高壓旋噴樁-鉛絲石籠組合法在某跨河橋梁樁基加固中的應用

曹書芹，趙娜 （河北省交通規劃設計院，河北 石家莊 050011）

0 前言

在高速公路跨河橋梁中，樁基礎被廣泛應用。樁基沖刷是橋梁病害主要形式之一，樁基沖刷嚴重時可危害橋墩安全，造成人身和經濟損失。2016年7月19日邢臺地區突降暴雨，某跨河大橋遭遇百年一遇洪水，洪水沖刷過后，河道明顯下切，造成部分橋墩基樁外露，且部分露樁出現鋼筋外露銹蝕。經過現場調查，分析了該大橋淺基病害的原因，并對加固方案進行比選，提出了針對性的加固措施。

1 工程背景

該高速公路跨河大橋[1]位于河北省邢臺市，左右分幅，其中左橋建成于1996年，橋梁總長845.7m，橋寬11m+2×0.5m人行道板。右橋建成于1976年，橋梁總長664m，橋寬11m+2×1m人行道板。下部采用樁柱式墩臺，設計標準為汽車-20級，掛車-100級。河床經多年沖刷，下切嚴重。現有地層為表層中細砂，厚約10m，以下為厚層卵石。橋下現凈空12m～14m。

洪水沖刷過后，河道顯著下切，造成部分橋墩基樁外露，其出露長度最長達到6.5m，且部分露樁出現鋼筋外露銹蝕。現狀局部沖刷線標高約為58.1m，已經超過原設計局部沖刷線55.7m，若河床繼續下切將導致基樁埋置深度不足，造成基樁承載力不滿足要求，形成典型的淺基橋墩病害。根據文獻資料記載，淺基橋墩病害對橋梁安全具有極大影響，歷史上造成了多起橋梁水毀事故。另外，該大橋交通繁忙，超載超限車輛較多，對大橋的基樁穩定性提出了較高的要求。因此，為保證行車安全，需采取處置措施，以防止河床繼續下切洪水對橋墩基樁的沖刷，并確保橋墩基樁承載能力的發揮。

圖1 某跨河大橋沖刷現狀

2 病害成因分析

該大橋淺基病害形成的直接原因是沖刷加劇，引起河床下切，導致基礎埋深不足。沖刷加劇的成因較多，本工程中主要涉及兩個方面。

①遭遇特大洪水，汛期河水暴漲、橋下過水量大，導致局部沖刷嚴重。

②由于該區域采砂活動頻繁，打破了本河段內水流挾砂量與上游來砂量之間的基本平衡，導致上游來砂量不足以彌補本河段泥沙的損失，進而使得河床的自然坡度和水流狀態發生改變，引起局部流速較大，進一步加劇泥沙的損失，即出現所謂的溯源性沖刷，造成了河床下切。

由于造成河床沖刷下切的兩大原因難以消除，故未來其河床下切將難以避免。為保證該橋的長期穩定性，有必要采取措施對其基樁進行維修加固。

3 基礎加固方案研究

根據現場調查的情況，經過分析計算討論，對于該大橋的病害治理應是對樁基沖刷進行預防，并保證河床在繼續下切后樁基承載力的正常發揮。對樁基沖刷治理常用的方案有以下四種。

3.1 高壓旋噴樁加固法

旋噴樁加固是在既有淺基礎下采用旋噴鉆機，將加固漿液注入預定的區域內，從而形成復合地基，改善基礎承載力。旋噴樁的主要成分是水泥、土和水，其加固機理在于途中摻入了一定量的水泥，使土體變成一種土和水泥結合的凝固體，能極大增強土體的抗沖切力[2]。旋噴樁可起到閉水和防沖刷的作用，即使在河道繼續下切的情況，仍能保護基樁不受洪水沖刷，并提供樁側摩阻力。

3.2 鉛絲石籠防護法

為防止橋墩周圍河床沖刷加劇，在每排橋墩周圍設置鉛絲籠防護臺，鉛絲籠周邊設置沉樁，以穩定鉛絲籠。

鉛絲石籠是在用鉛絲編制結成網格的籠狀體內填塊石，網格的大小以不漏填充的石塊為限。此次設計鉛絲籠采用φ8鋼筋做框架，用12號鉛絲編制成網格，并在框架結點處上下左右用鉛絲連接起來，以增加石籠的整體性。

3.3 高壓旋噴樁-鉛絲石籠組合法

先按照方案一的方法進行旋噴樁施工，再按照方案二的方法進行鉛絲石籠防護。采用這種組合法既能防止基礎沖刷，又能增加樁基的穩定性和承載力。

3.4 混凝土模袋防護法

在橋下河面澆筑混凝土模袋，根據計算，厚度采用20cm，灌充混凝土為C20。為了保持模袋的穩定，在上下游模袋的邊緣分別挖出深2m的溝槽，將模袋混凝土埋入，上填塊石護腳。為保證模袋的整體性，采用鉸鏈型模袋。

4 加固方案比選

由上表方案對比可知，方案三為最優方案，故建議采用旋噴樁-鉛絲石籠防護方案作為本工程的加固方案。

方案比較

5 旋噴樁-鉛絲石籠防護方案設計

5.1 旋噴樁加固參數確定

為達到防沖刷和河道繼續下切后基樁承載能力仍能正常發揮的目的，加固圈厚度需滿足一定的要求。加固圈厚度的確定方法，取其計算結果作為基本厚度。

由于河床最大沖刷線難以準確預測與計算，因此假設河床下切速度與前40年相當，均為 6.5m/40年=0.1625m/年，則剩余60年使用壽命中河床最大沖刷深度0.1625m/年×60年=9.75m≈10m。

