軟基路段新建市政道路下穿既有高速公路主線橋梁的設計研究

陳堅

福建省城鄉規劃設計研究院（350001）

軟基路段新建市政道路下穿既有高速公路主線橋梁的設計研究

陳堅

福建省城鄉規劃設計研究院（350001）

結合工程實例，分析在沿海大面積軟土地基區域，規劃新建的市政主干路在既有凈空不足的條件下，下穿高速公路既有主線橋梁的設計方案。通過采取梅花形布置灌注高壓旋噴樁的軟基處理方案和施打拉森鋼板樁的支護措施，達到最大限度地減小機動車道下穿結構開挖施工對高速橋梁下部結構的影響，防止橋墩和樁基礎因受力變化而產生側向位移，保證高速公路橋梁的結構安全的目的。

下穿既有高速公路；軟土地基；高壓旋噴樁；拉森鋼板樁

0 引言

福建省沿海地區存在著大面積的軟土地基，高速公路較多采用高架橋跨越的形式穿越城區。然而，部分新建市政道路與既有高速公路立體交叉處并未預留合理的下穿通道。尤其是對于交叉處的橫斷面寬度和凈空高度均無法滿足新建市政道路直接下穿的情況，需要結合下穿通道的位置條件，綜合考慮地形、地質、凈空等諸多因素,對下穿處進行針對性的工程方案設計。文章以長樂營融線（峽漳線-占前路）道路工程下穿沈海高速公路福泉段（福州-泉州）高速營前特大橋的方案設計為工程實例，淺談怎樣通過工程設計解決上述問題。

1 工程概況

長樂營融線（峽漳線-占前路）道路工程位于福建省長樂市營前街道，道路全長1.88 km，道路等級為鄉道二級公路兼城市主干路，設計速度60.0 km/ h，道路紅線寬度46.0 m，橫斷面布置三塊板結構，機動車道為雙向六車道布置（三塊板結構）。[1]本工程在樁號K0+531～K0+556路段，垂直下穿福州至泉段的營前特大橋41-43號橋墩。營前特大橋為東西向高速公路主線橋，橋跨上部結構為準連續鋼筋混凝土T梁，單跨跨徑30.0 m，梁底最低高程北側為6.54 m，南側為7.5 m；橋梁下部構造為柱式墩接鉆孔灌注樁基礎。樁基底面標高-52.0～-51.0 m，以強風化花崗巖為持力層，樁身長度53.0～54.0 m，地面高程約3.5 m，現狀預留凈空高度在3.04～4.0 m，無法滿足高速公路下穿凈空大于5.5 m的要求[2]。

所處場地地形較平坦，場地屬沖淤積區，為沖淤積山前平原地貌。道路沿線場地標高在0.86～9.2 0 m（孔口標高），大部分標高約為3.00 m左右。場地內及周邊未見滑坡、隱蔽建筑，場地下未埋藏有對工程不利的地下埋藏物。

根據鉆孔揭露，場地巖土層自上而下依次為人工雜填土（Qml）、淤泥（Q4m）、沖洪積粉質黏土（Q4aL+pL）、巖盤全風化凝灰熔巖（J3）、巖盤土狀強風化凝灰熔巖（J3）、巖盤碎塊狀強風化凝灰熔巖（J3）和巖盤中風化凝灰熔巖（J3）。

其中淤泥（Q4m）：深灰、灰黑色，鱗片狀結構，飽和，呈流至軟塑狀，含腐殖質，局部含少量細砂，味臭，搖振反應弱，切面光滑，干強度差，韌性較好。該地層少量鉆孔缺失,層厚3.40～11.50 m,平均9.16 m。底板標高0.02～3.32 m。

2 下穿方案設計

2.1 斷面布局

本道路標準橫斷面布置為：4.5 m（人行道）+5.0 m（非機動車道）+2.0 m（側分帶）+23.0 m（機動車道）+2.0 m（側分帶）+5.0 m（非機動車道）+4.5 m（人行道）=46.0 m。

在下穿橋梁位置的橫斷面布置作如下調整，將機動車道完全分隔為兩個獨立的半幅，左右半幅斷面分別布置于41～43號橋墩之間兩跨內；將人行道寬度從4.5 m縮減至2.0 m，非機動車道寬度寬度從5.0 m縮減至3.5 m；降低機動車道縱斷面高程以滿足機動車道最小凈空要求，保持非機動車道與人行道的高程與既有地面高程基本一致，以減少道路施工開挖對既有橋墩的影響。具體下穿橫斷面布置為：2.0 m（人行道）+3.5（非機動車道）+11.5 m（機動車道）+18.0 m（橋墩防護帶）+11.5 m（機動車道）+ 3.5（非機動車道）+2.0 m（人行道）=52.0 m。

