席俊杰

(廣東省公路建設(shè)有限公司， 廣東廣州 510000)

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市或地域發(fā)展需求的相應(yīng)增大，許多跨海、跨江的水中公路基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目不斷涌現(xiàn)，例如南昌紅谷隧道、港珠澳大橋珠?？诎端淼?、廣州洲頭咀隧道等。由于地質(zhì)條件、兩岸接線(xiàn)、城市既有建筑等條件的約束，此類(lèi)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)難度、施工難度均較大，尤其對(duì)于既有建筑的變形控制是設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中關(guān)注的重點(diǎn)。

本文圍繞我國(guó)珠三角地區(qū)某高速公路通道接線(xiàn)工程水下互通施工難點(diǎn)，通過(guò)數(shù)值模擬，研究水下互通施工對(duì)既有橋梁的位移變形影響，并將研究結(jié)果反饋于設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)角度給出變形控制措施，保證工程設(shè)計(jì)方案的科學(xué)、合理。

1　工程概況及地質(zhì)條件簡(jiǎn)介

該互通立交位于珠江出?？跂|岸，實(shí)現(xiàn)主線(xiàn)通道以及各匝道隧道與既有公路之間互通連接，互通采用渦輪形互通，所有轉(zhuǎn)向匝道均采用半直連或直連匝道，互通包括主線(xiàn)隧道，E、F、L、G、H、J匝道(圖1)。

圖1　互通立交平面布置

互通立交主隧道、F匝道、H匝道均與既有沿江高速高架橋交叉。既有高架橋?yàn)槎嗫邕B續(xù)梁結(jié)構(gòu)，采用群樁基礎(chǔ)，樁底進(jìn)入中微風(fēng)化花崗巖地層。其中主隧道所穿橋跨兩側(cè)采用直徑2.5 m樁基，F(xiàn)匝道和H匝道穿越橋跨采用直徑1.6 m樁基。三處下穿位置既有橋梁底標(biāo)高約18.4～20.1 m(圖2～圖4)。

圖2　主線(xiàn)下穿高架橋剖面(單位:m)

圖3　F匝道下穿高架橋橫剖面(單位:m)

圖4　H匝道下穿高架橋橫剖面(單位:m)

互通區(qū)地層從上至下依次為淤泥、粉質(zhì)黏土、黏土、砂層、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化混合花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖、中風(fēng)化混合花崗巖(圖5)。地質(zhì)條件較差，基底以淤泥及黏土層、粉質(zhì)黏土地層為主，地基承載力較差，且淤泥較厚，多為流塑狀。

圖5　互通區(qū)地質(zhì)剖面

2　有限元數(shù)值模型

互通區(qū)域的施工關(guān)鍵步序?yàn)椋夯坶_(kāi)挖—圍閉筑壩結(jié)構(gòu)施工—壩內(nèi)回填砂—基坑開(kāi)挖支護(hù)—主線(xiàn)及匝道施工—實(shí)現(xiàn)水下互通立交與隧道施工轉(zhuǎn)換。主線(xiàn)與F、H匝道的施工關(guān)鍵步序類(lèi)似，主線(xiàn)的基坑深度和寬度均大于兩條匝道。

結(jié)合上述施工步序及圍巖參數(shù)分別針對(duì)F匝道、主線(xiàn)隧道下穿高架橋建立有限元模型。采用MIDAS/GTS數(shù)值計(jì)算軟件，計(jì)算模型橋墩和承臺(tái)采用實(shí)體單元模擬，彈性模型；圍巖、島壁采用實(shí)體單元模擬，采用摩爾庫(kù)倫模型；圍檁、內(nèi)支撐及橋樁、橋墩采用梁?jiǎn)卧M，本構(gòu)關(guān)系為彈性，地下連續(xù)墻及橋面采用板單元模擬(表1～表3、圖6～圖9)。

表1　地質(zhì)參數(shù)

圖6　F匝道模型及高架橋模型

3　模擬結(jié)果分析

根據(jù)JGJ 94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中5.5.4的規(guī)定，相鄰樁基差異沉降小于0.002L0(按最小橋跨27 m計(jì)算，相鄰樁基的差異沉降允許值為54 mm)，整體傾斜小于0.008 h(按橋高20 m計(jì)算，橋梁豎向位移差允許值為160 mm)，樁基最大累計(jì)沉降量小于350 mm；根據(jù)JGJ 94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中5.7.2～5.7.3的規(guī)定，水平位移允許值小于10 mm(表4、表5、圖10～圖13)。

