城市立交橋橋墩保護方案研究

汪舟，唐文元，尹萬杰，管文中

1.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司廈門分院，福建廈門，361006； 2.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司福建分院，福建福州，350001； 3.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北武漢，430014

0 引言

立交橋是城市發(fā)展建設(shè)中的一項重要基礎(chǔ)設(shè)施，其與交通、空間布局及利用、環(huán)境等均有一定的聯(lián)系。因此對城市立交橋的設(shè)計以及施工質(zhì)量提出更高的要求，而在實際施工過程中，立交橋橋墩作為主要的受力部位，直接關(guān)系到橋體的穩(wěn)定性和使用性能。為此針對具體工程開展規(guī)劃和安排時，應(yīng)當注重對橋墩的保護，通過制定科學(xué)合理的保護方案，以此提高工程建設(shè)效果，切實發(fā)揮城市基礎(chǔ)設(shè)施的功能和作用。并有利于加快工程施工效率，降低風險事故發(fā)生率[1-3]。

1 工程概況

1.1 立交橋概況

疏港路-湖濱北路口立交工程位于廈門本島西部，包括南北方向的主線橋，北東方向的A匝道橋、東南方向的B匝道橋、連接A、B匝道橋與湖濱北路的C匝道橋。A匝道橋長410.554m，寬度8m；B匝道橋長239.0m，寬度8m；見圖1。工程在2006年施工完成并一直使用至今。在使用過程中，現(xiàn)狀橋墩PA10~PA12、PB6~PB8也均位于海域中，承臺頂高程為0.0m~1.0m。設(shè)計標準：道路等級、城市主干道匝道；設(shè)計車速：30km/h；設(shè)計荷載：城-A級；匝道寬度：8m；安全等級：二級。

1.2 筼筜湖第二排澇泵站及西堤閘工程

（1）工程概況。項目建設(shè)用地位于筼筜湖西堤北端、現(xiàn)有西堤閘閘址的外側(cè)，西側(cè)為廈門西海域，東側(cè)為筼筜湖。總用地面積11341.00m2（水域9393.728m2，陸地1947.068m2），見圖2。

（2）工程施工與橋墩的影響關(guān)系。本工程采用圍堰施工，對橋墩所在水域干作業(yè)，跟本工程相關(guān)的為位于筼筜湖水域的A、B匝道橋。工程平面見圖3，A、B匝道橋開挖立面見圖4及圖5。

2 橋墩保護方案

2.1 橋墩與基坑關(guān)系

現(xiàn)狀橋梁的PA10~PA12、PB6~PB8橋墩位于開挖的基坑內(nèi)，全部為端承樁，樁長大于等于15米，樁基持力層為中風化凝灰?guī)r。本工程建成后，PA10、PA11、PB6、PB7位于泵站出水區(qū)域，PA12、PB8位于泵站納潮閘進口端。PA5樁長39m，為摩擦樁，持力層為強風化凝灰?guī)r，橋墩位于新建的護岸擋墻支護后面。PA6~PA9、PB5位于現(xiàn)狀海灣公園堤岸內(nèi)，位于泵站施工基坑外側(cè)。其中PA6~PA8為摩擦樁，持力層為強風化凝灰?guī)r。PA9、PB5為端承樁，持力層為中風化凝灰?guī)r。見表1。

由表1知，①PA5號墩距基坑邊距離小且支護高度高，須進行單獨分析；②PA12、PB8號墩圍護樁外取土1.4m、PB7樁基周邊均勻取土0.4m，對橋墩影響可忽略；③PA10號墩支護結(jié)構(gòu)及地質(zhì)條件與橋墩差別較大，須進行單獨分析；④PB6、PA11號墩圍護結(jié)構(gòu)相同，橋墩與基坑變距相同，地質(zhì)條件相近，取其中開挖深度最深，條件最不利的PB6號墩進行分析計算；⑤PA9、PA8、PB5號墩支護結(jié)構(gòu)相同，地質(zhì)條件相近，取其中基坑深度最深、橋墩離基坑邊距離最小的PA9號墩進行分析計算。⑥PA6、PA7號橋墩支護結(jié)構(gòu)相同，地質(zhì)條件相近，取其中基坑深度最深、橋墩離基坑邊距離最小的PA6號墩進行分析計算。故本次評估須進行詳細分析計算的橋墩為PA5、PA6、PA9、PA10、PB6號墩。

