軟基路段新建市政道路下穿既有高速公路主線橋梁的設(shè)計(jì)研究

陳堅(jiān)

福建省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院（350001）

軟基路段新建市政道路下穿既有高速公路主線橋梁的設(shè)計(jì)研究

陳堅(jiān)

福建省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院（350001）

結(jié)合工程實(shí)例，分析在沿海大面積軟土地基區(qū)域，規(guī)劃新建的市政主干路在既有凈空不足的條件下，下穿高速公路既有主線橋梁的設(shè)計(jì)方案。通過采取梅花形布置灌注高壓旋噴樁的軟基處理方案和施打拉森鋼板樁的支護(hù)措施，達(dá)到最大限度地減小機(jī)動(dòng)車道下穿結(jié)構(gòu)開挖施工對高速橋梁下部結(jié)構(gòu)的影響，防止橋墩和樁基礎(chǔ)因受力變化而產(chǎn)生側(cè)向位移，保證高速公路橋梁的結(jié)構(gòu)安全的目的。

下穿既有高速公路；軟土地基；高壓旋噴樁；拉森鋼板樁

0 引言

福建省沿海地區(qū)存在著大面積的軟土地基，高速公路較多采用高架橋跨越的形式穿越城區(qū)。然而，部分新建市政道路與既有高速公路立體交叉處并未預(yù)留合理的下穿通道。尤其是對于交叉處的橫斷面寬度和凈空高度均無法滿足新建市政道路直接下穿的情況，需要結(jié)合下穿通道的位置條件，綜合考慮地形、地質(zhì)、凈空等諸多因素,對下穿處進(jìn)行針對性的工程方案設(shè)計(jì)。文章以長樂營融線（峽漳線-占前路）道路工程下穿沈海高速公路福泉段（福州-泉州）高速營前特大橋的方案設(shè)計(jì)為工程實(shí)例，淺談怎樣通過工程設(shè)計(jì)解決上述問題。

1 工程概況

長樂營融線（峽漳線-占前路）道路工程位于福建省長樂市營前街道，道路全長1.88 km，道路等級為鄉(xiāng)道二級公路兼城市主干路，設(shè)計(jì)速度60.0 km/ h，道路紅線寬度46.0 m，橫斷面布置三塊板結(jié)構(gòu)，機(jī)動(dòng)車道為雙向六車道布置（三塊板結(jié)構(gòu)）。[1]本工程在樁號K0+531～K0+556路段，垂直下穿福州至泉段的營前特大橋41-43號橋墩。營前特大橋?yàn)闁|西向高速公路主線橋，橋跨上部結(jié)構(gòu)為準(zhǔn)連續(xù)鋼筋混凝土T梁，單跨跨徑30.0 m，梁底最低高程北側(cè)為6.54 m，南側(cè)為7.5 m；橋梁下部構(gòu)造為柱式墩接鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。樁基底面標(biāo)高-52.0～-51.0 m，以強(qiáng)風(fēng)化花崗巖為持力層，樁身長度53.0～54.0 m，地面高程約3.5 m，現(xiàn)狀預(yù)留凈空高度在3.04～4.0 m，無法滿足高速公路下穿凈空大于5.5 m的要求[2]。

所處場地地形較平坦，場地屬?zèng)_淤積區(qū)，為沖淤積山前平原地貌。道路沿線場地標(biāo)高在0.86～9.2 0 m（孔口標(biāo)高），大部分標(biāo)高約為3.00 m左右。場地內(nèi)及周邊未見滑坡、隱蔽建筑，場地下未埋藏有對工程不利的地下埋藏物。

根據(jù)鉆孔揭露，場地巖土層自上而下依次為人工雜填土（Qml）、淤泥（Q4m）、沖洪積粉質(zhì)黏土（Q4aL+pL）、巖盤全風(fēng)化凝灰熔巖（J3）、巖盤土狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖（J3）、巖盤碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖（J3）和巖盤中風(fēng)化凝灰熔巖（J3）。

其中淤泥（Q4m）：深灰、灰黑色，鱗片狀結(jié)構(gòu)，飽和，呈流至軟塑狀，含腐殖質(zhì)，局部含少量細(xì)砂，味臭，搖振反應(yīng)弱，切面光滑，干強(qiáng)度差，韌性較好。該地層少量鉆孔缺失,層厚3.40～11.50 m,平均9.16 m。底板標(biāo)高0.02～3.32 m。

2 下穿方案設(shè)計(jì)

