裕溪路高架桥检测过程及安全评估实例分析

陈东生 （安徽建工检测科技集团有限公司，安徽 合肥 230031）

1 裕溪路高架桥工程概况

高架桥作为城市交通基础设施的重要组成部分，其安全可靠性成为关系国计民生的一件大事。建筑本身不是作为一个独立的因素存在，全面了解施工过程中的工程总体施工情况，有利于结合具体的项目环境，针对不同工况做出相匹配的过程方案[2]。黄峰[3]在城市既有箱梁桥审核的阶段使用了实时监测与安全评估方法。金鹏[4]综述了通过有限元法分析地铁深基坑开挖对周边建筑的影响。

1.1 工程概述

2019 年建成的合肥市裕溪路高架桥工程跨钟油坊路段桥，位于裕溪路高架桥工程在轨道交通6 号线沿线周边影响的辐射范围内，该段桥采用40 m +60 m +40 m 单幅三跨一联变截面钢箱混凝土组合梁，桥梁全长140 m，设计荷载为城—A 级；设计行车速度在80 km/h；桥梁横断面布置为0.5 m（护栏）+12 m（机动车道）+0.5 m（护栏）+12 m（机动车道）+0.5 m（护栏），全宽25.5 m；主桥主跨净高5 m。

1.2 桥梁结构设计概况

桥梁结构设计的一切基础都是以安全性和耐久度为设计前提，在此基础上，部分工程还对设计师在美观度、适用性和经济性上提出了更高要求。桥梁是设计师的灵魂也是城市的名片。随着桥梁工程可持续发展的理念兴起，在设计过程中也应考虑施工过程中的环保性和社会性，积极使用工业和建筑废料、减少不可再生资源的消耗、低碳节能以及全生命周期经济性[5]。

裕溪路高架桥（跨钟油坊路段）为单幅40 m +60 m +40 m 三跨一联变截面钢箱-混凝土组合梁。上部结构钢主梁采用Q345D 槽形钢梁，混凝土桥面板和钢主梁通过剪力钉连接。结构断面由混凝土桥面板及整体成槽形的钢梁组成，槽形钢梁整体上由顶板、腹板、底板、空腹式横梁、实腹式横梁、腹板加劲肋、底板加劲肋组成。主梁混凝土强度等级为C50。

下部结构采用双柱式桥墩，为现浇结构。纵桥向桥墩柱宽为1.8 m，横桥向柱宽1.5 m，双柱中心间距5.7 m，顶部设高度1.2 m 的系梁。基础采用现浇承台接群桩基础。其中承台厚度为2.5 m，桩基为双排共4根直径1.5 m 的钻孔灌注桩，桩尖持力层为中风化泥岩。系梁、承台混凝土强度等级为C30。

1.3 轨道交通区间工程概况

高架桥梁和城市轨道交通的初衷都是为了交通便利，因此两者之间在设计上有较强的交互性[6]。考虑两者在工程与安全上的相互影响作用，需要对两者工况进行深入分析。隧道洞身主要穿越（3-1-2）黏土层、（5-1-1）全风化泥岩、（5-1-2）强风化泥岩。钟油坊路站～大众路站区间隧道由南向北沿钟油坊路敷设，穿越裕溪路高架桥后线路右拐进入和平路，沿规划和平路路敷设。区间采用盾构法施工，线间距14.0～19.7 m，隧道顶部埋深为8.76～30.83 m。钟油坊路站～大众路站区间设计范围为CK32+710.338～CK34+222.052，右线全长1511.714 m。

1.4 桥梁与区间工程相对位置概况

根据详细勘察报告，了解土工程、桥梁和周边环境情况及区间隧道与桥梁、桥桩的相对位置关系等[7]。使用工程类比等方法，根据现场实地情况，制定基础的设计原则，并进行可行性分析和判断。准确分析工程影响分区，认定风险工程分级，最后提出评估桥梁现状的要求。

