既有高速公路桥梁桥台锥坡拆除与支护工程研究

夏志强

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

近年来随着各个城市大幅扩展，原本在城市外缘的过境高速公路、环城高速公路等逐渐被城市所包容。为了更好地发展城市经济、合理地扩大城市规模，纵横交错的城市道路不得不穿越既有高速公路。因此，城市建设的高速发展将会带来越来越多下穿或上跨既有高速公路的城市道路建设。通过新建桥梁上跨高速公路一般是延伸和拓宽城市道路时穿越既有高速公路的最佳选择，但因其工程造价高、施工周期长，在新修桥梁并非为穿越既有高速公路唯一选择的情况下往往会采取其他穿越方式。本文依托工程实例，通过方案比选，选择拆除桥台台前锥坡并采用桩板墙作为台前支护方案以达到穿越既有高速公路、增加车道、拓宽城市道路的目的，并对该方案进行了深入研究。

1 工程概况

山西省原平市平安大街东延工程是利用原有东西方向S310省道长原线进行加宽改造而成，其平面位置如图1所示。

图1 平面位置图

该工程在K0+812.025处下穿大运高速（G55，大同—运城）一座（10+16+10）m钢筋混凝土空心板分离式立交桥梁，桥梁右前夹角120°，墩台采用柱式墩、柱式台，基础采用桩基础。该桥设计技术标准为：

（1）设计荷载：汽车—超20级；挂车—120。

（2）桥面净宽：2×净—12.25m。

（3）地震基本烈度：8度。

规划中的平安大街东延工程路基宽度为26.5m，双向六车道。原S310省道长原线路基宽度为10.5m，双向两车道，在与大运高速交叉处通过分离立交桥梁中跨（第2孔）下穿大运高速公路。为避免该道路在下穿大运高速处由双向六车道渐变为双向两车道而造成的交通拥堵，现利用大运高速既有分离式立交桥梁两边跨（第1孔和第3孔）各增加一条车道变成双向四车道，并通过采取道路标线以及车辆限速等措施下穿大运高速。因此，在两边跨增加车道时需将既有桥梁0号、3号桥台锥坡拆除并增加台前支护。

2 设计方案比选

设计方案在两种情况下考虑先拆除桥台锥坡之后再对桥台台前进行支护：

（1）中断既有桥梁所在范围内大运高速运营，或在此段范围内修建临时高速便道；

（2）不中断大运高速运营。

大运高速公路为山西省境内贯穿南北交通大动脉，要使该公路停运而服务于一条城市道路建设，其难度之大不便于实现；另外，为绕避既有桥梁而修建的临时高速便道，因其工程造价之高也失去了工程意义。因此，不考虑上述情况（1）的设计方案。

在不中断大运高速公路运营的情况下，拟采用桩板式挡墙支护（简称桩板墙方案）和扶壁式挡墙支护（简称扶壁墙方案）两种设计方案进行比选（见表1）。

表1 设计方案对比表

综合考虑上述诸多因素，为保证安全、经济、高效地完成该项目，本设计方案采用桩板墙方案。

3 设计要点

3.1 总体布置

桩板墙桩柱采用间隔跳桩开挖，以避免桥台锥坡坡体开挖体积过大对桥台造成不良影响。根据既有桥梁桥台桩基的间距，桩板墙桩柱之间的间距也设计有两种，分别为5.54m和5.72m，对应的挡土板也有两种形式。

既有桥梁桥台如不考虑台前溜坡土压力作用，即直接将台前锥坡土体挖除，在不中断该处原太高速交通运营的情况下，桥台桩柱原设计配筋将不会满足计算要求。如不采取相应的支护措施，在施工过程中桥梁将会存在较大的安全风险。因此在桥台锥坡土体开挖过程中采用在台柱和墩柱之间增设薄壁筒横撑（钢管）的方式加强桥台的稳定性和全桥的安全性。

桩板墙施工过程分为14个阶段，各施工阶段编号如施工工序总体布置如图2所示。

图2 施工工序总体布置图（单位：cm）

在桩板墙施工前，应对台后8m范围内的土体采取注浆加固措施。在顺桥方向，为加强台后土体的整体稳定性，采用5排水平注浆，注浆导管间距1m，呈梅花形布置。为加强台后土体与基础的联系，增设2排倾斜注浆，前倾夹角为10°。台后注浆示意图如图3所示。