2.1 斷面布局

本道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置為：4.5 m（人行道）+5.0 m（非機(jī)動(dòng)車道）+2.0 m（側(cè)分帶）+23.0 m（機(jī)動(dòng)車道）+2.0 m（側(cè)分帶）+5.0 m（非機(jī)動(dòng)車道）+4.5 m（人行道）=46.0 m。

在下穿橋梁位置的橫斷面布置作如下調(diào)整，將機(jī)動(dòng)車道完全分隔為兩個(gè)獨(dú)立的半幅，左右半幅斷面分別布置于41～43號橋墩之間兩跨內(nèi)；將人行道寬度從4.5 m縮減至2.0 m，非機(jī)動(dòng)車道寬度寬度從5.0 m縮減至3.5 m；降低機(jī)動(dòng)車道縱斷面高程以滿足機(jī)動(dòng)車道最小凈空要求，保持非機(jī)動(dòng)車道與人行道的高程與既有地面高程基本一致，以減少道路施工開挖對既有橋墩的影響。具體下穿橫斷面布置為：2.0 m（人行道）+3.5（非機(jī)動(dòng)車道）+11.5 m（機(jī)動(dòng)車道）+18.0 m（橋墩防護(hù)帶）+11.5 m（機(jī)動(dòng)車道）+ 3.5（非機(jī)動(dòng)車道）+2.0 m（人行道）=52.0 m。

2.2 下穿結(jié)構(gòu)

機(jī)動(dòng)車道下穿主體部分采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土U型一體式結(jié)構(gòu)。其主體結(jié)構(gòu)采用C40防水混凝土，抗?jié)B等級為P8。結(jié)構(gòu)底板厚度40 cm，車行道外邊緣設(shè)置40 cm×70 cm排水邊溝。結(jié)構(gòu)下部依次設(shè)置20 cm厚C15素混凝土墊層、和50 cm厚砂墊層。U型下穿結(jié)構(gòu)斷面開挖和鋼筋混凝土澆筑，均需沿路線方向分段對稱施工。

K0+370～K0+530、K0+560～K0+690為下穿高程漸變路段，本路段非機(jī)動(dòng)車道與機(jī)動(dòng)車道之間采用懸臂式鋼筋混凝土擋土墻隔離，并在擋墻頂部設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)隔離護(hù)欄。

圖1 橫斷面結(jié)構(gòu)圖

2.3 地基處理與支護(hù)措施

車行道U型下穿結(jié)構(gòu)的施工需對橋梁底部既有土體進(jìn)行開挖，開挖最大深度約4 m，需穿透雜填土層進(jìn)入淤泥層。如何最大限度地減小土體開挖對既有高速公路橋梁下部結(jié)構(gòu)的影響，防止橋墩和樁基礎(chǔ)因受力變化而產(chǎn)生側(cè)向位移，保證高速公路既有橋梁的結(jié)構(gòu)安全是此類工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文通過采取軟土地基處理措施和開挖支護(hù)措施來解決此類問題。

2.3.1 軟土地基處理

本路段軟基處理方案需同時(shí)達(dá)到以下要求：處理方案必須采用振動(dòng)較小的工藝，減小施工過程中對橋梁下部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和對淤泥層的擾動(dòng)；既有地面距橋梁梁底高差在3.04～4 m，施工預(yù)留凈空高度小，為保障軟基處理施工中橋梁的安全，必須采用施工機(jī)械高度低于3 m的處理方案；處理方案需要能同時(shí)解決軟基不均勻沉降和最大限度降低下穿結(jié)構(gòu)的施工工后沉降的問題；為了降低開挖時(shí)淤泥的側(cè)向擠壓和流動(dòng)，處理方案需能達(dá)到對軟基整體固結(jié)的效果；在滿足以上要求的前提下，盡可能地選用工期較短和噪聲較低的處理方式。

綜合考慮以上因素，本方案選用梅花狀平面布置灌注高壓旋噴樁的軟土地基處理方式。

高壓噴射注漿法是在灌漿法的基礎(chǔ)上，應(yīng)用高壓水射流切割技術(shù)發(fā)展起來的一項(xiàng)新的地基處理技術(shù)。它與其他地基處理的方法相比，高壓噴射注漿法具有適用范圍廣、施工便捷、占地少、振動(dòng)小、噪聲較低、耐久性較好等特點(diǎn)，是較為適合本次下穿位置的軟基處理方式。

