清水河大桥新桥桩基施工对老桥的影响性分析

2023-09-03徐红图

交通科技与管理 2023年16期

徐红图

摘要为了研究改扩建项目在老桥拆除前利用桥下空间提前进行新建桥梁桩基施工的可行性，文章以芜宣高速公路清水河大桥为依托，利用有限元分析与理论研究相结合的方法，对新桥桩基施工过程对老桥基础变形影响进行了分析，并研究了由于基礎变位引起的老桥上部结构的影响。研究表明桩基施工对既有桥梁下部结构的影响集中于开挖阶段，桩基填筑将恢复部分开挖卸载引起的变形，新桥桩基施工引起老桥的基础变形均在1 mm以内，对上部结构的应力影响不超过0.1 MPa，施工过程中运营的老桥结构安全性良好，论证了这种施工工序的可行性，其他类似工程可参考与借鉴。

关键词改扩建项目；桩基施工；老桥影响；数值分析

中图分类号 U418.8文献标识码A文章编号 2096-8949（2023）16-0052-04

0 引言

随着国民经济的持续发展，日益增长的交通需求对交通设施的要求持续增加。既有交通设施需要通过提升改进，进一步提升服役能力，以满足交通流量增加的需求。因此，近年来我国既有高速公路开始了大规模的改扩建建设。与改扩建相关的研究也开始陆续开展[1-2]。

已经开展的改扩建相关的研究主要集中在老桥拼宽基础、新老桥梁连接技术、老桥拆除施工等方面的研究，这些研究重点解决了上部结构的拼接技术问题[2-4]。朱敏[5]等人也对拓宽后桥梁对老桥基础的影响性进行了研究。苏磊[6]等人对新桥建成后老桥基础拆除对新桥的影响性进行了研究。汪明成[7]等人研究了老桥拆除后原废旧基础对新桥桩基础施工的影响及对应的解决措施。已有研究中，对桩基下部结构施工过程对老桥的影响性研究较少。对于在老桥拆除前，利用桥下空间提前进行桩基础施工的研究更少。

芜宣改扩建项目属于交通繁忙的既有高速公路改扩建工程，具有施工周期短，施工难度大的特点。在大桥的施工组织设计中，考虑在老桥拆除前利用老桥桥下空间先完成部分新建桥梁桩基的施工，以节约施工工期。为了分析这种施工组织的可行性，该文对清水河大桥新桥桩基施工对老桥的影响性进行了分析。

1 工程概述

1.1 总体概况

清水河大桥是芜宣改扩建项目WX03标范围内跨越芜太运河的关键节点。在项目改扩建由原有双向四车道拓宽为双向八车道，改建中将原有的老桥拆除，新建分幅双向八车道桥梁。清水河大桥老桥采用变截面连续箱梁桥梁，桥梁跨径组合为（30+9×52+30）m，其中中间两个52 m孔跨为通航孔。大桥采用分幅布置，单幅主梁断面为单箱单室断面，根部梁高为2.8 m，跨中梁高为1.5，顶板宽为12.75 m，底板宽为5.0 m，桥面设置2%的横坡，桥面横坡由腹板高度调整。桥墩采用独柱式圆形桥墩，桥墩直径为2.2 m，墩顶沿横桥向扩大支撑主梁。左右幅桥墩沿着河道方向进行错孔布置，老桥采用钻孔灌注桩基础，桩基直径为1.5 m。

新建桥梁为满足三级航道要求，采用一跨过河的桥梁方案，主跨采用178 m钢结构系杆拱桥，大里程快递引桥采用85 m钢结构系杆拱桥，小里程引桥采用[（40+66+40）+3×40]m的钢箱组合梁。下部结构采用圆形墩柱和钻孔管柱桩基础，桩基直径为2 m。

新建桥梁和老桥的平面线位关系如图1所示。新建左幅桥梁为老桥平面线位处，新建右幅桥梁位于老桥右侧，新建桥梁左右幅也采用错孔布置，以满足与河道斜交的要求。

1.2 施工特点

针对改扩建项目施工周期段和工期进展的特点，在大桥的施工组织设计中，考虑在老桥拆除前利用老桥桥下空间先完成部分新建桥梁桩基的施工，以节约施工工期。在老桥拆除前拟施工的桩基位置与老桥承台及桩基的位置关系如图2所示。由图示位置关系可知，在老桥拆除前需要提前施工的桥墩为大桥左幅14#～19#桥墩的桩基。

其中新建15#桥墩与老桥15#墩位置临近，因此计划15#桥墩只进行2根桩基提前施工，此外16#桥墩与老桥桥墩的位置也很近。由于新建桥梁提前施工桩基与老桥的桩基距离非常临近，为了分析新桥桩基提前施工的可行性，需要对新桥桩基施工对老桥的影响性进行分析，以确保施工过程老桥的安全可靠。

