疏浚对既有桥梁安全影响的分析

2022-02-25谭兴丰徐伟洲

城市道桥与防洪 2022年1期

谭兴丰，徐伟洲

（温州设计集团有限公司，浙江温州 325000）

1 工程概况

温州某大桥工程，北起永嘉县东瓯街道，经江心屿、江滨路、鹿城路与104国道温州过境段相连，全长5173m，桥面宽21.4m，为双向4车道，2000年8月11日正式开通运营。大桥主要结构，起点桩号为K1+191，终点桩号为K3+949，全长为2048m，桥下通航净空为91×21m，航道等级为Ⅰ级[2]。本次涉及的江心屿河段是瓯江进入河口过渡段经历的第一分汊河段，由于受上村丁顺坝等工程的影响，瓯江江心屿河段南、北汊分流比出现失衡现象。南汊长期冲刷，影响堤防行洪安全，水深流急，不利于航道安全。北汊低潮位时局部露滩，影响江心孤屿名胜景观。为实现防洪安全目标、游船通航目标和景观美化目标，实现交通、旅游、水利等综合效益，开展江心屿河段整治深化研究。由此引起河段开挖，对东瓯大桥桥墩安全性的影响。桥梁区位如图1所示。

图1 桥梁鸟瞰区位图

2 计算方法与模型分析

研究的对象主要是瓯江江心屿河段整治对东瓯大桥下部结构的影响，通过对瓯江江心屿河段整治过程中分步骤、分情况进行疏浚整治的影响，对桥梁下部结构建立不同的模型进行分析，分阶段、分步骤、分情况进行研究分析。

2.1 河段整治步骤[3-4]

（1）拆除上村丁顺坝北汊进口部分，拆坝有效长度约320m，底高程-3.3m。

（2）第一步完成后，北汊顺槽“S形”开挖。考虑到开挖后会有泥沙回淤，超挖0.3m，底高程为-3.6m。

（3）上村边滩进一步切滩，扩大北汊口门宽度，以增加北汊水动力，减少挖槽内回淤。切滩底高程为-3.3m，上村丁顺坝以下逐渐与北汊浅滩过渡到-2m左右。

（4）加大拆坝和开挖力度，以上范围不变，拆坝和开挖底高程为-5m，目标是在景观的基础上进一步实现游船通航的要求。具体各个阶段的内容如图2所示。

图2 河段疏浚位置内容示意图

2.2 桥梁计算工况

根据河段整治的步骤分析，对桥梁下部结构的影响对应分为几种不同的工况，具体如下：

工况一：按原设计地面（河床）标高对东瓯大桥北汊段各节点进行复核。

工况二：按照河道步骤二实施后，北汊挖槽至-3.6m对东瓯大桥北汊段各节点进行复核。

工况三：按照河道步骤三实施后，上村边滩切滩至-3.3m（北汊挖槽至-3.6m已完成），对东瓯大桥北汊段各节点进行复核。

工况四：按照河道步骤四实施后，北汊进一步挖槽至-5m（上村边滩切滩已完成），对东瓯大桥北汊段各节点进行复核。

2.3 影响节点划分

节点A：引桥段20#墩~25#墩。由于上村边滩在整治方案中须实施切滩，故将位于该切滩范围内的21#墩至25#墩之间的一联桥梁作为一处主要考虑对象，同时将维持现状地面标高的20#墩纳入至该节点的影响范畴，作为21#墩至25#墩的近邻影响墩考虑。

节点B：引桥段29#墩~33#墩。该部分桥墩恰位于北汊挖槽区域相对中心位置，将其作为挖槽影响范围的主要考虑节点。

节点C：路线右拼宽段35#墩~38#墩。由于江心屿连接段拼宽桥梁桥型异于一般引桥段，桥面宽度、上部结构梁板、下部结构尺寸均不相同，故视为特殊节点考虑。节点划分如图3所示。

图3 桥梁节点划分示意图

2.4 考虑的影响因素

（1）桥墩刚度重分配，由于切滩开挖，引起桩柱抗推刚度减小，意味着在全桥水平力（即汽车制动力与温度力）将重新按照全桥各墩的抗推刚度进行分配，挖槽范围内的下部结构和邻近墩的抗推刚度（如邻近尚未进行切滩的21#墩至25#墩等）未发生变化的下部结构都将受到影响，各桩柱所受水平力和弯矩数据将随即改变。

