姜 爽,王 喬

(徐州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,江蘇 徐州 221000)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展,新建公路、城市道路與既有鐵路、高速公路等的交叉越來(lái)越多,“平改立”的工程也屢見(jiàn)不鮮[1-3]。U型槽結(jié)構(gòu)具有剛度大、變形小、穩(wěn)定性與防水性能好等優(yōu)點(diǎn),而被廣泛應(yīng)用于下挖引道工程中[4-6]。近年來(lái),關(guān)于U型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工的研究已逐步開展,但對(duì)于凈空小、側(cè)向空間受限等特殊工況下的U型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究尚少[7-9]。以睢寧中山路下穿徐淮高速公路工程為背景,針對(duì)高速公路橋下凈空狹小,側(cè)向施工空間受限等特點(diǎn),分析U型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、防水、抗浮設(shè)計(jì)及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等技術(shù)問(wèn)題,并對(duì)施工過(guò)程中橋梁的監(jiān)測(cè)及樁頂位移的驗(yàn)算進(jìn)行介紹。

1 工程背景

1.1 下穿節(jié)點(diǎn)概況

睢寧中山路下穿徐淮高速公路,下穿位置為淮徐高速一中橋自西向東第二跨中間位置。該中橋上部結(jié)構(gòu)為4×20 m空心板,下部為柱式墩臺(tái)、樁基礎(chǔ),下穿夾角70°,橋墩直徑1.5 m,道路下穿路線方向凈寬17.29 m,見(jiàn)圖1。該城市道路路面凈寬12 m,根據(jù)道路設(shè)計(jì),該節(jié)點(diǎn)路面設(shè)計(jì)標(biāo)高距橋梁底板距離為4.5 m?？紤]U型槽兩側(cè)墻厚度,橋下U型槽結(jié)構(gòu)側(cè)墻外距高速公路橋墩凈距離僅2 m左右,橋下凈空為2～3 m,道路施工凈空和側(cè)向空間均非常受限。如何在保證橋梁安全運(yùn)營(yíng)的前提下開展狹小凈空及側(cè)向空間條件下的U型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及基坑支護(hù)設(shè)計(jì)成為技術(shù)難點(diǎn)。

圖1 下穿節(jié)點(diǎn)平面位置圖(單位:m)

1.2 工程地質(zhì)、水文地質(zhì)

下穿節(jié)點(diǎn)主要地層及物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 下穿節(jié)點(diǎn)土層物理力學(xué)指標(biāo)

地下水主要為第四系孔隙潛水。孔隙潛水主要賦存于第四系全新統(tǒng)粉土中,水位埋深1.2～2.2 m。地下水主要受大氣降水和地表水滲流補(bǔ)給影響,水位年變化幅度不大。

2 U型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 一般結(jié)構(gòu)形式分析

U型槽結(jié)構(gòu)主要由鋼筋混凝土底板和鋼筋混凝土側(cè)墻構(gòu)成,常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式主要有三種[10-11],見(jiàn)圖2。

圖2 U型槽典型結(jié)構(gòu)形式

此三種形式下,側(cè)墻可認(rèn)為是剛性構(gòu)件的懸臂結(jié)構(gòu),側(cè)墻在外側(cè)土壓力作用下于墻體截面形成正的剪力和向內(nèi)的彎矩,并于墻底位置彎矩最大。

底板產(chǎn)生負(fù)的剪力和向上的彎矩。圖2中,形式(a)側(cè)墻內(nèi)外均為直立,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便。形式(b)側(cè)墻內(nèi)側(cè)為直立,外側(cè)有向外的斜率。由于側(cè)墻外土壓力存在向下的分力,使得此種形式有利于U型槽的抗浮穩(wěn)定性,同時(shí),由于側(cè)墻外側(cè)土壓力對(duì)墻底的力矩變小,使得墻底彎矩減小,有利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,具有更好的適用性。形式(c)于側(cè)墻外側(cè)增加一定寬度的墻踵,此形式除具備形式(b)的優(yōu)點(diǎn)外,還可以通過(guò)墻踵上部土體的重量提高結(jié)構(gòu)的抗浮穩(wěn)定性,相較于傳統(tǒng)的采用抗拔樁抗浮具有一體化施工、抗浮效果好、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn),且此形式可降低基底平均壓力,有利于基底穩(wěn)定。但此種形式由于墻踵的加寬,導(dǎo)致基坑開挖寬度加大,要求具有較大的施工空間。

運(yùn)營(yíng)期間,抗浮設(shè)計(jì)應(yīng)選擇路面上車輛荷載與設(shè)計(jì)水位的最不利工況組合并按公式(1)、公式(2)進(jìn)行驗(yàn)算[12]。

