巖溶地區中小跨徑橋梁下部結構設計新思路

王如寒

（廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣東 廣州 510060）

0 引言

橋梁樁基在巖溶發育地區的設計與施工一直是工程的重點與難點[1]。《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）[2]中規定：樁端以下硬持力層厚度不宜小于3 d（d 為樁徑）。若進巖深度為1 d（若上覆蓋較深，淤泥層還需增加），總持力層厚度需要4 d。按此設計準則，當樁徑為1.2 m 時，所需的持力層厚度為4.8 m，樁徑越大，所需的持力層厚度越大[1]。這對巖面起伏較大的巖溶發育地區是很難滿足的。此時加長樁基穿過溶洞，會大大增加投資而不經濟，同時繼續往下又有可能碰到溶洞不滿足完整持力層厚度的情況[1]。加長樁基也會增大樁基的施工風險。稍不注意就會造成掉鉆、卡錘、埋錘、漏漿、塌孔等事故發生，嚴重影響施工工期與橋梁運營安全。

在巖溶發育地區實際工程中，中小跨徑橋梁樁基的受力并不大，往往不是樁基的受力控制樁長，而是巖溶發育情況和持力層厚度控制樁長。因此，本文提出，在巖溶發育地區，中小跨徑橋梁的樁基能不能取消不做？將這個難題避而不談，帶來的效益是巨大的。于是本文以清遠市X 號景觀中橋為實例，提出新的橋梁下部結構設計模式，為同類型的橋梁下部結構設計提供一種新思路。

1 工程概況

清遠市X 號景觀中橋跨徑為1×30 m，橋梁橫斷面布置為3 m（人行道）+2.5 m（非機動車道）+2.4 m（側綠化帶）+7.5（車行道）+9.9（車行道）+2.5 m（非機動車道）+3 m （人行道）=30.8 m。該橋有一定的景觀要求，初始方案采用上承式拱橋，但由于該區域巖溶發育、地質條件差，做有推力的拱橋造價太高。經優化后，上部結構采用簡支箱梁，外帶拱形裝飾，采用支架現澆法施工；下部結構采用扶壁臺配雙排直徑1.2 m鉆孔灌注樁，結構示意圖如圖1 所示。

圖1 扶壁臺配鉆孔灌注樁結構橫斷面示意

根據地質勘察報告，場區上覆地層為第四系全新統人工填土層（Q4ml）、第四系河流相沖積層（Qal）、坡積層（Qdl）、殘積層（Qel），基巖主要為三疊系小坪組（T3x）粉砂巖、泥質粉砂巖、砂礫巖、炭質頁巖、頁巖，石炭系（C）石灰巖。場區的不良地質現象主要為巖溶。場區揭露基巖為灰巖，溶洞發育。在目前自然狀態下，溶洞暫時不會發生頂板坍塌現象，但部分溶洞頂板基巖厚度小于2.5 m，在外界動力作用和人為改造情況下易發生頂板坍塌的可能。并且溶洞存在相連通的可能，故其穩定性需要特別考慮。全橋共24 根樁基，鉆孔采用一樁一鉆，具有代表性的鉆孔資料如圖2 所示。

圖2 鉆孔資料（單位：m）

根據鉆孔資料，標高在-32.9~-30.1 m 為全充填溶洞，-52.7~-34.7 m 為串珠狀半充填溶洞，-52.7 m以下才是穩定的微風化石灰巖。若按摩擦樁設計，光靠溶洞上方土層提供的摩擦力不足以滿足設計要求；按嵌巖樁設計，樁基需進入-52.7 m 埋深的微風化石灰巖1 倍樁徑，樁底標高為-53.9 m，而樁頂標高為9.7 m，故設計樁長為63.6 m。全橋共24 根直徑1.2 m 樁基，樁基C30 混凝土用量為1 726.3 m3。同時施工樁基前需對溶洞進行處理，對單層洞高小于3 m的溶洞采用片石黃泥、袋裝水泥反復充填；單層洞高3~6 m 的溶洞采用低壓水泥漿預處理；單層洞高大于6 m 的溶洞采用雙液高壓旋噴注漿預處理。根據鉆孔資料，片石黃泥、袋裝水泥設計用量為1 098 m3；低壓水泥漿預處理設計用量為868 m3；雙液高壓旋噴注漿設計用量為5 488 m3。根據工程清單報價，溶洞處理費用高達980.8 萬元。整個工程費用清單見表1。