2.2 下穿結構

機動車道下穿主體部分采用現澆鋼筋混凝土U型一體式結構。其主體結構采用C40防水混凝土，抗滲等級為P8。結構底板厚度40 cm，車行道外邊緣設置40 cm×70 cm排水邊溝。結構下部依次設置20 cm厚C15素混凝土墊層、和50 cm厚砂墊層。U型下穿結構斷面開挖和鋼筋混凝土澆筑，均需沿路線方向分段對稱施工。

K0+370～K0+530、K0+560～K0+690為下穿高程漸變路段，本路段非機動車道與機動車道之間采用懸臂式鋼筋混凝土擋土墻隔離，并在擋墻頂部設置鋼結構隔離護欄。

圖1 橫斷面結構圖

2.3 地基處理與支護措施

車行道U型下穿結構的施工需對橋梁底部既有土體進行開挖，開挖最大深度約4 m，需穿透雜填土層進入淤泥層。如何最大限度地減小土體開挖對既有高速公路橋梁下部結構的影響，防止橋墩和樁基礎因受力變化而產生側向位移，保證高速公路既有橋梁的結構安全是此類工程的重點和難點。本文通過采取軟土地基處理措施和開挖支護措施來解決此類問題。

2.3.1 軟土地基處理

本路段軟基處理方案需同時達到以下要求：處理方案必須采用振動較小的工藝，減小施工過程中對橋梁下部結構的振動和對淤泥層的擾動；既有地面距橋梁梁底高差在3.04～4 m，施工預留凈空高度小，為保障軟基處理施工中橋梁的安全，必須采用施工機械高度低于3 m的處理方案；處理方案需要能同時解決軟基不均勻沉降和最大限度降低下穿結構的施工工后沉降的問題；為了降低開挖時淤泥的側向擠壓和流動，處理方案需能達到對軟基整體固結的效果；在滿足以上要求的前提下，盡可能地選用工期較短和噪聲較低的處理方式。

綜合考慮以上因素，本方案選用梅花狀平面布置灌注高壓旋噴樁的軟土地基處理方式。

高壓噴射注漿法是在灌漿法的基礎上，應用高壓水射流切割技術發展起來的一項新的地基處理技術。它與其他地基處理的方法相比，高壓噴射注漿法具有適用范圍廣、施工便捷、占地少、振動小、噪聲較低、耐久性較好等特點，是較為適合本次下穿位置的軟基處理方式。

高壓旋噴樁在土層中噴射注漿時，有一部分比較細小的土粒以“半置換”的方式被帶出地面，其余土粒在高壓噴射流的沖擊力、離心力和重力等的共同作用下，經過重新排列，組合成具有特殊結構的固結體樁。它具有較高的強度，并且由于噴射流的脈動和提升速度的不均勻，其外形一般很粗糙，因此具有較大的承載力。一般來說，加固后的地基承載力與旋噴樁的強度、單樁承載力、樁間土的性質和面積置換率等因素有關。

本次高壓旋噴樁的高壓施工工藝采用單管法，單根樁直徑準50 cm，等邊三角形布置，樁間間距1.8 m，斷面加固寬度為14.4 m，樁長6 m，施工需在道路雙幅對稱進行。施工參數需滿足以下要求：灌漿壓力≥22 MPa，流量30～40 L/min，噴射管的提升速度15～25 cm/min，水泥漿重度1.35～1.5 g/cm3，水泥用量>200 kg/m，水泥漿水灰比（0.8～1.5）∶1。單樁荷載試樁，要求單樁承載力不小于270 kPa。復合地基載荷試驗，要求復合地基承載力不小于150 kPa。

2.3.2 支護措施

軟基處理高壓旋噴樁施工完畢后，下一步進行支護措施的施工。本項目支護措施采用在開挖斷面兩側施打拉森鋼板樁形成縱向連續的隔斷支撐的方式，沉樁方式采用無振動、無噪的靜壓式。具體實施方案如下：

在下穿結構兩側距外側橋墩間距6 m處，采用靜壓植樁機連續植入鞍Ⅳ型拉森鋼板樁形成支護墻體，鋼板樁單根樁全長12 m，受凈空限制采用2 m分段連續焊接的形式，鋼板樁開挖后入土深度不小于8 m。樁頂圍囹采用兩道HW350×350型鋼型鋼，橫向支撐采用609 mm×19 mm圓型鋼管，橫撐間距為4 m。鋼板樁沉樁施工需在路線左右雙幅同時對稱進行。施工垂直度偏差≤1/150。

簡易施工工序如下：根據施工圖及高程放設沉樁定位線→根據定位線控設沉樁導向槽→平整施工機械行走道路→沉設圍護樁→將圍護樁送至指定標高→焊接圍囹支撐→基坑開挖→進行相關基坑施工→施工完成后拆除支撐圍囹并對路面樁體外露部分進行切割掩埋。

2.4 對高速公路橋墩影響

下穿方案設計前，需委托有相應檢測資質的單位對既有橋墩進行無損檢測,內容包括橋墩鉛垂度、混凝土強度和支座工作狀況等；同時需收集原橋梁的施工圖設計和竣工資料，一并作為此次設計計算的依據。

