基礎(chǔ)沖刷橋梁加固改造方案研究

李少?gòu)?qiáng),袁 媛

（1.五華縣公路事務(wù)中心,廣東 梅州 514400; 2.北京特希達(dá)交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司,北京 100067）

0 引言

近些年，橋梁垮塌事件頻繁發(fā)生，尤其是在役舊橋，由于設(shè)計(jì)荷載等級(jí)較低、使用年限的增加，構(gòu)件老化、擴(kuò)大基礎(chǔ)埋深較淺、樁基礎(chǔ)樁長(zhǎng)較短等原因，在重載、超載車輛、洪水等情況下極易發(fā)生垮塌。其中基礎(chǔ)沖刷作為造成運(yùn)營(yíng)階段橋梁垮塌的主要病害之一，表現(xiàn)為突發(fā)性和毀滅性，嚴(yán)重威脅著人民生命財(cái)產(chǎn)安全，如2017年8月洪水沖毀的石亭江大橋、2019年6月洪水沖毀的紫金橋等。易仁彥[1]等對(duì)179起橋梁坍塌事故進(jìn)行了整理分析，發(fā)現(xiàn)60%發(fā)生在運(yùn)營(yíng)期，其中水毀橋梁占比30%。秦泗鳳[2]對(duì)151座水毀橋梁進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)80%發(fā)生在南方，其中約64%為梁橋。

為全面排查在役橋梁防洪性能，對(duì)存在安全隱患的橋梁及時(shí)進(jìn)行加固處治或改造，交通運(yùn)輸部及各省市均出具了相關(guān)文件[3-4]。

該文以某工程實(shí)例為背景，針對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)沖刷嚴(yán)重、樁基礎(chǔ)埋深較淺病害，結(jié)合橋梁周邊情況，分析橋梁基礎(chǔ)受力，提出了加固改造方案并進(jìn)行比選，給出最終推薦方案，方案已通過(guò)專家評(píng)審。

1 工程背景

1.1 工程概況

梅州市五華縣某橋位于五華縣琴江河段上，橋梁全長(zhǎng)220.6 m，橋面全寬17.5 m。該橋上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁，跨徑組合為13×16 m；支座為橡膠支座，下部結(jié)構(gòu)為樁柱式橋墩，單排3根樁基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)汽車-20級(jí)，掛車-100，設(shè)計(jì)洪水頻率為百年一遇。

該橋位河床為人工改造形成，上游建有琴江水電站，河道水位變化受水電站排水影響。

根據(jù)勘察鉆孔揭示的地質(zhì)資料，場(chǎng)地內(nèi)鉆孔揭露深度內(nèi)的巖土層為第1層素填土，該層不考慮其地基承載力。第二層強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，為極軟巖，地基容許承載力[fa0]=500 kPa，樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值qik=100 kPa。第三層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，為軟巖，地基容許承載力[fa0]=1 500 kPa，巖石抗壓強(qiáng)度f(wàn)r=9.0 MPa，樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值qik=150 kPa。

根據(jù)原橋竣工圖紙，該橋樁基礎(chǔ)直徑1.2 m，樁長(zhǎng)5~7 m，支撐于中風(fēng)化巖層，按嵌巖樁設(shè)計(jì)。

2017年12月，該橋兩側(cè)進(jìn)行了拓寬設(shè)計(jì)，拓寬幅橋梁為2×16 m預(yù)應(yīng)力空心板+3×32 m預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支小箱梁+2×32 m預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支小箱梁+1×18 m預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支小箱梁。下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩，樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)長(zhǎng)度25 m，嵌巖樁設(shè)計(jì)。

1.2 基礎(chǔ)病害情況及成因分析

2019年對(duì)該橋進(jìn)行了檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)情況，該橋下部結(jié)構(gòu)主要病害為河床鋪砌存在大面積破損，外露樁基礎(chǔ)沖刷、露骨現(xiàn)象嚴(yán)重，其中11號(hào)、12號(hào)樁基礎(chǔ)埋深僅0.9 m，10-1號(hào)樁基礎(chǔ)埋深僅1.14 m。沖刷后河床斷面及基礎(chǔ)埋深情況見圖1。

圖1 樁基礎(chǔ)沖刷后埋深情況

結(jié)合橋梁河床及周邊實(shí)際情況，分析主要病害成因如下：

（1）在水流的不斷沖刷下，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，河床鋪砌出現(xiàn)破損。

