單孔橋梁優(yōu)化設(shè)計(jì)為箱涵的應(yīng)用

劉 明 華

(湖南省核工業(yè)地質(zhì)局，湖南 長(zhǎng)沙 410011)

1 韶河大橋優(yōu)化為雙孔箱涵

1.1 工程概況及地質(zhì)情況

韶山核心景區(qū)外環(huán)公路是湖南省紀(jì)念毛澤東同志誕辰120周年重點(diǎn)工程項(xiàng)目，為老路改擴(kuò)建項(xiàng)目，起止點(diǎn)為竹雞塅，途經(jīng)韶山、湘鄉(xiāng)兩市8個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)31個(gè)行政村，由四段組成，全長(zhǎng)43.15 km。該項(xiàng)目線(xiàn)路長(zhǎng)、工期緊，各段公路等級(jí)、路面寬度、路面結(jié)構(gòu)等不盡相同、施工組織難度大，項(xiàng)目于2012年10月20日開(kāi)工，2013年12月26日建成通車(chē)。該項(xiàng)目的韶河大橋于K34+714處跨越韶河，全長(zhǎng)59.086 m，為單孔橋梁，橋面寬25 m，與橋梁相接的路基寬32 m，橋梁與河流右?jiàn)A角為315°，為公路兼市政景觀橋梁。橋臺(tái)樁徑為D180 cm，基巖為微風(fēng)化白云巖，巖溶非常發(fā)育；橋臺(tái)為組合式臺(tái)，左右橋臺(tái)沿路線(xiàn)方向錯(cuò)臺(tái)10.5 m；上部構(gòu)造為1-40 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁。

1.2 本橋梁施工的難點(diǎn)

韶河大橋0號(hào)臺(tái)和1號(hào)臺(tái)均采用6根直徑為180 cm的樁基礎(chǔ)，橋址基巖為白云巖，巖石強(qiáng)度高，巖溶非常發(fā)育。

正式施工前，施工單位按要求對(duì)每個(gè)樁孔布設(shè)3個(gè)探溶鉆孔補(bǔ)充勘查發(fā)現(xiàn)，巖溶情況比設(shè)計(jì)圖紙描述的更加發(fā)育、復(fù)雜，尤其是1號(hào)臺(tái)左幅2號(hào)樁基下巖面相差最大達(dá)24 m多，樁基成孔非常困難且鉆孔時(shí)間長(zhǎng)、樁基的垂直度控制難。不僅造價(jià)增加較大，而且工期無(wú)法保證。

1.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)后方案

為保證施工進(jìn)度及通車(chē)時(shí)間、降低工程造價(jià)，施工單位果斷提出將韶河大橋優(yōu)化為雙孔箱涵的方案。經(jīng)業(yè)主單位、監(jiān)理單位、設(shè)計(jì)單位、施工單位有關(guān)人員研究、比選確認(rèn)將韶河大橋優(yōu)化為2-6.0×5.0鋼筋混凝土箱涵，長(zhǎng)102.55 m，涵頂路基寬32 m。

該箱涵要求基底持力層的容許承載力不小于150 kPa，地基采用C30混凝土擠密樁進(jìn)行處理；涵身按原河道中軸線(xiàn)布置，按斜交正做，減少阻水面積；在涵身中部(即中央分隔帶下)連同基礎(chǔ)設(shè)變形縫一道，兩邊每10 m設(shè)一道斷縫，以更好地適應(yīng)地基合理變形；進(jìn)、出口兩端通過(guò)扭坡墻與原有河道順接；進(jìn)口端涵身中墻澆筑成半圓弧形迎水面；涵頂超出路基范圍的部分加以綠化處理，達(dá)到美觀的效果。

箱涵采用就地澆筑工藝，全箱涵分兩次澆筑，第一次澆筑至底板內(nèi)壁以上30 cm，第二次澆筑剩余部分。

1.4 韶河大橋優(yōu)化設(shè)計(jì)為箱涵的優(yōu)點(diǎn)