图3 台后注浆示意图（单位：cm）

3.2 结构计算

3.2.1 桩板墙设计

（1）结构构造

根据《公路路基设计规范》（JTG D30—2004）相关条文规定，抗滑桩截面形状宜采用矩形，桩的截面尺寸应根据滑坡推力大小、桩间距、锚固段地基横向容许强度等因素确定，桩最小边宽度不应小于1.25m。据此可以拟定桩板墙截面形状和桩板墙截面尺寸为1.25m×1.25m，截面形状采用T型，核心截面形状为矩形。

（2）桩间距

根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63—2007）相关条文规定，钻孔桩中距不应小于桩径的2.5倍，挖孔桩中距可参照钻孔桩确定。因此，桩板墙与既有桥梁桥台桩基最小净距为：

式中：d1为桩板墙桩基直径1.77（m）；d2为既有桥梁桥台桩基直径，d2=1.2m。

施工布置中，桩板墙距桥台桩基净距分别为2.24m和2.37m，均大于上述计算最小净距，满足规范要求。

（3）桩板墙计算

基于以桩板墙承担台前余下锥坡土体（包含回填素混凝土）产生土压力的计算原理，本计算采用“m法”并通过理正岩土计算6.0版建立如图4所示的计算模型。桩板墙底部按自由方式支承。在组合1（锥坡土压力+汽车荷载）和组合2（锥坡土压力）这两种荷载组合下分别计算桩板墙的内力、位移及桩身配筋。

图4 桩板墙计算模型示意图（单位：m）

根据结构的重要性及桥址处地质情况，选取如表2所示的计算参数。

表2 计算参数

两种荷载组合情况下的计算结果如表3所示。

表3 计算结果

从表3中可以看出，在组合1和组合2的荷载组合下，计算出的桩顶位移均小于桩悬臂端长度的1/100，且不大于10cm，满足相关规范要求。通过计算所得背墙最大弯矩及桩身最大剪力，为桩身配筋提供了设计依据。

另外，桥台锥坡土体整体稳定验算所得最小安全系数为1.466，大于稳定计算容许安全系数1.25。因此，在施工过程中桥台锥坡土体满足整体稳定性要求。

3.2.2 薄壁筒横撑设计

为保证施工过程中桥梁的整体稳定性，在顺桥向将0号台、1号墩、2号墩及3号台相对应的墩台柱通过薄壁筒横撑依次连接为一个整体。

通过计算杆件在承受轴向力的作用下杆件的轴应力和杆件的稳定性，可以选择合适的钢管杆件作为薄壁筒横撑。经过计算，边跨横撑采用Φ194×10mm钢管，中跨横撑采用Φ299×10mm钢管。

墩台柱在高度上分三层支撑：最下层设于墩台桩基顶端；中间设于墩台柱中部；最上一层设于墩台柱顶端位置。

4 主要施工工艺及注意事项

具体施工流程为：施工前准备→放样、注浆孔定位→台后注浆→安装薄壁筒横撑→开挖桥台锥坡土体→桩板墙施工→拆除薄壁筒横撑→安装挡土板→砌筑挡土墙。

4.1 主要施工工艺

4.1.1 台后注浆

（1）钻孔

先按设计的技术参数测量布孔，并用油漆做标记，然后在布好的孔位上钻孔至设计深度。钻进过程中应时刻注意孔径及孔深，最上一排钻孔务必控制在原太高速路面2m以下。

（2）安装注浆导管

钻孔完成后要及时将注浆导管装入孔中，并在顺孔方向轻缓插入注浆管，避免扰动孔壁，造成堵孔。

（3）封孔

注浆管安装后，要进行封孔处理，以免注浆时浆液在压力作用下向上冒出。封孔深度根据注浆压力可确定为1～2m，封孔水泥浆养护48h后便可进行注浆作业。

（4）注入浆液

上述工序完成后便可开始注浆，注浆压力为0.5～1MPa。注浆结束后，拆除注浆管接头并迅速用木塞堵孔。

（5）养护与评估

注浆完成后养护时间要达到7d以上，然后进行注浆加固效果评估，当加固效果达到设计要求后方可进入下一工序的施工。

4.1.2 安装薄壁筒横撑

待桥台锥坡注浆结束并已达到设计强度后，即可按间隔跳桩施工顺序分别安装薄壁筒横撑。横撑在顺桥向依次连接0号台→1号墩→2号墩→3号台。为保证横撑的稳定，在墩台柱周围搭设钢管架对横撑进行支撑、加固，并在横撑与柱身接触面位置垫设10mm厚钢板。