(1)

NW=γW·Vk

(2)

式中:∑W為U型槽結(jié)構(gòu)自重、靜荷載、作用在U型槽結(jié)構(gòu)的有效配重及抗拔措施提供的抗力,kN;NW為作用在U型槽結(jié)構(gòu)上的浮力,地下水位應(yīng)采用抗浮設(shè)計(jì)水位,kN;γW為地下水重度,kN/m3;Vk為U型槽結(jié)構(gòu)排開地下水體積,m3;Kf為抗浮安全系數(shù),施工期、運(yùn)營(yíng)期分別不小于1.05、1.10。

2.2 采用結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計(jì)計(jì)算

由于U型槽側(cè)向空間狹小,只能選用圖2(a)或者圖2(b)結(jié)構(gòu)形式。U型槽側(cè)墻外側(cè)距高速橋墩距離約2 m,為最大程度地保護(hù)高架橋橋墩,按支護(hù)結(jié)構(gòu)緊貼U型槽側(cè)墻外側(cè)進(jìn)行設(shè)計(jì),不預(yù)留側(cè)墻外的作業(yè)空間,因此,U型槽采用圖2(a)側(cè)墻外側(cè)直立的結(jié)構(gòu)形式。U型槽側(cè)墻厚度取0.5 m,側(cè)墻外壁距橋墩凈距離為2.15 m,此方案可最大限度地預(yù)留橋墩的保護(hù)距離,保證樁基周圍土體的穩(wěn)定。斷面形式見(jiàn)圖3。

圖3 U型槽斷面設(shè)計(jì)(單位:cm)

底板按彈性地基梁考慮,荷載主要考慮側(cè)向土壓力、水壓力、行車荷載、結(jié)構(gòu)自重,以此建立計(jì)算模型[13],見(jiàn)圖4。土壓力按主動(dòng)土壓力計(jì)算并乘以1.25的修正系數(shù),水壓力按靜水壓力考慮,取斷面1 m 長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)計(jì)算得到邊墻所受最大彎矩為 268.206 kN·m,最大剪力為173.272 kN?？垢“踩禂?shù)為kf=519.8/533=0.975<1.1,不滿足抗浮設(shè)計(jì)要求,需增加抗浮措施。底板所受最大彎矩為268.206 kN·m,最大剪力為62.400 kN。

圖4 U型槽結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖(單位:kN)

根據(jù)圖4結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果,為滿足邊墻與底板的抗彎、抗剪穩(wěn)定性要求,邊墻、底板外側(cè)縱筋采用Φ20 mm的HRB400鋼筋,除按照模型計(jì)算的最大彎矩、最大剪力設(shè)計(jì)主筋外,還需要在結(jié)構(gòu)中合理配置構(gòu)造筋和分布筋。為保證墻底與底板連接位置的抗彎、抗剪穩(wěn)定性,一般還應(yīng)在邊墻底部?jī)?nèi)側(cè)設(shè)肋角加強(qiáng)筋。根據(jù)計(jì)算結(jié)果及構(gòu)造要求,U型槽鋼筋布置見(jiàn)圖5。

圖5 U型槽結(jié)構(gòu)鋼筋布置(單位:mm)

3 U型槽結(jié)構(gòu)防水、抗浮設(shè)計(jì)

3.1 U型槽結(jié)構(gòu)防水設(shè)計(jì)

U型槽結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期工作在地下水位以下,為保證U型槽的穩(wěn)定,需對(duì)其防水、防滲進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)。一般U型槽的防水、防滲設(shè)計(jì)主要包括混凝土自身的抗?jié)B設(shè)計(jì)、U型槽外側(cè)迎水面的全包防水設(shè)計(jì)及沉降縫、施工縫等重點(diǎn)部位的專門防水設(shè)計(jì)?；炷磷陨淼目?jié)B一般通過(guò)在混凝土中摻外加劑實(shí)現(xiàn);全包防水一般有噴涂防水涂料、背貼式止水材料、石油瀝青粘接防水材料等形式,接縫位置的防水設(shè)計(jì)一般需要結(jié)合多種防水、阻水材料等共同實(shí)現(xiàn)[13]。

U型槽采用C35抗?jié)B混凝土,抗?jié)B等級(jí)P8,U型槽沉降縫設(shè)鋼剪銷連接,并采用瀝青浸制木板填塞,中間為鋼邊橡膠止水帶,外側(cè)為外貼式橡膠止水帶,U型槽外側(cè)涂聚氨酯防水涂料,見(jiàn)圖6。U型槽施工縫設(shè)遇水膨脹止水條、鋼板止水帶,見(jiàn)圖7。

