考虑差异沉降的互通式立交桥改扩建设计探讨

黄 云，唐咸远，杨鉴生

(1.广西交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029；2.广西科技大学土木建筑工程学院，广西 柳州 545006)



考虑差异沉降的互通式立交桥改扩建设计探讨

黄 云1，唐咸远2，杨鉴生1

(1.广西交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029；2.广西科技大学土木建筑工程学院，广西 柳州 545006)

高速公路立交桥改扩建工程设计必须考虑新旧桥梁的不均匀沉降问题，文章以一地质情况复杂的立交桥改扩建工程为研究对象，根据改扩建设计原则确定了新旧桥基的不均匀沉降差控制指标，并根据不同地质条件计算出不同桩长的工后沉降量，提出了相应的桥梁拓宽设计方案。

互通式立交桥；扩建；沉降差；加宽拼接；设计

0 引言

在高速公路桥梁改扩建工程中，旧桥涵经过10～20年的运营，基础沉降已基本完成，而新建桥涵的基础沉降正在发展中，新、旧桥涵必然会产生差异沉降，引起上部结构产生附加内力；当差异沉降量过大时会引起桥面产生裂缝而损坏，影响行车安全。因此，研究新、旧桥涵的差异沉降有着重要的工程实际

意义[1][2]。

目前高速公路桥梁桩基是以承载力控制为主，满足变形要求为辅的设计方法。一般采用现行规范上常用的桩基沉降计算方法[3-6]，计算出其总沉降，同时按经验及试验数据估计工后沉降。这与高速公路改扩建中采用工后沉降进行控制的方法不能很好地衔接，且计算精度相对较低，迫切需要精度更高、能与工后沉降相衔接的桩基沉降计算方法。本文以一具体的互通式立交桥改扩建设计为研究对象，考虑桥梁拓宽后的不均匀沉降，根据差异沉降对拼接后新、旧桥受力的影响，提出改扩建项目新、旧桥涵差异沉降控制指标，并介绍了相关的桥梁设计思路。

1 工程概况

广西某高速公路于1998年建成通车，原设计速度为120 km/h，路基宽33.5 m(双向六车道)。随着交通量的不断增长，必须进行改扩建以增强道路的通行能力。改扩建项目设计速度与原设计一样，拓宽基本采用在原路基的基础上两侧加宽成标准八车道的形式，扩建后路基宽度为42 m。

原高速公路只有那马互通1处互通式立交。该互通位于那马镇东面1.5 km处，被交路为南宁至北海二级公路(G325)，互通型式为单喇叭B型，主线上跨。共设四条单向单车道匝道(宽8.5 m)和一条对向分离双车道匝道(宽度为15.1 m)，匝道设计速度为40 km/h。立交区有主线跨线桥为1×20 m的预应力混凝土空心板。

2 立交桥改扩建方案

2.1 改扩建设计原则

桥梁设计以加宽为主，同时根据原桥检测结果，按现行规范进行计算原桥梁不能满足荷载等级要求，因此必须拆除上构，并充分利用旧桥下部结构。改扩建设计的基本原则如下：

(1)根据路线改扩建方案采用两侧拼接加宽为主，相应桥梁也采用两侧整体式拼接加宽，并综合考虑结构受力、施工工艺、交通组织及造价等因素。改扩建路基宽度由原来的33.5 m加宽至42 m，则桥梁每侧加宽4.25 m。

(2)原桥设计采用1985年规范[7]，荷载等级为汽车-超20级，挂车-120级，新建及拓宽桥梁采用2004年规范，荷载等级为公路-I级。因此拼接完成后原有桥梁应满足公路-I级要求。

(3)考虑本项目车辆超载严重的实际情况，为保证结构的安全性，在结构计算时适当提高汽车活载的组合系数，跨径≥20 m时提高25%；25 m以下提高30%。

(4)加宽拼接的桥梁下部基础形式根据地质条件确定，严格控制新旧桥梁的不均匀沉降和对旧墩台基础的影响，并优先考虑桩基础。

2.2 沉降差控制

由于本项目中的旧桥建成通车已10余年，基础沉降已稳定或者后期沉降值很小，而新加宽桥梁的基础沉降还在发展中，这样会形成新旧桥梁基础的沉降差，在旧桥上部结构截面产生沿纵桥向的附加内力，同时在拼接处也会产生横向的附加内力，随着沉降差的不断增大，进而导致旧桥、接缝处受力恶化，从而造成桥梁结构产生裂缝，降低桥梁的使用性能，故必须控制新旧桥梁的沉降差。参考张福强[8]的采用MARC软件计算成果，并借鉴沈大高速公路改扩建及沪宁高速公路改扩建的研究成果及经验[9][10]，本桥梁扩建新旧桥的差异沉降控制在≤5 mm的范围内。

