傅家鲲

(成都市市政工程设计研究院有限公司，四川 成都 610023)

0 引言

恶劣天气会导致暴雨灾害，造成城市内涝不断加剧，给人民生命财产造成损失，生活造成不便。城市内的河道作为最主要的泄洪通道，其畅通性和过流能力对泄洪有着重要影响。因此，政府部门和社会群体对城市河道的治理工作越来越重视，城市河道的提升改造也迫在眉睫。但是道路的建设一般先于河道的改造，道路跨越河道时仅根据河道规划宽度预留改造条件，而在已建成的桥梁下改造河道容易对桥梁结构的安全性和耐久性产生影响[1-2]。

本文以成都市高新排洪渠(成自泸高速公路江家立交段)改造工程为背景，分析营运高速公路桥下河道改造开挖对桥梁的影响并介绍其保护方案。

1 工程概况

1.1 现状河道情况

现状高新排洪渠为天然河道，其断面为底宽5～6 m、顶宽12～14 m、深度3 m的倒梯形断面。河道流向为由东向西，穿越已营运的成自泸高速公路(G4215)江家全互通立交桥南侧主线和匝道。河道平面如图1所示。

1.2 运营高速公路情况

成自泸高速公路为已运营道路，江家全互通立交为成自泸高速公路与成都绕城高速公路的转换点，互通立交匝道多、交通繁忙、车流量大，且两条高速公路均为国家高速公路，施工期间需保证道路的畅通和安全。

江家全互通立交节点中跨越高新排洪渠的桥梁共计11座，其中两座为6×25 m连续梁桥，9座为单跨25 m简支梁桥。根据原桥梁竣工资料，桥梁基础均采用桩径1.8 m的桩基础，桩长22～26 m，均为端承桩。桩基依次穿越黏土、砂砾石、强风化岩层，最后嵌入中风化岩层，嵌入中风化岩层深度均<15 m。

图1 现状河道平面图

2 设计方案

2.1 总体设计

高新排洪渠是成都市高新区中和环城生态区工程的重要组成部分，也是高新区中和片区的重要防洪工程。现状河道宽度和深度均不能满足100年一遇的洪水通行需求，需要将河道拓宽为宽度为20 m、深度为4.1 m的矩形断面。河道标准断面如图2所示。

图2 河道标准断面图(cm)

改造平面以现状河道为基础，在江家全互通立交桥区域利用已建高速公路桥下的预留通道，对平面线形进行优化。对于桥下空间无法满足20 m宽度的局部位置，将河道分叉绕行，以满足河道的过流能力。河道设计总平面图如图3所示，穿越桥梁段河道平面图如图4所示。

图3 河道设计总平面图

图4 穿越桥梁段河道平面图

2.2 结构设计

在非桥梁区段，河堤采用了素混凝土重力式河堤结构；在桥梁区段，由于空间受限，采用钢筋混凝土U形槽河堤结构，如图5所示。U形槽河堤净宽为20 m，净高为5.1 m；侧墙厚度为60 cm，底板厚度为70 cm；底板上设置透水孔，防止U形槽结构在槽内河水位较低时受周边地下水影响而上浮。

图5 U形槽结构断面图(cm)

3 桥梁保护方案

3.1 控制标准

河道的开挖将会使桥梁桩基临河侧土体被挖除，部分桩身将裸露在土层外，从而引起桩基的竖向承载力减小和侧向位移增大。当桩基竖向承载力小于承受荷载时，桩基会发生下沉，导致桥梁产生不均匀沉降，造成上部结构受损。桩基发生侧向位移也必然导致桩基承受弯矩，从而造成桩基混凝土开裂。因此桩基的竖向承载力和裂缝为本工程控制桥梁安全性的主要因素，当其不满足允许值时，桥梁桩基会发生破坏，影响桥梁结构的安全性和耐久性。

根据规范要求，当河道开挖后，桩基竖向承载力不应小于承受荷载，桩基裂缝应≤0.2 mm[3-4]。

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3.2 保护措施

由于河道开挖施工期间不能中断高速公路的营运，因此河道的开挖施工方法对高速公路桥梁结构的影响极为重要。河道开挖施工影响的桥型主要有简支梁桥和连续梁桥两种。连续梁桥考虑采用桩基两侧对称开挖，对桩基影响较小，仅需满足竖向承载力即可；简支梁桥由于只能单侧开挖，对桩基有竖向承载力和侧向位移的双重影响，故针对简支梁桥采用以下施工措施(图6)：

(1)开挖前先对桥台桩间土和台后土进行注浆加固，使土体固化。

(2)开挖前在两侧桥台之间设置永久钢横撑，将两侧桥台撑住，避免河道开挖后桩顶产生侧向位移。每根桩基处对应设置一榀钢支撑，钢支撑规格采用φ609 mm×16 mm圆形钢管，并施加50 kN预应力。

(3)开挖时采用喷锚支护，边开挖边喷锚，循环向下开挖，避免桩间土和台后土发生滑动破坏。

(4)U形槽浇筑后，对侧墙后背采用混凝土灌注，保证桩间土与U形槽侧墙之间密贴无间隙。

图6 河道开挖保护措施图

4 桥梁结构的影响分析

4.1 桩基竖向承载力验算

桩基竖向主要承受上部结构的活载+恒载和下部结构的恒载。活载采用公路-Ⅰ级，并采用标准组合值。

桩基承载力按支承在基岩上或嵌入基岩中的钻(挖)孔桩计算，计算时只计入开挖河底以下的有效桩长部分的桩侧摩阻力和桩端阻力。河道开挖造成桩基有效长度减少2.4～6.4 m，单桩竖向承载力变化的计算结果如下页表1所示。

表1 单桩竖向承载力验算结果表

4.2 桩基侧向位移及裂缝验算

简支梁桥由于只能单侧开挖，需对桩基侧向位移和混凝土裂缝进行验算。桩基侧向位移主要受桥台台背活载、桥台台背回填土侧压力、桩基有效计算宽度范围内土体侧压力影响。将台背活载和台背回填土按等效换算的原则加载于桩顶和桩侧，采用m法计算弹性桩水平位移及作用效应，并根据作用效应和配筋情况，验算桩基裂缝宽度。其计算模型简图如图7所示。

图7 侧向位移及内力计算简图

由于在桥下钢支撑施工不方便，故将设置钢支撑和不设置钢支撑这两种施工方案进行对比分析，计算其对桩基侧向位移及裂缝的影响。位移曲线对比示意如图8所示，计算结果对比如表2所示。

根据表2验算结果可知，当未设置钢支撑时，桩基为悬臂结构，桩顶侧向位移和桩身受力都较大，部分桩基混凝土裂缝>0.2 mm，不能满足规范要求。当设置钢支撑后，桩身最大位移发生在桩身1/4处，且侧向位移和桩身受力均较小，所有桩基混凝土裂缝均满足要求。

图8 桩基侧向位移结果对比示意图(单位：mm)

表2 桩基侧向位移及裂缝验算结果表

5 结语

(1)营运高速公路桥下河道改造时，应根据规范和管理部门实际要求制定相应的变形、裂缝控制标准，并采取相应的施工措施进行控制，保障高速公路营运的安全。

(2)河道开挖前应先施工钢横撑，减小桩基侧向位移和桩基混凝土裂缝，保障桥梁下部结构的安全和耐久性。

(3)采用计算软件进行预测分析，验证设计方案的可行性，并评估施工安全性。