臨近高速門架墩及互通匝道橋柱式墩段路基設(shè)計方案研究

王偉明，徐少華

（余姚市交通規(guī)劃設(shè)計研究院，浙江 余姚 315400）

0 引 言

隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，不斷減少趨勢的耕地和土地資源對迫切的公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，在一些經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)，為了充分利用高速公路的用地，地方政府要求高速公路按高架橋的模式建設(shè)，當(dāng)?shù)乩脴蛳驴臻g配套建設(shè)地面道路。

但高速公路橋梁下路基施工給既有高速橋梁的安全會帶來一定的隱患，特別是對于高速互通設(shè)置路側(cè)輔墩路段，地面道路路基填筑時在輔墩兩側(cè)形成不均衡加載，對輔墩產(chǎn)生水平推擠，對輔墩樁基存在一定安全隱患。橋下道路路基填筑產(chǎn)生的水平土壓力，包括施工期間的施工荷載以及運營期間的運營荷載，增大了墩身承受的彎矩，施工期間水平土壓力的大小與路基填筑方式關(guān)系很大，如果橋墩兩側(cè)路基填筑施工不對稱，將額外的增加了樁基的水平力，甚至使得樁基彎矩超過設(shè)計值而引起樁基的開裂。本文以G92 杭甬高速復(fù)線寧波段二期地面道路路基填筑方案為例，對道路的路基填筑結(jié)構(gòu)以及施工方法對高速公路橋梁樁基的影響進(jìn)行了充分的研究。

1 工程概況

G92 杭甬高速復(fù)線二期地面道路項目全線位于高速橋梁投影之下，路線全長13.45 km，上層高速公路為雙向六車道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，路基寬度34 m，地面道路為雙向四車道一級公路，路基與高速同寬，12 m 中央分隔帶內(nèi)設(shè)置高架橋墩。地面道路需在高架橋梁施工完成后開工建設(shè)。

項目位于蕭（山）紹（興）姚（余姚）平原軟土分布區(qū)，為杭州灣南岸沿海地帶，原為海涂，經(jīng)多年圍墾逐步演變而成。項目區(qū)軟基主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和軟塑狀的粉質(zhì)黏土，厚度4～16 m，上面覆蓋14～20 m厚粉土層和亞砂土。全線屬于深埋軟土路段（軟土埋深大于10 m）。

全線在互通區(qū)和服務(wù)區(qū)前后受地面道路路基填筑影響的門架輔墩109 個，匝道橋墩25 個，路段長度3.78 km（單幅）。其中填土高度大于2 m 路段，受地面道路路基填筑影響的輔墩53 個，匝道橋墩18個，路段長度1.844 km（單幅）。

2 路基填筑影響分析

2.1 路基填筑風(fēng)險

經(jīng)分析認(rèn)為，地面道路路基填筑風(fēng)險主要有以下兩方面：

（1）橋下道路路基填筑產(chǎn)生豎向的負(fù)摩阻力，包括施工期間的施工荷載以及運營期間的運營荷載，增大了橋墩樁基承受的豎向力。該負(fù)摩阻力隨著橋下道路路基的填筑而產(chǎn)生，并隨著填土高度的增加而增大，一直到施工結(jié)束進(jìn)入運營狀態(tài)后，達(dá)到最大。（負(fù)摩阻力高速橋梁設(shè)計時已進(jìn)行考慮，采取了加強樁基設(shè)計、路基先期填筑等不同措施進(jìn)行了處理。地面道路施工時附加荷載影響建議按2 m 宕渣控制。

（2）橋下道路路基填筑產(chǎn)生的水平土壓力，包括施工期間的施工荷載以及運營期間的運營荷載，增大了樁基承受的彎矩。額外水平力將增加樁基彎矩，超過彎矩設(shè)計值將引起樁基裂縫不滿足規(guī)范要求。

2.2 高架橋梁橋墩對路基影響的容許要求

2.2.1 中分帶內(nèi)橋墩

對于中分帶橋墩而言，地面道路路基填筑均衡加載，水平推擠現(xiàn)象基本可以忽略。因此重點是要求對稱填筑，小型設(shè)備碾壓。

2.2.2 路側(cè)橋墩

對于高速高架橋設(shè)置路側(cè)輔墩段和臨近匝道橋段，地面道路路基填筑時在輔墩兩側(cè)形成不均衡加載，對輔墩產(chǎn)生水平推擠。采用等代土彈簧的剛度“M-法”計算模型考慮樁土共同作用。樁徑1.5 m，配置30 根直徑為25 mm 的主筋和直徑10 mm 的螺旋箍筋，箍筋凈保護(hù)層厚度65 mm。輔墩可能承受的墩頂最大水平力為支座摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值F=0.03×6 500=195 kN，樁身最大彎矩值為1 759 kN·m，承臺頂橫橋向位移約5 mm。以裂縫寬度0.15 mm 為控制指標(biāo)，允許路基填筑產(chǎn)生的樁身最大彎矩值對應(yīng)的承臺頂橫橋向位移為3.9 mm。

