新建桥梁跨越既有供水箱涵安全影响分析

田嘉麟，邓 坚

（深圳市东江水源工程管理处,广东 深圳 518036）

0 引言

随着我国高速公路、桥梁、城市管廊等基础设施的快速发展,与城市既有工程的交叉随之增加,特别是大城市不可或缺的大型输水工程[1-2],新建工程势必会对既有输水建筑物的安全运行造成影响。如何满足城市的快速发展,又保证城市供水安全成为急需解决问题。

在新建基础设施对既有管道影响的研究中,罗伟宏[1]采用数值模拟分析了新建特大桥跨越施工期间对既有箱涵的影响,表明随着施工阶段进行箱涵变形有所增大。白雪[2]分析了新建桥梁桩基对既有高铁箱涵的影响,表明了隔离桩的间距和排数等因素对箱涵影响不同。还有一些学者[3-5]研究了地铁下穿既有建筑物、基坑开挖等对既有建筑物影响情况,表明不同新建工程对既有建筑物影响各不相同。但针对新建桥梁对长距离输水建筑物（箱涵、隧洞等）的影响研究,目前还是缺乏的。基于此,本文以东部过境高速公路桥基跨越既有供水箱涵为研究对象,通过Midas GTS 建立三维数值模型,研究桥梁施工及后期运行期间对既有供水箱涵的影响。

1 跨越方案

1.1 工程概况

东部过境高速公路以深圳东部口岸为起点,向南与香港东部通道相衔接,形成《珠江三角洲城镇群协调发展规划》中“十三纵”之一的“粤赣高速”的组成部分,并通过与“沿海高速”以及“博深高速”相交,形成以香港为起点的、向粤东地区以及华南东部沿海地区发散的重要交通通道,全长22.373 km。东部过境高速公路与东江水源工程供水网络干线工程共线段为坪山箱涵,东部过境高速公路在共线路段均采用桥梁结构。

1.2 东江水源供水箱涵既有

箱涵与基桩净距为4.19 m～20 m,箱涵的覆土埋深为4.36 m～9 m。既有箱涵的规格为4.2 m×3.0 m,顶板、侧墙和底板厚度均为0.5 m,箱涵采用C30,以20 m一段进行分缝,以铜片止水。

综合分析设计桥涵整个施工过程中,桩基施工对既有箱涵的安全影响较大；其它分部分项施工均在地面以上,施工工艺对既有箱涵的影响微乎其微。

桩基的直径为1.2 m～2.0 m,通过对设计图纸中基桩平面位置与既有供水箱涵平面位置的比对,东江供水1 号桥～站前路高架桥设计桩基507 根,桩边缘距既有供水箱涵对应的侧边小于5m 的桩基数量共19 根,桩边缘距既有供水箱涵对应的侧边小于5 m～10 m 的桩基数量共29 根,桩边缘距既有供水箱涵对应的侧边小于10 m～20 m 的桩基数量共66 根。

1.3 桥梁桩基施工方案

（1）施工工艺流程

栈桥设计→方案制定→设备材料进场→施工放样→桥台施工→桁架拼装→拖拉、接长→主梁拖拉就位→横梁安装→纵梁安装→桥面钢板铺装→抗风拉杆安装→结束

（2）施工放样

根据施工图位置,采用直接量距方法放出桥台基础位置,栈桥主桥两侧桥台设在陆地上,然后用全站仪确定方向。

（3）桥台基础施工

桥台基底采用50 cm 石灰土夯填密实,先进行基底承载力检测,确保基底承载力不小于180 kPa。桥台立模浇筑C30混凝土扩大基础,模板加固牢靠。

（4）贝雷梁施工

贝雷主梁在桥头空旷场地内拼装,下面垫枕木,用吊车将贝雷逐片吊起,用桁架销子相互连接。用支撑架螺栓将竖向支撑架、水平上下支撑架和贝雷连成整体,每节贝雷接头位置安装支撑架各一片,贝雷、水平支撑架之间采用接头错位连接。

（5）顶层分配梁及桥面施工

贝雷梁上设置I20 b工字钢做横向分配梁,吊车吊装铺设,每隔0.3 m 布置一道,分配梁与贝雷梁之间采用夹具连接,安装过程中确保工字钢顶面平整；顶层分配梁上满铺1 cm 厚的压花钢板；钢栈桥两侧设置栏杆（高度1.2 m）,护栏采用Ф48 mm×3.5 mm 钢管,焊接固定在外缘的工字钢上,钢管横向采用三道角钢纵向焊连。

2 数值模拟分析

2.1 模型建立

通过建立三维模型分析桥梁施工及运行对供水箱涵的受力变化,模型采用位移边界作为边界条件,除上表面为自由边界外,各外表面均约束法线方向的位移,三维计算模型与空间位置关系见图1。施工顺序为：供水箱涵既有（正常通水状态）→桩基施工→贝雷梁施工→桥梁施工→高速路运行期间。根据勘察报告资料,各土层参数见表1。

表1 各土层物理力学参数

图1 三维数值模拟计算模型

2.2 模拟过程

本次研究以最不利工况Y5 桥墩对供水箱涵影响进行安全复核,模拟工况一施工期：①初始地应力；②承台基坑开挖；③桩基开挖；④桩基施工。工况二运行期：⑤桥梁运行。分别依照次序施工模拟,本文将支架和贝雷梁施工荷载采用均布荷载形式添加所在区域,经计算其位移最大变形和最大应力云图见图2、图3,运行期桥桩剪力和弯矩见图4。

图2 施工期结构最大位移及最大应力图

图3 运行期结构最大位移及最大应力图

图4 运行期桥桩剪力和弯矩图

2.3 计算结果分析

经计算分析,箱涵变形及主应力值见表2,施工和运行各阶段都对地表产生不同程度扰动,桩基与承台结构施工阶段产生最大地层附加沉降为4.82 mm,箱涵上地表附加沉降值最大为2.2 mm,主要发生在贝雷梁施工阶段,而运行阶段产生最大地层附加沉降为18.7 mm。桥梁施工过程中桩顶沉降大于桩底沉降趋势。各阶段都会引起箱涵结构发生位移变形,而在运行阶段引起的箱涵位移变形最大,水平方向最大位移发生在箱涵侧边缘与顶部接触位置,为1.88 mm,竖直方向最大变形在顶板位置,为8.23 mm。结构最大主应力1.02 MPa,最小主应力0.53 MPa,未超过箱涵混凝土C30 抗拉强度设计值1.43 MPa,满足规范要求要求。综上述分析结果分析,桥梁施工与运行期对供水箱涵的影响基本可控。

表2 箱涵变形及主应力值

3 结论

本文以东部过境高速路桥基施工对供水箱涵影响分析为例,采用有限元模拟了桥梁施工、运行期间对供水箱涵的影响,结果表明,随着施工阶段进行,供水箱涵结构变形累积发展,且最大主应力和最大位移值发生在运行期,但累计变化值比较小,均在可控范围内。但桩基施工对箱涵影响受桩距影响,且由于不同土层弹性模量不同,建议在类似交叉工程采取加固措施,更好地保障箱涵设施。