高壓旋噴樁在土層中噴射注漿時(shí)，有一部分比較細(xì)小的土粒以“半置換”的方式被帶出地面，其余土粒在高壓噴射流的沖擊力、離心力和重力等的共同作用下，經(jīng)過重新排列，組合成具有特殊結(jié)構(gòu)的固結(jié)體樁。它具有較高的強(qiáng)度，并且由于噴射流的脈動(dòng)和提升速度的不均勻，其外形一般很粗糙，因此具有較大的承載力。一般來說，加固后的地基承載力與旋噴樁的強(qiáng)度、單樁承載力、樁間土的性質(zhì)和面積置換率等因素有關(guān)。

本次高壓旋噴樁的高壓施工工藝采用單管法，單根樁直徑準(zhǔn)50 cm，等邊三角形布置，樁間間距1.8 m，斷面加固寬度為14.4 m，樁長6 m，施工需在道路雙幅對稱進(jìn)行。施工參數(shù)需滿足以下要求：灌漿壓力≥22 MPa，流量30～40 L/min，噴射管的提升速度15～25 cm/min，水泥漿重度1.35～1.5 g/cm3，水泥用量>200 kg/m，水泥漿水灰比（0.8～1.5）∶1。單樁荷載試樁，要求單樁承載力不小于270 kPa。復(fù)合地基載荷試驗(yàn)，要求復(fù)合地基承載力不小于150 kPa。

2.3.2 支護(hù)措施

軟基處理高壓旋噴樁施工完畢后，下一步進(jìn)行支護(hù)措施的施工。本項(xiàng)目支護(hù)措施采用在開挖斷面兩側(cè)施打拉森鋼板樁形成縱向連續(xù)的隔斷支撐的方式，沉樁方式采用無振動(dòng)、無噪的靜壓式。具體實(shí)施方案如下：

在下穿結(jié)構(gòu)兩側(cè)距外側(cè)橋墩間距6 m處，采用靜壓植樁機(jī)連續(xù)植入鞍Ⅳ型拉森鋼板樁形成支護(hù)墻體，鋼板樁單根樁全長12 m，受凈空限制采用2 m分段連續(xù)焊接的形式，鋼板樁開挖后入土深度不小于8 m。樁頂圍囹采用兩道HW350×350型鋼型鋼，橫向支撐采用609 mm×19 mm圓型鋼管，橫撐間距為4 m。鋼板樁沉樁施工需在路線左右雙幅同時(shí)對稱進(jìn)行。施工垂直度偏差≤1/150。

簡易施工工序如下：根據(jù)施工圖及高程放設(shè)沉樁定位線→根據(jù)定位線控設(shè)沉樁導(dǎo)向槽→平整施工機(jī)械行走道路→沉設(shè)圍護(hù)樁→將圍護(hù)樁送至指定標(biāo)高→焊接圍囹支撐→基坑開挖→進(jìn)行相關(guān)基坑施工→施工完成后拆除支撐圍囹并對路面樁體外露部分進(jìn)行切割掩埋。

2.4 對高速公路橋墩影響

下穿方案設(shè)計(jì)前，需委托有相應(yīng)檢測資質(zhì)的單位對既有橋墩進(jìn)行無損檢測,內(nèi)容包括橋墩鉛垂度、混凝土強(qiáng)度和支座工作狀況等；同時(shí)需收集原橋梁的施工圖設(shè)計(jì)和竣工資料，一并作為此次設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)。

由于U型通道施工期間要對橋墩周邊的土體進(jìn)行開挖，對橋墩產(chǎn)生單側(cè)附加土壓力，將對橋墩的受力產(chǎn)生影響。根據(jù)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場情況，施工過程對41#橋墩產(chǎn)生的側(cè)向土壓力最大，因此本次計(jì)算選取41#橋墩為驗(yàn)算對象。

根據(jù)公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG D63-2007）[3]，按m法計(jì)算彈性樁水平位移及作用效應(yīng)，簡化計(jì)算說明步驟如下：

1）確定b1

因?yàn)閐=1.8 m>1.0 m,根據(jù)公式（P.0.1-1）可得：

對于單排樁k=1.0,公式（P.0.1-3）;水平力作用面為圓形,樁形狀換算系數(shù)kf=0.9；所以b1=1.0×0.9× (1.8+1)=2.52 m。

2）確定地基水平向抗力系數(shù)的比例系數(shù)m

根據(jù)地勘樁基處地質(zhì)以淤泥、淤泥質(zhì)土和粉質(zhì)黏土為主，為非巖石地基，所以地基抗力系數(shù)隨埋深成比例增大，基礎(chǔ)水平向抗力系數(shù)Cz=m×Z，樁基計(jì)算深度hm=2×(d+1)=2×2.8=5.6 m。由地勘資料可知，在計(jì)算深度hm內(nèi)土層為淤泥層，根據(jù)表P.0.2-1可得m=4 000 kN/m4;

