鋼管混凝土橋墩在逆作法施工中的應(yīng)用

靳建科

（石家莊市公路橋梁建設(shè)集團有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

鋼管對混凝土有一定套箍作用，能使混凝土實現(xiàn)三向受壓，從而提升混凝土結(jié)構(gòu)承載力，并改善延展性。此外，鋼管還能作為模板施工，減少模板材料與支設(shè)方面的費用。逆作法在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用較多，在交通建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用尚少，而將鋼管混凝土與逆作法結(jié)合，可表現(xiàn)出顯著的技術(shù)優(yōu)勢。

1 逆作法優(yōu)缺點

逆作法是指采用地連墻作為基坑支護同時作為地下室外墻，此時可同時向上與向下施工，從該方法施工特點可以看出，其主要意義在于減小基坑變形，降低深基坑開挖可能給周邊環(huán)境造成的不利影響，并能縮短工程的工期，從而取得良好的綜合效益。

逆作法與順作法的主要區(qū)別在于：

（2）解決支撐布置方面的問題。因支撐體系主要由工程結(jié)構(gòu)承擔(dān)，因此對平面形狀較為特殊的支撐體系，除了能保證結(jié)構(gòu)受力合理，還能取代一部分支撐。通過對工程結(jié)構(gòu)和基坑支護結(jié)構(gòu)的結(jié)合，保證地下部分面積[1]。

（3）有利于縮短工程工期。按逆作法施工時，可能是地上和地下施工一同進行，如此，上部結(jié)構(gòu)施工基本不占用工期，如果為軟土地質(zhì)，則一般能縮短三個月左右的總工期。

（4）經(jīng)濟效益顯著。如前所述，按逆作法施工時，地下結(jié)構(gòu)通常與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為一體，大部分支撐體系都能采用地下結(jié)構(gòu)代替，因此能減少大量支撐設(shè)施方面的費用，相較于傳統(tǒng)施工方法，能大幅減少直接工程費。此外，縮短工期也能間接起到提高經(jīng)濟效益的作用。

（5）施工方案與工程設(shè)計之間的關(guān)系十分密切。采用逆作法施工時，所有工況都會對工程結(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài)造成直接影響，因此，在工程設(shè)計過程中必須充分考慮施工中可能遇到的各類工況，設(shè)計單位必須加強與施工單位之間的聯(lián)系與配合。

2 樁基逆作法

在橋梁工程中，樁基礎(chǔ)是一種最常用也是最經(jīng)濟的基礎(chǔ)類型，不僅施工方便，而且造價較低、基礎(chǔ)沉降較小。在傳統(tǒng)的樁基礎(chǔ)施工過程中，通常為先施工樁，再進行承臺澆筑，然后對上部結(jié)構(gòu)進行施工。即便是承臺和土體直接接觸的樁基礎(chǔ)，因橋梁控制較為嚴(yán)格且受到?jīng)_刷作用，很少考慮承臺下部地基土對結(jié)構(gòu)受力的貢獻。然而，對承載力良好、沖刷作用響度較小而工后沉降相對較大的地層，按逆作法施工復(fù)合基礎(chǔ)，除了能減少工程造價、縮短工期，還能對工后沉降予以有效控制，提高基礎(chǔ)施工安全性，減少環(huán)境污染。

樁基逆作法是指考慮樁體和土體之間的共同作用，先由天然地基承受橋梁上部結(jié)構(gòu)局部荷載，再實施樁基施工。采用該方法能促進土體固結(jié)沉降，通過在施工中完成部分沉降來減少施工完成后的土體沉降，進而從根本上保證結(jié)構(gòu)使用過程中的安全性[2]。

3 逆作法施工工藝

逆作法工藝主要具有以下幾方面特點：

（1）大規(guī)模施工過程中，可同時開展地上與地下結(jié)構(gòu)施工，進而大幅縮短工程的工期。

印象里我早下課機會多些，饑腸轆轆一溜小跑湊到攤子前選好串兒，付好錢，看著老板娘用雙長長的竹筷熟練地在油鍋里給串兒翻面，然后撈出來扯一段紙巾包裹著竹扦下半段以防手上蹭了油，浸好調(diào)料，遞到我手中。我兩手翹著蘭花指各捏著一份冒著熱氣的炸串兒笑著和老板娘說謝謝，再餓也忍住不吃，非要跑去和朋友約好的老地方等兩人碰了頭一起開動。