圖6 U型槽沉降縫防水設(shè)計(jì)

圖7 U型槽施工縫防水設(shè)計(jì)

3.2 U型槽結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)

由于抗浮穩(wěn)定性不滿足要求,需采取抗浮措施來(lái)增加抗浮力。受凈寬限制,結(jié)構(gòu)自重已無(wú)法進(jìn)一步增大,因此采用設(shè)抗拔樁,通過(guò)抗拔樁的側(cè)摩阻力增加抗浮力?？拱螛缎杼峁┠ψ枇γ垦用譌=533×1.1-519.8=66.5 kN,按U型槽結(jié)構(gòu)10 m一節(jié),每節(jié)U型槽需要增加抗浮力665 kN。每節(jié)U型槽的抗拔樁按4根Φ1.0 m的混凝土灌注樁進(jìn)行設(shè)計(jì),則每根抗拔樁需提供抗拔力665/4=166.25 kN。通過(guò)公式(3)對(duì)樁長(zhǎng)進(jìn)行反算。

Tuk=∑λi·quki·μi·li

(3)

式中:Tuk為單樁抗拔極限承載力,kN;λi為抗拔系數(shù),取0.5;quki為土層的極限側(cè)阻應(yīng)力,kPa;μi為樁身周長(zhǎng),m;li為土層厚度,m。

由此反算得到抗拔樁長(zhǎng)l=5 m。初步確定抗拔樁各參數(shù)后需按公式(4)進(jìn)行抗拔樁單樁破壞驗(yàn)算[12]。

Nuk≤Tuk/2+GP

(4)

式中:Nuk為單樁上拔力計(jì)算值,kN;GP為單樁自重,地下水位以下采用浮重度,kN。每根樁受到的上拔力為Nuk=665/4=166.25 kN,下拉力Tuk/2+GP=223.725 kN,抗拔樁單樁破壞驗(yàn)算滿足要求。以上確定的抗拔樁各參數(shù)滿足規(guī)范要求。

4 基坑設(shè)計(jì)

由于施工空間狹小,無(wú)法展開高大機(jī)械施工,橋下支護(hù)結(jié)構(gòu)、止水帷幕施工嚴(yán)重受限,鉆孔灌注樁等樁體類支護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)法施工,且施工期間需嚴(yán)格控制基坑開挖引起的橋梁位移、沉降,確保高速公路的正常運(yùn)營(yíng)。因此,設(shè)計(jì)采用鋼板樁+鋼管支撐+鋼圍檁的組合型式進(jìn)行基坑支護(hù),并對(duì)鋼管施加一定的預(yù)應(yīng)力,見(jiàn)圖8。

圖8 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

U型槽緊貼側(cè)墻設(shè)置,且鋼板樁作為永久支護(hù), 可使樁基具有最大保護(hù)距離, 保證基坑的穩(wěn)定性,控制基坑頂部位移,并具有良好的止水效果。根據(jù)所在區(qū)域工程地質(zhì)特點(diǎn),鋼板樁采用靜壓方式壓入土體, 確保圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工對(duì)橋梁運(yùn)營(yíng)的影響最小。同時(shí),采用鋼樁焊接工藝,降低施工凈空要求,解決狹小凈空、凈寬條件下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工難題。

5 樁體位移監(jiān)測(cè)及方案的可行性

5.1 監(jiān)測(cè)的目的

根據(jù)規(guī)范[14-15]及高速公路管理部門要求,為避免基坑工程施工影響橋梁基礎(chǔ)穩(wěn)定性,避免墩臺(tái)變形影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全,通過(guò)對(duì)該橋梁兩個(gè)橋臺(tái)及三個(gè)橋墩進(jìn)行豎向位移監(jiān)測(cè)及傾斜度監(jiān)測(cè),以提供可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和信息,并達(dá)到以下目的。

(1)及時(shí)發(fā)現(xiàn)墩臺(tái)結(jié)構(gòu)是否發(fā)生異常撓度或變形。

(2)掌握基坑施工過(guò)程中墩臺(tái)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。

(3)通過(guò)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),為橋梁今后養(yǎng)護(hù)等工作提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。

5.2 監(jiān)測(cè)的內(nèi)容

以睢寧中山路下穿徐淮高速公路為背景,墩臺(tái)變形的主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括墩臺(tái)、立柱豎向位移及墩臺(tái)、立柱傾斜度變化。豎向位移采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行監(jiān)測(cè),傾斜度采用小角法進(jìn)行監(jiān)測(cè),測(cè)點(diǎn)各16處,測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖9所示。