3）確定樁基中樁的變形系數(shù)α

由公式（P.0.2-1）

4）計(jì)算荷載作用效應(yīng)和位移(摘自公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D63-2007附錄P)

依據(jù)表P.0.4計(jì)算單排樁受側(cè)面力作用時(shí)：

樁基單側(cè)最大開挖深度為2.5 m，樁側(cè)土壓力為(根據(jù)公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范JTG D60-2004)：

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙文件，每片T型中梁的重量為58.4 t，每片邊梁的重量為58.3 t，每幅橋包含3片中梁和2片邊梁，橋面鋪裝采用8 cm瀝青混凝土和10 cm厚的混凝土鋪裝層。由公路-Ⅰ級荷載算得,每個(gè)墩的豎向荷載設(shè)計(jì)值為：

F=1.2×0.5×[10×(3×58.4+2×58.3)+25×(0.18×12× 30)+2×（280+10.5×30）]=3436.8 kN,根據(jù)公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范（JTG D60-2004）表4.3.11滑板摩擦系數(shù)取0.06，則每個(gè)墩的最大支座摩阻力F=0.06×3 436.8=206.2 kN。

同時(shí)考慮樁側(cè)和樁頂位移時(shí)（取地面線處的截面作為計(jì)算截面，柱的自由部分長度取2 m）：

柱頂最大位移： 4）根據(jù)內(nèi)力驗(yàn)算樁身強(qiáng)度和樁基裂縫寬度

①樁基屬于壓彎構(gòu)件，在忽略鋼筋受力偏安全計(jì)算的條件下，根據(jù)《材料力學(xué)Ⅰ》（高等教育出版社）構(gòu)件壓彎組合變形公式計(jì)算。截面最大壓應(yīng)力：

因此樁身強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

②裂縫寬度驗(yàn)算

由《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》公式（6.4.5-2）得：[4]

ss=

根據(jù)公式第4款說明可不必驗(yàn)算裂縫寬度，所以樁身裂縫寬度滿足不超過0.2 mm的要求。

綜上所述，通過實(shí)施以上軟基處理和支護(hù)措施后，U型下穿結(jié)構(gòu)工程對營前特大橋的41#橋墩的影響較小，計(jì)算墩頂最大位移僅為2.59 cm，墩身強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，墩身不會(huì)出現(xiàn)寬度大于0.2 mm的裂縫，橋墩受力安全。

3 施工監(jiān)測要求

施工過程中需對橋墩的變形（墩頂水平位移,橋墩沉降量等）進(jìn)行監(jiān)測。

在墩頂、底上、下游各設(shè)置1～2處測點(diǎn)，并測出相應(yīng)坐標(biāo)，施工中采用全站儀進(jìn)行持續(xù)觀測，連續(xù)兩次觀測墩頂水平位移大于1 cm，需通知設(shè)計(jì)方；墩頂水平位移總量大于2.59 cm，需停工并通知建設(shè)、設(shè)計(jì)方。研究分析原因，確定下一步的調(diào)整措施。在橋墩蓋梁下、墩底上各設(shè)1～2處測點(diǎn)，采用精密水準(zhǔn)儀測量測點(diǎn)標(biāo)高，如出現(xiàn)垂直位移需及時(shí)通知設(shè)計(jì)方。

4 結(jié)語

隨著“十三規(guī)劃”綱要的確立，許多城市的規(guī)劃建設(shè)將出現(xiàn)相應(yīng)的調(diào)整，部分新區(qū)的建設(shè)和路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的調(diào)整將逐步顯現(xiàn)，新建市政道路與現(xiàn)有橋梁之間將面臨越來越復(fù)雜的立體交叉問題，這對市政路橋設(shè)計(jì)工作提出了更高的要求。本文以“凈空不足的軟土地基路段開挖通道下穿高速公路主線橋梁”為切入點(diǎn)，提出了此類問題的部分設(shè)計(jì)解決方案，在今后的工作中面對各類立體交叉問題應(yīng)結(jié)合工程具體情況科學(xué)的分析研究，尋求更多先進(jìn)、合理、經(jīng)濟(jì)的工程設(shè)計(jì)。

[1]孫銘心.高壓旋噴樁工程特性研究[D].連理工大學(xué),2000.

[2]孫晃.拉森鋼板樁在某軟土管道基坑支護(hù)中的應(yīng)用[J].福建交通科技,2015(3)：56-57.

[3]中華人民共和國行業(yè)規(guī)范.JTG D63—2007,公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2007,9.

[4]中華人民共和國行業(yè)規(guī)范JTG D62—2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2004,6.