對橋樑的結構安全狀態進行定期安全檢測十分必要，特別在既有橋樑附近進行深基坑施工之前，對施工範圍內所涉及的橋墩、橋面等進行安全監測，更是重中之重。本文依託楊浦大橋東引橋下方軌交14號線歇浦路站施工工程，研究了楊浦大橋在施工正對範圍內橋墩的力學形態及變形過程，並結合現場監測數據，對基坑開挖的影響進行梳理和分析。通過彈性地基梁“m”法，對橋墩的橫向框架變形進行了數值模擬分析，給出了正常使用極限狀態和承載能力極限狀態的各類變形參數。同時，針對施工對橋墩的影響，分析了墩身剛度、樁剛度，以及兩者之間的力學關係。
施工距離橋墩樁基最近約3.9米
上海市東西通道浦東段，西起延安東路隧道浦東出口，沿浦東大道走向，東至浦東金橋路，與軌道交通14號線6站6區間共線，全長約7.8km。
歇浦路站基坑工程概況
歇浦路站位於浦東大道路與羅山路交叉口，沿浦東大道敷設，為地下三層島式車站。車站平面尺寸為208.5×25.7m，站臺中心處頂板覆土約1.67m，底板埋深約22.1m。
圖1 歇浦路站主體和出入口分佈
圖2 歇浦路站施工分區圖
歇浦路站基坑標準段開挖深度為22.43m，端頭井處開挖深度為24.23m，圍護結構型式採用地下連續牆圍護，內支撐採用鋼支撐和鋼筋混凝土支撐。車站圍護主體地下連續牆厚度為1000mm，內襯厚度為600mm。
歇浦路站基坑邊線，距離楊浦大橋北側橋墩樁基最近約4.7m，距離南側橋墩樁基最近約3.9m。
圖3 車站與楊浦大橋橋墩樁基位置關係圖
楊浦大橋概況
楊浦大橋東引橋（浦東段）結構形式為橋面連續間支T形梁，標準段橋面寬25.4m。上部結構T形梁高2.32m，每片T形梁寬度為1.6m，標準段共11片（如圖5）；下部結構橋墩採用雙柱式或者三柱式蓋梁形式；基礎採用預製方樁（0.4×0.4）承臺基礎或者鑽孔灌注樁（D=1.0）承臺基礎。另注：楊浦大橋通車時間為1993年10月。
圖4 東引橋總體平立面圖
臨近軌交14號線歇浦路站東引橋的EK03墩和EK04墩，採用雙柱式蓋梁的結構形式，樁基採用D1.0鑽孔灌注樁承臺基礎。
圖5 橋樑標準斷面圖（以EK03墩為例）注：承臺高度為2.5m，T形梁片數11
圖6 承臺平面圖（以EK03墩為例）
圖7 橋墩斷面圖
水文地質條件
1.工程地質條件
①層為雜填土；②層為粉質黏土層，該層物理力學性質良好，一般呈可塑狀態，中壓縮性；③層、④層為灰色淤泥質土層，土質較差，呈流塑狀，高壓縮性，土質不均勻；⑤1層灰色黏土層，物理力學性質差，呈軟塑狀，中、高壓縮性，在擬建場地普遍分佈；⑥層土的物理力學性質較好，以硬塑狀為主， 屬較為均勻的地基土層。
⑦1-1層其物理力學性質較好，呈中密狀，中壓縮性；⑦1-2層在擬建場地普遍存在，土質較好，層厚較厚，約15.0m；⑦2層灰色粉砂，其物理力學性質較好，呈密實狀。
圖8 歇浦路站地質剖面示意圖
2.工程水文條件
根據地下水的賦存條件，場地沿線地下水可分為兩種類型——
①潛水含水層。工程沿線場地淺部地下水屬潛水類型，其水位變化受降水及地表徑流和蒸發的影響，並隨季節而變化，水位埋深一般為0.3～1.5m。歇浦路站地質勘察詳勘期間，測得部分孔淺層地下水埋深初見水位為0.9～2.3m，穩定水位約為0.7～1.6m。
