新建特大桥跨越既有供水箱涵方案安全性分析

罗宏伟

(广东华迪工程管理有限公司，广州 510030)

0 引 言

随着城市基础设施建设的不断进行，新建设施跨越既有工程的现象较为常见。张伟光等[1]对地铁施工过程中穿越既有建筑物的风险进行分析，认为施工过程中严格按要求施工，可控制对既有建筑物的影响，韩健勇等[2]采用数值模拟方法分析了深基坑开挖对既有工程的影响；李二伟等[3]研究了临近既有建筑物深水植桩复合围堰施工技术，以减少对既有工程的扰动。根据前人研究可知，虽然提前采取加固措施、控制施工质量，可降低新工程建设对既有工程的影响，但新工程建设对既有工程产生的影响程度是各不相同的，针对这方面进行研究是十分重要的。目前，针对临近既有建筑物新工程建设的研究方法主要为数值模拟方法，采用数值模拟方法，具有建模简便，计算速度快，可模拟多种工况等优势[4-7]。

1 跨越方案研究

1.1 新建特大桥概况

根据大桥设计图纸，92#-93#墩桥面结构采用预制无砟轨道后张法预应力混凝土简支箱梁(CRTSI型双块式无砟轨道，双线；直线：70.60kN/m；曲线：80.96kN/m)。梁体混凝土强度等级为C50，梁长为32.6m，防护墙内侧净宽9m，桥梁宽度12.6m，桥梁建筑总宽12.9m。桥台采用双线矩形空心桥台，桥墩均采用圆端形实体墩。支承垫石采用C40钢筋混凝土，顶帽及托盘采用C35钢筋混凝土，墩身混凝土采用C35。每个桥墩采用钻孔灌注桩基础，底部设置8根摩擦桩，桩径1.0m，92#墩每根桩桩长34m，93#墩每根桩桩长31.5m。

1.2 供水工程概况

输水箱涵采用现浇钢筋混凝土双孔矩形断面结构型式，单孔尺寸3.2mX4.0m(净宽×净高)。输水箱涵沿线设四级检修公路，宽度7.0m。永马公路-西枝江泵站进厂段检修公路为混凝土路面，其余均为泥灰结石路面。输水箱涵顶标准覆土厚度为1.0m，涵侧及涵顶回填土料邮碎石、砂土、黏性土等组成，回填密实度≥90%。输水箱涵标准断面(A型)见图1所示。箱涵采用C30混凝土，以10m一段进行分缝，以铜片止水，混凝土保护层为35mm。

图1 箱涵标准断面

1.3 大桥承台基坑及桩基施工方案

1.3.1 基坑施工方案

大桥基坑根据不同的地质条件分别采用钢板桩、开挖放坡、开挖放坡+锚喷防护等形式，具体防护措施见表1所示。根据表1，距供水箱涵最近的92#墩承台基坑开挖深度为3.21m，土层为：素填土及粉质黏土层，采用放坡开挖型式。

表1 基坑支护方案

1.3.2 桩基施工

大桥桩基共2058根，每桩长17-45.5m，桩径有Φ1.0m、Φ1.25m、Φ1.5m、Φ2.0m四种。其中Φ1.0m的1841根；Φ1.25m的99根；Φ1.5m的64根；2.0m的54根。根据地质情况结合嵌岩深度分析，采用冲击钻机施工墩台4个，旋挖钻机施工墩台241个。大桥跨越水源工程供水箱涵的92#、93#墩桩基直径为1.0m，桩的类型属摩擦桩，采用旋挖钻机施工。

1.4 大桥与箱涵关系

淡水河特大桥以桥跨方式跨越东部供水水源工程，跨越位置大桥桩号为DK143+880-DK143+913(对应大桥墩号为 92#-93#)。跨越位置东部供水水源工程的桩号约为 21+280(属永马路交叉-淡水河段输水箱涵 19+414.372-22+664.851段)。淡水河特大桥中心线与水源工程供水箱涵中心线夹角约为 89°，大桥 92#桥墩桩基距离供水箱涵结构边线为 5.24m， 93#桥墩桩基距离供水箱涵结构边线为15.01m，两者关系如图2所示。

图2 大桥与箱涵关系

2 数值模拟分析

通过三维地层结构法分析特大桥桩基对输水管道影响的定量分析主要从桩基施工前、后输水管道受力变化情况来判定桩基施工的影响。建模分析按实际的施工步骤模拟，把回填土状态作为初始状态，于是主要施工步骤为：①供水管现状(考虑桩基施工期间供水箱涵位于通水状态，故供水管现状为运行状态)→→②承台基坑开挖→→③桩基开挖及浇注→→④承台及桥面施工→→⑤大桥运行。

2.1 模型建立

根据相应的地质钻孔资料以及施工步骤，建立有限元模型如下列图所示(模型长×宽×高为100m×50m×60m，网格数量为270000)。

2.2 计算工况

本次输水箱涵结构安全复核，主要研究淡水河特大桥桩基对箱涵结构的影响。根据相关单位提供的施工图设计资料：92号桥墩桩基础：桩基础单根灌注桩的最大竖向力为3983.1kN，共8根桩。93号桥墩桩基础：桩基础单根灌注桩的最大竖向力为3977.1kN，共8根桩。

荷载步1：未打桩，箱涵受自重应力作用；

荷载步2：承台基坑开挖，箱涵靠92号墩侧存在一定卸荷作用；

荷载步3：全部桩基开挖及浇注，……；

荷载步4：桩基和承台施工，……；

荷载步5：大桥投入运行，施加桩顶设计荷载，箱涵受自重应力及桩顶荷载对箱涵侧边土体作用。

2.3 计算结果分析

依照主要施工步骤进行实际模拟，各个计算步骤供水箱涵变形及主应力值见表2。供水箱涵整体变形见图3所示。各步骤箱涵最大大主应力(拉应力)及最小小主应力(压应力)如图4所示(由于研究主要对象为供水箱涵，模型中未考虑桥面箱梁自身预应力的作用，仅考虑相关结构自重及外荷载作用)。由表3可以看出，随着不同施工步骤，供水箱涵的变形值有一定的增加，最大变形值为3.771mm。箱涵最大大主应力随着不同施工步骤变化量基本稳定，增量未超过3%，同时最大大主应力数值也未超过箱涵混凝土C30抗拉强度设计值1.43MPa；箱涵最小小主应力随着不同施工步骤有一定的增加，最大增幅为10.78%，但最小小主应力值未超过-0.5MPa，远小于箱涵混凝土C30抗压强度设计值-14.3MPa。综合上述分析结果，特大桥施工期及运行期对供水箱涵的影响基本可控。

表2 地层分布表

表3 供水箱涵变形及主应力值

(1)初始状态

(1)初始状态

3 结 论

以淡水河新建特大桥工程为例，采用有限元数值模拟方法分析大桥建设及运行使用过程中对既有供水箱涵工程的影响，通过建立数值模型，分析大桥基坑开挖、桩基施工、主体施工、建成使用等不同阶段箱涵的变形和应力。随着施工阶段的进行，箱涵变形有所增大，最大变形值为3.771mm。箱涵应力整体变化较小，特大桥施工期及运行期对供水箱涵的影响基本可控。