狹窄地段橋梁重建方案設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

項宏亮, 陳亮

(1.南通大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院， 江蘇 南通 226019； 2.東南大學(xué) 成賢學(xué)院)

在城鎮(zhèn)區(qū)域場地狹窄地段，利用有限場地完成橋梁上、下部結(jié)構(gòu)的施工且不影響周邊既有建筑的安全是橋梁建設(shè)的難點，在橋梁方案設(shè)計階段，應(yīng)在充分調(diào)查現(xiàn)場實際情況的基礎(chǔ)上，根據(jù)可供選擇的合理的上、下部結(jié)構(gòu)施工方法，確定最優(yōu)的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

1 橋梁概況

1.1 原橋概況

某橋全長30 m，全寬4.2 m，凈寬3 m，跨徑布置為5×6 m，上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土肋梁，橫向設(shè)置4片；橋面系采用預(yù)制拼裝鋼筋混凝土板、水泥混凝土鋪裝層；橋墩采用鋼筋混凝土排架墩，橋臺為重力式橋臺。

由于上部結(jié)構(gòu)中肋梁及橋面板出現(xiàn)嚴(yán)重的破損、鋼筋外露及銹蝕，部分排架墩出現(xiàn)立柱傾斜、斜撐斷裂，橋臺前墻出現(xiàn)開裂等嚴(yán)重結(jié)構(gòu)性病害，需拆除重建。橋梁現(xiàn)場立面照片如圖1所示。

圖1 橋梁現(xiàn)場立面照

1.2 橋位地形與地質(zhì)

橋梁位于集鎮(zhèn)區(qū)域，四周為居民建筑，西北角房屋前坪緊貼橋梁邊緣，懸挑部分距橋梁邊緣約1.15 m；西南角房屋新增磚木棚戶緊貼橋梁邊緣，懸挑部分距橋梁邊緣約0.55 m；東北角房屋新增部分懸挑支承于橋面，原有懸挑部分距橋梁邊緣約1.0 m；東南角房屋下方石砌基礎(chǔ)緊貼肋梁，上部墻體部分支承于橋面。具體橋位處狀況見圖2。

圖2 橋位現(xiàn)狀示意圖(單位:m)

場地地表以下50 m范圍依次分布有素填土、粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土及粉砂，土層力學(xué)性質(zhì)較差，屬抗震不利地段。各土層厚度、埋深及力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 場地土層參數(shù)

2 總體設(shè)計原則

由于原橋東西兩側(cè)現(xiàn)狀緊鄰房屋，周邊房屋主體結(jié)構(gòu)距離橋位較近且均有懸挑部分緊貼橋梁邊緣，施工場地狹窄，老橋結(jié)構(gòu)拆除和重建橋梁上、下部結(jié)構(gòu)施工會對周邊房屋結(jié)構(gòu)安全造成較大影響。橋梁拆除重建方案主要從以下3個方面考慮：

(1) 原橋臺采用重力式橋臺、擴大基礎(chǔ)，重建橋梁應(yīng)盡量避免對原橋臺的全面開挖清除。

(2) 橋梁上、下部結(jié)構(gòu)設(shè)計方案必須充分考慮場地大小及結(jié)構(gòu)施工對周邊房屋的影響。

(3) 在技術(shù)可行前提下，應(yīng)選擇經(jīng)濟性更佳的設(shè)計、施工方案。

3 橋梁重建方案設(shè)計

3.1 橋梁重建設(shè)計總體方案

重建橋梁根據(jù)交通需要按4 m寬度設(shè)計，基于施工場地大小、河道泄洪要求、工期長短和施工難易程度以及經(jīng)濟性等方面考慮，排除上部結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆的方案，為避免老橋橋臺全面開挖可能引起對周邊建筑物的損害，將橋梁長度適當(dāng)縮短，提出了1×25 m、2×13 m和(8+10+8) m3種跨徑組合的空心板梁結(jié)構(gòu)形式。

橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計主要涉及橋臺基礎(chǔ)形式選擇，主要在擴大基礎(chǔ)和鉆孔灌注樁基礎(chǔ)兩種形式中選擇。根據(jù)前述空心板梁結(jié)構(gòu)常用截面尺寸、橋梁公路-Ⅱ級設(shè)計荷載，按照橋臺處采用5 m高重力式橋臺初步計算，該橋橋臺采用擴大基礎(chǔ)時持力層的地基承載能力要求不低于153.7～191.3 kPa(表2)，需對橋位處淤泥質(zhì)黏土層及下臥土層進行加固。

表2 地基承載力要求

相較于該橋橋臺擴大基礎(chǔ)方案須進行較大面積和深度的基坑開挖、地基的加固處理，考慮橋位實際地形、地質(zhì)條件后采用φ800 mm樁基礎(chǔ)形式，在減少基坑開挖、控制對周邊建筑物影響和減少工程投入方面更有優(yōu)勢。

3.2 橋臺基礎(chǔ)施工關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 樁基礎(chǔ)施工方式選擇

該橋橋臺采用樁基礎(chǔ)形式，根據(jù)橋位地形、地質(zhì)條件，初步可供選擇的樁基礎(chǔ)施工方式包括全套管回轉(zhuǎn)鉆機旋挖成孔灌注樁和正循環(huán)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)進成孔灌注樁，如表3所示，靜力壓樁機由于外形尺寸較大(工作寬度超過9 m)和擠土效應(yīng)對周邊建筑影響大而不能采用，綜合考慮成樁施工機械尺寸、樁基施工對周圍土體擾動大小等，選定正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進方式成孔。

表3 鉆機參數(shù)

