道路改扩建中拟建桥梁对既有桥梁结构的影响

(重庆市南川区公路工程质量监督检查站 重庆 408400)

引言

近年来，我国交通事业发展迅速，道路建设及改建工程逐年增加。当前，由于城市化加剧及交通量的迅速增长，既有城市道路已无法与实际需求相匹配[1]。对于此类问题的产生，主要有两个原因：一是在进行城市交通规划过程中缺乏精确的预测，导致众多城市道路交通量远远超过预期，；二是超载现象无法遏制，致使很多道路发生车辙、裂缝坑槽等早期病害，从而大大缩短其服务寿命[2-5]。因此，对一些不能满足要求的既有城市道路进行改扩建势在必行。因此，对一些不能满足要求的既有城市道路进行改扩建势在必行。

城市道路改扩建工程相比高速公路有很大的差异，涉及到对周围既有构筑物的影响[6-7]。所以，合理分析、精确评估城市道路改扩建过程对既有构筑物的影响非常重要。本文以某市道路改扩建工程为依托，分析道路改扩建中拟建桥梁对既有桥梁的影响并对其结构安全进行评估。

一、工程概况

改扩建路段于2004年完工，约9.43km长，其定位为城市主干道，路幅为规范规定的38-41m，双向5-6车道，设计时速60km/h。此次改造主要针对该路段进行拓宽处理，按规划红线宽度41m，双向6车道拓宽改造，为城市主干道Ⅰ级。

道路拓宽在桥梁上进行，全长520米，拟建桥梁桥跨布置与既有桥梁相互对应设置。拟建桥梁下部结构与既有桥墩保持一致，上部结构采用现浇箱梁、预制箱梁及预制吊装小箱梁等结构形式，单幅采用双柱式桥墩，桥墩盖梁为变截面预应力盖梁，桥墩墩柱直径为1.8 m，桩基直径为2.0 m，如图1所示。桥墩均采用支架现浇，桩基采用钻孔灌注嵌岩桩，嵌入中风化岩层不小于3倍桩径，岩石饱和单轴极限抗压强度不小于6 Mpa。

图1 典型横断面图

二、数值计算模型及参数选择

本文采用midas civil有限元软件对新建和既有桩基以及计算范围内的土体采用三维实体单元计算，桩基护壁采用三维壳体单元计算。考虑到三维模型在计算过程中的精度要求以及计算工作量偏大，所以本文在计算过程中对相关计算范围进行了一定的约束。桩基础横向、纵向均沿影响范围向外扩展25m，桩底向下扩展25m，如图2所示。

本文计算中所涉及的荷载主要包括：结构自重、拟建桩基和既有桩基开挖过程中产生的围岩释放荷载、既有桥梁使用产生的地面超载(78800KN)、拟建桩基使用产生的地面超载(12660KN)。

本文计算的边界条件设置如下：以地表为自由面，竖直方向Z方向的自由度受到计算模型的底面约束，X、Y方向的自由度由计算模型侧面约束。

图2 三维有限元模型

计算范围内的岩层主要以土层和中风化砂岩为主。有限元计算采用的材料参数如表1 所示。

表1 计算参数选取值表

三、结果分析

(一)拟建桩基逐层开挖及浇筑对土体的影响

图3为各个阶段模拟拟建桩基逐层开挖及浇筑对土体影响云图，由图可知，随着拟建桩基逐层开挖和浇筑，对周边土体产生了一定的变形。在桩基施工开挖过程中，土体最大变形产生4.58mm，容易引起既有桥梁结构的安全问题。

拟建桩基开挖阶段1 拟建桩基开挖阶段2

拟建桩基开挖阶段3 拟建桩基开挖阶段4

拟建桩基浇筑阶段

(二)拟建桩基逐层开挖及浇筑对既有桥梁基础的影响

新建桥梁1-4号轴桥墩基础与既有大桥4号墩基础距离最近，桩中距约5.71m，该位置覆土较厚，约12～15m，因此，本文主要分析对既有桥4号墩基础的影响。图4为拟建桩基逐层开挖及浇筑对既有桥4号墩变形的影响云图，由图知，随着拟建桩基逐层开挖步骤的增加，4号墩承台首先产生较大变形，为0.911mm，随着开挖深度的增加，4号墩最外侧桩基变形逐渐增大，在第四阶段开挖所引起的既有桥墩的结构变形最大，为3.28mm。拟建桩基灌注回填，使得4号墩桩基础的变形减小，最大值为3.45mm。

拟建桩基开挖阶段1 拟建桩基开挖阶段2

拟建桩基开挖阶段3 拟建桩基开挖阶段4

拟建桩基灌注阶段

将拟建桩基不同开挖步骤、桩基灌注及回填土过程对既有大桥4号墩的承台变形及桩基底变形进行了统计，结果见表2。并绘制了新建桩基引起土体变形的范围图，如图5所示。

表2 既有大桥4号墩基础不同阶段变形

图5拟建桩基施工引起土体最大变形范围图

由上可知，在对拟建桥梁进行基础开挖时，对既有大桥4号墩周边土体形成卸载，致使既有桥梁承台顶在水平方向的最大变形约0.3mm，竖直方向的最大变形约0.33mm；桩基在水平方向上的最大变形约0.5mm，竖直方向上的最大变形约0.34mm。

根据工程经验可知，既有大桥4号墩承台和桩基在拟建桥梁进行基础开挖的过程中受到的扰动很小，基本不会对混凝土内力重分布产生影响，因此建议不采用加固防范措施，但仍注意加强监控量测。

四、结论

(1)在桩基施工开挖过程中，土体最大变形产生4.58mm，容易引起既有桥梁结构的安全问题。

(2)既有大桥4号墩承台和桩基在拟建桥梁进行基础开挖的过程中受到的扰动很小，基本不会对混凝土内力重分布产生影响，因此建议不采用加固防范措施，但仍注意加强监控量测。