（2）鋪砌破損后，水流沖刷樁基礎(chǔ)，由于部分樁基礎(chǔ)保護(hù)層厚度不足或施工質(zhì)量欠佳，出現(xiàn)露骨。

（3）由于原樁基礎(chǔ)樁長(zhǎng)較短，河床沖刷后，導(dǎo)致樁基礎(chǔ)長(zhǎng)度埋深較小，嚴(yán)重威脅橋梁安全。

2 現(xiàn)狀基礎(chǔ)入巖深度分析

根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3363—2019）第6.3.8條公式6.3.8-1，驗(yàn)算該橋水中2~12號(hào)樁基礎(chǔ)嵌入基巖中（不計(jì)強(qiáng)風(fēng)化層、全風(fēng)化層及局部沖刷線以上基巖）的有效深度hr（m），對(duì)比該橋樁基礎(chǔ)實(shí)際如中風(fēng)化巖層的深度h（m），如表1所示。

表1 樁嵌入基巖中有效深度hr

根據(jù)表1驗(yàn)算結(jié)果，現(xiàn)狀該橋9~12號(hào)樁基礎(chǔ)有效入巖深度已經(jīng)不滿足規(guī)范要求。

3 處治方案研究

3.1 橋梁情況分析

根據(jù)該橋現(xiàn)狀病害情況，該橋?qū)嶋H情況及加固改造設(shè)計(jì)存在的限制條件總結(jié)分析如下：

（1）該橋關(guān)鍵病害為：舊橋樁基礎(chǔ)沖刷后，樁基礎(chǔ)埋深較小，其中11號(hào)、12號(hào)樁基礎(chǔ)埋深僅0.9 m，10-1號(hào)樁基礎(chǔ)埋深僅1.14 m，嚴(yán)重威脅橋梁安全，需立即進(jìn)行改造處治。

（2）針對(duì)樁基礎(chǔ)埋深較淺病害，如采用維修加固方案，最直接有效的方式為新增樁基礎(chǔ)，可采用原樁基礎(chǔ)間新增樁基礎(chǔ)或前后新增樁基礎(chǔ)變?yōu)槎嗯艠痘A(chǔ)等方案，但均需新增承臺(tái)與墩柱連接。新增承臺(tái)時(shí)，如采用在現(xiàn)狀河床面以上新建，考慮到新增承臺(tái)尺寸順橋向?qū)挾燃柏Q向高度均較大，則將影響過(guò)水?dāng)嗝妫薀o(wú)加固空間；如為不影響過(guò)水?dāng)嗝?，將承臺(tái)落于河床面以下，則需開挖河床，由于現(xiàn)狀樁基礎(chǔ)埋深較淺，無(wú)法開挖河床，不可行。

（3）根據(jù)拓寬幅設(shè)計(jì)過(guò)程，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，五華縣上壩電站要求新建橋墩不得侵占排水渠，為此拓寬設(shè)計(jì)將橋跨進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整后跨越了電站水渠，不影響水渠現(xiàn)狀過(guò)水?dāng)嗝?，故舊橋加固改造須考慮不影響現(xiàn)狀水渠排水。

（4）根據(jù)以上分析，該次如對(duì)舊橋進(jìn)行新增樁基礎(chǔ)加固，對(duì)位于水渠范圍內(nèi)的10~12號(hào)墩，由于既無(wú)法將新增承臺(tái)置于河床面以上（影響水渠排水），也無(wú)法開挖（原樁基礎(chǔ)埋深過(guò)淺），則此方案不可行，10~12號(hào)墩難以通過(guò)維修加固保證結(jié)構(gòu)受力需求。

（5）該橋現(xiàn)況舊橋與拓寬幅間距15 cm，且有多道防撞護(hù)欄，結(jié)合兩側(cè)道路情況，行車安全、美觀性及舒適性較差。

3.2 處治方案

針對(duì)該橋樁基礎(chǔ)病害情況，提出以下兩種加固改造方案：

3.2.1 舊橋新增樁基礎(chǔ)加固

為充分利用現(xiàn)有橋梁，節(jié)約造價(jià)，減小橋梁改造施工對(duì)交通的影響，該次考慮對(duì)舊橋進(jìn)行加固改造，對(duì)水中的2~9號(hào)基礎(chǔ)采用新建承臺(tái)新增樁基礎(chǔ)加固，見圖2，由于10~12號(hào)墩不具備維修加固實(shí)施條件，故提出對(duì)10~13跨橋梁進(jìn)行改建，改建后橋跨與拓寬幅相適應(yīng)，將4跨改造為3跨（原11、12跨合并為一跨），一跨跨越排水溝渠，對(duì)其他部分橋梁進(jìn)行維修加固。