在“M- 法”的假定條件下，未考慮土體塑性變形效應(yīng)、變形時間蠕變效應(yīng)引起的土體內(nèi)力重分布、位移變形重新分布，計算結(jié)果偏安全。本項目的側(cè)墩承臺水平總位移為8.9 mm，路基填筑容許的承臺頂水平位移為3.9 mm（或樁基變形量）。

根據(jù)《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)第一冊土建工程》（JTG F80-1—2017）及本項目高架橋情況（5 m＜墩高H＜40 m），橋墩應(yīng)滿足小于H/1 000 且小于20 mm 的豎直度要求，此條款適用新建橋墩的質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)作為參考。

3 地面道路路基設(shè)計方案比選

針對橋梁橋墩變形容許結(jié)果要求，細(xì)分地面道路路基設(shè)計方案。

3.1 高架橋中分帶內(nèi)橋墩處路基方案

地面路基施工期間堅持對稱填筑、同時施工、均勻加載的原則，路基兩側(cè)填筑高差不大于1 m；當(dāng)填高大于2 m 路段，中分帶填土需同步填筑，確保與路基填土高差不大于1 m。嚴(yán)禁選用大于20 t 重型振動壓路機。同時施工過程中加強路基、高架橋墩的沉降、穩(wěn)定觀測，嚴(yán)格控制路基填筑速率，減少施工期間對高架的影響。

3.2 路側(cè)橋墩處路基方案

（1）填土高度不大于2 m 情況

對各填土高度情況下輔墩位移進(jìn)行計算結(jié)果表明，填土高度低于2 m 時輔墩位移基本可滿足側(cè)墩承臺頂位移、墩柱豎直度要求（承臺位移△墩=2.31 mm＜3.9mm，墩柱相對位移△墩=8.38mm＜H/1000=10 mm），不需要采取額外措施。施工時注意分層填筑和軟土地區(qū)填筑穩(wěn)定即可。

（2）填土高度大于2 m 情況

對于地面道路填土高度大于2 m 情況，不均衡加載對樁基的抗彎承載能力及墩柱的傾斜度影響隨著填高增加逐漸增加。根據(jù)計算結(jié)果，填高4.1 m 時，計算墩柱相對位移△墩=15.3 mm ，不滿足H/1000=10 mm 要求，承臺水平位移△墩=3.31＜3.9 mm 滿足控制標(biāo)準(zhǔn)，需進(jìn)行特殊處理。

3.3 路側(cè)橋墩處路基方案比選

根據(jù)常規(guī)減輕路基填筑水平推擠影響的處理方式，提出3 個解決方案：

方案一（增加臨時用地）：地面道路增加臨時用地，見圖1，施工時在輔助墩周邊范圍（輔墩外3 m）進(jìn)行平衡加載，減小地面道路填筑可能對門架墩側(cè)墩產(chǎn)生的不利影響。

圖1 增加臨時用地方案（單位：cm）

此方案優(yōu)點是實施方便、造價經(jīng)濟,缺點是在臨時征地方面可能有一定的政策難度。僅處理填高大于2 m 路段輔墩，采用塊狀反壓，需增加臨時用地10.44 畝，增加費用360.5 萬元，見表1。

表1 處理填高大于2 m 路段，塊狀填筑

僅處理填高大于2 m 路段輔墩，采用帶狀反壓，需增加臨時用地17.22 畝，增加費用726.9 萬元，見表2。

表2 處理填高大于2 m 路段，帶狀填筑

方案二（泡沫混凝土）：地面道路實施時，對于填土高度較高（大于2 m）的區(qū)域采用泡沫混凝土填筑，見圖2，以降低堆土荷載，減小土體沉降。輔墩承臺周邊填土或地基處理可采用素混凝土填筑，以免使用其他材料有壓實困難。

圖2 泡沫混凝土方案（單位：cm）

本方案優(yōu)點是可有效降低填土荷載，土體變形小，缺點是造價略高，但僅在局部路段采用（經(jīng)查地面填土大于2 m 的輔墩共約53 處，匝道橋墩18 個，單側(cè)長約1.844 km）。需增加費用696.0 萬元，見表3。