表1 立交橋橋墩樁基與基坑位置關(guān)系表

2.2 基坑開挖對鄰近樁基的影響分析

（1）基坑開挖深度的影響分析?；拥拈_挖相當于卸除荷載，很顯然，基坑開挖的深度所卸除的荷載對周圍土體的影響不同。根據(jù)相關(guān)研究表明，在既有構(gòu)造物周圍進行的開挖深度較小時（一般是3米以內(nèi)），基坑的開挖對鄰近樁基的安全一般不會構(gòu)成威脅。隨開挖深度的增加，鄰近樁產(chǎn)生的水平位移和彎矩都會增加。當樁底的約束較小時，最大位移總是出現(xiàn)在樁頭處。當鄰近樁的布置形式為雙排樁時，前后排樁的位移差距不大，但前排樁的彎矩明顯大于后排樁。最大彎矩基本上與開挖面在同一水平面上。

（2）基坑圍護結(jié)構(gòu)的影響分析。當基坑的圍護結(jié)構(gòu)為支護樁時，支護樁的剛度越大，鄰近樁的彎矩和位移越小。但當支護樁剛度很小時，鄰近樁的位移很大，變化幅度很大。當基坑的圍護結(jié)構(gòu)為圍護面墻時，對于受土體位移作用的被動樁來說，圍護面墻能夠大量減少土體的側(cè)向位移，從而減小樁基礎(chǔ)因土體水平位移而產(chǎn)生的位移和彎矩。

（3）鄰近樁基距基坑開挖面距離的影響分析。很明顯，鄰近樁樁身位移和彎矩隨著距開挖面距離的增大而減小，位移和彎矩都迅速減小。若其距離大于基坑開挖影響土體范圍外時，則鄰近樁基不受影響。

（4）鄰近樁樁長的影響分析。鄰近樁長的大小對樁本身的位移和彎矩有很大影響。當樁長小于基坑深度時，最大彎矩出現(xiàn)在樁的中間處，樁的水平位移隨樁的增長而減小[4]。當樁長大于基坑深度時，樁的水平位移隨樁的增長會出現(xiàn)先增大后減小的特征，而最大彎矩出現(xiàn)的位置與基坑深度基本保持一致。

2.3 橋墩保護方案

根據(jù)本工程的實際情況，對現(xiàn)狀匝道橋有影響的樁基為PA5~PA12、PB5~PB8橋墩，其中PA10~PA12、PB6~PB8均為端承樁，樁長為15~25米，樁基持力層為中風化花崗巖層；PA5為摩擦樁，樁長39米，樁底持力層為強風化凝灰?guī)r。針對上述樁基，分別采用不同的保護方案：

（1）PA12、PB8位于工程護岸結(jié)構(gòu)內(nèi)，不位于水流作用區(qū)，樁基所在區(qū)域土體不擾動，結(jié)合護岸的實施，在樁體外側(cè)實施鉆孔灌注樁，樁徑0.8m，樁長12m，樁底位于強風化凝灰?guī)r。支護樁外側(cè)取土深度最大1.4m。見圖6。

（2）PA10、PB6位于工程出水口的護岸結(jié)構(gòu)內(nèi)，為保證樁基不受水利沖刷，沿水流方向?qū)嵤┳o岸結(jié)構(gòu)（采用鉆孔灌注樁），將樁基和承臺包在結(jié)構(gòu)體內(nèi)，避免對樁基區(qū)域土體造成擾動。由于PA10基坑較深，樁頂位移較大，設(shè)計考慮將承臺四周均打灌注樁，并在后面打高壓旋噴樁加固土體。樁徑0.8m，樁長15m，樁底位于強風化花崗巖層。PA10號墩外側(cè)最大取土深度為4.0m，PB6號墩靠近PA10號墩處最大取土深度4.0m，其北側(cè)取土深度1.8m。見圖7。