（2）將地下結(jié)構(gòu)作為基坑的圍護結(jié)構(gòu)，防止圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，減少基坑施工給附近其他建筑造成的不利影響。

（3）將地面層結(jié)構(gòu)施工完成后，可對地下部分開始施工，能減少環(huán)境因素給土方施工造成的影響，減少土方開挖施工在總工期中的占比[3]。

采用逆作法施工時，往往要具備下列兩方面要素：

（1）圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)為永久性的，且作為主體結(jié)構(gòu)體系受力結(jié)構(gòu)，同時在內(nèi)部施工過程中加以內(nèi)襯，以形成一個完整的受力結(jié)構(gòu)。

（2）基礎(chǔ)形式應(yīng)為一樁一柱，在箱形基礎(chǔ)施工完成前，上部結(jié)構(gòu)和地下部分結(jié)構(gòu)自身重量均有樁柱承擔(dān)。

逆作法包含很多施工方法，不同施工方法的步驟也不同，因此有必要明確不同施工方法對應(yīng)的施工步驟。

全逆作法施工步驟為：①將地下結(jié)構(gòu)作為圍護結(jié)構(gòu)；②樁基施工完成后進行地下結(jié)構(gòu)施工；③臨時支柱與其基礎(chǔ)應(yīng)處在柱結(jié)構(gòu)截面中心；④地下結(jié)構(gòu)采用邊梁與周圍圍護結(jié)構(gòu)相連，形成可靠水平內(nèi)支撐；⑤將地下土方挖除；⑥第二道水平方向內(nèi)支撐施工方式和第一道相同；⑦將地下土方挖除[4]。

半逆作法施工步驟為：①圍護結(jié)構(gòu)包含兩種形式，即地連墻與排樁；②樁基施工完成后，以此為基礎(chǔ)進行地下結(jié)構(gòu)施工；③臨時立柱與它的基礎(chǔ)應(yīng)處在柱結(jié)構(gòu)截面中心；④地下結(jié)構(gòu)采用支模方式澆筑，交叉點上的結(jié)構(gòu)需支承于臨時立柱上，并通過和邊梁之間的連接，形成第一道水平方向內(nèi)支撐；⑤將地下土方挖除；⑥第二道水平方向內(nèi)支撐施工方法和第一道相同；⑦挖除第二層土方。

部分逆作法施工步驟為：①排樁或地連墻均在周圍展開施工；②土方開挖施工各種，應(yīng)保留邊跨部位土方暫時不予開挖，為圍護樁提供可靠臨時支撐；③施工柱基礎(chǔ)；④施工柱結(jié)構(gòu)；⑤結(jié)構(gòu)混凝土澆筑，通過圍護樁之間的結(jié)合形成水平方向支撐；⑥其他結(jié)構(gòu)澆筑。

分層逆作法施工步驟為：①先對中間支承柱與基礎(chǔ)進行施工；②在基坑周圍5～8m進行土方開挖施工；③進行土釘墻與噴錨施工；④進行必要的防水層施工；⑤采用支模的方法進行混凝土結(jié)構(gòu)澆筑施工；⑥土方全面開挖；⑦其他結(jié)構(gòu)澆筑；⑧第二層土方開挖；⑨土釘墻及噴錨施工。在土質(zhì)相對良好的情況下，該方法有很多實例，但要注意防水施工質(zhì)量與結(jié)構(gòu)連接。實踐表明，該方法的應(yīng)用能減少工程成本與造價，并能加快工程進度。

4 鋼管混凝土逆作法施工

某橋梁按照常規(guī)施工工序先對主線路基進行施工，然后再對橋梁的基礎(chǔ)與下部結(jié)構(gòu)進行施工，之后進行支架的搭設(shè)和上部結(jié)構(gòu)施工。主線開挖之后，難免會使接線出現(xiàn)臨時中斷，具體的中斷周期和施工工期有關(guān)，進而給地方路網(wǎng)造成一定程度的影響[5]。

