下穿路基施工与运营对桥梁安全的影响分析

赵卫国

（云南交投集团云岭建设有限公司，昆明 650224）

为更好地利用高速公路网带动地方经济社会发展，需将高速公路与地方道路有机连接，形成综合交通运输网络，然而在改扩建施工中土石方开挖或回填会对周边的桥梁产生扰动，施工控制不好将导致路基不均匀沉降及变形，危害原桥梁结构的运营安全。因此有必要在项目建设前对原结构进行安全风险评估，确保施工过程及运营阶段安全可控。本文以某运营桥梁下方下穿某新改建公路工程路基施工为例，根据设计图、桩板挡墙设计图、路线平面设计图及相关地勘报告等资料，针对下穿路基施工和运营对上跨桥梁的影响进行安全评估，对邻近范围内的大桥主梁及下部结构进行安全影响分析，通过评估确定路基修建对桥梁的安全影响是否可控，为今后类似工程提供参考。

1 工程背景及计算思路

1.1 工程背景

新改建公路工程路基下穿高速公路某桥3#、4#桥墩，下穿里程段为K1+210～K1+240，长度为30 m。该段落新建公路路基左侧及右侧K1+227.45～K1+239.12 为填方段，最大填土高度为9.8 m；新建公路右侧路基段K1+214.67～K1+227.45 m 为挖方段，最大开挖高度为7.5 m。该段路基紧邻高速公路桥梁3#、4#桥墩，不具备放坡施工条件，在两侧设置桩板墙后进行土方回填。上跨桥梁全长849.5 m，共7 联，每一联为3×40 m 预应力混凝土T 梁（后张），先简支后连续，3#、4#桥墩位于桥梁后2 联。平面位置关系图如图1 所示，断面位置关系图如图2、图3 所示。

图2 K1+210 断面位置关系图

图3 K1+240 断面位置关系图

1.2 风险源分析

新改建公路工程路基施工先采用桩板挡墙进行支护，然后再进行路堤回填（少量开挖）施工，经分析主要存在以下4 个风险点。

风险源1：桩板挡墙的基坑开挖可能会对临近桥墩造成影响。

风险源2：桩板挡墙的修建，会对土体产生挤压作用，可能会对临近桥墩造成影响。

风险源3：路堤回填。该处从起点至终点都存在大量的土方回填，最大回填高度达10 m，大量的土方回填会产生较大的主动土压力，可能会使临近桥墩发生较大位移，从而影响桥梁上部结构安全。

风险源4：运营阶段。路面铺装和车辆荷载会对路基产生压力，该压力会转化为土压力从而传递至邻近桥墩，该土压力会与前面土方回填产生的影响相互叠加，此时桥墩发生的位移最大，该阶段为最不利工况，对主梁结构安全影响最大。

1.3 计算内容

结合风险源识别并根据安全影响分析目的，本文主要计算内容如下。

一是根据当前条件下地质资料及设计图纸，并结合现场勘察，确定当前地面线高度，岩土分层，各结构物的相对位置以及路面设计标高，建立模型模拟路基施工各个阶段（开挖桩板基坑-修建桩板挡墙-回填路堤-运营阶段），并以此评估桥墩受到施工影响后的安全性。

二是根据桥墩位移计算情况，确定桥梁在最不利荷载工况承载能力极限状态下所有荷载组合包络下桥梁的强度、刚度和稳定性，评估原有高速公路桥梁结构受新建下穿公路工程影响的安全性，进一步确定桥梁是否会出现倒塌或产生不适宜正常运营的过大变形。

2 路基施工过程仿真分析

本文通过分析结构物之间的相互影响关系，选取了下穿道路基施工与桥梁3#、4#墩交叉段范围建立三维有限元模型。有限元模型包括岩土结构，桥墩、承台及桩基结构，桩板挡土墙结构，均采用三维实体单元模拟并赋予相应力学参数。根据下穿公路路基与桥梁结构空间相对位置关系建立有限元模型如图4 所示。

图4 模型中结构各空间位置图

为了更加真实地模拟地基应力现状，模型应从桥梁基础还未施工时开始模拟，当桥梁基础施工完成后，再将位移清零，从而获得施工路基对桥墩的单一影响结果，根据计算要求，模型施工阶段划分为初始地基应力-桥梁基础施工-位移清零-桩板基坑开挖-桩板挡墙施工-路堤回填开挖-道路运营阶段共7 个施工阶段，对各施工阶段通过结构网格组、荷载及边界的激活与钝化进行模拟分析。