（3）PA11兩側(cè)均為工程出水口，為保證樁基不受水利沖刷，沿兩側(cè)水流方向?qū)嵤┳o岸結(jié)構(gòu)（采用鉆孔灌注樁），將樁基和承臺包在結(jié)構(gòu)體內(nèi)，避免對樁基區(qū)域土體造成擾動。樁徑0.8m，樁長12m，樁底位于強風化凝灰?guī)r。橋墩南側(cè)及東側(cè)最大取土深度2.6m，北側(cè)及西側(cè)最大取土深度0.4m。見圖8。

（4）PB7現(xiàn)狀就位于水域，使用環(huán)境在工程實施前后基本無變化，出水口水流經(jīng)過閘口區(qū)域后，水流平緩。查閱了橋墩原設(shè)計的使用條件、同時結(jié)合現(xiàn)場情況看，使用條件無變化、水流條件基本無變化，此橋墩本次設(shè)計暫不考慮保護。

（5）PA5橋墩為A匝道橋第二聯(lián)（33+41+33）m鋼箱梁設(shè)置固定支座的中墩，根據(jù)竣工圖及相關(guān)變更資料顯示，該橋墩在設(shè)計及施工時均有考慮西堤石拱涵改造的影響，樁基長度及樁基鋼筋均有進行加強及加長。本次橋墩保護方案的思路為采用雙排鉆孔灌注樁進行防護，同時采用旋噴樁對橋墩周圍的素填土及雜填土層進行土體固化，以最大程度地降低西堤石拱涵拆除時引起的橋墩周圍土壓力不平衡影響[5]。PA5橋墩現(xiàn)狀位于地面、臨近水面，現(xiàn)需在其附近處修建護岸和跨越水面的交通橋。在實施交通橋梁的橋臺時，需在現(xiàn)狀地面挖約2m基坑（挖除為雜填土）來實施橋臺蓋梁，此處橋墩為摩擦樁，經(jīng)核算開挖后橋墩承載力仍滿足要求，但需避免對樁周土體造成擾動，本次對樁體周邊結(jié)合護岸采用雙排鉆孔灌注樁防護，同時采用旋噴樁對橋墩范圍內(nèi)土層進行加固。見圖9。

2.4 基坑穩(wěn)定計算

根據(jù)本工程的實際情況，對現(xiàn)狀匝道橋有影響的樁基為PA5~PA12、PB5~PB8橋墩。其中PA5號墩距基坑邊距離小且支護高度高，須進行單獨分析；PA12、PB8號墩圍護樁外取土1.4m、PB7樁基周邊均勻取土0.4m，對橋墩影響可忽略；PA10號墩支護結(jié)構(gòu)及地質(zhì)條件與橋墩差別較大，須進行單獨分析；PB6、PA11號墩圍護結(jié)構(gòu)相同，橋墩與基坑變距相同，地質(zhì)條件相近，取其中開挖深度最深、條件最不利的PB6號墩進行分析計算；PA9、PA8、PB5號墩支護結(jié)構(gòu)相同，地質(zhì)條件相近，取其中基坑深度最深、橋墩離基坑邊距離最小的PA9號墩進行分析計算；PA6、PA7號橋墩支護結(jié)構(gòu)相同，地質(zhì)條件相近，取其中基坑深度最深、橋墩離基坑邊距離最小的PA6號墩進行分析計算。

故本次分析計算的橋墩為PA5、PA6、PA9、PA10、PB6號墩。由于項目內(nèi)橋墩周邊實際取土深度不大，本次評估采用理正深基坑7.0PB4軟件結(jié)合相關(guān)計算分析，對PA5、PA6、PA9、PA10、PB6號墩處支護結(jié)構(gòu)進行理論計算分析。