（2）地面标高的下降，将会使桩柱的计算长度发生变化，影响其正截面抗压承载力的大小。

（3）地面标高的下降显然会使得桩基所处土层的参数发生变化，影响桩基单桩受压承载力的大小。

2.5 结构建模分析

利用Midas和桥梁设计师，分不同的工况，建立模型，进行结构分析，具体结果如下。

由表1可知，位于切滩及挖槽范围内的桥墩由于地面（河床）标高下降，引起抗推刚度减小，致使水平力分配比重下降，柱底弯矩均存在一定程度的减小。但类似20#墩这样邻近切滩或挖槽范围并未改变其地面（河床）标高的桥墩。虽然刚度未变化，但相应水平力分配比重上升，反而引起柱底弯矩的增加。

表1 柱底弯矩汇总表

由表2可知，因北汊河段整治方案仅涉及地面（河床）标高的变化，基本不会对桩顶最大竖向力产生影响。

表2 桩顶竖向力汇总表

由表3可知，由于切滩及挖槽的影响，范围内的桩柱式桥墩自由长度增大，墩柱稳定性减弱，从而引起裂缝宽度增大。在各工况条件下，各节点位置裂缝宽度虽超限，但仍可满足规范要求。

表3 柱底裂缝宽度汇总表

由表4可知，由于切滩及挖槽的影响，桥墩桩基入土深度减小，在桩顶最大竖向力基本不变的情况下，主要由于置换土重相应减小，在切滩及挖槽范围内的桥墩桩身最大竖向力，且开挖深度越大，桩身最大竖向力增大越多，在切滩位置尤为显著。

表4 桩身竖向力汇总表

由表5可知，由于切滩及挖槽的影响，桥墩桩基埋置深度减小。一方面，桩侧所提供的摩阻力减小，所占比例不大；另一方面，由于修正后的桩端土承载力迅速减小，单桩轴向承载力容许值整体减小。且开挖深度越大，切滩及挖槽范围内的桥墩单桩轴向承载力容许值下降越多，在切滩位置尤为显著。

表5 单桩受压承载力汇总表

同时，引桥21#墩～23#墩在切滩实施后，单桩受压承载力最大已下降至9126kN，即无法满足原设计图纸上对引桥段单桩承载力9500kN的要求。拼宽桥35#墩～37#墩在工况四，即挖槽深度达到-5m时，单桩受压承载力计算得8493kN，已十分接近原设计图纸上对拼宽桥单桩承载力8429kN的要求，富余量极小。此外，本次评估计算采用汽车荷载为公路Ⅱ级，实际东瓯大桥现状交通流量大，承受荷载也相应较大，对此应引起重视。

2.6 研究结论

（1）在切滩及挖槽的影响下，瓯江江心屿河段北汊范围内的桥墩所分配水平力比重下降，墩柱桩身所受弯矩相应降低。但邻近开挖范围未改变其地面（河床）标高的桥墩（如20#墩），其水平力分配比重将显著上升，应引起重视。

（2）在切滩及挖槽实施后，范围内桥墩桩柱计算长度将明显增大，不利于其墩柱受压稳定，对于其偏心受压截面承载力及墩柱裂缝宽度都将产生负面影响。由于在靠近江心屿连接段工程的桥墩，其墩柱高度随纵坡抬升而不断增大，但相关构造并未做提升，故在此范围内的高墩柱（引桥32#墩至37#墩及拼宽桥35#墩至37#墩）的问题更为突出。

（3）在切滩及挖槽实施后，范围内桥墩桩基单桩受压承载力将不可避免地减小，在切滩处尤为明显，减小幅度可达到近14%。虽然根据浙江省交通设计院原施工图设计图纸，引桥段桥墩桩基桩顶承载力设计值为9500kN，而在本次影响分析中桩顶最大竖向力基本均未变化，但在切滩及挖槽实施后，承载力容许值减小，可以看到切滩范围内部分桩基（21#墩至23#墩）承载力已无法满足桩身最大竖向力要求，挖槽范围内桩基承载力富余值也已不大。