1.4.1技術(shù)難度對(duì)比分析

箱涵相對(duì)橋梁減輕了結(jié)構(gòu)物自重，充分發(fā)揮了箱涵結(jié)構(gòu)整體性好及基底應(yīng)力擴(kuò)散好的特點(diǎn)，達(dá)到了通過(guò)利用現(xiàn)有地質(zhì)條件滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)物地基承載力的目的。通過(guò)設(shè)置擠密樁對(duì)基底進(jìn)行處理，完全滿(mǎn)足箱涵的地基承載力容許值要求；箱涵施工相對(duì)橋梁施工更簡(jiǎn)單、更安全。

1.4.2造價(jià)對(duì)比分析

原清單中韶河大橋?qū)嶓w工程造價(jià)為1 269萬(wàn)元，優(yōu)化為箱涵后最終的造價(jià)為1 093萬(wàn)元，造價(jià)減少176萬(wàn)元(即14%)，經(jīng)濟(jì)效益明顯。同時(shí)減少了預(yù)制場(chǎng)的設(shè)置，節(jié)約臨時(shí)用地。

1.4.3工期對(duì)比分析

監(jiān)理批準(zhǔn)的實(shí)施性施工組織設(shè)計(jì)中，韶河大橋計(jì)劃工期9個(gè)月，若按原方案施工，實(shí)際工期可能更長(zhǎng)；而優(yōu)化設(shè)計(jì)為箱涵后實(shí)際工期為4個(gè)月，工期足足縮短5個(gè)月(即56%)，為后續(xù)的路面工程、交安工程的合理施工贏得了充足的時(shí)間。

1.4.4安全、文明、環(huán)保措施對(duì)比分析

韶河大橋樁基施工時(shí)間較長(zhǎng)，難度大，易發(fā)生塌孔、墜落孔洞、掉鉆、起重傷害等意外事故；樁基施工的噪聲、振動(dòng)、擠土、泥漿等會(huì)對(duì)周?chē)用?、河堤、環(huán)境造成一定的不良影響。而優(yōu)化為箱涵施工相對(duì)簡(jiǎn)單，僅需要跟水利部門(mén)溝通好，枯水季節(jié)在河堤外側(cè)臨時(shí)改一道河道，改河斷面設(shè)置為倒梯字形，在迎水面鋪設(shè)雨布兩層，人工碼砌2 m高編織砂袋加固，以防沖刷，再進(jìn)行明挖施工，安全隱患及對(duì)周?chē)h(huán)境的影響均較少。

2 神告湖中橋改雙孔箱涵

2.1 工程概況及地質(zhì)情況

廣東省龍川至懷集公路神告湖中橋中心里程樁號(hào)K40+462.000，位于河源市東源縣船塘鎮(zhèn)龍江村附近，跨越縣道X166線(xiàn)。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用1×20 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，全橋共1聯(lián)8片箱梁。本橋?yàn)榈葘挊蛄?，單幅橋?qū)?2.5 m，分幅布置。下部結(jié)構(gòu)采用重力式橋臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)樁徑140 cm，樁長(zhǎng)32 m～54 m，共計(jì)24根，總長(zhǎng)度為1 120 m。橋址區(qū)屬低侵蝕低丘工程地質(zhì)亞區(qū)，第四系地層起伏較大，勘察區(qū)內(nèi)無(wú)活動(dòng)性斷裂通過(guò)，區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定性較好，但橋址區(qū)分布巖溶。根據(jù)勘察資料分析，巖溶地層埋藏深度為地面20.30 m以下，溶洞高度為0.50 m～18.50 m，巖溶層數(shù)為2層～6層，成串珠狀，一般有充填物，充填物為可塑狀粉質(zhì)粘土、砂礫，少量無(wú)充填或半充填。兩側(cè)橋頭設(shè)置位置覆蓋層上層為可塑～硬塑狀粉質(zhì)粘土，下層為硬塑～堅(jiān)硬狀粉質(zhì)粘土，工程性質(zhì)較好，地基承載力為180 kPa～240 kPa。