经计算，路基施工及运营阶段左右幅3#、4#桥墩墩顶位移值统计结果见表1。

表1 路基施工各阶段3#、4#桥墩墩顶位移统计值 mm

桥梁墩柱顶部水平位移过大会导致桥墩倾斜，影响桥墩整体稳定性；墩柱上过大的竖向位移导致上部结构整体沉降，影响桥梁承载能力。从表1 可知，对桥墩造成最不利影响即桥墩发生最大位移的阶段为运营阶段。①参照JTG F80/1—2017《公路工程质量检验评定标准》第8.6.1 条关于墩台竖直度限值的相关规定：当桥墩高度小于等于60 m 时，墩台顶水平位移小于等于0.1%倍墩台高，且小于20 mm。左幅3#墩墩顶最大水平位移3.133 mm≤54.491 mm，且小于等于20 mm，右幅3#墩墩顶最大水平位移2.463 mm≤51.081 mm，且小于等于20 mm，左幅4#墩墩顶最大水平位移1.031mm≤39.991mm，且小于等于20 mm，右幅4#墩墩顶最大水平位移0.736 mm≤35.181 mm，且小于等于20 mm。该位移值对桥梁结构安全影响较小，风险可控。②参照JTG F80/1—2017《公路工程质量检验评定标准》第8.12.6 条关于梁桥支座安装误差限值的相关规定：桥梁支座高程偏差限值为±5 mm。左幅3#墩墩顶最大竖向位移0.729 mm≤5 mm，右幅3#墩墩顶最大竖向位移0.410 mm≤5 mm，左幅4#墩墩顶最大竖向位移0.601 mm≤20 mm，右幅4#墩墩顶最大竖向位移0.393 mm≤5 mm。该位移值对桥梁结构安全影响较小，风险可控。

3 桥梁结构有限元分析

结合本文第二节计算结果，运用MIDAS/Civil 结构有限元分析软件对3#、4#桥墩影响范围内的两联桥梁进行建模计算，比较公路工程施工及运营前后引起桥梁结构强度、刚度的改变，第一种情况为桥梁原始设计状态下的结构内力；第二种情况为修建桩板挡墙及公路后，3#、4#桥墩受到土体挤压作用，墩顶发生偏位后桥梁结构的内力。该有限元计算模型如图5 所示。

图5 桥梁有限元计算模型

3.1 上部结构计算

经过有限元模型计算出原始设计状态下结构内力值，以及3#、4#桥墩受到土体挤压，墩顶发生最大位移情况下结构内力及变形，在此不详细列出2 种情况下内力计算值，仅列出主梁各控制截面承载能力状态下弯矩差值百分比，计算公式为弯矩差值百分比=（修路后弯矩-原设计弯矩）/原设计弯矩×100%，具体计算结果见表2。从表2 可以看出，公路修建前后2 种情况下，1—5 号T 梁承载能力极限状态下各控制截面弯矩增量变化远小于5%的准许变化限值，相同计算方法可得，道路修建前后，1—5 号主梁的剪力增量变化均远小于5%的准许变化限值，所以改扩建公路工程对桥梁主梁受力影响不大。

表2 主梁承载能力状态下弯矩计算结果对比 %

3.2 下部结构计算

新改建公路工程路基下穿大桥3#、4#桥墩，临近桥墩受公路修建工程影响最大，因此重点分析3#、4#桥墩的内力及位移。公路修建前后2 种情况下，3#、4#桥墩承载能力极限状态下桥墩应力及位移计算结果对比见表3。从表中可以看出，修路前后，桥墩的应力及位移均较小，且应力变化小于5%，位移变化虽然超过5%，但修路前后桥墩位移值均在允许值20 mm 以内，所以改扩建公路工程对大桥临近桥墩受力影响可控。

表3 承载能力极限状态下3#、4#桥墩内力及位移计算结果对比表

公路修建前后2 种情况下，3#、4#墩桩基承载能力极限状态下应力及位移计算结果对比见表4，从表中可得修路前后，桩基的应力及位移均较小，且应力变化小于5%，位移变化虽然超过5%，但修路前后桩基位移值几乎可以忽略，所以改扩建公路工程对大桥临近桥墩桩基受力影响可控。

表4 承载能力极限状态下3#、4#桥墩桩基内力及位移计算结果对比表

4 结论及建议

1）通过建立模型模拟路基施工各个阶段，得到对桥墩造成最不利影响即桥墩发生最大位移的阶段为运营阶段。根据规范，墩顶发生最大位移值均在允许值范围内。

2）通过对结构有限元分析软件对3#、4#桥墩影响范围内的2 联桥梁进行建模计算，T 梁在承载能力极限状态下弯矩和剪力均小于5%的准许变化值。桥墩的应力及位移均较小，且应力变化小于5%，位移变化虽然超过5%但均在允许位移范围内。桩基的应力变化小于5%，位移变化虽然超过5%，但位移绝对值很小，影响可忽略。

3）通过计算分析可知，新建公路路基施工对桥梁的影响较小，故新改建公路工程对桥梁结构受力影响在安全范围内。但在路基开挖和回填阶段，建议施工尽量分区、分层、对称、均衡施工，以保证施工的质量安全。