圖9 測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

5.3 監(jiān)測(cè)的技術(shù)參數(shù)

5.3.1 監(jiān)測(cè)精度與頻率

選用二等水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)、二等位移監(jiān)測(cè)進(jìn)行測(cè)量,相應(yīng)精度要求參照《建筑變形測(cè)量規(guī)范》(JGJ 8—2016)。監(jiān)測(cè)頻率考慮基坑開挖深度及結(jié)構(gòu)施工進(jìn)程分別設(shè)置,如表2所示。

表2 現(xiàn)場(chǎng)儀器監(jiān)測(cè)頻率

5.3.2 預(yù)警值及預(yù)警機(jī)制

在確保監(jiān)測(cè)對(duì)象安全的前提下,參照《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50497—2019)、《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)等規(guī)范[14-15]相關(guān)要求,墩臺(tái)監(jiān)測(cè)預(yù)警值如表3所示。

表3監(jiān)測(cè)項(xiàng)目預(yù)警值

墩臺(tái)豎向位移累計(jì)值或每日變化值達(dá)到監(jiān)測(cè)預(yù)警值時(shí),應(yīng)立即預(yù)警并停止施工,通知有關(guān)各方分析原因并排除安全隱患方可恢復(fù)施工。

墩臺(tái)傾斜度累計(jì)值達(dá)到預(yù)警值或每日變化值連續(xù)3 d大于預(yù)警值時(shí),應(yīng)立即預(yù)警并停止施工,通知有關(guān)各方分析原因并排除安全隱患方可恢復(fù)施工。

5.4 設(shè)計(jì)方案的可行性

重點(diǎn)對(duì)基坑開挖工況下的樁頂位移進(jìn)行驗(yàn)算,主要考慮高速公路橋面制動(dòng)力、溫度影響力、豎向荷載及基坑開挖期間引起的土壓力。根據(jù)規(guī)范及地質(zhì)情況,上述應(yīng)力取值分別為386.1、312.7、2 477.8、136 kN。

采用《橋梁博士》進(jìn)行建模計(jì)算,得出地面處樁柱水平位移為0.000 9 m,傾斜度為-0.000 1 rad。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008),樁頂水平位移應(yīng)≤10 mm,敏感建筑≤6 mm。樁頂水平位移遠(yuǎn)低于規(guī)范控制值。因此,設(shè)計(jì)方案滿足規(guī)范及高速公路管理部門要求。

6 結(jié) 語(yǔ)

(1)U型槽的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式各有其優(yōu)缺點(diǎn),應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行選擇,在側(cè)向空間受限條件下為保護(hù)橋墩,結(jié)合基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),側(cè)墻內(nèi)外側(cè)均可采用豎直式,且不設(shè)墻踵。

(2)除通過(guò)U型槽結(jié)構(gòu)計(jì)算確定U型槽結(jié)構(gòu)主筋外,還應(yīng)根據(jù)需要配置構(gòu)造筋、分布筋及肋角加強(qiáng)筋。

(3)U型槽防水設(shè)計(jì)除結(jié)構(gòu)自防水及外側(cè)全包防水,沉降縫、施工縫為防水關(guān)鍵部位,采用止水帶+中埋式鋼邊橡膠止水帶+外貼式止水帶結(jié)合防水涂料具有較好的防水效果。

(4)U型槽結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足抗浮穩(wěn)定性要求時(shí),應(yīng)采取適當(dāng)措施增加抗浮力,采用抗拔樁抗浮時(shí),應(yīng)進(jìn)行樁體穩(wěn)定性驗(yàn)算。

(5)采用鋼板樁+鋼管支撐+鋼圍檁+預(yù)應(yīng)力的組合型式,鋼板樁緊貼U型槽側(cè)墻并作為永久支護(hù),采用靜壓壓入、焊接工藝施工,可解決橋下凈空狹小、側(cè)向凈空受限條件下深大基坑支護(hù)問(wèn)題。

(6)通過(guò)對(duì)橋梁墩臺(tái)及立柱的監(jiān)測(cè),為基坑開挖安全提供可靠信息,保證基坑開挖過(guò)程中高速公路的安全運(yùn)營(yíng),監(jiān)測(cè)頻率應(yīng)根據(jù)施工進(jìn)程分別設(shè)定。

(7)橋下近距離開挖深基坑,應(yīng)對(duì)橋梁樁基位移、變形進(jìn)行驗(yàn)算,當(dāng)位移、變形值滿足規(guī)范要求時(shí),基坑開挖及支護(hù)方案才可施行。