由于U型通道施工期間要對橋墩周邊的土體進行開挖，對橋墩產生單側附加土壓力，將對橋墩的受力產生影響。根據設計和現場情況，施工過程對41#橋墩產生的側向土壓力最大，因此本次計算選取41#橋墩為驗算對象。

根據公路橋涵地基與基礎設計規范（JTG D63-2007）[3]，按m法計算彈性樁水平位移及作用效應，簡化計算說明步驟如下：

1）確定b1

因為d=1.8 m>1.0 m,根據公式（P.0.1-1）可得：

對于單排樁k=1.0,公式（P.0.1-3）;水平力作用面為圓形,樁形狀換算系數kf=0.9；所以b1=1.0×0.9× (1.8+1)=2.52 m。

2）確定地基水平向抗力系數的比例系數m

根據地勘樁基處地質以淤泥、淤泥質土和粉質黏土為主，為非巖石地基，所以地基抗力系數隨埋深成比例增大，基礎水平向抗力系數Cz=m×Z，樁基計算深度hm=2×(d+1)=2×2.8=5.6 m。由地勘資料可知，在計算深度hm內土層為淤泥層，根據表P.0.2-1可得m=4 000 kN/m4;

3）確定樁基中樁的變形系數α

由公式（P.0.2-1）

4）計算荷載作用效應和位移(摘自公路橋涵地基與基礎設計規范JTG D63-2007附錄P)

依據表P.0.4計算單排樁受側面力作用時：

樁基單側最大開挖深度為2.5 m，樁側土壓力為(根據公路橋涵設計通用規范JTG D60-2004)：

根據設計圖紙文件，每片T型中梁的重量為58.4 t，每片邊梁的重量為58.3 t，每幅橋包含3片中梁和2片邊梁，橋面鋪裝采用8 cm瀝青混凝土和10 cm厚的混凝土鋪裝層。由公路-Ⅰ級荷載算得,每個墩的豎向荷載設計值為：

F=1.2×0.5×[10×(3×58.4+2×58.3)+25×(0.18×12× 30)+2×（280+10.5×30）]=3436.8 kN,根據公路橋涵設計通用規范（JTG D60-2004）表4.3.11滑板摩擦系數取0.06，則每個墩的最大支座摩阻力F=0.06×3 436.8=206.2 kN。

同時考慮樁側和樁頂位移時（取地面線處的截面作為計算截面，柱的自由部分長度取2 m）：

柱頂最大位移： 4）根據內力驗算樁身強度和樁基裂縫寬度

①樁基屬于壓彎構件，在忽略鋼筋受力偏安全計算的條件下，根據《材料力學Ⅰ》（高等教育出版社）構件壓彎組合變形公式計算。截面最大壓應力：

因此樁身強度滿足設計要求。

②裂縫寬度驗算

由《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》公式（6.4.5-2）得：[4]

ss=

根據公式第4款說明可不必驗算裂縫寬度，所以樁身裂縫寬度滿足不超過0.2 mm的要求。

綜上所述，通過實施以上軟基處理和支護措施后，U型下穿結構工程對營前特大橋的41#橋墩的影響較小，計算墩頂最大位移僅為2.59 cm，墩身強度滿足設計要求，墩身不會出現寬度大于0.2 mm的裂縫，橋墩受力安全。

3 施工監測要求

施工過程中需對橋墩的變形（墩頂水平位移,橋墩沉降量等）進行監測。

在墩頂、底上、下游各設置1～2處測點，并測出相應坐標，施工中采用全站儀進行持續觀測，連續兩次觀測墩頂水平位移大于1 cm，需通知設計方；墩頂水平位移總量大于2.59 cm，需停工并通知建設、設計方。研究分析原因，確定下一步的調整措施。在橋墩蓋梁下、墩底上各設1～2處測點，采用精密水準儀測量測點標高，如出現垂直位移需及時通知設計方。

4 結語

隨著“十三規劃”綱要的確立，許多城市的規劃建設將出現相應的調整，部分新區的建設和路網結構的調整將逐步顯現，新建市政道路與現有橋梁之間將面臨越來越復雜的立體交叉問題，這對市政路橋設計工作提出了更高的要求。本文以“凈空不足的軟土地基路段開挖通道下穿高速公路主線橋梁”為切入點，提出了此類問題的部分設計解決方案，在今后的工作中面對各類立體交叉問題應結合工程具體情況科學的分析研究，尋求更多先進、合理、經濟的工程設計。

[1]孫銘心.高壓旋噴樁工程特性研究[D].連理工大學,2000.

[2]孫晃.拉森鋼板樁在某軟土管道基坑支護中的應用[J].福建交通科技,2015(3)：56-57.

[3]中華人民共和國行業規范.JTG D63—2007,公路橋涵地基與基礎設計規范[S].2007,9.

[4]中華人民共和國行業規范JTG D62—2004,公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].2004,6.