圖7　F匝道施工工序

線(xiàn)路標(biāo)高/m-4.0基坑底標(biāo)高/m-5.5基坑深度8.5m考慮先期回填至+3.0m標(biāo)高后再施工基坑基坑寬度/m17支撐設(shè)置設(shè)置兩道支撐(第一道鋼混支撐600mm×800mm,間距6m,與冠梁結(jié)合;第二道鋼支撐φ600,t=14,間距3m,采用工字鋼腰梁),采用梁?jiǎn)卧M地連墻厚度0.8m,采用板單元模擬,嵌固12.9m既有高架橋承臺(tái)采用C30混凝土實(shí)體單元,樁基采用梁?jiǎn)卧?樁徑1.6m,樁底入中風(fēng)化,橋面采用板單元模擬,橋墩采用梁?jiǎn)卧M,墩身尺寸1.8m×2.2m基坑頂面荷載/kPa20海水圍閉及內(nèi)側(cè)回填在海中進(jìn)行,因此圍閉結(jié)構(gòu)和回填過(guò)程中海面以下至海床范圍采用浮容重,在海床面上施加海水水壓,施加海水水壓及重力后位移清零,模擬前期固結(jié)

圖8　主線(xiàn)模型及高架橋模型

從上述結(jié)果中分析可見(jiàn)，橋梁的最大豎向位移約5.4 mm(沉降)，遠(yuǎn)小于規(guī)范允許的控制值要求。橋梁的最大水平位移為38.85 mm，發(fā)生在一期基坑開(kāi)挖后，其中島壁填筑完畢時(shí)橋梁樁基的最大水平位移已達(dá)28.2 mm，壩內(nèi)填砂完畢時(shí)最大水平位移為34.9 mm，因此壩體填筑及壩內(nèi)回填階段為主要水平位移的產(chǎn)生來(lái)源。

圖9　主線(xiàn)施工步序

基坑深度/m18.6基坑寬度/m47支撐設(shè)置設(shè)置四道支撐(第一^第三道支撐采用鋼混支撐800mm×800mm,間距6m;第四道鋼支撐φ609 t=14,間距3m,采用工字鋼腰梁),采用梁?jiǎn)卧M,設(shè)置兩排中立柱,立柱采用豎向約束模擬地連墻厚度1m,采用板單元模擬,嵌固約10m既有高架橋承臺(tái)采用C30混凝土實(shí)體單元,樁基采用梁?jiǎn)卧?靠近基坑樁徑2.5m,遠(yuǎn)離基坑樁徑1.6m,樁底入中風(fēng)化,橋面采用板單元模擬,橋墩采用梁?jiǎn)卧M,墩身尺寸1.8m×2.2m基坑頂面荷載/kPa20

表4　橋梁位移(F匝道施工模擬)　mm

圖10　無(wú)軟基處理最大水平位移

圖11　有軟基處理最大水平位移

考慮島壁以外的橋區(qū)淤泥處理后，橋梁最大水平位移由原來(lái)的最大38.9 mm降至最大22.3 mm，發(fā)生在海床面與樁相交位置，最大豎向位移由原來(lái)5.4 mm減小為4.7 mm。

通過(guò)上述模擬，樁基位移有以下特點(diǎn)：

主要發(fā)生在壩體回填階段和壩內(nèi)填砂階段；最大位移發(fā)生在樁基和海床面相交位置，向下逐漸減??；位移來(lái)源主要是上部軟弱地層受擠壓后整體移動(dòng)，以水平位移為主。

雖然進(jìn)行了橋區(qū)范圍的整體地基處理，但橋梁變形仍較大，水平位移超出規(guī)范允許值。因此簡(jiǎn)單的橋區(qū)淤泥處理無(wú)法控制對(duì)既有橋梁的影響。

表5　橋梁位移結(jié)果(主線(xiàn)隧道基坑施工模擬)　mm

圖12　常規(guī)基坑開(kāi)挖施工橋梁最大水平位移

圖13　常規(guī)基坑開(kāi)挖施工橋梁最大豎向位移

從上述結(jié)果分析可見(jiàn)，橋梁水平位移發(fā)生在靠近基坑的兩組樁基，在承臺(tái)下4～5 m位置，即淤泥層中間位置，最大水平位移14.5 mm，大于樁基允許水平位移值10 mm的要求。橋梁豎向位移發(fā)生在橋面位置，最大為4.8 mm，樁基及承臺(tái)最大沉降3.5 mm，小于規(guī)范允許沉降差要求。