圖2 新增承臺(tái)樁基礎(chǔ)加固示意

3.2.2 全橋拆除重建

考慮到水渠內(nèi)10~12號(hào)墩難以通過(guò)維修加固方案達(dá)到承載力要求，須對(duì)部分橋跨進(jìn)行改建，施工復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)性不佳，為徹底解決橋梁病害的同時(shí)，提高舊橋設(shè)計(jì)荷載等級(jí)，與拓寬幅相適應(yīng)，同時(shí)減小橋梁對(duì)電站水渠排水的影響，該次提出對(duì)舊橋進(jìn)行拆除重建方案，見圖3~4。拆除后，與兩側(cè)拓寬幅橋梁跨徑統(tǒng)一，上部結(jié)構(gòu)形式統(tǒng)一，變形協(xié)調(diào)，拼接設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，下部結(jié)構(gòu)墩臺(tái)基礎(chǔ)采用單排3根鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，嵌巖樁設(shè)計(jì)。

圖3 拆除改造后橋梁橫斷面示意

3.2.3 方案比選

對(duì)比兩種方案，舊橋維修加固及全部拆除重建均能改善橋梁受力狀況，提高結(jié)構(gòu)的承載能力安全儲(chǔ)備。拆除重做舊橋，可徹底解決橋梁病害，同時(shí)提高設(shè)計(jì)荷載等級(jí)與拓寬幅協(xié)調(diào)一致，且可實(shí)現(xiàn)新舊橋橋面系的連接，行車舒適性好；維修加固方案雖造價(jià)相對(duì)較低，但也需拆除部分橋跨，施工較復(fù)雜，且新增承臺(tái)影響現(xiàn)狀斷面，同時(shí)不能提高設(shè)計(jì)荷載等級(jí)，拓寬幅利用性較差，經(jīng)濟(jì)性較差。通過(guò)綜合分析，結(jié)合專家評(píng)審意見，一致同意對(duì)該橋舊橋進(jìn)行拆除重建。

圖4 拆除改造后橋位平面示意（部分）

4 施工要點(diǎn)及注意事項(xiàng)

4.1 舊橋拆除

考慮到該橋基礎(chǔ)埋深較深，舊橋拆除過(guò)程中有一定的擾動(dòng)，為保證拆橋安全，拆橋過(guò)程中須持續(xù)監(jiān)測(cè)梁體及墩臺(tái)基礎(chǔ)變形，如有異常立即停止施工。

4.2 新建樁基礎(chǔ)

考慮到該橋橋?qū)捿^大，為方便蓋梁施工，同時(shí)梁高盡量與兩側(cè)拓寬幅統(tǒng)一，該次仍采用3根樁基礎(chǔ)，普通鋼筋混凝土蓋梁，新建樁基礎(chǔ)與舊橋樁基礎(chǔ)樁位有重合，施工難度相對(duì)較大，且外側(cè)樁基礎(chǔ)距離兩側(cè)拓寬幅樁基礎(chǔ)距離較近，為保證施工及拓寬幅橋梁安全，施工過(guò)程中應(yīng)采用擾動(dòng)較小的方式，并加強(qiáng)拓寬幅上、下部結(jié)構(gòu)的觀測(cè)[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

該文通過(guò)對(duì)沖刷后樁基礎(chǔ)埋深較淺存在嚴(yán)重安全隱患的梁橋基礎(chǔ)加固改造方案進(jìn)行分析，提出了適宜該橋的改造方案?，F(xiàn)階段橋梁正在進(jìn)行改造施工，已完成部分鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，施工進(jìn)展順利。如今我國(guó)仍存在大量的老舊橋梁，基礎(chǔ)沖刷問題仍較為普遍，針對(duì)不同的基礎(chǔ)類型及基礎(chǔ)沖刷程度，應(yīng)充分考慮施工復(fù)雜程度、經(jīng)濟(jì)性、合理性、美觀性等各個(gè)層面，綜合分析，采取最優(yōu)方案，解決基礎(chǔ)安全隱患，保證橋梁結(jié)構(gòu)安全。