新建河道下穿城市高架桥梁工程技术难点分析及总体布置方案比选

2022-05-07张舒静

水利规划与设计 2022年5期

陆扬，张舒静

(上海市水利工程设计研究院有限公司，上海 200061；上海滩涂海岸工程技术研究中心，上海 200061)

近几十年以来，随着我国国民经济的蓬勃发展以及不断加快的城市化进程，城市人口膨胀，建筑空间拥挤，地面硬化增多，城市交通及防洪排涝局势严峻。为了缓解该局势，城市水系建设势在必行，城市建设中交叉与邻近工程越来越多，新建工程对既有工程产生影响的案例屡见不鲜，最为典型的是堆载卸载工程(基坑开挖、河道开挖等)与已有的下穿(隧道、管线等)、上跨(桥梁、管线桥等)工程相互影响难以避免。

河道工程的开挖卸载会对周围土体产生扰动，一定深度范围内的地应力将重新分布，引起河底一定范围内的土体产生回弹，继而影响周边已建工程。针对以上问题，需提出经济、科学的工程技术措施与既有构筑物保护方案，确保工程顺利进行。

1 工程概况及实施技术难点

1.1 工程概况

本文以上海某规划河道新建工程为例，拟实施河道为上海市浦东新区的一条规划次干河道。工程范围内河道与主干路高架桥相交，竖向上河道岸坡位于已有桥梁下方约6m处。如图1—2所示。

图1 高架桥与拟建河道平面关系图

图2 高架桥与拟建河道竖向关系图

现状主线高架桥始建于1998年，道路等级为城市主干路，规划红线宽度约90m，设计车速为主线90km/h，匝道40km/h。拟新开河道下穿高架桥梁，共涉及4个桥墩，其中2个桥墩(Pm08#、09#)落在河槽内，另外2个桥墩(Pm07#、10#)落在河道岸边；对应的上部结构为2跨22m简支空心板梁结构和1跨3m×30m连续梁的边跨。既有桥梁总体布置如图3所示。

图3 代表性断面(承台距离蓝线最近位置，单位：m)

桥梁分双幅桥设置，每幅桥桥宽13m，中央分隔带宽2m。桥梁上部结构为空心板梁和连续梁。桥墩形式均为桩柱式桥墩，盖梁下接2根1.2m×1.2m的矩形方立柱，立柱下接承台，其中Pm07#、08#承台为哑铃型断面，平面尺寸8.75m×2.95m，承台厚度为1.8m，承台下方桩基础采用8根450mm×450mm小方桩，桩长45m；Pm09#、10#承台为矩形断面，平面尺寸9.5m×3.38m，承台厚度为1.8m，下部基础采用7根直径550mmPHC管桩，桩长55m。

1.2 技术难点

拟建河道规划口宽50m，河底宽度20m，河底高程-1.5m，同时需在既有高架桥下实施河槽开挖，卸土高度达6m。经分析，认为工程存在如下技术难点：

(1)卸土高，影响现状桥梁结构稳定。河道施工过程中的土体卸载将对现状桥墩承台及桩基周围土体产生扰动，一定深度范围内的地应力将重新分布，必然引起一定范围内的土体产生回弹。轻则使已建桥梁产生大的纵向变形，出现渗漏水、漏气和裂缝等病害；重则会影响桥梁的正常运行，限制运行车速甚至造成停用。因此，需采取合理的总体布置方案和一定的墩台及桩柱保护措施，确保工程实施及运营阶段主线高架桥梁安全。

(2)交叉情况复杂，影响河道流线流态。交叉位置不仅要满足桥梁结构安全，同时要保证河道行洪除涝能力。主干道高架桥桥墩承台位于规划河底以上，占用了部分河道过水断面，桥墩及承台顺水流方向中轴线与规划河道中心线交角约13°，需优化河道线型布置，提出河道行洪断面补偿方案，并分析补偿后的河道主槽流线流态和过流能力。

(3)桥下净空高度不足，施工难度大。现状桥梁梁底至地面净空高度仅6m，桥下施工作业面有限，围护桩施工难度大，桩间咬合质量难以控制。同时现状主干路交通流量大，应提出合理的施工期交通保障方案，确保施工期间交通分流有序。

2 工程总体布置方案比选

2.1 总体布置方案

针对以上工程技术难点，结合城市桥梁安全保护技术要求，本文拟定3种工程总体布置方案，并从河道过流能力及流态、河槽开挖对既有桥梁结构的影响、工程施工难度等方面进行比选。

方案一：在河道范围内涉及的4座桥墩承台外侧施打钢板桩，保留现状墩台及下部基础外侧土体，呈“岛”状布置；同时将桥墩处河道往两岸疏拓，河道设计口宽自50m疏拓为74m。如图4所示。

