基礎沖刷橋梁加固改造方案研究

李少強,袁 媛

（1.五華縣公路事務中心,廣東 梅州 514400; 2.北京特希達交通勘察設計院有限公司,北京 100067）

0 引言

近些年，橋梁垮塌事件頻繁發生，尤其是在役舊橋，由于設計荷載等級較低、使用年限的增加，構件老化、擴大基礎埋深較淺、樁基礎樁長較短等原因，在重載、超載車輛、洪水等情況下極易發生垮塌。其中基礎沖刷作為造成運營階段橋梁垮塌的主要病害之一，表現為突發性和毀滅性，嚴重威脅著人民生命財產安全，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179起橋梁坍塌事故進行了整理分析，發現60%發生在運營期，其中水毀橋梁占比30%。秦泗鳳[2]對151座水毀橋梁進行了統計分析，發現80%發生在南方，其中約64%為梁橋。

為全面排查在役橋梁防洪性能，對存在安全隱患的橋梁及時進行加固處治或改造，交通運輸部及各省市均出具了相關文件[3-4]。

該文以某工程實例為背景，針對橋梁樁基礎沖刷嚴重、樁基礎埋深較淺病害，結合橋梁周邊情況，分析橋梁基礎受力，提出了加固改造方案并進行比選，給出最終推薦方案，方案已通過專家評審。

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220.6 m，橋面全寬17.5 m。該橋上部結構為現澆鋼筋混凝土簡支T梁，跨徑組合為13×16 m；支座為橡膠支座，下部結構為樁柱式橋墩，單排3根樁基礎。設計荷載等級汽車-20級，掛車-100，設計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。

根據勘察鉆孔揭示的地質資料，場地內鉆孔揭露深度內的巖土層為第1層素填土，該層不考慮其地基承載力。第二層強風化泥質粉砂巖，為極軟巖，地基容許承載力[fa0]=500 kPa，樁側摩阻力標準值qik=100 kPa。第三層為中風化泥質粉砂巖，為軟巖，地基容許承載力[fa0]=1 500 kPa，巖石抗壓強度fr=9.0 MPa，樁側摩阻力標準值qik=150 kPa。

根據原橋竣工圖紙，該橋樁基礎直徑1.2 m，樁長5~7 m，支撐于中風化巖層，按嵌巖樁設計。

2017年12月，該橋兩側進行了拓寬設計，拓寬幅橋梁為2×16 m預應力空心板+3×32 m預應力簡支小箱梁+2×32 m預應力簡支小箱梁+1×18 m預應力簡支小箱梁。下部結構采用柱式墩，樁基礎，樁基礎長度25 m，嵌巖樁設計。

1.2 基礎病害情況及成因分析

2019年對該橋進行了檢測，根據檢測情況，該橋下部結構主要病害為河床鋪砌存在大面積破損，外露樁基礎沖刷、露骨現象嚴重，其中11號、12號樁基礎埋深僅0.9 m，10-1號樁基礎埋深僅1.14 m。沖刷后河床斷面及基礎埋深情況見圖1。

圖1 樁基礎沖刷后埋深情況

結合橋梁河床及周邊實際情況，分析主要病害成因如下：

（1）在水流的不斷沖刷下，隨著時間的增長，河床鋪砌出現破損。

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

（3）由于原樁基礎樁長較短，河床沖刷后，導致樁基礎長度埋深較小，嚴重威脅橋梁安全。

2 現狀基礎入巖深度分析

根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG 3363—2019）第6.3.8條公式6.3.8-1，驗算該橋水中2~12號樁基礎嵌入基巖中（不計強風化層、全風化層及局部沖刷線以上基巖）的有效深度hr（m），對比該橋樁基礎實際如中風化巖層的深度h（m），如表1所示。

表1 樁嵌入基巖中有效深度hr

根據表1驗算結果，現狀該橋9~12號樁基礎有效入巖深度已經不滿足規范要求。

3 處治方案研究

3.1 橋梁情況分析

根據該橋現狀病害情況，該橋實際情況及加固改造設計存在的限制條件總結分析如下：

（1）該橋關鍵病害為：舊橋樁基礎沖刷后，樁基礎埋深較小，其中11號、12號樁基礎埋深僅0.9 m，10-1號樁基礎埋深僅1.14 m，嚴重威脅橋梁安全，需立即進行改造處治。

