水系治理工程下穿高速关键技术研究

水系治理工程下穿高速关键技术研究

摘要：伴随着城镇化建设，城市建设用地的扩展往往对城市原有水系产生

较大的影响，导致原有过水构造物无法满足设计流量的暴涨的需求，亟需对受影

响构造物进行处治工作，其中尤其以涉高、涉铁的水系治理工程最为复杂。本文

依托某河道下穿高速治理工程为背景，根据规范、功能特征及高速运营管理等要求，通过对不同的过水构造进行比选，分析顶推框架桥在此类工程中的特点。结

合理论分析、数值模拟等方法，研究高速公路浅覆土顶推框架桥结构变形和受力、顶推力等关键性设计技术问题，并通过对中继间法顶推框架桥施工工艺的研究，

提出路面变形控制技术方案。顶推框架桥有着地质环境适应能力强、路面扰动小、施工速度快的特点，多用于公路、市政道路的交叉工程中，在水系治理工程中也

有广阔的前景。

关键词：水系治理；下穿高速；顶推框架桥

1引言

高速公路一般以桥梁或者涵洞的形式跨越现状水系，在河道流量暴涨的情况下，一旦桥梁或涵洞的过水能力不足，轻则加大对高速边坡和桥涵墩台、基础的

冲刷，影响边坡稳定性和桥涵结构安全；重则导致边坡水毁滑坡或桥涵垮塌，严

重威胁高速公路运营安全。

因此在工程实践中，一般采用增大桥涵过水面积的方法来满足流量的需要，

而高速公路行车速度快，通行流量大，需要充分考虑涉高施工给高速带来的影响。本文以某水系涉高工程实例为研究对象，旨在研究合理增大高速公路桥涵过水面

积的方法，分析设计过程中主要的技术难点，为同类型工程提供参考。

2工程概况

本项目位于湖南省长沙，因黄花国际机场第一、二跑道设计容量已经饱和，

故启动机场改扩建工程。机场三跑道的建设，将阻断该区域雨水南流，只能采用

措施使区域内雨水往北汇入西山港，导致西山港集雨面积大增，流域内石铺塘港

百年一遇洪水流量由70.3m3/s增长为117.7m3/s。

G6021杭长高速（长永段）在K25+584.6处采用涵洞跨越石铺塘港，结构形

式为单孔圬工拱涵，拱涵净宽4米，矢高2m，侧墙高1.8m，与高速斜交120度，已不能满足机场扩建后石铺塘港暴涨的流量要求，如何既能扩大石铺塘港的过水

面积，又能保障高速的安全运行，是本工程的关键所在。

3水系下穿高速方案研究

3.1框架桥顶推

石铺塘港水量较大，原址顶推会导致框架桥施工与河流保通相互干扰，且拱

涵边拆除边顶推存在很大的风险，风险无法把控，故另行选址正交下穿杭长高速。新址从覆土高度、顶推长度、占地、地质条件、国防光缆、石油管道、改河长度

等方面进行研究，选择于老涵南侧正交顶推下穿高速，框架桥离老涵最小净距为13.6m。

通过水文计算拟定框架桥尺寸，根据试算，拟定框架桥净高H0=4.5m，净高

L0=12m。

桥前水深H=（净高-最小净高）/0.87=(4.5-0.5)/0.87=4.6m；

压缩系数ε取1.0，流速系数φ取0.95；

临界水深h k=2φ2H/（1+2φ2）=2.96m；

过水面积ω=L0×h k=12×2.96=35.503m2；

过水流量Q=ε×φ×ω×（2×9.81×（H-h k））1/2=191.27m3/s＞

117.7m3/s，满足要求。

图1 框架桥标准横断面图（cm）

方案采方案采用单孔结构，正交下穿G6021杭长高速，与高速交叉桩号为

K25+584.6。

框架桥净尺寸采用12×4.5m，顶面最大覆土厚度为3.26m，最小覆土高度为3.04m。结构总尺寸为6.7×14m，顶底板厚度1.1m，侧墙厚度为1.0m。顶部腋角

尺寸1.2×0.5m，底部腋角尺寸0.5×0.5m。

图2 框架桥桥型布置图（cm）

框架桥全长39米，采用中继间法分3×13m三节顶推，主体采用钢筋混凝土

结构。两侧出口顺接河道段采用7.5m长U型槽结构，现浇施工，用作洞口结构，远期可利用进行高速公路拓宽改造。

3.2路改桥

路改桥方案具有质量可控、施工简单以及安全可靠等特点，但需做好路基沉

降控制、不均匀沉降控制、高速保通等工作。

路改桥方案采用单跨25m简支预应力砼小箱梁桥，小箱梁梁高1.4m，桥台采

用扶壁式桥台，基础采用桩基础，纵坡与高速一致。桥梁采用双幅构造，单幅桥

梁宽度为12m：0.5m（护栏）+11m（行车道）+0.5m（护栏）。

图3 路改桥桥型布置图（cm）

高速作为交通主干动脉，施工期间应采用安全可靠的交通保障措施，常用的

方式一为封闭高速公路半幅交通，半幅桥梁施工，高速车辆通过另一幅通行；其

二为高速半幅改道绕行，另半幅正常通车。鉴于G6021杭长高速通行流量大，行

车速度快，施工保通方案为：

（1）高速西往东方向改路施工，改路长度约1700m。

（2）西往东方向车辆改道至改路道路，限速80km/h，东往西方向正常通车；桥梁西往东方向半幅施工。

（3）高速东往西方向改路施工，改路长度约1700m。

（4）东往西方向车辆改道至改路道路，限速80km/h，西往东方向通过新建

半幅桥梁正常通车；桥梁东往西方向半幅施工。

（5）桥梁施工完毕后，拆除临时设施，恢复高速通行。

3.3设计方案比选

路改桥方案结构简单且容易施工，对河流水系影响小，河流顺接更加协调，

但桥梁施工周期长，对高速通行影响时间长，且改路总长度达3400m，需拆除天

桥3座（约100m），房屋拆迁2处（约900m2），临时征地面积约35亩，社会及环境影响较差，经济性差。

采用框架桥顶进施工，施工过程中不需要中断高速交通，能够有效降低对交通通行的影响，具有施工速度快、施工扰动小、技术成熟、开挖量少、占地少、经济性好等特点，择优选择框架桥顶进方案。

4框架桥结构受力分析

本文研究采用Midas Civil 2019软件建立框架桥整体模型，模拟实际尺寸及施工过程，钢筋砼构件采用RC验算。全桥共设置56个梁单元和58个节点，梁单元横向宽度取13m。

荷载考虑结构自重、竖向静土压力及侧面主动土压力、杭长高速汽车荷载及引起的等代侧土压力、框架内路面填料、收缩徐变，按规范组合验算[1]，对于钢筋混凝土构件，截面温差和总体温度均不影响验算结果，故未予考虑。

图4 框架桥MIDAS模型示意图

图5 基本组合下M y弯矩图