下穿高速公路橋臺基礎防護設計方案探討

尤匡飛

(臺州市交通勘察設計院有限公司，浙江 臺州 318000)

1 引 言

我國早期修建的一些公路交通量趨于飽和，出現了較為嚴重的交通擁堵現象，公路需要改擴建來解決擁堵問題，但路段在下穿既有高速樞紐涉及到橋臺橋墩防護措施研究較少。改擴路基下穿高速對高速橋梁的影響需要明確、量化以確保能夠施工安全，改擴段路基的開挖引起地基承載力下降將是影響高速橋臺穩定性的重要因素，進而影響上部高速公路的安全運營[1]。由于下穿工程的復雜性，上部高速公路對沉降變形的敏感性，一直困擾設計施工的大問題，所以，通過數值驗算，提出最經濟合理的橋臺基礎防護方案。

2 工程概況

現有S326(60省道)下穿甬臺溫高速吳岙樞紐，自西向東依次穿越3#橋、4#橋和5#橋，橋梁結構分別為3×16 m、3×16 m、16 m+20 m+16 m預應力混凝土空心板橋，南側橋臺均為重力式擴大基礎U型橋臺，北側橋臺均為肋式樁基礎橋臺，橋墩均為樁柱式橋墩。通過現場調查，三座橋梁墩臺基本平行，孔號按從左到右排(下同)，3#橋第一孔橋墩與錐坡之間凈空5.2 m×8.3 m，第二孔凈空13.3 m×7.3 m，第三孔凈空12.0 m×4.9 m；4#橋第一孔橋墩與錐坡之間凈空5.2 m×8.2 m，第二孔凈空13.3 m×6.7 m，第三孔凈空12.4 m×4.0 m；5#橋第一孔橋墩與錐坡之間凈空5.4 m×6.1 m，第二孔凈空14.0 m×5.1 m，第三孔凈空10.6 m×2.1 m。路線方案左幅從第二孔穿過，右幅從第三孔穿過。

3 橋臺基礎防護方案

3.1 基底受力分析

為確保橋臺在運營過程中的安全，施工時需對吳岙樞紐3#～5#橋U臺的基礎進行防護處理。橋臺基底持力層主要受活載、橋梁上部結構、橋臺自重及臺后填土產生的正應力和汽車制動力及臺后土側壓力產生的抗滑移水平力。臺前填土下挖后，基底持力層高出臺前地面線，在正應力作用下土壓力將大大增加，含粘性土碎石層自身粘聚力不足以保持土層完整穩定，將可能出現開挖邊緣處坍塌現象，造成基底受力面積減小，局部應力增大。通過以上橋臺開挖前后對橋臺的計算分析，可知橋臺自身均能保持穩定。但臺前土體開挖后，其被動土壓力減小，持力層可能出現局部坍塌現象。因此針對這一狀況，可采取懸臂式樁板式擋墻、錨索、懸臂凸榫擋墻等幾種方案進行防護。

3.2 樁板式擋墻

樁板式擋墻由懸臂樁和擋土板組合而成，懸臂樁部分錨入地下，其截面為矩形，部分伸出地表，擋土板可以做成預制平板、拱板或現澆板。樁板式擋墻適用于一般地區的土質填方邊坡，以及需要直立削坡的土質挖方邊坡，其懸臂長度可達15 m左右，樁間距一般為3～6 m，懸臂樁的施工類似于人工挖孔灌注樁，樁頂設置通長冠梁，其上可預埋鋼板設置防護欄桿。樁間裝配式預制擋土板一般用于填方邊坡，現澆擋土板一般用于直立削坡的挖方邊坡。

特點：懸臂樁可在大面積開挖前進行施工，可有效防護樁后產生的土壓力。樁施工好后，可逐個對每兩個樁之間進行擋土板施工，即將整個防護工程在原狀覆土情況下分節段進行施工，可有效避免出現意外情況。但懸臂樁挖孔較深，施工時需做好相應安全措施。

(1)物理參數

表1 懸臂樁物理力學指標

表2 墻后填土主要物理力學指標

(2)最小樁長計算

圖1 樁板式擋墻計算模型

沿支護墻長度方向取1延m進行計算

基底應力值q=277.3 kPa

基坑開挖底面處土壓力強度

土壓力零點距開挖面的距離

作用于樁后的土壓力合力

∑E=Ea1+Ea2+Ea3=127.50 kN

∑E作用點距地面的距離

由式

(1)

求得t=3.99 m

取增大系數Kt=1.3，則樁的最小長度lmin=h+u+1.3t=7.427 m，取7.5 m。

為使樁頂與橋臺基礎第一個臺階頂齊平，則樁的最小長度為8.5 m。

(3)樁截面設計

①最大彎矩點距土壓力為零點的距離[2]