表1 采用鉆孔灌注鉆的工程建安費

根據工程建安費報價，溶洞處理費用占整個工程建安費的52.4%。同時，溶洞處理工期長、難度大，實際施工中很容易出現掉鉆、卡錘、埋錘、漏漿、塌孔等事故。如果仍按此設計施工，相當于花費巨大的時間、精力、金錢去打造一個黃金基礎，而這個黃金基礎上方放的卻是一個簡單便宜的現澆中小橋。這顯然是非常不經濟、不合理的。針對此現象，本文提出一種新思路：取消樁基的設計，改為擴大基礎下部結構；避開溶洞處理，改為用水泥攪拌樁軟基處理。

2 取消樁基的下部結構設計

擴大基礎又稱明挖擴大基礎，屬于淺基礎，承受上部結構荷載，并通過底板直接傳遞給地基基礎[3]。擴大基礎比樁基與土體的接觸面積更大，穩定性好，埋深較淺，施工相對簡單，一般用于埋深較淺的巖石地區。若上部覆蓋軟弱土層，通常需要對地基進行加固處理，才能達到承載力、沉降等要求[3]。

通過水泥攪拌樁進行地基處理后的地基承載力一般情況下最大為180 kPa，故取消樁基后很重要的一點就是需要減小其基底應力，使之在180 kPa 以內。本文通過采用以下措施來優化設計：

（1）類比擋土墻墻趾墻踵的設計思路，將承臺外挑長度加長。

（2）由于不再有樁基，承臺厚度不再受制于拉壓桿計算，以及《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG 3363—2019） 中對承臺厚度的構造要求。為減輕自重，將承臺減小。

（3）類比箱涵的設計思路，通過將臺身后壓重的部分做成一個箱室的形狀來減輕自重，箱室內用多道隔板來支撐其后側的土壓力。

（4）通過設置倒角來擴散應力。臺身與承臺連接部分設置倒角，直接承受土壓力的側板設置倒角，箱涵側板與臺身連接部分設置倒角。

優化后的下部結構示意圖如圖3 所示。

圖3 取消樁基的下部結構橫斷面示意

優化結構的設計思路是，在細部尺寸滿足受力要求的情況下，盡量減少基底所受的軸力和彎矩。

經過計算，基底所受軸力為15 377 kN；彎矩為1 235 kN·m；最大基底應力143 kPa，最小基底應力為126 kPa。

此外，還有兩處細部構造值得注意。一是擴大基礎橋臺箱室外墻直接承擔土壓力作用，用中隔板的形式減小其受力。由于本橋臺較高，受土壓力作用時按雙向板進行計算，尺寸和配筋滿足受力要求即可。二是擴大基礎橋臺箱室頂板直接承擔車輛荷載作用，同樣按雙向板進行計算，尺寸和配筋滿足受力要求即可。

擴大基礎橋臺C40 用量共1 642 m3。軟基處理采用1.2 m 間距的水泥攪拌樁施工，單根水泥攪拌樁按22 m 長計，要求處理后的的地基承載力不小于180 kPa。采用擴大基礎橋臺的工程建安費見表2。

表2 采用擴大基礎橋臺的工程建安費

相比于原先采用樁基礎的設計，工程建安費減少了56.4%，約1 055 萬元。同時降低了施工難度，加快了施工工期。

3 結語

（1）溶洞處理難度大、工期慢、費用高。在清遠市X 號景觀中橋的設計中，溶洞處理費用占整個工程建安費的52.4%。對于中小跨徑橋梁，下部結構受力并不大，將樁基礎改為擴大基礎，省去繁雜的溶洞處理，使工程建安費大幅減少，經濟效益明顯，同時施工難度降低且加快了施工工期。

（2）在擴大基礎橋臺的設計中，創新性地借鑒擋土墻和箱涵的設計思路，通過加長承臺外挑長度、增加箱室內隔板等方法減小基地應力，使結構安全可靠，為巖溶地區中小跨徑橋梁下部結構的設計提供了一種新思路。