表3 泡沫混凝土

泡沫混凝土橫向?qū)嵤┓秶鸀樽钔鈧?cè)行車道和硬路肩，縱向處理至受影響橋墩前后5 m 處。

泡沫混凝土與宕渣路基之間設(shè)置臺階式搭接，臺階高度不小于1 m。泡沫混凝土頂面設(shè)置一層15 cm鋼筋混凝土保護(hù)板，為緩解不同路基填料之間裂縫反射問題，鋼筋混凝土保護(hù)板與泡沫混凝土接縫錯縫設(shè)置，鋼筋混凝土保護(hù)板上下兩側(cè)各設(shè)置一層雙絞合鋼絲網(wǎng)。

方案三（宕渣回填+ 樁基擋土墻）：地面道路實施時，對于填土高度較高的區(qū)域（大于2 m），在高架側(cè)墩一定范圍設(shè)置擋墻+ 隔離樁方案，見圖3，樁基采用鉆孔灌注樁，直徑建議為0.6 m，深度15 m，縱向間距1.5 m，按5 根布置。該方案路基填土荷載作用由擋土墻及其樁基優(yōu)先承受，然后均勻作用于高架輔墩樁基周邊土體上。

圖3 宕渣回填+ 樁基擋土墻方案（單位：cm）

本方案優(yōu)點是可有效降低填土荷載對高架輔墩的影響，土體變形小，缺點是造價略高，需增加費用746.9 萬元。見表4。

表4 宕渣回填+ 樁基擋土墻

路側(cè)橋墩處路基方案比選：根據(jù)處理費用、政策處理難度、處理效果等角度，對三個方案進(jìn)行比選，見表5。

表5 方案比選表

根據(jù)高架橋梁橋墩對路基影響的容許要求，地面道路路基施工期間需滿足承臺位移△樁頂＜3.9 mm，墩柱相對位移△墩＜H/1000=10 mm 的要求，三種方案計算結(jié)論均可滿足要求。

綜合三種方案優(yōu)缺點，在臨時征地難度大的前提下，方案二具有實施難度小、處理效果好的特點，通過技術(shù)措施也可以減輕泡沫混凝土與宕渣路基搭接處的裂縫反射問題，推薦采用方案二。

4 施工期監(jiān)測

除常規(guī)的路基沉降和穩(wěn)定觀測外，同時需對路側(cè)輔墩水平位移和墩柱垂直度進(jìn)行監(jiān)測。

（1）輔墩水平位移

輔墩墩頂水平位移通過輔墩頂部設(shè)置的觀測點進(jìn)行觀測，同時在輔墩承臺前后1m 斷面分別設(shè)置為位移邊樁和測斜管。輔墩路段增加觀測斷面，每2 個輔墩需設(shè)置1 個觀測斷面。

（2）墩柱垂直度監(jiān)測

路基施工期間，同步對輔墩垂直度進(jìn)行觀測，觀測斷面布置間距同輔墩位移觀測，在各測量墩墩頂標(biāo)示固定點，按照測量周期測量坐標(biāo)、高程及垂度。測點布設(shè)時可采用十字花標(biāo)記。

（3）道路監(jiān)測指標(biāo)

路基填筑期間，沉降速率應(yīng)不大于10 mm/24 h，路基水平位移應(yīng)不大于5 mm/24 h；當(dāng)路側(cè)存在輔助橋墩路段，路基水平位移應(yīng)不大于3.9 mm/48 h，墩柱垂直度滿足H/1000 要求（H 為墩柱高度），當(dāng)觀測數(shù)據(jù)超出以上范圍時，應(yīng)停止路基填筑，待穩(wěn)定后再進(jìn)行填筑。

5 結(jié) 語

該文采用Midas Civil 對輔墩承臺頂橫橋向的控制位移進(jìn)行分析，以樁基裂縫寬度0.15 mm 為控制指標(biāo)，并考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限內(nèi)結(jié)構(gòu)正常運營可能產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，對道路填筑工況輔墩承臺頂橫橋向的控制位移進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）本項目土層對輔墩基礎(chǔ)約束較大，結(jié)構(gòu)對承臺頂?shù)膫?cè)移較敏感。

（2）當(dāng)觀測到承臺頂橫橋向位移大到3.9mm 時應(yīng)停止路基施工并采取有效措施。

針對地面道路施工特點及高架結(jié)構(gòu)自身情況，建立三維有限元數(shù)值模型，分析不同施工階段、方案對高架樁基、橋墩變形的影響，并提出計算結(jié)果結(jié)論，為類似利用高架橋建設(shè)地面道路工程的路基填筑施工方案選擇提供了參考。