2.2 本橋梁施工的難點(diǎn)

神告湖中橋按原設(shè)計(jì)橋梁施工，會(huì)面臨多個(gè)方面的施工難點(diǎn)，主要體現(xiàn)在橋址周邊環(huán)境復(fù)雜，征拆協(xié)調(diào)難度大，巖溶地質(zhì)條件下進(jìn)行鉆孔灌注樁施工，工期難以控制，安全、文明和環(huán)保問(wèn)題對(duì)縣道交通會(huì)造成一定的影響。

2.2.1進(jìn)場(chǎng)施工時(shí)間推遲

涉及征拆問(wèn)題多，協(xié)調(diào)難度大，橋梁0號(hào)臺(tái)位置為船塘鎮(zhèn)強(qiáng)記花木場(chǎng)苗圃，種植名貴植物，1號(hào)臺(tái)為聚豪農(nóng)家樂(lè)，征拆補(bǔ)償代價(jià)高，協(xié)調(diào)難度大，遲遲未交地，不能進(jìn)場(chǎng)施工。

2.2.2施工工期不可控

地質(zhì)情況復(fù)雜，鉆孔灌注樁最深達(dá)54 m，屬深孔樁基，占總樁長(zhǎng)的1/4，再加上巖溶復(fù)雜地層，施工難度進(jìn)一步加大，風(fēng)險(xiǎn)高，不可確定因素多，施工工期難以控制。

目前巖溶地層樁基成孔仍是樁基施工中普遍存在的難題，一般在處理溶洞時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行加泥漿、拋片石、埋置護(hù)筒等措施[1]。根據(jù)勘察資料提供的橋址巖溶情況，神告湖中橋鉆孔灌注樁成孔過(guò)程中處置溶洞會(huì)導(dǎo)致整個(gè)橋梁施工周期長(zhǎng)，施工成本高，而且如遇到不可預(yù)見(jiàn)的情況(如丟鉆頭、卡鉆頭、埋鉆頭)，處理起來(lái)特別復(fù)雜。外加橋址區(qū)周邊環(huán)境的影響，橋梁樁基施工場(chǎng)地嚴(yán)重受限，無(wú)法通過(guò)增加施工機(jī)械的投入來(lái)加快施工進(jìn)度，導(dǎo)致樁基施工工期不能準(zhǔn)確預(yù)見(jiàn)和有效控制。

2.2.3文明施工與環(huán)保管理難度大

鉆孔施工噪聲大，影響時(shí)間長(zhǎng)，且受施工場(chǎng)地限制，鉆孔樁泥漿排放管理難度大。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)后方案

在考慮到橋梁施工過(guò)程中會(huì)遇到諸多難點(diǎn)，同時(shí)為節(jié)約造價(jià)、縮短工期，施工單位提出橋梁改雙孔箱涵的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，經(jīng)與業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)和地方政府相關(guān)部門(mén)研究，各方一致同意把神告湖中橋優(yōu)化設(shè)計(jì)為2-9 m×6 m箱涵。神告湖箱涵中心樁號(hào)為K40+457.5，第一象限交角為115°，箱涵總長(zhǎng)度為35 m，具備通行兼排水功能。箱涵采用單箱雙室框架斷面，頂板及側(cè)墻、中墻厚度80 cm，底板厚100 cm，單孔結(jié)構(gòu)凈寬9 m，凈高6 m，采用C35混凝土澆筑，地基承載力容許值不小于250 kPa。

2.4 神告湖中橋優(yōu)化設(shè)計(jì)為箱涵的優(yōu)點(diǎn)