3.2.2 樁基礎(chǔ)施工減振措施設(shè)計

正反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進成孔和旋挖成孔施工對周邊環(huán)境振動影響比其他成孔方式要小，在一般的橋梁設(shè)計中由于距離周邊建筑物較遠而往往被忽略。文獻[4]、[5]中分別對旋挖鉆機和循環(huán)鉆機鉆孔施工時的距樁基不同水平距離的地表測點振動速度、加速度進行了監(jiān)測，根據(jù)文獻[4]中研究結(jié)果，對于1 m直徑的灌注樁，旋挖或循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進成孔施工的振動影響較大的范圍為10 m左右，文獻[5]中不同位置測點速度實測結(jié)果也基本表現(xiàn)出這一現(xiàn)象。

對于建筑物振動影響的控制標(biāo)準(zhǔn)，多以地面質(zhì)點的振動速度作為控制指標(biāo)，中國在土木工程相關(guān)行業(yè)目前有CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》中給出的振動速度控制值為2.5 cm/s，GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》中規(guī)定在頻率10 Hz以下時，一般磚房、非抗震的大型砌塊建筑物地面質(zhì)點的安全振動速度為2.0～2.5 cm/s，國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如德國的技術(shù)規(guī)范中對于頻率10 Hz以下時，一般民用建筑的振動限值為0.5 cm/s；也有文獻參照GB 50191—93《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》和GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中有關(guān)規(guī)定，認(rèn)為建筑物振動加速度小于0.1g時對建筑物基本無危害。該橋周邊房屋年代較久，且該橋樁基礎(chǔ)離周邊建筑物基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)最小距離約2.6 m，必須考慮樁基施工的振動影響。

考慮該橋施工場地狹窄的實際情況，擬將基坑工程中微型鋼管樁這一較新的支護形式用于該橋，作為橋臺樁基鉆孔施工的主要隔振措施，在橋臺樁基外側(cè)布設(shè)2排φ159 mm×6 mm微型鋼管樁，鋼管樁間距250 mm，樁長10 m，孔內(nèi)注漿并在樁頂澆筑混凝土圈梁，如圖3所示，微型鋼管樁距周邊建筑物最小距離為80 cm，有工程實踐表明圍擋或障礙物距鋼管樁中心≥55 cm即可施工微型鋼管樁，也有設(shè)置類似樁型對古建筑物進行減振起到良好效果的例子。

圖3 微型鋼管樁布置示意圖(單位：cm)

3.3 上部結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

3種橋跨設(shè)計方案中上部結(jié)構(gòu)施工的關(guān)鍵問題是板梁運輸與吊裝，橋位位于集鎮(zhèn)區(qū)域，橋下河流不通航，因而不具備水上運輸和吊裝條件；兩側(cè)橋頭道路寬5～6 m，周邊道路寬12.5～16.8 m(圖4)，大型運輸車輛無法直接通行進入施工場地，接近橋位后如有需要可采用專門運梁小車或自行運輸模塊進行空心板梁運輸；其中25 m橋跨方案板梁在西側(cè)南北向道路轉(zhuǎn)至橋頭運輸路線時可能存在困難。

圖4 橋位周邊道路情況(單位：m)

板梁吊裝方面，根據(jù)各方案板梁自重，常規(guī)汽車吊裝方式下可選擇表4所列規(guī)格，25 m橋跨方案下汽車吊支腿距離大于橋頭空地寬度而無法采用；13 m橋跨方案可分別在橋梁兩端布置汽車吊，但東側(cè)道路板梁運輸不便，且汽車吊須定點回轉(zhuǎn)吊裝，而橋梁周邊房屋為2～3層建筑，吊裝時須跨越房屋回轉(zhuǎn)，施工難度較大；(8+10+8) m橋跨方案除東側(cè)邊跨存在同上困難外，中間橋跨吊裝時無法在邊跨展開汽車吊支腿。

表4 各方案板梁重及汽車吊參數(shù)

對比分析橋梁各種架設(shè)方法后，確定采用人字形扒桿“雙釣魚法”架梁，根據(jù)文獻[14]相關(guān)說明，扒桿高度H應(yīng)大于0.5倍梁長，底寬b的范圍為0.3H～0.5H，3種跨徑板梁吊裝扒桿高度分別為13、7和6 m，扒桿底寬分別為6.5、3.5和3 m。25 m橋跨扒桿底部超出現(xiàn)有橋頭空地范圍，與兩側(cè)房屋產(chǎn)生沖突，13 m和(8+10+8) m橋跨方案扒桿架設(shè)和板梁吊裝技術(shù)可行。扒桿架梁過程如圖5所示。

圖5 扒桿架梁施工流程圖

3.4 橋梁重建設(shè)計方案

根據(jù)前述橋梁方案設(shè)計分析，綜合考慮各方案工期長短、施工難易程度、對河道泄洪能力影響、景觀效果和經(jīng)濟性等方面因素，確定采用2×13 m空心板梁橋方案，下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式墩臺，鉆孔灌注樁采用正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進成孔，板梁架設(shè)采用扒桿吊裝。橋梁立面布置如圖6所示。

圖6 重建方案立面布置圖

4 結(jié)語

該文根據(jù)狹窄地形下的橋梁重建工程實踐，從盡量減小對周邊環(huán)境影響角度出發(fā)，提出了避免對原橋基礎(chǔ)全面開挖的橋跨布置方案，從經(jīng)濟性、施工便利性和對周邊環(huán)境影響等方面考慮，確定了橋梁上、下部結(jié)構(gòu)形式，并對橋梁上、下部結(jié)構(gòu)施工技術(shù)進行了詳盡的分析，確定了橋臺樁基礎(chǔ)采用正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進成孔配合微型鋼管樁支護，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)配合扒桿吊裝的設(shè)計方案，較好地解決了對周邊環(huán)境影響、工程投入等問題，對類似工程實踐具有借鑒意義。