該橋梁所在地區(qū)盛產(chǎn)水果，每年水果成熟季節(jié)，道路上的運輸車輛明顯增多，給地方路網(wǎng)提出了很高要求。該橋梁作為所在地區(qū)的重要通道，如果由于施工而產(chǎn)生臨時中斷，則要做好臨時性的保通方案設(shè)計。但從現(xiàn)場地形地勢看，臨時改線基本無法實現(xiàn)，工程造價極高，整體經(jīng)濟性差?；诖耍仨氃诒苊庵袛嘟煌ǖ那闆r下先對接線橋梁進行施工，然后對主線進行開挖施工，避免給地方道路通行與主線施工造成影響。

針對以上具體問題，初步制定了以下兩套施工方案：

方案一：混凝土橋墩+常規(guī)施工，其具體施工工序為：①先進行改線設(shè)計，修筑臨時通道；②對主線路基進行開挖，即開始施工主線；③待主線路基施工完成后進行場地平整和標(biāo)高復(fù)測，經(jīng)復(fù)測確認坐標(biāo)無誤后，開始對橋梁的基礎(chǔ)與下部結(jié)構(gòu)進行施工；④進行場地平整與硬化，然后搭設(shè)臨時支架，并做好支架的預(yù)壓與檢查驗收；⑤模板支設(shè)、鋼筋綁扎、澆筑箱梁混凝土，在箱梁混凝土實際強度滿足設(shè)計要求后，開始預(yù)應(yīng)力張拉施工；⑥待上部主梁結(jié)構(gòu)施工完成后將臨時支架拆除，對橋面系與其各類附屬構(gòu)件進行施工，對橋位所處主線范圍內(nèi)的路基邊坡予以防護。

方案二：鋼管混凝土橋墩+逆作法施工，其具體施工工序為：①場地平整與標(biāo)高復(fù)測，經(jīng)復(fù)測確認坐標(biāo)準(zhǔn)確無誤后做好樁位現(xiàn)場放樣，做好相應(yīng)的標(biāo)記，以此為之后的基礎(chǔ)施工做好各項準(zhǔn)備工作；②樁基與橋墩施工，直到設(shè)計要求的標(biāo)高，同時對成型的墩身、墩臺及樁頭予以臨時防護；③做好場地平整與硬化，充分利用現(xiàn)有的地層制作“土?！?，并對箱梁結(jié)構(gòu)的模板進行搭設(shè)，綁扎結(jié)構(gòu)鋼筋，然后進行混凝土澆筑，在澆筑的混凝土實際強度符合要求后，開始預(yù)應(yīng)力張拉施工；④上部主梁施工結(jié)束后將臨時支架拆除，對其他下部結(jié)構(gòu)及橋面系和各類附屬構(gòu)件進行施工；⑤在接線保持暢通的情況下對主線路基進行開挖施工，并對橋位范圍內(nèi)的主線路基邊坡予以臨時防護。

5 靜力驗算與分析

5.1 上部結(jié)構(gòu)

上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁，以上兩套方案在上部結(jié)構(gòu)方面沒有明顯差別，與常規(guī)現(xiàn)澆箱梁基本相同，其主要驗算結(jié)果為：持久狀況應(yīng)力驗算：混凝土最大壓應(yīng)力為-15.51MPa，規(guī)范限值為軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值50%，即-16.2MPa，計算結(jié)果滿足要求；預(yù)應(yīng)力筋最大拉應(yīng)力為1 184kN，規(guī)范限值為軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值65%，即1 209kN，計算結(jié)果滿足要求；混凝土最大主壓應(yīng)力為-15.52MPa，規(guī)范限值為軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值60%，即-19.44MPa，計算結(jié)果滿足要求。短暫狀況應(yīng)力驗算：混凝土最大壓應(yīng)力為-12.16MPa，規(guī)范限值為軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值70%，即-18.144MPa，計算結(jié)果滿足要求；混凝土最大拉應(yīng)力為1.28MPa，規(guī)范限值為軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值70%，即1.855MPa，計算結(jié)果滿足要求。正常使用狀況下抗裂驗算：頻遇值組合最大拉應(yīng)力為1.24MPa，規(guī)范限值為軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值70%，即1.855MPa，計算結(jié)果滿足要求；頻遇值組合最大主拉應(yīng)力為1.28MPa，規(guī)范限值為軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值50%，即1.325MPa，計算結(jié)果滿足要求；準(zhǔn)永久值組合最大拉應(yīng)力為-0.60MPa，規(guī)范限值為0，計算結(jié)果滿足要求[6]。