轨道线隧道侧穿桥梁基础，桥梁主墩采用柱下钻孔灌注桩基础，主桥基础灌注桩距隧道（右线）边缘最近距离约为1.58 m。

2 裕溪路高架桥检测过程

高架桥梁的检测较城市桥梁的检测更加严格，对检测的科学性要求也更高，检测过程不仅需要针对桥梁的结构稳定性等指标进行评估，更需要为后续桥梁病害处理提供理论和数据指导意义[8]。

2.1 检测依据和目的

该高架桥梁的检测标准执行国家和行业现行法规、政策以及标准。通过现状调查、实地检测、鉴定桥梁现状使用情况、结构安全性计算分析等对既有桥梁现状做出评估；针对既有桥梁的剩余结构变形能力进行分析预测；通过施工影响后的结构状态与结构的剩余抗变形能力进行对比分析，分析既有桥梁结构的安全性。

2.2 检测方法

基于对委托方和项目方提供的高架桥梁工程资料调查，对桥梁历史和现状进行深入了解，通过工程地质概况分析岩土成因、性质和特征，并结合当地水文水利条件进行综合考察。对桥梁上部桥面、下部桥墩等主体构筑物进行外观检测，尤其是针对主梁进行既有差异沉降检测。

2.3 检测结果

该工程自建成以来，一直作为城市快速路使用，未发生功能改变也未遭受自然和人为毁坏。设计图纸资料齐全，使用状况良好且设计使用功能与现场调查情况基本一致。裕溪路高架桥梁位于南淝河二级阶地，钟油坊路站（CK32+710.338）至大众路站（CK34+222.052）线路地势平坦，地面高程12～16 m。

3 裕溪路高架桥的安全评估

3.1 基于有限元模型的既有桥梁基础允许变形能力评估

采用Midas Civil有限元软件对全桥进行建模分析，其中主梁采用杆单元模拟（图1），共划分主梁单元92，节点101。模型计算主要考虑了结构荷载、移动荷载、整体升降温以及温度梯度等方面对结构承载能力的影响，并通过计算不同支座沉降量下上部结构的正截面内力、裂缝等方面来判断施工过程中桩基的控制沉降值，各种荷载标准值均参照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）进行选取，验算工况选最不利工况。

图1 主梁节点划分示意图

①沉降5mm

沉降5mm时，使用阶段钢梁梁抗弯承载力验算：钢板厚16～40 mm 时，Q345 钢材抗拉、抗压设计强度为270 MPa，主梁最大拉应力217.85 MPa＜270.00 MPa，最大压应力179.00 MPa＜270.00 MPa，主梁正应力满足规范要求。

沉降5 mm 时，使用阶段混凝路裂缝验算：C50 混凝土名义拉应力7.2 MPa，主梁混凝土部分最大拉应力为6.9 MPa，满足规范要求。

沉降5 mm 时，全桥抗弯承载力、桥面板裂缝宽度均能满足要求。

②沉降7mm

沉降7 mm 时，使用阶段钢梁梁抗弯承载力验算：钢板厚16～40 mm 时，Q345 钢材抗拉、抗压设计强度为270 MPa，由图3、图4计算可知，主梁最大拉应力217.79 MPa＜270.00 MPa，最大压应力179.70 MPa＜270.00 MPa，主梁正应力满足规范要求。

沉降7 mm 时，使用阶段混凝路裂缝验算：C50 混凝土名义拉应力7.2 MPa，主梁混凝土部分最大拉应力为7.1 MPa，满足规范要求。

沉降7 mm 时，全桥抗弯承载力、桥面板裂缝宽度均能满足要求。

③沉降10mm

沉降10 mm 时，使用阶段钢梁梁抗弯承载力验算：钢板厚16～40 mm 时，Q345 钢材抗拉、抗压设计强度为270 MPa，由图2 计算可知，主梁最大拉应力217.85 MPa＜270.00 MPa，最大压应力180.20 MPa＜270.00 MPa，主梁正应力满足规范要求。