假設旋噴樁固化前后對基樁的側壓力保持不變。則從保證河床下切后樁側壓力不變的角度可以計算加固圈的最小厚度。具體計算過程如下。

將加固圈視為薄壁圓筒，則其計算簡圖如圖2所示。其中P為作用在基樁上的側向土壓力，F為加固圈環向抗拉強度。

圖2 薄壁圓筒力學平衡計算簡圖

根據力的平衡，可知：

上式中，t為加固圈厚度，D為樁徑（D=1.2m[1]），P樁側土壓力，F為旋噴樁加固圈的抗拉強度。

P取最大側壓力處的應力平衡狀態作為控制工況，則：

抗拉強度取無側限抗壓強度的1/20，旋噴樁無側限抗壓強度一般為2～3MPa，取旋噴樁抗拉強度為F=100kPa。

依據式（1），加固圈厚度：

加固圈的最小厚度為1.2m，故需要布置600mm樁徑的旋噴樁兩圈。

另外，考慮到旋噴樁加固圈需要承受上游沖刷，在加固區上下游方向各布一排“防護帽”，在系梁下方布置兩排旋噴樁防止洪水對系梁下部河床的局部沖刷。從大橋剩余生命周期河床最大可能下切深度和基樁承載力正常發揮兩方面考慮，將加固圈豎直方向上深度定為10m。構造詳見加固設計圖3所示。

5.2 加固方案

通過以上計算，最終確定加固方案如下：采用旋噴樁對樁基加固，保持并提高其承載力，并在旋噴樁周圍布設石籠提高防沖刷撞擊能力。

5.2.1 旋噴樁

樁徑為 60cm，樁間距 0.4m，樁長10m，水泥采用32.5R及以上礦渣硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，水灰比宜為0.8～1.2，樁體水泥摻入量為170kg/m。

樁體同配比室內試塊28d無側限抗壓強度不低于3MPa。

5.2.2 石籠

石籠采用鉛絲石籠（宜可采用格賓石籠），網格間距10cm。石籠底寬2.0m，頂寬1.0m，分兩級鋪設，高3.0m，埋深2.5m，頂面高出河床0.5m，具體布置詳見加固設計圖3所示。

圖3 加固設計圖

6 加固施工要點及注意事項

6.1 高壓旋噴樁[3]

①施工前應根據現場環境和地下埋設物的位置等情況，復核高壓噴射注漿的設計孔位。

②高壓噴射注漿的施工參數應根據土質條件、加固要求通過試驗或根據工程經驗確定，并在施工中嚴格加以控制。高壓水的壓力應大于20MPa。

③水泥漿液的水灰比宜為0.8～1.2。

④高壓噴射注漿的施工工序為機具就位、貫入噴射管、噴射注漿、拔管和沖洗等。

⑤噴射孔到達標高時，即可噴射注漿。在噴射注漿參數達到規定值后，隨即分別按旋噴、定噴或擺噴的工藝要求，提升噴射管，由下而上噴射注漿。噴射管分段提升的搭接長度不得小于100mm。

⑥對需要局部擴大加固范圍或提高強度的部位，可采用復噴措施。

⑦在高壓噴射注漿過程中出現壓力驟然下降、上升或冒漿異常時，應查明原因，并及時采取措施。

⑧高壓噴射注漿完畢，應迅速拔出噴射管。為防止漿液凝固收縮影響樁頂高程，必要時可在原孔位采用冒漿回灌或第二次注漿等措施。

⑨施工中應做好泥漿處理，及時將泥漿運出或在現場短期堆放后運出。

6.2 鉛絲石籠

①挖槽時，要隨時注意土質情況，必要時配以水泵排水。

②預制的鉛絲網片要用鋼筋做骨架，嚴格控制網眼大小。

③塊石裝籠時注意保護鉛絲籠網片，石塊從下而上由小到大，籠口必須綁扎結實。

④分層修筑，并在框架結點處，上下左右用鉛絲連接起來，以增加石籠的整體性。

6.3 安全措施

為保證加固工程的順利實施，需采取以下安全保障措施。

①對橋墩應力應變進行監測。

②對橋面控制點水平位移與沉降進行監測，如有異常，立即停止施工，查找原因。

③對旋噴樁施工工序專門研究，制定合理的施工方案，以將旋噴樁施工過程對基樁穩定性的影響降到最低。

7 結論

①邢臺地區某高速公路跨河橋梁在遭遇百年一遇洪水沖刷之后，造成橋墩基樁外漏，其出露長度最長達到6.5m，且部分露樁出現鋼筋外露銹蝕。

②現狀局部沖刷線已經超過原設計局部沖刷線，若河床繼續下切將導致基樁埋置深度不足，造成基樁承載力不滿足要求，從而形成典型的淺基橋墩病害。

③造成河床沖刷下切的兩大原因：一是遭遇特大洪水導致局部沖刷嚴重；二是采砂活動頻繁，導致上游來砂量不足以彌補本河段泥沙的損失，進而使得河床的自然坡度和水流狀態發生改變，引起局部流速較大，進一步加劇泥沙的損失，即出現所謂的溯源性沖刷，造成了河床下切。為保證該橋的長期穩定性，有必要采取措施對其基樁進行維修加固。

④經過分析計算并通過方案比選，最終確定采用旋噴樁-鉛絲石籠防護方案作為本工程的加固方案。并對該方案進行詳細的計算設計，確定了適合該橋梁的加固方案參數。