②微承壓含水與承壓含水層。基坑影響深度範圍內揭露的第⑤2層砂質粉土層屬微承壓水含水層，第⑦1a層砂質粉土層屬第一承壓含水層。
結合地質條件、楊浦大橋現狀及橋樑基礎與深基坑的相互位置關係，對於前期施工、降水對橋樑本體影響的力學行為、變形規律進行分析和探究。
通過現場傾斜監測數據採集和數值模擬相結合的方法，來探討溫度變化，和荷載變化，對橋墩橫向框架、樁基本身的影響。
橋墩橫向框架分析
計算參數與方法
1.主要材料和參數取值
樁基礎、承臺採用25號混凝土；蓋梁、立柱採用40號混凝土；混凝土梁橋為30號混凝土。
2.“m”法簡介
彈性地基梁“m”法的基本假定是認為樁側土為離散線性彈簧,不考慮樁土之間的粘著力和摩阻力,樁作為彈性構件考慮,當樁受到水平外力作用後,樁土協調變形,任一深度z處所產生的樁側土水平力與該點水平位移成正比。
“m”法是我國橋樑設計部門用的一種樁基靜力計算方法，所使用的土層的m以實測數據為依據，其定義式為：
σzx=mzxz
式中：σzx為土體對樁的橫向抗力；z為土層的深度；xz為樁在z深度處的橫向位移（即該處土的橫向位移值）。
數值模擬分析
橫向立柱蓋梁形成框架結構，基礎不均勻沉降會對蓋梁產生附加內力，因此分析同一橋墩處相鄰基礎不均勻沉降的允許值很有必要。
圖9 計算模型
圖10 橫橋向單個承臺變形和轉角計算圖示
建立EK4墩下部基礎模型，樁基礎通過“m”法計算。在溫度（升溫30℃）、汽車荷載（在蓋梁懸臂端橫向佈置 2條車道荷載時驗算截面負彎矩最大）與恆載（包含上部所有恆載）最不利組合下，正常使用狀態下蓋梁驗算截面負彎矩最大為12804kN·m。經計算，墩柱截面不控制設計，控制截面為蓋梁與墩柱交界處的蓋梁截面。
根據計算結果可以看出，蓋梁控制截面的內力對於承臺橫橋向水平和豎向差異變形較為敏感，當變形超過6mm和7.8mm，蓋梁可能產生超過規範允許值的裂縫，需要進行加固處理。當變形達到17.3mm和20.9mm時，蓋梁內力超過規範規定的承載能力極限值，結構可能發生破壞。
轉角計算結果表明，承臺轉角變形對蓋梁內力影響較小，不作為控制因素。
墩身剛度、樁剛度分析
下部樁基及承臺的水平位移、傾斜率與墩頂水平力、承臺底水平力相關，可以通過在墩頂或者承臺底施加水平力，並逐漸加大水平力，來觀察墩身強度、樁身強度的變化，並得到極限狀態下的基礎變位情況。
墩頂抗推力分析
圖11 橋墩頂墩受力及變形分析計算模型
N為上部結構反力,為固定值(N=16336KN，此值為正常使用極限狀態下支座反力最小值),不斷增加墩頂水平力F,使橋墩達到正常使用極限狀態或承載能力極限狀態。
∆h2=∆h1+Htanθ+(FL3) ⁄ 3×0.8EI
△h1、θ通過m法計算得出。
當F=480kN,M=F×H=36.509×500=18254,此時裂縫 0.2mm（裂縫超過極限）；墩頂水平位移：101.6mm，基礎沉降：3.39mm，水平位移：2.4mm，承臺轉角 1/1730。
當F=840kN, M=F×H=36.509×840=30668時,承載能力達到極限狀態,墩頂水平位移:177.8mm,基礎沉降:3.56mm,水平位移:4.2mm.承臺轉角1/990。(承載能力極限狀態)
