橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工分析
2016-10-17
當(dāng)前，我國(guó)河川橋梁目前面臨主要問(wèn)題有橋梁各部結(jié)構(gòu)老化、橋梁安全性不符耐震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定及橋梁基礎(chǔ)因沖刷而裸露等問(wèn)題，其中又以橋梁基礎(chǔ)裸露為近年最被重視重要議題之一。我國(guó)的河川大多有坡陡流急特性，再加上砂石被大量盜采與超采等因素，使得我國(guó)橋梁基礎(chǔ)裸露情形甚為嚴(yán)重。近年來(lái)極端氣候?qū)е聲r(shí)有超乎預(yù)期超大豪雨，原已嚴(yán)重裸露橋墩基礎(chǔ)經(jīng)此豪雨洪水沖刷，在封橋或交通管制的反應(yīng)時(shí)間不及情況下，極可能立即發(fā)生對(duì)民眾生命財(cái)產(chǎn)損害。
一、基礎(chǔ)型式選用分析
常用橋梁基礎(chǔ)型式有(1)直接基礎(chǔ)、(2)樁基礎(chǔ)、(3)沉箱基礎(chǔ)（井筒基礎(chǔ)）及(4)連續(xù)壁基礎(chǔ)，其選用原則除考慮地層條件（有時(shí)以地質(zhì)觀點(diǎn)作周延思考）及橋梁上構(gòu)傳至基礎(chǔ)載重條件外，尚須考慮下列因素：[1]
(一)施工性、經(jīng)濟(jì)性及工期
例如(1)卵礫石地層粒徑太大或樁徑太小，基樁施工鉆掘困難，(2)巖層性質(zhì)影響基樁鉆掘或貫入能力，(3)于邊坡上采用樁基時(shí)，其施工便道或構(gòu)臺(tái)費(fèi)用高，且影響景觀生態(tài)較大，可考慮采用井基，(4)地下水文條件影響基礎(chǔ)施工性，及(5)基礎(chǔ)施工對(duì)整體工期影響等。
(二) 沉陷問(wèn)題檢驗(yàn)
基礎(chǔ)沉陷可能影響結(jié)構(gòu)使用性、安全性，尤其基礎(chǔ)加載后，地層中應(yīng)力增量影響深度范圍內(nèi)具壓縮性土層時(shí)，應(yīng)檢驗(yàn)基礎(chǔ)沉陷問(wèn)題。
(三) 環(huán)境條件改變
例如河流沖刷、開(kāi)發(fā)行為造成基礎(chǔ)覆土改變，影響基礎(chǔ)承載能力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)慎選基礎(chǔ)型式或預(yù)作特別考慮。
目前國(guó)內(nèi)河川橋常面對(duì)河床下降及臺(tái)風(fēng)帶來(lái)豪雨的沖刷，因此若無(wú)特別考慮，樁基礎(chǔ)為優(yōu)先采用基礎(chǔ)型式，而直接基礎(chǔ)較少采用。至于沉箱基礎(chǔ)在某些地層條件下，其施工品質(zhì)與工期較難掌握，加上沖刷問(wèn)題日趨嚴(yán)重，因此也漸少采用。
二、河川沖刷分析
橋梁防洪工程設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)相關(guān)規(guī)定辦理，設(shè)計(jì)時(shí)最大可能沖刷深度通常取局部沖刷深度、河槽束縮沖刷深度、河床質(zhì)移動(dòng)層厚度、長(zhǎng)期沖刷深度四項(xiàng)總和。沖刷深度為決定基礎(chǔ)高程重要依據(jù)，以國(guó)內(nèi)某河川橋?yàn)槔磭?guó)內(nèi)外相關(guān)研究計(jì)算沖刷深度。[2]
本案例高灘地橋墩處地表約EL.209m，深槽區(qū)河床最低點(diǎn)約EL.196m，計(jì)劃河床約EL.207m，因此依規(guī)定，墩柱底不得高于EL.196m，加上基礎(chǔ)版厚度，將來(lái)基礎(chǔ)開(kāi)挖深度將達(dá)16m（EL.209m－EL.196m+橋墩基礎(chǔ)版厚度3m=16m）以上。因在本工址地層條件下，按以往工程經(jīng)驗(yàn)，基礎(chǔ)開(kāi)挖16m擋土壁施工確有困難，“申請(qǐng)跨河建造物設(shè)置注意事項(xiàng)”雖有墩柱底高程應(yīng)低于河川斷面最低點(diǎn)及計(jì)劃河床高規(guī)定，但地形環(huán)境特殊，橋墩底部埋設(shè)有實(shí)際困難者，得由申設(shè)單位在維護(hù)橋梁安全，確實(shí)考慮河道擺蕩及沖刷深度影響，提出加深基樁或其橋墩底部至實(shí)際河川斷面最低點(diǎn)部分不作為支承摩擦樁使用或適當(dāng)局部保護(hù)措施下安全評(píng)估說(shuō)明，并參考計(jì)劃河床高辦理。因此最后將墩柱底訂在EL.200m，并采取加深基樁方式處理。
三、基礎(chǔ)施工存在問(wèn)題及其成因分析