3 互通立交桥改扩建设计

现以那马互通为例，对主线上跨的跨线桥改扩建设计进行介绍。

3.1 那马互通改扩建方式

那马互通位于那马镇东南方，距离那马镇约1.5 km，通过匝道与G325(二级公路)相连，目前交叉桩号KI997+434.879。该互通主要解决良庆、那马等区镇的车辆上下高速公路。

互通位置为微丘地形，存在以下特点：(1)主要交通量为那马往返钦州、北海方向，单向交通量为693 pcu/h，交通量不是特别大，原有互通为单喇叭A形，满足主要交通流向的要求；(2)互通采用主线上跨，方案简单合理；(3)互通的平纵面指标较高，环形匝道的最小半径为77.55 m。

综合考虑本互通的特点，本设计保持原互通型式不变，主线两侧直接拓宽，匝道随之接线的方式进行改扩建。在原有互通基础上进行优化设计，既保证满足交通量和交通安全的需要，又要达到较高的平纵面指标，故原有跨线桥可加以利用，以节省工程投资，减少占地。

3.2 工程地质情况

K1997+434.897原跨线桥为1×20 m预应力混凝土空心板。旧桥地质资料表明，原桥采用扩大基础，基础设置于砂质泥岩上，地质条件较好。加宽时在桥的左右两侧及南北方向上分别进行四个钻孔(Z1-Z4)，钻探结果表明，本桥基本由素填土(Qml)、粘土(Qel)、全风化砾岩(〔fa0〕=300kPa)及强风化砾岩(〔fa0〕=450kPa)组成，不同钻孔的地质条件差异非常明显，钻孔的土层基本情况详见表1。

表1 钻探一览表

3.3 基础沉降量的计算

因拼接加宽桥梁按与原桥同跨径、同结构形式进行，严格控制新旧桥梁的不均匀沉降和对旧墩台基础的影响，并综合考虑原那马互通立交桥的基础为U型台扩大基础的特点，拓宽部分下部结构采用U台桩基础。

为了控制新旧桥的沉降差，先要计算桥梁基础的总沉降量。本桥新建桥台的沉降量主要由桩基础造成，而U型台的沉降主要是混凝土的收缩徐变，引起的沉降相对较小，可以忽略不计。桩基的总沉降计算主要按文献[5]、[6]介绍的方法进行。计算出总沉降量后，用总沉降量减去施工期间发生的沉降量，就可估算桩基的工后沉降量，并可根据施工后的沉降量和工后沉降控制指标之间的差距，确定经济合理的基础处理措施，以达到控制工后沉降的目的。

施工期间的基础沉降与时间的关系，可应用单向固结渗透理论近似估算。当然，施工过程中基础的沉降量可以通过试验进行准确计算，在没有试验数据的情况下可根据地质状况参考已有经验进行估算，本文施工期间沉降按总沉降量的75%计算，计算结果详见表2。

表2 沉降计算结果表

从表2可以看出，本桥基桩全部采用1.5m桩径，不同桩长计算的总沉降是有差异的，相同桩长不同地质情况计算出的总沉降量也不同，但按工后沉降为总沉降的25%计算出来的结果满足差异沉降控制在≤5mm的要求。

3.4 桥梁拓宽设计

新桥采用上构换梁并连接，旧桥下部构造加以利用，拓宽后的桥梁下部构造不连接。

3.4.1 跨线桥的上构设置

原互通立交桥为1×20m预应力混凝土(先张法施工)简支空心板主线上跨。跨线桥交叉桩交角为100°，改扩建后仍维持原有跨径，但需要进行加宽。原桥面左幅净宽19.20m，右幅净宽14.75m。拼宽后左幅净宽23.50m，右幅净宽19.50m。拼宽部分桥梁上部采用1×20m后张法预应力混凝土空心板，下部结构为U台桩基础。