3 橋墩保護計算分析方案

3.1 PA5號墩防護結(jié)構(gòu)計算分析

（1）樁基承載力計算。根據(jù)立交橋設(shè)計單位提供的上部計算結(jié)果，PA5在上部荷載作用下，樁頂?shù)呢Q向力為Pmax=5314kN。

表2 立交橋樁基承載力計算表

接表2

根據(jù)橋位附近的鉆孔，對PA5樁基的承載力進行核算。樁基長度按39m考慮，地質(zhì)堪孔中，上部的雜填土和素填土共13.4m厚度不考慮對樁基提供承載力，僅下部5.2m全風化土層、8.3m強風化土層、12.1m強風化凝灰?guī)r對樁基提供承載力。計算模式為摩擦樁，樁頂豎向力為5314kN，2.0m樁基，公式為：

[Ra]=1/2*3.14*2.0*(5.2*70+8.3*90+12.1*120)+1/4*3.14*4.0*qr

其中：qr=0.7*0.7*(800+5*18*(29-3))= 1666kPa。因此：[Ra]=8052+4833=12885kN。樁基受力：P=5314+786（樁基上部10m自重）+1139（樁基下部自重）=7239kN[Ra]＞P，樁基承載力滿足要求。

（2）支護結(jié)構(gòu)計算，見圖10。

計算結(jié)構(gòu)如下，見圖11、圖12、圖13。

（3）抗傾覆穩(wěn)定性驗算。雙排對前趾的抗傾覆穩(wěn)定性驗算（抗傾覆安全系數(shù)，一級結(jié)構(gòu)，不小于1.25），抗傾覆穩(wěn)定性系系數(shù)計算為KQ=3.956＞=1.25，滿足規(guī)范要求。

（4）整體穩(wěn)定驗算，見圖14。整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=5.213＞1.35，滿足規(guī)范要求。

（5）抗隆起驗算，見圖15。支護底部，驗算抗隆起如下。Ks=15.080≥1.800，抗隆起穩(wěn)定性滿足。Ks=(20.629×20.200×18.401+38.000×30.1 4)/(20.109×(5.600+20.200)+65.626)=15.080。

3.2 PA6、PA9、PA10、PB5號墩防護結(jié)構(gòu)計算分析

根據(jù)PA5同樣的計算方式，對PA6、PA9、PA10、PB5號墩防護進行計算分析，結(jié)果見表3。

表3 PA6、PA9、PA10、PB5號墩驗算結(jié)果

3.3 橋墩保護計算分析總結(jié)

由計算結(jié)果知，橋墩圍護結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定驗算、整體穩(wěn)定驗算、抗隆起驗算均滿足規(guī)范要求。根據(jù)計算數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)成功工程案例，及立交橋原設(shè)計單位提供數(shù)據(jù)，橋墩及其圍護結(jié)構(gòu)變形分析如下：

（1）PA5號墩樁基為摩擦樁，樁徑1-φ2.0m，樁長39m，采用三排樁支護，樁中心距基坑邊最垂距2.9m，支護結(jié)構(gòu)最大懸臂高度8.6m，基坑底實際取土僅0.6m，支護結(jié)構(gòu)主要承受原PA5號墩南側(cè)拱涵拆除后的臺后土壓力。設(shè)計中，采用10m長的800@600雙重管高壓旋噴樁固化臺后及PA5號墩周圍土層。經(jīng)計算分析，按橋墩樁基上部的雜填土和素填土共13.4m厚度不考慮對樁基提供承載力，樁基承載力/樁基受力= 12885kN/7239kN=1.78，承載力富余量大，且基坑底實際取土深度小，地基經(jīng)歷多年已穩(wěn)定，固本橋墩的沉降或隆起可忽略；支護結(jié)構(gòu)最大水平位移為7.1mm，根據(jù)支護結(jié)構(gòu)周邊土體變化規(guī)律，PA5號墩樁基水平位移會小于7.1mm，滿足橋梁原設(shè)計單位提出的橋墩樁基位移小于10mm控制值要求。