承臺底抗推力分析
1.順橋向抗推力分析
取EK1～EK4一聯分析，N為上部結構恆載反力，在EK3承臺底施加水平力F，不斷增大F，使樁基達到正常使用極限狀態，得出相應的承臺底水平位移和轉角。
建立EK1～EK4三跨橋樑的有限元模型，其中支座用彈性連接單元模擬、基礎用“m”法模擬。當F=2850kN時，EK03承臺底反力和變形如表6；通過群樁計算得出單樁內力並進行驗算，結果如表7。
圖12 三維計算模型
由上述兩種模型的分析結果可知，當水平力加在墩頂時，承臺轉角較大（1/1730），而直接在承臺底加水平力時承臺轉角較小（1/6410），因而在確定承臺容許轉角時應考慮是何種效應產生的承臺轉角。按承臺順向抗推的樁基計算結果，當順橋向承臺水平變形超過5.89mm時，樁基計算裂縫值超過規範允許限值。
橫橋向抗推力分析
在EP03承臺底施加2600kN的橫向水平力，EP03承臺底反力和位移見表8。通過群樁計算得出單樁內力並進行驗算，結果如表9。
因此按承臺橫向抗推的樁基計算結果，當橫橋向承臺水平變形超過6.8mm時，樁基計算裂縫值超過規範允許限值。
橋墩傾斜分析
歇浦路站施工期間，楊浦大橋對受施工影響安全保護區內8個橋樑墩柱進行了專項監護測量，如圖13所示。
圖13 楊浦大橋橋墩傾斜監測點示意圖
其中，Q01、Q02、Q03、Q04、Q09、Q10、Q11、Q12，這8個監測點用於監測橋墩在楊浦大橋線路方向上的傾斜變化。
自2015年12月18日初值監測開始，至2016年7月19日，楊浦大橋線路方向上，橋墩傾斜量已超過方案中設置的警戒值1/3500（0.286‰）。
目前各墩柱傾斜率累計變化量如表10。
將上述8個橋樑墩柱傾斜監測點傾斜率累計變化量歷時曲線繪製如下，圖中加入當日觀測平均氣溫作為匹配，成果如圖14。
圖14a 橋墩Q01、Q02傾斜變化量與日平均氣溫歷時曲線
圖14b 橋墩Q09、Q10傾斜變化量與日平均氣溫歷時曲線
圖14c 橋墩Q03、Q04傾斜變化量與日平均氣溫歷時曲線
圖14d 橋墩Q11、Q12傾斜變化量與日平均氣溫歷時曲線
在曲線中，傾斜率累計變化量為正表示向北傾斜，為負表示向南傾斜。
從布點位置以及數據情況來看，可以得到如下結論：所測橋樑墩柱傾斜監測點傾斜率累計變化量隨時間變化關係與相對於溫度隨時間變化關係有較強的相關性。
結論與建議
從橫向框架分析來看，蓋梁控制截面的內力對於承臺橫橋向水平和豎向差異變形較為敏感。
從墩身剛度、樁剛度及兩者之間力學關係分析來看，橋墩和承臺底受推力的主要控制指標為裂縫。
注意承臺監測數據、數值模擬以及傾斜監測數據的協同分析，關注各項監測數據和數值模擬指標與周圍環境如溫度等的關係。
在地鐵站施工期間，除對以上相關數據進行監測外，應定期對橋墩、蓋梁、橋面系（伸縮縫和橋面連續縫）進行檢測，檢查是否有新的病害產生，及時通報相關單位並採取措施進行處理。
本文刊載 /《大橋養護與運營》雜誌 2019年 第3期 總第7期
作者 / 封玲 倪清嵩 周理含
作者單位 / 上海浦江橋隧運營管理有限公司、上海勘察設計研究院（集團）有限公司
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