2 计算方法

2.1 计算模型

为了提高计算效率，该次计算采用上下部分离的方式进行计算。即将上部结构的反力施加在下部结构上，分析下部结构在施工过程中的变形，再将针对下部土地及桩基础施工过程的相互影响性分析利用有限元软件PLAXIS 3D建立清水河大桥桥梁桩基的数值分析模型，分析计算新建桩基对既有桥梁桩基的影响。PLAXIS程序是专门用于分析岩土工程变形和稳定性的大型有限元计算程序。计算模型如图3所示。根据评估桩基范围，选定建模范围为450 m×150 m×60 m。模型的边界条件：模型底部为完全固定，即土体水平向和竖向位移均约束；模型的四周为法向固定，即土体水平约束，竖向自由，各底层的土体参数与地勘获得的主要参数保持一致。

2.2 模型参数

该场地地层以软黏土为主，为了准确模拟开挖卸载与桩基施工的影响，采用HSS土体本构模型，如图4所示。HSS本构模型不仅考虑剪切硬化和压缩硬化，同时还考虑土体小应变刚度特性，而且还增加了对土体小应变情况下的剪切模量衰减行为的考虑，在理论上更进一步。因此，HSS本构模型能更好地适用于敏感环境下开挖及对周围复杂环境的数值分析，计算结果能更好地预测既有桩基变形情况。

计算中各土层的土力学参数及本构模型中的主要参数的取值如表1所示。

计算中分别模拟了每组桩基转孔、管注工况下老桥基础的变化情况，在计算中将上部结构计算得到的反力标准组最大值施加在桩顶，并在纵向限位支座对应的墩顶施加水平反力。

3 基坑稳定性计算

3.1 19#墩桩基施工过程影响分析

以桩基深度和群桩数量最多的19#桥墩桩基施工为例，新建桥梁的19#墩桩基对既有桥梁桩基的影响主要作用于旧桥#21墩。在桩基开挖阶段，旧桥21#墩桩基产生上浮变形值为0.21 mm，最大水平位移为0.34 mm，沿线路走向。垂直于线路走向的最大水平位移为0.01 mm。如图5所示。

在桩基浇筑完成后，由于混凝土压重造成既有旧桥21#墩桩基的沉降，最大沉降量增加至0.04 mm，最大水平位移为0.04 mm，方向垂直于线路走向。沿線路走向的最大水平位移为0.01 mm。以上计算结果表明19#桥墩桩基施工过程对老桥基础带来的位移均很小。

3.2 各墩桩基施工过程影响汇总

用同样的方法对其他各桥墩桩基施工过程中引起的老桥桥墩变位进行了计算分析，得到各墩柱的影响结构汇总情况如表2所示。

由表2的汇总结果可知，新建桥梁桩基施工（19#～14#）对旧桥下部结构有一定影响，但最大值均小于0.5 mm，处于安全可控范围内。从分析结果可知桩基施工对既有桥梁下部结构的影响集中于开挖阶段，桩基填筑将恢复部分开挖卸载引起的变形。在施工19#墩时，最大位移产生于旧桥21#墩，开挖后的水平位移达0.34 mm，竖向隆起达0.21 mm。变形产生较大的主要因素为19#的桩基数量多，且同样为近距离施工，开挖阶段是主要风险点。

4 对主梁受力的影响性分析

下部结构变形影响分析结果表明，在桩基提前施工过程中对桥墩产出的变形影响均在1 mm以内。为了分析基础沉降对上部结构的影响量，按照基础出现5 mm不均匀沉降的情况下分析结构的应力变化情况。

在桥墩出现5 mm不均匀沉降时，对主梁产生的附加应力分布如图6所示。主梁上缘出现的最大拉应力为0.15 MPa，主梁下缘出现的最大拉应力为0.32 MPa。当出现1 mm变位时，对结构的应力影响不超过0.1 MPa，基本可以忽略不计。

在桥墩出现5 mm不均匀沉降时，主梁截面出现的最大正弯矩为4 377 kN·m，最大负弯矩为2 369 kN·m。与恒载下的弯矩相比不足0.5%，其对承载能力的影响基本可以忽略不计。

通过对基础变位情况主梁上部结构的计算分析可知，下部发生1 mm基础变位对上部结构的承载能力和主梁应力基本无影响，结构的承载能力满足要求。由此可知在下部桩基施工过程中运营的老桥结构安全性良好。

5 结论

该文以芜宣高速公路改扩建项目水清河大桥拆除重建项目为依托，对临近老桥基础施工过程中老桥的影响性进行了分析，并对运营安全性进行了研究，得到以下主要结论：

（1）桩基施工对既有桥梁下部结构的影响集中于开挖阶段，桩基填筑将恢复部分开挖卸载引起的变形，新建桥梁桩基施工（19#～14#）对旧桥下部结构有一定影响，但最大值均小于0.5 mm，处于安全可控范围内。

（2）当老桥基础出现1 mm变位时，对结构的应力影响不超过0.1 MPa，基本可以忽略不计。

（3）下部发生1 mm基础变位对上部结构的承载能力和主梁应力基本无影响，结构的承载能力满足要求，由此可知在下部桩基施工过程中运营的老桥结构安全性良好。

（4）该文针对老桥拆除前提前进行新桥桩基施工的可行性进行了分析，其他类似工程可参考与借鉴。

参考文献