图4 方案一剖面图(单位：m)

方案二：对4座桥墩承台结构进行原位加固，将每根桥墩立柱下的承台部分每边扩大1.55m，并在扩大的承台基础下增加4根Φ600mm的钻孔灌注桩。如图5所示。

图5 方案二剖面图(单位：m)

方案三：桥梁投影范围内的河道采用C30钢筋砼U型槽结构，避免开挖水中桥墩基础。如图6所示。

图6 方案三剖面图(单位：m)

2.2 河道过流能力及流态分析

从河道水流条件及过流能力分析，各方案优缺点如下：

方案一优点是对河道过流能力影响较小，通过放大局部河道设计口宽，可补偿因钢板桩围护占用的河道过水断面，相较规划规模过水断面面积扩大了约2.2%，对河道过流及汛期行洪除涝无明显影响。但由于钢板桩围护结构的局部阻水，造成围护结构附近流态紊乱，水流存在一定的折冲，对岸坡、河势稳定有不利影响。体系不能补偿因卸荷导致的桩基负摩阻力增加，对老桥结构仍存在一定的影响，并且高架桥下净空高度仅6m，施工作业面有限，钢板桩需采用接桩焊接，施工质量难以保证。

方案二优点是对河道过流能力影响极小，过水断面面积比方案一更大，较规划过水面积扩大了约4%；同时对既有承台的扩大和加固，基本不会改变原有桥墩处的流场，对河势稳定无明显影响。采用承台扩大的加固方式可有效补偿因河道开挖引起的老结构桩基负摩阻力增加，对桥梁结构受力更为有利，同时在有限作业面下，钻孔灌注桩的施工质量更易保证。

方案三中U型槽方案会使河道主槽中水流被分为三汊且呈偏态布置，并且U型槽与东西两侧岸坡需设锥形过渡段进行衔接，进一步加剧了主槽偏流，使水流流态极为不利，易产生紊流冲刷上下游岸坡，对河势稳定有较大负面影响。

2.3 卸载及保护措施对既有结构影响分析

从上述方案比选可知，从对河道过流能力影响方面分析，方案一、二明显优于方案三。因此考虑各种施工因素和复杂的地表面边界条件的影响，合理分析河道开挖施工中土体的力学行为和施工引起的地表沉降，进一步对方案一、二进行比选。

本文采用专业岩土工程有限元计算分析软件PLAXIS，分析河道开挖施工引起的土体变形情况及其变形程度、施工土体应力应变分布规律、施工影响范围等。

2.3.1计算参数选取

(1)初始应力场的模拟：根据地勘报告提供的土层剖面，考虑不同的土体分层条件和重度，模拟土体初始应力场分布。

(2)连续介质模拟：有限元数值计算中土体采用基于Mohr-Coulomb的H-S高级土体行为模型，该模型是一个可以模拟包括软土和硬土在内地不同类型的土体行为的先进模型(土体刚度是应力相关的)，它使用的是塑性理论，而不是弹性理论。其次它考虑了土体的剪胀性，考虑了土体的卸荷对开挖的影响。再次，它引入了一个屈服帽盖。

(3)根据软件的内置材料模型并结合实际情况，对围护结构采用板单元模拟，该单元可以设定抗弯刚度以及抗压刚度等参数。

(4)模拟结构-土作用的参数采用Rinter，根据相关文献及上海地区经验，取为0.65。

(5)河道开挖过程模拟：通过有限元软件的“单元生死”，结合围护结构施工顺序，模拟河道开挖的施工全过程。

(6)计算区域为：深度取至足够深度，为地表以下120m。基坑剖面计算宽度为150m，同时对模型边界进行约束，左右两侧进行x向约束，底部进行y向约束。采用15节点三角形单元进行模拟土体。

2.3.2方案一计算成果

整体计算模型及河道开挖施工后整体位移云图如图7—8所示，北侧桥墩位移矢量如图9所示，南侧桥墩位移矢量如图10所示。由计算结果可知，北侧桥墩最大位移为13.96mm，水平位移为4.88mm，垂直位移为13.40mm，南侧桥墩最大位移为18.95mm，水平位移为18.07mm，垂直位移为5.83mm。

图7 有限元模型图

图8 整体位移计算云图

图9 北侧桥墩变形总位移矢量图

图10 南侧桥墩变形总位移矢量图

2.3.3方案二计算成果

整体计算模型及河道开挖施工后整体位移云图如图11—12所示，北侧桥墩位移矢量如图13所示，南侧桥墩位移矢量如图14所示。由计算结果可知，北侧桥墩最大位移为9.63mm，水平位移为4.10mm，垂直位移为9.20mm，南侧桥墩最大位移为14.13mm，水平位移为12.24mm，垂直位移为7.22mm。