最大彎矩

開挖面處彎矩

M=Ea1(1-ha1)+Ea2(1-ha2)=38.42 kN·m

樁間距d=3 m，則

M′=dM=3×38.42=115.26 kN·m

求得受壓區高度為x=0.07 m

受拉側所需鋼筋面積

選取10Φ25鋼筋面積為4 909 mm2，配筋率

=0.45ftd/fsd=0.002 2

(4)施工組織

由于橋位處沒有水，且地質為含粘性土碎石、強風化粉砂巖、中風化粉砂巖、全風化凝灰巖、強風化凝灰巖、中風化凝灰巖，受橋下凈高限制，樁可采用人工挖孔施工，在三個橋臺范圍內按樁間距3 m進行等間距布置，在每個橋臺前進行逐個樁施工，三個橋臺可同步進行。

樁施工結束后，再進行擋土板施工，最后開挖擋墻前土石方進行路基施工。

3.3 預應力錨索

利用橋臺自身穩定性，從臺身處以10°下傾向臺后打錨索，利用錨索的拉力來承受土體水平推力。預應力錨索是向土層傳達力的一種支護手段，它可按給定的方向和荷載大小將力從土體表面傳遞到土體深處，從而使被加固的土體受到一個有益的預壓力，在這一個過程中，土體得到加固并且使其強度增強，其受力性能也會得到了改善。主要有以下特點：(1)預應力錨索由高強度材料組成并且有可靠的錨固體系，因而它能提供數量可觀的預應力；(2)預應力錨索長度一般長度較長，能夠錨入到深層土體去；(3)預應力錨索可按給定的荷載大小、方向設計和施工，目標明確，參數可靈活調整；(4)施工工藝簡單，影響因素小，而且能夠與其他加固措施相配合，最主要是不影響高速公路，可以先施工錨索后開挖。

考慮橋臺基礎邊緣持力層不受力，此時橋臺結構穩定性計算如下：

在錨索作用下，使基底開挖側處應力為0，即

∑Ptibi≥M0(P，G，E)=78 456.1 kN

錨索豎向布置4排，橫向間距4 m，每排布置6孔，每孔7股，其張拉力為1 357.3 kN。

∑Ptibi=6×1 357.3×(4.1+3.0+1.85+0.75)=78 994.9 kN>78 456.1 kN滿足設計要求。

錨固體的承載力由注漿體與毛孔壁的粘結強度、錨桿與注漿體的粘結強度及錨桿強度三部分組成，設計取其小值。

Lr=KPd/(ζπdfr b)=2.2×1 357.3/(1×3.14×0.10×150)=8.6 m

Lg=KPd/(ζnπdgfb)=2.2×1 357.3/(0.6×7×3.14×15.2×2.95)=4.6 m

實際錨固長度需要取Max(Lr，Lg)，且不應小于3 m，也不宜大于10 m，因此取兩者之間大值，實際錨固長度為8.6 m。

錨索自由長度受穩定地層界面控制，一般考慮伸入滑動面或潛在的滑動面不少于1 m，且自由長度不得少于5 m，因此取自由段長度為5 m。所以錨索總長度=實際錨固長度8.6 m+自由段長度5 m+外露長度1.5+墻身厚度2.2 m=17.3 m，總共6×4×17.3=415.2 m。

3.4 懸臂凸榫擋墻

懸臂式凸榫擋墻是一輕型支擋建筑物，它依靠墻自重和墻底板以上填筑土體(包括荷載)的重力維持擋土墻的穩定，墻趾板可顯著增大抗傾覆穩定性，減少基底應力，凸榫可增大結構的抗滑性能。該墻型的主要特點是構造簡單，施工方便，墻身截面較小，自身質量輕，可以更好地發揮材料的強度性能。

其受力分析簡圖，見圖2。

圖2 懸臂凸榫擋墻受力圖

主動土壓力

被動土壓力

=2×(0.5×19×1.22+24×1)×3.690 17+0.5×19×2.22×3.690 17=448 kN

墻趾板與地基摩擦力

Gf=24×1×1×5×0.4+24×2.2×1×3×0.4=111 kN

由式n∑Eai≤∑Epi+Gf，得n≤2.09 m，取n=2 m，即每道墻趾板及凸榫承受2 m范圍的土壓力。

3.5 方案比較表

4 結 論

綜上，基于工程造價、施工影響，運營安全等多因素的分析，經綜合比較，S326(60省道)三門段下穿甬臺溫高速選擇樁板式擋墻防護橋臺基礎最合適，且施工快速、經濟性良好，為類似工程提供參考。