横桥向薄壁筒横撑两列为一组，安装时分三组安装，分别是图2中的步骤①、④、⑦，但拆除时应单列拆除。

横撑安装需与锥坡开挖密切配合，按照由上至下的顺序进行。开挖一节土体，有足够的工作面后进行横撑安装，然后再开挖下一节土体。

4.1.3 桩板墙施工

待桥台锥坡注浆完毕、注浆效果达到设计要求并完成薄壁筒横撑安装后，便可进行桩板墙施工。桩板墙桩柱采用间隔跳桩开挖，结合施工顺序总体布置图，其具体施工工艺流程为：施工准备→测量放样→浇筑2号桩柱→安装3号挡土板并回填混凝土→浇筑5号桩柱→安装6号挡土板并回填混凝土→浇筑8号桩柱→安装9号挡土板并回填混凝土→浇筑10号桩柱→安装11、12号挡土板并回填混凝土→浇筑13号桩柱→安装14号挡土板并回填混凝土。上述施工流程应注意：在安装挡土板过程中应从下至上拆除相对应的薄壁筒横撑。

台前锥坡土体按桩板墙施工顺序依次分别开挖。在清除桩柱附近土体时，开挖形成一个如图5所示用于施工桩板墙的工作平台。开挖土体时，宜采用人工配合小型机械作业，尽量减少对台前土体的扰动，并随时注意观察周围土体的稳定性。

图5 工作平台横断面

4.1.4 安装挡土板

待桩板墙及预制挡土板达到设计强度后，即可从下往上依次拆除相应的薄壁筒横撑以便安装挡土板。

薄壁筒横撑拆除后应迅速安装挡土板。由于桥下净空高度有限，可采用40型装载机运输、吊装挡土板。挡土板安装要求中线、标高、位置正确，表面平整，光洁度好。挡土板施工时，必须挂线作业，保证所有挡土板在同一平面上，且垂直度符合要求。

挡土板每安装一节即应在其后回填一节贫混凝土，并用插入式震捣器震捣密实。

4.2 施工注意事项

（1）桩板墙施工时，尽量少开挖台前锥坡土体。

（2）安装挡土板时，在拆除相应薄壁筒横撑后应及时回填挡土板背后的贫混凝土。

（3）根据实际情况确定桥台两侧处与桩板墙相衔接的锥坡挡土墙的具体施工位置及长度。

5 结论

高速公路桥梁在建成并运营多年之后其桥台锥坡土体已达稳定状态，锥坡作为桥梁重要组成部分一般不应轻易拆除。本文通过实例工程，对桥台锥坡拆除、台前支护等方面进行了深入研究，提出了间隔跳桩开挖的施工工艺及其注意事项。由于目前我国此类实际工程较少，在这方面所积累的经验也不够丰富，因此与之相关的工作仍需进一步研究。本文的研究成果亦可为类似工程提供借鉴、参考。

[1] JTG D30—2004，公路路基设计规范[S].

[2] JTG D63—2007，公路桥涵地基与基础设计规范[S].

[3] JTG/T F50—2011，公路桥涵施工技术规范[S].

[4] 张宪亮，宁贵霞，韩丽丽.基于“m”法的横向受力桩综合刚度有限元分析[J].兰州交通大学学报，2010，29（1）：129-132.

[5] 袁春辉，余云燕，鲍亦兴.桩底土与桩相互作用的模型试验研究[J].兰州交通大学学报，2010，29（1）：106-111.

[6] 魏志伟，王旭，蒋代军.地震下单桩动力响应的有限元模拟[J].兰州交通大学学报，2009，28（1）：41-45.

[7] 王广军.桩板墙工程土拱效应及合理桩间距研究[D].成都：西南交通大学，2006.

[8] 蒋波.挡土结构土拱效应及土压力理论研究[D].杭州：浙江大学，2005.

[9] 刘效尧，徐岳.公路桥涵设计手册梁桥[M].北京：人民交通出版社，2011.