（2）PA6號橋墩樁基為摩擦樁，樁徑1-φ2.0m，樁長46m，采用雙排樁支護，樁中心距基坑邊最垂距7.2m，支護結(jié)構(gòu)最大懸臂高度8.4m，支護結(jié)構(gòu)主要承受PA6號墩北側(cè)擋墻拆除及支護結(jié)構(gòu)北側(cè)土體卸載后的岸上土側(cè)壓力。經(jīng)計算分析，按橋墩樁基上部可能受擾動的雜填土和素填土共13.4m厚度不考慮對樁基提供承載力，樁基承載力/樁基受力=12885kN/7239kN=1.78，承載力富余量大，固本橋墩的沉降或隆起可忽略；支護結(jié)構(gòu)最大水平位移為8.2mm，滿足橋梁原設(shè)計單位提出的橋墩樁基位移小于10mm控制值要求。

（3）PA9號墩樁基為端承樁，樁徑1-φ1.8m，樁長30m，采用φ1.0m鋼筋砼支護樁+2道內(nèi)支撐支護，樁中心距基坑邊最垂距4.7m，支護結(jié)構(gòu)最大懸臂高度9.3m，支護結(jié)構(gòu)主要承受PA9號墩西及北側(cè)土體卸載后的岸上土側(cè)壓力。經(jīng)計算分析，橋墩樁基為端承樁，樁基上部土體擾動對其豎向承載力影響不大，固本橋墩的沉降或隆起可忽略；支護結(jié)構(gòu)最大水平位移為1.12mm，滿足橋梁原設(shè)計單位提出的橋墩樁基位移小于10mm控制值要求。

（4）PA10號墩樁基為端承樁，樁徑2-φ1.5m，樁長20m，采用φ0.8m鋼筋砼雙排樁支護，樁中心距基坑邊最垂距3m，支護結(jié)構(gòu)最大懸臂高度4.5m。設(shè)計基坑開挖過程中，均勻卸載支護樁四周土體，卸土深度不超過4.0m，使基坑四周土體處于同一水平面。經(jīng)計算分析，橋墩樁基為端承樁，樁基上部土體擾動對其豎向承載力影響不大，固本橋墩的沉降或隆起可忽略；支護結(jié)構(gòu)最大水平位移為9.3mm（未考慮支護樁南側(cè)土體加固減荷作用），能滿足橋梁原設(shè)計單位提出的橋墩樁基位移小于10mm控制值要求。

（5）PB6號墩樁基為端承樁，樁徑2-φ1.5m，樁長18m，采用φ0.8m鋼筋砼單排樁支護，樁中心距基坑邊最垂距3m，支護結(jié)構(gòu)最大懸臂高度3.7m。設(shè)計基坑開挖過程中，均勻卸載支護樁四周土體，卸土深度不超過1.8m，使基坑四周土體處于同一水平面。經(jīng)計算分析，橋墩樁基為端承樁，樁基上部土體擾動對其豎向承載力影響不大，固本橋墩的沉降或隆起可忽略；在不考慮底板及格埂支鉸的情況下，支護結(jié)構(gòu)最大水平位移為8.5mm，能滿足橋梁原設(shè)計單位提出的橋墩樁基位移小于10mm控制值要求。

3.4 水利流場分析

PA10~PA12、PB6~PB8橋墩增設(shè)線性防護結(jié)構(gòu)后排洪道水力流場見圖16、圖17、圖18。

由圖16、圖17、圖18知，增設(shè)樁基防護后，排水閘流場平順，無明顯滯留、回旋帶。

4 結(jié)語

項目施工期受影響橋墩為PA5~PA12、PB5~PB8橋墩。項目建成后PA5~PA10、PA12、PB5、PB6、PB8橋墩均位于永久的護岸結(jié)構(gòu)內(nèi)，跟閘孔和水流隔絕，項目運行對其安全無影響；PA11橋墩外圍的支護樁防護也為永久結(jié)構(gòu)，施工完成不拆除，項目運行對其也無影響；PB7橋墩的使用條件在工程運行前后無變化，安全也無影響。固項目建成后對橋墩安全影響不大，風險可控。