图2 基本组合下钢梁应力（单位：MPa）

沉降10mm 时，使用阶段混凝路裂缝验算：由图3 可知，C50 混凝土名义拉应力7.2 MPa，主梁混凝土部分最大拉应力为7.5 MPa，支点处不满足规范要求。

图3 使用阶段短期组合应力图（单位：kN）

沉降10 mm 时，全桥抗弯承载力满足要求，但桥面板名义拉应力已经超规范要求。

综上所述，当相对支座沉降7 mm时，各项指标均满足规范要求；当相对支座沉降10 mm 时，桥面板顶面最大应力出现在支点处，已经超过名义拉应力，同时经分析可知沉降对钢梁应力影响较小，因此分析控制沉降为7 mm。桥梁允许最大差异沉降率为2‰，则本桥允许不均匀沉降为60m×2‰=120 mm。综合分析得允许差异沉降量为7 mm，相应差异沉降率为0.117‰。

3.2 隧道施工对裕溪路高架桥（跨钟油坊路段）影响分析

本次数值模拟计算采用PLAXIS 3D软件进行合肥地铁6 号线钟油坊路站～大众路站区间隧道盾构施工对裕溪路高架桥工程的影响计算。模型长宽高为260 m×80 m×70 m，使结构到模型边缘的距离大于25.0 m。采用15 节点三角形单元进行划分，网格剖分如图4、图5所示。

图4 有限元网格剖分

图5 隐藏部分土体后的有限元网格剖分

图6 盾构诱发地面的沉降曲线

由表2可知，合肥轨道交通6号线钟油坊路站～大众路站区间隧道盾构施工对裕溪路高架桥工程的影响归纳如下。

表2 双线贯通时裕溪路高架桥工程相邻承台差异沉降汇总表

①左线穿越后，左线中心轴正上方地表产生最大竖向沉降为-3.29 mm；双线贯通后，在双线对称轴正上方地表产生最大竖向沉降为-6.33 mm。

表1 不同工况下裕溪路高架桥工程承台变形汇总表

②左线贯通后，盾构施工使裕溪路高架桥工程桥墩承台产生的最大竖向沉降为-0.79 mm，位于C3 位置处。双线贯通后，盾构施工使裕溪路高架桥工程桥墩承台产生的最大竖向沉降为-2.67 mm，位于C3位置处。

③双线贯通时，盾构施工使裕溪路高架桥相邻承台之间的最大差异沉降率为0.0315‰，相应差异沉降量为1.26 mm，位于C2承台与C3承台之间。

3.3 轨道交通穿越施工变形分析及控制指标

根据结构检测、结构计算及轨道交通穿越施工变形预测，可得到如下结果，见表3。

表3 轨道交通穿越施工变形分析

通过表3 可看出，轨道交通穿越施工后，结构尚有一定变形储备，表明隧道盾构施工可正常施工。

综合结构检测现状等因素，最终确定结构变形控制差异沉降率见表4。

表4 穿越施工变形控制指标

由表4 可以看出，主桥边跨控制差异沉降率为0.092‰，相应控制差异沉降量为3.6 mm；主桥中跨控制差异沉降率为0.100‰，相应差异沉降量为6.0 mm。

4 结论及建议

通过上述检测、评估、分析，现阶段裕溪路高架桥（跨钟油坊路段）可满足正常使用，合肥轨道交通6 号线穿越施工后，结构尚有一定变形储备。但应对裕溪路高架桥（跨钟油坊路段）进行实时监测，严格监控桥墩及上部承重构件的裂缝开展情况。该工程的风险等级为Ⅱ级，应实施风险防范与监测，制定风险处置措施。

综上所述，笔者提出以下4点建议。

①在施工中严格控制顶推力、施工速度、注浆压力、顶推行进方向等施工要素，同时采取加强同步注浆、径向补偿注浆及加快浆液硬化速度等措施控制基础沉降。

②应对周围地表位移等进行实时监测（包括地表沉降监测、地下水监测等），竖向位移监测点应布设在桥墩（或承台）上（主要监测差异沉降率）；合理设定监测预警值并及时将监测数据反馈给委托方或相关单位，监测单位应加强与安全评估单位的衔接。

③盾构施工过程中应注意排水设施的设置与维护，避免地下水及地表水的渗入引发安全事故。

④施工前制定详细的应急预警方案，建立应急抢险机制，根据现场监测数据及时调整施工进度和施工工艺，对存在安全隐患的区域应通过加固等措施予以排除。