设计上构采用20m后张法预应力混凝土空心板，其加宽后的断面如图1所示，预制空心板、铰缝和桥面现浇层均采用C50；空心板封端、防撞护栏和钢护栏座采用C40；桥面铺装采用沥青混凝土。空心板采用湿接缝，接缝图如图2所示。

图1 旧桥加宽构造图

图2 空心板接缝图

3.4.2 跨线桥的下构设置

因为原有桥梁基础为U台扩大基础，为了保证基础形式一致，拓宽部分也采用U型台基础，考虑不同部位的不均匀沉降，U型台下设柱基础，全桥桩基采用钻孔摩擦桩。每个新增加的部分桥台下均设2根桩基，见图3。

换梁后上部结构采用预应力混凝土(后张)简支空心板；下部结构采用U型桥台，桩基础。本桥平面位于R=5 500m的左偏圆曲线上，桥面横坡为双向2%，纵断面纵坡1.546%。要求1号桥台桩基整体入土深度≥16.5m，左幅0号桥台桩基整体入土深度≥33.5m，右幅0号桥台桩基整体入土深度≥19.5m，见图4～5。

图3 拓宽平面图

图4 旧桥立面图

图5 拓宽新桥左幅立面图

3.5 实施效果分析

目前，该立交桥改扩建加宽施工已经完成。通过施工现场监测，新旧桥梁的工后不均匀沉降均能达到≤5mm的要求，桥面施工后状况良好，没有发现因基础沉降引起的裂缝。实施情况表明充分利用旧桥下部结构，新桥采用桩基础，采取桥梁上部结构连接、下部结构分开的设计方案效果良好。

4 结语

通过以上立交桥的拓宽设计研究，可得出以下结论：

(1)桥梁加宽应根据原桥检测结果按现行规范进行计算，当计算不能满足荷载等级要求时，必须进行加固设计或者拆除更换。

(2)加宽拼接的桥梁下部基础形式根据地质条件确定，严格控制新旧桥梁的不均匀沉降和对旧墩台基础的影响，并优先考虑桩基础。

(3)新旧立交桥基础的差异沉降控制在≤5mm的范围内是合理的，也是可以控制的。

(4)钻孔摩擦桩基不同桩长计算的总沉降有差异，相同桩长不同地质情况计算出的总沉降量也不同，但按工后沉降为总沉降的25%计算的结果仍满足差异沉降控制在≤5mm的要求。

[1]徐 强，等.高速公路改扩建工程桥涵结构物拼接技术[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]JTGB01-2003，公路工程技术标准[S].

[3]JTGD60-2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[4]JTGD62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[5]JTGD63-2007，公路桥涵地基与基础设计规范[S].

[6]JGJ94-2008，建筑桩基技术规范[S].

[7]JTJ021-85，公路桥涵设计通用规范[S].

[8]张福强.旧桥加宽桩基础沉降控制技术研究[D].西安：长安大学，2002.

[9]李 伟.沈大高速公路改扩建工程[C].交通部专家委员会高速公路扩建工程技术研究年论文集，2004.

[10]谢家全，等.沪宁高速公路扩建工程综述[C].交通部专家委员会高速公路扩建工程技术研究年论文集，2004.

Discussions on Interchange Bridge Reconstruction and Expansion Design Considering the Differential Settlement

HUANG Yun1，TANG Xian-yuan2，YANG Jian-sheng1

(1.Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029；2.School of Civil Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou，Guangxi，545006)

The reconstruction and expansion project design of expressway interchanges must consider the uneven subsidence problem of old and new bridges，and with the reconstruction and expansion pro-ject of an interchange under complicated geological conditions as the object，this article determined the uneven settlement difference control targets of old and new bridge foundation in accordance with the reconstruction and expansion design principles，calculated the post-construction settlement amount of different pile length according to different geological conditions，and proposed the corresponding bridge widening design programs.

Interchange bridge；Expansion；Differential settlement；Widened splicing；Design

黄 云(1971—)，男，高级工程师，主要从事道路与桥梁的勘察设计工作；

唐咸远(1973—)，男，副教授，主要从事道路与桥梁的科研与教学工作；

杨鉴生(1964—)，男，教授级高级工程师，主要从事道路与桥梁的勘察设计工作。

广西交通科技项目“广西高速公路改扩建桥涵加宽拼接技术研究”(2012-13)

U412.35+

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.01.007

1673-4874(2015)01-0028-05

2014-12-01