2.4.1技術(shù)難度對(duì)比分析

箱涵相對(duì)橋梁減輕了結(jié)構(gòu)物自重，充分發(fā)揮了箱涵結(jié)構(gòu)整體性好及基底應(yīng)力擴(kuò)散好的特點(diǎn)，達(dá)到了通過(guò)利用現(xiàn)有地質(zhì)條件滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)物地基承載力的目的。箱涵設(shè)置位置粉質(zhì)粘土層覆蓋最小厚度達(dá)20.3 m以上，上層粉質(zhì)粘土為軟～硬塑狀，下層粉質(zhì)粘土為硬塑～堅(jiān)硬狀，工程性質(zhì)較好，通過(guò)對(duì)箱涵基底做適當(dāng)?shù)膿Q填處理，完全滿(mǎn)足箱涵的地基承載力容許值要求。箱涵施工相對(duì)橋梁施工簡(jiǎn)單，沒(méi)有巖溶地層樁基施工風(fēng)險(xiǎn)大。

2.4.2造價(jià)對(duì)比分析

神告湖中橋造價(jià)約675萬(wàn)元，優(yōu)化為箱涵后估算工程造價(jià)約385萬(wàn)元，造價(jià)減少290萬(wàn)元(即43%)，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

2.4.3工期對(duì)比分析

在不考慮鉆孔灌注樁基礎(chǔ)穿過(guò)溶巖層時(shí)遇到丟鉆頭、卡鉆頭、埋鉆頭等特殊事故情況下，神告湖中橋預(yù)計(jì)工期5個(gè)月，而優(yōu)化設(shè)計(jì)為箱涵后工期為2個(gè)月，工期足足縮短3個(gè)月(即60%)，為后續(xù)工程的施工贏得了充足的時(shí)間。

2.4.4安全、文明、環(huán)保措施對(duì)比分析

一般情況下橋梁施工比箱涵施工的安全、文明和環(huán)保措施多。橋梁施工的安全、文明和環(huán)保措施主要體現(xiàn)在樁基施工、箱梁架設(shè)、橋面鋪裝和防撞護(hù)欄施工階段。鉆孔灌注樁施工時(shí)須對(duì)孔、泥漿池進(jìn)行圍閉，車(chē)輛走縣道外運(yùn)泥漿至棄土場(chǎng)；箱梁架設(shè)前須在跨縣道處搭鋼管棚，架設(shè)時(shí)協(xié)調(diào)當(dāng)?shù)亟还懿块T(mén)對(duì)縣道進(jìn)行臨時(shí)封閉交通；橋面鋪裝和防撞護(hù)欄施工時(shí)須做臨邊防護(hù)，協(xié)調(diào)當(dāng)?shù)亟还懿块T(mén)安排專(zhuān)人指揮交通，防止水泥漿等墜落物給車(chē)輛、行人造成影響。箱涵施工面臨的安全、文明和環(huán)保問(wèn)題就少很多，造成的環(huán)境污染、交通干擾等影響也小很多。箱涵施工前，在紅線(xiàn)范圍內(nèi)改移一段縣道，避免了另外征地；基坑開(kāi)挖完后做好安全支擋圍閉，布置好交通指示牌，以減少現(xiàn)場(chǎng)施工與縣道交通的互相干擾。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上面的舉例，韶河大橋和神告湖中橋優(yōu)化設(shè)計(jì)為箱涵后，規(guī)避了地質(zhì)條件復(fù)雜處樁基施工潛在風(fēng)險(xiǎn)，沒(méi)有鉆孔樁噪聲、振動(dòng)、泥漿排放對(duì)周?chē)h(huán)境造成污染等問(wèn)題?？缭降缆窌r(shí)，交通疏導(dǎo)及交通管制相對(duì)簡(jiǎn)單，有利于交通疏導(dǎo)施工便道的規(guī)劃及安全管控。橋梁優(yōu)化為箱涵后，不僅節(jié)約大量工程投資，大大縮短了工期，確保了施工進(jìn)度，具有良好經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

在各等級(jí)公路建設(shè)過(guò)程中，地質(zhì)條件復(fù)雜、地基承載力低處設(shè)置橋梁跨越小型河道或低等級(jí)道路，或者因交地時(shí)間滯后，工期不能順延時(shí)，可以通過(guò)將橋梁優(yōu)化設(shè)計(jì)為箱涵，達(dá)到降低建設(shè)成本、加快工程進(jìn)度、提高工程質(zhì)量的目的。