工字鋼頂面平整；頂層分配梁上滿鋪1 cm 厚的壓花鋼板；鋼棧橋兩側設置欄桿（高度1.2 m）,護欄采用Ф48 mm×3.5 mm 鋼管,焊接固定在外緣的工字鋼上,鋼管橫向采用三道角鋼縱向焊連。

2 數值模擬分析

2.1 模型建立

通過建立三維模型分析橋梁施工及運行對供水箱涵的受力變化,模型采用位移邊界作為邊界條件,除上表面為自由邊界外,各外表面均約束法線方向的位移,三維計算模型與空間位置關系見圖1。施工順序為：供水箱涵既有（正常通水狀態）→樁基施工→貝雷梁施工→橋梁施工→高速路運行期間。根據勘察報告資料,各土層參數見表1。

表1 各土層物理力學參數

圖1 三維數值模擬計算模型

2.2 模擬過程

本次研究以最不利工況Y5 橋墩對供水箱涵影響進行安全復核,模擬工況一施工期：①初始地應力；②承臺基坑開挖；③樁基開挖；④樁基施工。工況二運行期：⑤橋梁運行。分別依照次序施工模擬,本文將支架和貝雷梁施工荷載采用均布荷載形式添加所在區域,經計算其位移最大變形和最大應力云圖見圖2、圖3,運行期橋樁剪力和彎矩見圖4。

圖2 施工期結構最大位移及最大應力圖

圖3 運行期結構最大位移及最大應力圖

圖4 運行期橋樁剪力和彎矩圖

2.3 計算結果分析

經計算分析,箱涵變形及主應力值見表2,施工和運行各階段都對地表產生不同程度擾動,樁基與承臺結構施工階段產生最大地層附加沉降為4.82 mm,箱涵上地表附加沉降值最大為2.2 mm,主要發生在貝雷梁施工階段,而運行階段產生最大地層附加沉降為18.7 mm。橋梁施工過程中樁頂沉降大于樁底沉降趨勢。各階段都會引起箱涵結構發生位移變形,而在運行階段引起的箱涵位移變形最大,水平方向最大位移發生在箱涵側邊緣與頂部接觸位置,為1.88 mm,豎直方向最大變形在頂板位置,為8.23 mm。結構最大主應力1.02 MPa,最小主應力0.53 MPa,未超過箱涵混凝土C30 抗拉強度設計值1.43 MPa,滿足規范要求要求。綜上述分析結果分析,橋梁施工與運行期對供水箱涵的影響基本可控。

表2 箱涵變形及主應力值

3 結論

本文以東部過境高速路橋基施工對供水箱涵影響分析為例,采用有限元模擬了橋梁施工、運行期間對供水箱涵的影響,結果表明,隨著施工階段進行,供水箱涵結構變形累積發展,且最大主應力和最大位移值發生在運行期,但累計變化值比較小,均在可控范圍內。但樁基施工對箱涵影響受樁距影響,且由于不同土層彈性模量不同,建議在類似交叉工程采取加固措施,更好地保障箱涵設施。