摘要:以某一级公路中下穿既有高速施工为例，对盖板施工方法进行二维有限元模拟分析，通过数值模拟结果与现场监测数据，表明路基下穿既有高速的盖板施工方法对邻近高速桥墩的不均匀沉降影响很小，可为同类实际工程提供施工参考。
关键词:路基，下穿高速，有限元
1概述
我国早期修建的一些公路出现了较为严重的交通拥堵现象，公路的改扩建是解决交通拥堵的有效方式，但路段在下穿某高速立交桥涉及到某高速立交桥下部桥柱和桥墩保护及施工方法研究较少。扩改路基下穿高速对立交桥的影响尚需明确、量化以确保安全施工［1，2］。扩改段下穿高速公路的立交桥时，开挖诱发的地基承载力下降将是影响立交桥桥墩的承载力进而决定上部高速公路安全运行的关键［3，4］。因此，研究路基下穿施工工序，探究地层预加固方案，确保下穿顺利进行，减小对周围构筑物如桥墩的影响，实现施工环境控制的目标。由于下穿工程的复杂性，上部高速公路对沉降变形的敏感性，一直是困扰安全施工的大问题［5，6］。因此，本研究通过数值模拟重现施工过程，并通过改变施工工序、加固方法等参数影响分析，提出安全施工控制方案，为本工程的顺利完成提供有效的指导。
2工程实例
2．1工程概况。本工程为S356一级公路某段项目土建工程施工第01标段，起讫桩号K0+000～K5+600，全长5．6km。其中K3+200～K5+600利用既有的S356老路进行改扩建，长度为2．4km，采用双向四车道一级公路标准建设，设计时速60km/h，整体式路基宽度20m，分离式路基宽度9．75m，桥涵设计荷载为公路Ⅰ级，主要工程量有路基挖土方7．36万m3;路基填筑利用土方4．61万m3，涵洞10道;K0+000～K3+200水泥混凝土路面状况较好为完全利用段，将水泥混凝土路面局部破损板块修补后直接加铺沥青面层。分离式路基下穿某高速施工范围为ZK3+725～ZK3+780，YK3+705～YK3+760，与某高速立交桥40°斜交。高速桥下主要包括ZK3+715，ZK3+724两处既有管涵拆除、ZK3+743处盖板涵施工、道路土石方工程、路基工程和路面工程等。
2．2工程地质条件。本工程区位于震旦系至中三叠系地层组成的大冶复式向斜之高桥向斜和孙鑑铺倒转背斜(南分支)，高桥向斜南与大磨山复式背斜相接，北与孙鑑铺倒转背斜相接，西端在石坑渡翘起，东部呗八湘湖红色构造盆地掩盖。老路沿线切方可见地表覆盖第四系残坡积粉质黏土或含碎石粉质黏土，一般厚约0．5m～3m，之下为全风化砂岩和砾岩，局部见页岩出露，低洼冲沟内主要为冲积粉质黏土，一般厚度大于5m，01段沿线未发现重大影响工程建设的滑坡、崩塌、泥石流等不良地质现象，但在K4+510～K4+550段老路右侧由于边坡较陡，边坡表层发生溜塌至公路边沟处，边坡上为残坡积含砾粉质黏土和全风化砂岩、砾岩，在K4+640～K4+650段老路左侧由于边坡较陡，边坡发生滑动，滑体主要为残坡积含砾粉质黏土和全风化砂岩、砾岩，该两段小型的滑塌体规模较小，施工时建议清除，并同时放缓边坡坡率。
2．3水文地质条件。本工程区气候湿润，雨量充沛，地表径流发育，低洼冲沟处和岗地多溪沟和水塘及人工渠道。丰富的地表水为区内工农业生产和居民用水提供了便利，也为本项目的建设提供了有利条件。水文地质条件相对简单，地下水与沟塘、溪沟等地表水体具有较强的互补性，丰水期地下水上升，补给周围的地表水体，枯水期则反之。根据现场试验结果表明，判定环境水对混凝土结构及钢筋混凝土结构中钢筋均具微腐蚀性。
3路基下穿高速公路施工方案