（2）針對樁基礎埋深較淺病害，如采用維修加固方案，最直接有效的方式為新增樁基礎，可采用原樁基礎間新增樁基礎或前后新增樁基礎變為多排樁基礎等方案，但均需新增承臺與墩柱連接。新增承臺時，如采用在現狀河床面以上新建，考慮到新增承臺尺寸順橋向寬度及豎向高度均較大，則將影響過水斷面，故無加固空間；如為不影響過水斷面，將承臺落于河床面以下，則需開挖河床，由于現狀樁基礎埋深較淺，無法開挖河床，不可行。

（3）根據拓寬幅設計過程，在設計過程中，五華縣上壩電站要求新建橋墩不得侵占排水渠，為此拓寬設計將橋跨進行了調整，調整后跨越了電站水渠，不影響水渠現狀過水斷面，故舊橋加固改造須考慮不影響現狀水渠排水。

（4）根據以上分析，該次如對舊橋進行新增樁基礎加固，對位于水渠范圍內的10~12號墩，由于既無法將新增承臺置于河床面以上（影響水渠排水），也無法開挖（原樁基礎埋深過淺），則此方案不可行，10~12號墩難以通過維修加固保證結構受力需求。

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

3.2 處治方案

針對該橋樁基礎病害情況，提出以下兩種加固改造方案：

3.2.1 舊橋新增樁基礎加固

為充分利用現有橋梁，節約造價，減小橋梁改造施工對交通的影響，該次考慮對舊橋進行加固改造，對水中的2~9號基礎采用新建承臺新增樁基礎加固，見圖2，由于10~12號墩不具備維修加固實施條件，故提出對10~13跨橋梁進行改建，改建后橋跨與拓寬幅相適應，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，對其他部分橋梁進行維修加固。

圖2 新增承臺樁基礎加固示意

3.2.2 全橋拆除重建

考慮到水渠內10~12號墩難以通過維修加固方案達到承載力要求，須對部分橋跨進行改建，施工復雜，經濟性不佳，為徹底解決橋梁病害的同時，提高舊橋設計荷載等級，與拓寬幅相適應，同時減小橋梁對電站水渠排水的影響，該次提出對舊橋進行拆除重建方案，見圖3~4。拆除后，與兩側拓寬幅橋梁跨徑統一，上部結構形式統一，變形協調，拼接設計簡單，下部結構墩臺基礎采用單排3根鉆孔灌注樁基礎，嵌巖樁設計。

圖3 拆除改造后橋梁橫斷面示意

3.2.3 方案比選

對比兩種方案，舊橋維修加固及全部拆除重建均能改善橋梁受力狀況，提高結構的承載能力安全儲備。拆除重做舊橋，可徹底解決橋梁病害，同時提高設計荷載等級與拓寬幅協調一致，且可實現新舊橋橋面系的連接，行車舒適性好；維修加固方案雖造價相對較低，但也需拆除部分橋跨，施工較復雜，且新增承臺影響現狀斷面，同時不能提高設計荷載等級，拓寬幅利用性較差，經濟性較差。通過綜合分析，結合專家評審意見，一致同意對該橋舊橋進行拆除重建。

圖4 拆除改造后橋位平面示意（部分）

4 施工要點及注意事項

4.1 舊橋拆除

考慮到該橋基礎埋深較深，舊橋拆除過程中有一定的擾動，為保證拆橋安全，拆橋過程中須持續監測梁體及墩臺基礎變形，如有異常立即停止施工。

4.2 新建樁基礎

考慮到該橋橋寬較大，為方便蓋梁施工，同時梁高盡量與兩側拓寬幅統一，該次仍采用3根樁基礎，普通鋼筋混凝土蓋梁，新建樁基礎與舊橋樁基礎樁位有重合，施工難度相對較大，且外側樁基礎距離兩側拓寬幅樁基礎距離較近，為保證施工及拓寬幅橋梁安全，施工過程中應采用擾動較小的方式，并加強拓寬幅上、下部結構的觀測[5]。

5 結語

該文通過對沖刷后樁基礎埋深較淺存在嚴重安全隱患的梁橋基礎加固改造方案進行分析，提出了適宜該橋的改造方案?，F階段橋梁正在進行改造施工，已完成部分鉆孔灌注樁基礎，施工進展順利。如今我國仍存在大量的老舊橋梁，基礎沖刷問題仍較為普遍，針對不同的基礎類型及基礎沖刷程度，應充分考慮施工復雜程度、經濟性、合理性、美觀性等各個層面，綜合分析，采取最優方案，解決基礎安全隱患，保證橋梁結構安全。