河川深槽區(qū)因沖刷深度深，其所衍生基礎(chǔ)施工、基礎(chǔ)開(kāi)挖擋土施工益形困難，其改建或基礎(chǔ)補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，實(shí)務(wù)上經(jīng)常面對(duì)下列施工問(wèn)題。
(一)基礎(chǔ)施工
對(duì)于沖刷深度較大的橋址，沉箱施工比基樁施工困難，且工期與施工品質(zhì)也較難控制。因此，若無(wú)特殊考慮，對(duì)有沖刷疑慮橋梁，仍以采用基樁為宜。依近年來(lái)的經(jīng)驗(yàn)，常因沖刷設(shè)計(jì)考慮，導(dǎo)致基樁施工(1)采用大口徑基樁、(2)樁長(zhǎng)增加、(3)樁孔鉆掘容易發(fā)生坍孔、(4)樁孔鉆掘貫入困難、(5)機(jī)具設(shè)備或功率不足、及(6)采全套管機(jī)具施工時(shí)容易發(fā)生套管拔除困難、套管變形、底管磨損、機(jī)具設(shè)備因此障率高等現(xiàn)象，施工困難度增加，往往造成工程無(wú)法如期完工通車。
根據(jù)國(guó)內(nèi)較大口徑（φ150～φ300cm）全套管機(jī)具設(shè)備數(shù)量（98年）調(diào)查結(jié)果，可知目前國(guó)內(nèi)大口徑全套管基樁驅(qū)動(dòng)設(shè)備數(shù)量合計(jì)約110部，其中φ200設(shè)備數(shù)量約占70%。
(二)基礎(chǔ)開(kāi)挖擋土設(shè)施
對(duì)于舊橋改建工程，因施工期間仍須維持車輛安全通行，常無(wú)法采用斜坡明挖或部分降挖后再打設(shè)擋土壁方式開(kāi)挖構(gòu)筑基礎(chǔ)版（因明挖或降挖將使得既有橋梁基礎(chǔ)周圍土壤側(cè)向解壓或部分基礎(chǔ)因開(kāi)挖而外露，危及既有基礎(chǔ)承載能力）。沖刷深度較大的橋址基礎(chǔ)版埋深往往挑戰(zhàn)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有擋土工法施工能力，或超出國(guó)內(nèi)常用工法所能適用范圍；例如于河川行水深槽區(qū)基礎(chǔ)開(kāi)挖施工，因基礎(chǔ)埋深大，開(kāi)挖擋土施工挑戰(zhàn)度也高；由于開(kāi)挖面內(nèi)外水頭差大，擋土壁體易因水密性不足滲水或發(fā)生開(kāi)挖底部砂涌等災(zāi)害，嚴(yán)重者造成開(kāi)挖擋土設(shè)施潰敗，致使工期延誤或發(fā)生工程事故。
(三)凈高受限及鄰近施工
國(guó)內(nèi)既有橋梁改建，也常面臨橋下基礎(chǔ)施工、開(kāi)挖施工凈高受限問(wèn)題，或因交通維持需而采半半施工時(shí)鄰近施工顧慮。于設(shè)計(jì)階段即應(yīng)詳加考慮凈高受限情況下機(jī)具設(shè)備施工可行性及鄰近施施工安全全性，整體而言，施工凈高受限及鄰近施工問(wèn)題均增加施工施工安全風(fēng)險(xiǎn)與工期，施工期間應(yīng)嚴(yán)格落實(shí)相關(guān)設(shè)計(jì)及圖示規(guī)定，以利有效掌控工進(jìn)及維護(hù)施工安全。
結(jié)論
隨著我國(guó)交通事業(yè)的不斷快速發(fā)展，橋梁的施工水平和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)直接決定了整座橋的質(zhì)量，只有能夠掌握橋梁的基礎(chǔ)分類和具體特點(diǎn)以及橋梁基礎(chǔ)的具體使用范圍，只有做到這些才能使得專業(yè)設(shè)計(jì)人員能夠在施工過(guò)程當(dāng)中發(fā)揮各自的特長(zhǎng)，使得建立出更合適的基礎(chǔ)，從而建成更加高效美觀實(shí)用的橋梁。經(jīng)由上文分析可以看出，橋梁維護(hù)管理過(guò)程應(yīng)首先分析橋梁生命周期，由客觀預(yù)估每個(gè)階段橋梁情況，然后于適當(dāng)時(shí)間以適當(dāng)方法進(jìn)行沖刷維護(hù)，尋求以最低成本得到最佳維護(hù)效果。另外，預(yù)防性維護(hù)的成效往往高于結(jié)構(gòu)物受損后的維護(hù)。如能于橋梁選址及設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)先分析，輔以完善執(zhí)行的預(yù)防性維護(hù)，應(yīng)可以有效延長(zhǎng)橋梁壽命。
參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介:劉華潤(rùn)( 1987.8-),男，籍貫:山西運(yùn)城,大專,工程師,研究方向:橋梁。