3．1施工总平面布置图。现场必须要求科学合理的平面布置，同时满足施工生产和道路交通要求，根据某高速桥下实际情况并结合工程特点，施工总平面如图1所示。施工现场所在区域交通方便，充分利用既有道路，降低临时设施费用，沿原常横线两侧各加宽6．0m作为临时施工便道，以减少对桥下交通的影响，同时做好道路交通导行。
3．2开挖方案。本工程中路基为浅挖路基，根据开挖的深度、长度、开挖方的运输距离和桥下净空高度选择施工机械及开挖方法，原右侧支路水泥混凝土路面需挖除，高速桥下净空高度4．9m。K3+743盖板涵位于高速桥下(如图2所示)，轴线距桥墩承台最小距离7．7m，盖板暗涵尺寸为2．0m×1．7m，出口涵底高程为57．57m，原地面高程为61．03m，基槽底开挖标高为56．37m，最大开挖深度4．66m。盖板涵采用分幅进行施工，先进行右幅盖板涵施工，待右幅路基完成后再进行左幅盖板涵的接长。基坑开挖前先做好基坑周围截排水措施，防止基坑开挖和盖板涵施工过程中地表水流入基坑，采用DN500mm的钢筋混凝土排水管约50m长，将右侧出口一侧水塘汇水引流至K3+715处既有盖板涵，以减少对基槽开挖的影响。采用反铲挖机按1∶0．5放坡分层开挖，基坑开口距桥梁承台不小于2m的安全距离，挖至基底时应预留30cm采用人工清底，防止超挖，人工清底至设计标高后，用打夯机压实基底;若基底承载力不满足设计要求，应根据设计要求进行级配碎砾石换填。若基坑为有水开挖，则根据实际情况适当放大基坑开挖断面，在基坑四周设置排水沟，出口处设集水坑，用水泵排出;坡面采用0．2m厚C20混凝土进行护坡。下穿高速路基开挖剖面图如图3所示。待盖板涵制作安装完成之后，台背回填采用碎石土分层回填的方法，每层填厚不大于20cm。回填遵照的是两边对称原则，在基本相同的标高上进行，其目的是防止不均匀回填造成对构造物的损坏，对涵洞洞身两侧填土分层夯实处理，每侧长度大于洞身填土高度的一倍，压实度大于96%。有限元方法能够有效地分析土体的应力应变，并可以考虑不良地基上高速公路的扩建工程以及对周围建筑影响等复杂问题，应用有限元分析方法可以更深入地了解新老路基的相互作用及其变形规律。本文采用二维平面处理问题，路基土以及桥墩结构都采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，在经过大量的数值模拟后，确定了能符合本次下穿高速公路的沉降变形的土体参数确定方法。本文结合S356一级公路路基的实际情况，分析开挖工程中对高速桥墩的影响，对下穿高速开挖过程进行模拟。模型包括桥墩、土体、支护结构。桥墩采用桩单元模拟，支护结构采用板单元模拟，各个结构单元模拟均采用弹性模型，材料属性如表1所示。
3．3结果分析。改扩建S356省道左、右幅分别位于某高速桥第2号、第3号桥跨结构下，为确保在进行下穿道路施工期间高架桥的安全，对2号、3号跨桥墩进行实时监测沉降值。在桥梁每个桥墩布设2个监测点，对桥墩水平位移和垂直沉降进行观测，模拟与实测沉降对比表如表2所示，水平位移对比表如表3所示。本文数值模拟与实测值沉降与水平位移值相差不大，沉降值相对于水平位移来说，误差偏大，这可能是实际工程中桥墩上有车辆等附加荷载作用，造成实测值偏大。总体而言，该施工技术对高速公路桥墩的位移影响较小。
4结语
通过对路基开挖下穿既有高速进行有限元数值模拟研究开挖对周围桥墩的位移作用，并与现场实测数据分析，采用该路基下穿高速公路施工技术对高速公路桥墩的水平位移及沉降影响较少，可为下穿高速公路工程提供一定的参考价值。
作者:程桂萍 单位:中国铁建港航局集团有限公司