由于水平位移超限，需要采取工程措施控制位移過(guò)度發(fā)展，結(jié)合本工程實(shí)際，建議具體措施如下：

(1)主隧道兩側(cè)采用1.5 m直徑的鋼管樁支護(hù)，中間采用旋噴樁止水，一方面剛度較大，另一方面可以在填島前水上施工，在主跨作為運(yùn)輸通道期間對(duì)橋樁起保護(hù)作用。

(2)將主基坑位置填土標(biāo)高調(diào)整為3.0 m，高于設(shè)計(jì)施工期水位。

(3)對(duì)主基坑兩側(cè)承臺(tái)周邊土體進(jìn)行加固，具體加固方式建議為攪拌樁。

主線(xiàn)隧道加固后的水平位移見(jiàn)表6。

表6　橋梁位移　mm

調(diào)整后的橋梁水平變形(圖14)。

圖14　加固后基坑開(kāi)挖施工橋梁最大水平位移

4　結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)島壁橫穿橋梁的計(jì)算分析可知，拋石島壁橫穿或緊貼平行橋梁形成的擠壓作用對(duì)相鄰橋孔樁基影響較大，主要影響為既有橋樁的水平位移超限，填砂過(guò)程也會(huì)對(duì)橋樁形成較大側(cè)壓，因此建議盡量避免將島壁設(shè)置在橋下或緊貼橋梁。同時(shí)清淤、填島過(guò)程中應(yīng)盡量避免不平衡壓力，盡量做到東西平衡，南北緩坡，建議在橋樁區(qū)域清淤或填砂的坡度控制在1∶5以下，左右高差小于2 m。

(2)在對(duì)稱(chēng)回填的情況下，主隧道基坑在不采取加固處理的情況下，橋樁水平位移最大值達(dá)14.8 mm，超過(guò)控制值10 mm的要求，因此建議通過(guò)加強(qiáng)圍護(hù)剛度、對(duì)承臺(tái)周邊地基加固、降低主隧道基坑深度等方法進(jìn)行控制，經(jīng)分析采取措施后水平位移可以控制在10 mm以?xún)?nèi)。

(3)在對(duì)稱(chēng)清淤回填的前提下，G匝道位置窄條狀島體施工可以滿(mǎn)足橋梁保護(hù)控制值要求，針對(duì)E匝道位置島體只有一側(cè)島壁結(jié)構(gòu)的情況，建議施工前對(duì)相鄰碼頭與高架橋平行的邊線(xiàn)進(jìn)行雙排鋼管樁隔離加固，然后對(duì)橋區(qū)進(jìn)行對(duì)稱(chēng)清淤、回填。為減小樁基清淤后樁體裸露過(guò)長(zhǎng)而側(cè)向撞擊抵抗能力減弱的問(wèn)題，建議在橋樁周?chē)黾愉摪鍢侗Ｗo(hù)，鋼板樁宜沿橋梁承臺(tái)形成圍合區(qū)域避免中間淤泥被清除。

(4)以上計(jì)算僅為理論工況，受限于有限元方法和計(jì)算水平，與實(shí)際施工工況無(wú)法完全相同，因此建議采取以下措施：①施工過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)情況指導(dǎo)施工，必要時(shí)采取進(jìn)一步保護(hù)措施；②在無(wú)法做到完全對(duì)稱(chēng)的情況下，敏感位置的清淤宜優(yōu)先清除理論計(jì)算樁基水平位移朝向的另一側(cè)，填島則相反，但高差不宜過(guò)大；③施工過(guò)程中應(yīng)避免對(duì)橋樁撞擊，提前做好橋樁防護(hù)，建議設(shè)備材料運(yùn)輸盡量利用主隧道處橋孔，如需利用其它較小橋孔，應(yīng)控制通行船只的寬度和行駛速度；④針對(duì)橋梁各項(xiàng)控制指標(biāo)，建議下階段與橋梁設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)管理單位進(jìn)一步溝通協(xié)調(diào)。