5.2 下部結(jié)構(gòu)

（1）方案一：下部結(jié)構(gòu)橋墩為雙柱墩，按最不利條件下內(nèi)力組合設(shè)計實施配筋驗算，配筋計算結(jié)果為：橋墩：直徑為160cm，組合Ⅰ：軸力N為6 850kN，彎矩M為4 816kN·m，配筋為36C28，綜合軸力NR為7 665kN，綜合彎矩MR為5 389kN·m，裂縫寬度為0.05mm，安全度為1.12；組合Ⅱ：N為6 696kN，M為4 678kN·m，配筋為36C28，NR為7 710kN，MR為5 387kN·m，裂縫寬度為0.12mm，安全度為1.15。樁基：直徑為180cm，組合Ⅰ：N為7 009kN，M為5 569kN·m，配筋為36C28，NR為10 627kN，MR為8 444kN·m，裂縫寬度為0.05mm，安全度為1.52；組合Ⅱ：N為6 855kN，M為5 409kN·m，配筋為36C28，NR為10 711kN，MR為8 451kN·m，裂縫寬度為0.12mm，安全度為1.56。

（2）方案二：鋼管混凝土承載力計算主要采用以下兩種方法：統(tǒng)一理論設(shè)計法與極限平衡理論設(shè)計法，一般情況下無需采用兩種方法來驗算，本次選擇統(tǒng)一理論設(shè)計法進行驗算。為保證對比的一致性，該方案橋墩也為雙柱墩[7]。鋼管的材質(zhì)為Q345鋼，在墩身范圍內(nèi)不布置鋼筋，但為了保證鋼管和混凝土之間的連接強度，在鋼管的內(nèi)壁進行剪力釘設(shè)置。單肢鋼管混凝土柱在單一受力狀態(tài)下的承載力計算結(jié)果為：組合Ⅰ：短柱軸心受壓承載力為70 893kN，設(shè)計值為6 935kN，計算結(jié)果滿足設(shè)計要求；軸心受拉承載力為29 484kN；受剪承載力為29 441kN，設(shè)計值為301kN，計算結(jié)果滿足設(shè)計要求；受扭承載力為16 586kN·m；受彎承載力為17 014kN·m，設(shè)計值為4 816kN·m，計算結(jié)果滿足設(shè)計要求；軸向受壓穩(wěn)定承載力為50 295kN，設(shè)計值為6 935kN，計算結(jié)果滿足設(shè)計要求。組合Ⅱ：短柱軸心受壓承載力為70 893kN，設(shè)計值為6 781kN，計算結(jié)果滿足設(shè)計要求；軸心受拉承載力為29 484kN；受剪承載力為29 441kN，設(shè)計值為292kN，計算結(jié)果滿足設(shè)計要求；受扭承載力為16 586kN·m；受彎承載力為17 014kN·m，設(shè)計值為4 678kN·m，計算結(jié)果滿足設(shè)計要求；軸向受壓穩(wěn)定承載力為50 295kN，設(shè)計值為6 781kN，計算結(jié)果滿足設(shè)計要求。單肢鋼管混凝土柱在復(fù)雜受力條件下的承載力計算結(jié)果為：組合Ⅰ：壓、彎、剪、扭共同作用下的承載力為1，不考慮混凝土收縮與考慮混凝土收縮時的設(shè)計值分別為0.232、0.225，滿足要求；壓、彎共同作用條件下的承載力為1，不考慮混凝土收縮與考慮混凝土收縮時的設(shè)計值分別為0.225 8、0.221，滿足要求。組合Ⅱ：壓、彎、剪、扭共同作用條件下的承載力為，不考慮混凝土收縮與考慮混凝土收縮時的設(shè)計值分別為0.225、0.218，滿足要求；壓、彎共同作用下的承載力為1，不考慮混凝土收縮與考慮混凝土收縮時的設(shè)計值分別為0.221、0.214，滿足要求[8]。

6 結(jié)語

綜上所述，采用鋼管混凝土橋墩與逆作法相結(jié)合的方案不僅結(jié)構(gòu)承載力較高，而且施工便捷、造價較低，經(jīng)實踐證明合理可行，具有良好的綜合效益，適宜大范圍推廣應(yīng)用。但該方法對施工控制有很高要求，包括鋼管柱定位等，需在施工時加以注意。