【技术】高速公路桥梁墩柱纠偏案例分析与技术探讨

【技术】高速公路桥梁墩柱纠偏案例分析与技术探讨

随着我国城市建设的高速发展，合理利用空间资源，在不同高程实现交叉，是目前高速公路与地方道路的重要交叉形式，城市道路、地方公路等从既有高速公路桥下穿越的建设项目逐渐增多，以及扩张产生大量的建筑垃圾，可能直接被堆于桥底。对于地质不良、淤泥覆盖层较厚的场地，极易导致既有桥梁的桩柱偏位，对高速公路营运安全造成严重影响及危害。本文结合项目高速公路桥梁下新增荷载引起桥桩偏位的案例，从有限元模拟分析及纠偏处治几个方面进行概述，为其他类似工程提供参考和借鉴。

工程概况

研究工作紧密结合某高速公路互通区域桥梁纠偏工程进行。该互通存在互通N 匝道（同时为地方接线）从互通主线2 号桥（以下简称主线2 号桥）5#~6#墩（5#~6#墩间桥跨位于主线2 号桥左幅第2 联，右幅第1 联）之间及互通D 匝道桥（以下简称D 匝道桥）2#~3#墩之间下穿。项目偏位桥梁便是主线2号桥、D匝道。

图1项目平面示意图

基本情况

N匝道（地方接线）原路基宽度12m，填高11m 左右，填筑时间为2011 年1 月5 日至2011 年3 月23 日。2013 年11 月13 日至2013 年12 月3 日，N 匝道加宽至19m。加宽部分从主线2 号桥6#~7#墩之间下穿（位于左幅第2 联，右幅第2 联），加宽部分路基填筑高度4~5m。N 匝道（地方接线）加宽时，龙泉互通养管单位发现主线2 号桥、D 匝道桥部分桥墩出现倾斜过大、支座变形、滑移等异常情况。养管单位发现墩柱顶相对墩柱与N 匝道加宽后地面交接处的最大偏移量发生在右幅8-3#墩柱，墩柱偏移方向都为往西南方向倾斜（养管单位墩柱的偏移仅观测纵桥向）；左幅5 号墩、右幅6 号墩伸缩缝宽分别为19.1cm、19.3cm，左幅10 墩、右幅9 号墩伸缩缝宽分别为8.9cm、10.5cm，上部结构梁体存在明显的往西南向偏移现象。

图2桥墩偏位示意图

原因分析与建模计算

通常既有桥梁受到滑坡体影响或周边单侧堆载，土体的沉降及侧向位移将会对桥梁桩基产生较大的影响。桩侧土受到侧移土体的作用，相对桩基产生较大的沉降，对桩基产生负摩阻力，降低桩基的安全系数，将会影响桥梁的使用安全使用；同时桩侧土在侧移土体作用下产生水平位移并对桩基产生挤压，导致桩基发生水平位移并产生挠曲变形，严重影响着桩基的承载性能甚至造成上部结构产生一系列变位和破损。根据现有掌握资料，对桥下断面以如下简图示意：

图3土体堆载示意图

拓宽部分路基在6#~7#墩之间，单侧堆土极有可能造成6#、7#墩向两侧挤压倾斜，而实际情况是5#~9#墩均向同一侧移位。根据调查分析，推断是由于堆载破坏原平衡，使拓宽部分带动原路基形成一个滑坡体，故造成整体向一侧偏移。

图4有限元匝道模型

图4有限元主线模型

通过有限元计算分析，主线2 号桥第2 联左幅和右幅各墩柱以及D 匝道桥各墩柱的计算纵桥向偏移量与实测纵桥向偏移量相差较小，偏移方向一致，计算纵桥向偏移最大的墩柱与实测相同。桥梁状况下桩身应力有限元计算结果表明，主线2 号桥第2 联左幅6 号桥墩、右幅6 号和8 号桥墩、D 匝道桥2 号和4 号桥墩的部分桩身应力超过C25 混凝土轴心抗拉强度设计值和标准值，主线2 号桥第2 联左幅8 号桥墩的部分桩身应力超过C25 混凝土轴心抗拉强度设计值但稍小于C25 混凝土轴心抗拉强度标准值。

原因分析

结合现场调查情况，分析桥墩偏位主要由以下几部分因素影响：

①原桩周土体在大面积堆载作用下产生较大的沉降，对桩身产生负摩阻力；

②原桩周土体的侧向变形对邻近的桩基产生挤压，导致桩身水平侧移并产生挠曲变形，当桩承受荷载作用时，较大的桩身弯曲变形会引起二次弯矩加剧桩身病害；

③桩身两侧的填筑路基不平衡土压力也会产生桩基挤压变形；

④拓宽施工时对原路基边坡处理不到位，拓宽路基稳定性较差，有可能形成滑动面，对桥墩产生推力。

处治措施

本次处治方案是为了对上述分析桩周土体的侧向压力进行释放，对结构进行纠偏复位，从而达到保证结构安全的目的。综合考虑处治效果、社会影响、施工方便等因素，拟采用以下两大类方案对桥跨及墩柱偏位进行恢复：局部卸载纠偏方案和整体卸载纠偏方案。

方案比较表表1

局部卸载：方案一在桩基周围采用钢筋混凝土套筒护壁分层支护开挖，采取合理的施工方案及安全保障措施，可以对桩基推测有病害部位进行详细检查处治后，有效的进行纠偏工作，待纠偏工作完成后，通过临时限位装置及在桩基周围包裹泡沫隔离来减小拓宽路基偏压对桥梁的影响；方案二通过打设应力消散孔卸载土压，卸载效果有一定的不确定性，且对拓宽路面结构及后期活载产生的附加应力无法释放，但施工过程相对安全。在确保安全施工的情况下，方案一较能达到纠偏效果并确保结构安全。

整体卸载：方案三建桥对原桥影响较小，原结构安全有保证，方案四筑路则需要安全合理的路基填筑施工方案才能减低对原桥的影响，经过计算（详见附件）并参考《检查报告》中计算分析表明，桥下筑路对桥梁有一定程度的不利影响，路基填筑时需对桥墩采取必要的防护措施。另外整体卸载需跟当地地方规划做好沟通衔接，减少浪费。两方案均能达到卸载纠偏目的，从对原结构的影响来说，方案三影响更小，更合理。

综合分析，局部卸载工期短、造价低、社会影响小，整体卸载工期长、造价高、社会影响大（已具备绕行条件，可以中断交通），但是可以对桩基进行完整的检查处治，对桥墩、梁体的纠偏工作也有利。顾本次处治采用方案四（整体卸载、桥下路基优化）对桥跨及墩柱偏位进行恢复，具体实施如下图：

施工过程分别对顶升梁体设置临时滑移面、墩柱纠偏施工、桥跨结构复位、拓宽路基回填等四个工序进行监测，顺利完成纠偏处治，所有墩柱均满足《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80/1-2004）表8.6.1-2墩柱竖直度允许偏差值3‰H且不大于20mm的要求。

结论

桥梁桩柱偏位的情况时有发生，准确分析原因，合理完成纠偏是较好的补救措施，能够确保桥梁的营运安全。而通过案例教训，反思总结，提前预判推在可能造成的影响，避免类似不利情况的发生才是本文分享案例的初心。