下穿高速公路桥台基础防护设计方案探讨

尤匡飞

(台州市交通勘察设计院有限公司，浙江 台州 318000)

1 引 言

我国早期修建的一些公路交通量趋于饱和，出现了较为严重的交通拥堵现象，公路需要改扩建来解决拥堵问题，但路段在下穿既有高速枢纽涉及到桥台桥墩防护措施研究较少。改扩路基下穿高速对高速桥梁的影响需要明确、量化以确保能够施工安全，改扩段路基的开挖引起地基承载力下降将是影响高速桥台稳定性的重要因素，进而影响上部高速公路的安全运营[1]。由于下穿工程的复杂性，上部高速公路对沉降变形的敏感性，一直困扰设计施工的大问题，所以，通过数值验算，提出最经济合理的桥台基础防护方案。

2 工程概况

现有S326(60省道)下穿甬台温高速吴岙枢纽，自西向东依次穿越3#桥、4#桥和5#桥，桥梁结构分别为3×16 m、3×16 m、16 m+20 m+16 m预应力混凝土空心板桥，南侧桥台均为重力式扩大基础U型桥台，北侧桥台均为肋式桩基础桥台，桥墩均为桩柱式桥墩。通过现场调查，三座桥梁墩台基本平行，孔号按从左到右排(下同)，3#桥第一孔桥墩与锥坡之间净空5.2 m×8.3 m，第二孔净空13.3 m×7.3 m，第三孔净空12.0 m×4.9 m；4#桥第一孔桥墩与锥坡之间净空5.2 m×8.2 m，第二孔净空13.3 m×6.7 m，第三孔净空12.4 m×4.0 m；5#桥第一孔桥墩与锥坡之间净空5.4 m×6.1 m，第二孔净空14.0 m×5.1 m，第三孔净空10.6 m×2.1 m。路线方案左幅从第二孔穿过，右幅从第三孔穿过。

3 桥台基础防护方案

3.1 基底受力分析

为确保桥台在运营过程中的安全，施工时需对吴岙枢纽3#～5#桥U台的基础进行防护处理。桥台基底持力层主要受活载、桥梁上部结构、桥台自重及台后填土产生的正应力和汽车制动力及台后土侧压力产生的抗滑移水平力。台前填土下挖后，基底持力层高出台前地面线，在正应力作用下土压力将大大增加，含粘性土碎石层自身粘聚力不足以保持土层完整稳定，将可能出现开挖边缘处坍塌现象，造成基底受力面积减小，局部应力增大。通过以上桥台开挖前后对桥台的计算分析，可知桥台自身均能保持稳定。但台前土体开挖后，其被动土压力减小，持力层可能出现局部坍塌现象。因此针对这一状况，可采取悬臂式桩板式挡墙、锚索、悬臂凸榫挡墙等几种方案进行防护。

3.2 桩板式挡墙

桩板式挡墙由悬臂桩和挡土板组合而成，悬臂桩部分锚入地下，其截面为矩形，部分伸出地表，挡土板可以做成预制平板、拱板或现浇板。桩板式挡墙适用于一般地区的土质填方边坡，以及需要直立削坡的土质挖方边坡，其悬臂长度可达15 m左右，桩间距一般为3～6 m，悬臂桩的施工类似于人工挖孔灌注桩，桩顶设置通长冠梁，其上可预埋钢板设置防护栏杆。桩间装配式预制挡土板一般用于填方边坡，现浇挡土板一般用于直立削坡的挖方边坡。

特点：悬臂桩可在大面积开挖前进行施工，可有效防护桩后产生的土压力。桩施工好后，可逐个对每两个桩之间进行挡土板施工，即将整个防护工程在原状覆土情况下分节段进行施工，可有效避免出现意外情况。但悬臂桩挖孔较深，施工时需做好相应安全措施。

(1)物理参数

表1 悬臂桩物理力学指标

表2 墙后填土主要物理力学指标

(2)最小桩长计算

图1 桩板式挡墙计算模型

沿支护墙长度方向取1延m进行计算

基底应力值q=277.3 kPa

基坑开挖底面处土压力强度

土压力零点距开挖面的距离

作用于桩后的土压力合力

∑E=Ea1+Ea2+Ea3=127.50 kN

∑E作用点距地面的距离

由式

(1)

求得t=3.99 m

取增大系数Kt=1.3，则桩的最小长度lmin=h+u+1.3t=7.427 m，取7.5 m。

为使桩顶与桥台基础第一个台阶顶齐平，则桩的最小长度为8.5 m。

(3)桩截面设计

①最大弯矩点距土压力为零点的距离[2]

最大弯矩

开挖面处弯矩

M=Ea1(1-ha1)+Ea2(1-ha2)=38.42 kN·m

桩间距d=3 m，则

M′=dM=3×38.42=115.26 kN·m

求得受压区高度为x=0.07 m

受拉侧所需钢筋面积

选取10Φ25钢筋面积为4 909 mm2，配筋率

=0.45ftd/fsd=0.002 2

(4)施工组织

由于桥位处没有水，且地质为含粘性土碎石、强风化粉砂岩、中风化粉砂岩、全风化凝灰岩、强风化凝灰岩、中风化凝灰岩，受桥下净高限制，桩可采用人工挖孔施工，在三个桥台范围内按桩间距3 m进行等间距布置，在每个桥台前进行逐个桩施工，三个桥台可同步进行。

桩施工结束后，再进行挡土板施工，最后开挖挡墙前土石方进行路基施工。

3.3 预应力锚索

利用桥台自身稳定性，从台身处以10°下倾向台后打锚索，利用锚索的拉力来承受土体水平推力。预应力锚索是向土层传达力的一种支护手段，它可按给定的方向和荷载大小将力从土体表面传递到土体深处，从而使被加固的土体受到一个有益的预压力，在这一个过程中，土体得到加固并且使其强度增强，其受力性能也会得到了改善。主要有以下特点：(1)预应力锚索由高强度材料组成并且有可靠的锚固体系，因而它能提供数量可观的预应力；(2)预应力锚索长度一般长度较长，能够锚入到深层土体去；(3)预应力锚索可按给定的荷载大小、方向设计和施工，目标明确，参数可灵活调整；(4)施工工艺简单，影响因素小，而且能够与其他加固措施相配合，最主要是不影响高速公路，可以先施工锚索后开挖。

考虑桥台基础边缘持力层不受力，此时桥台结构稳定性计算如下：

在锚索作用下，使基底开挖侧处应力为0，即

∑Ptibi≥M0(P，G，E)=78 456.1 kN

锚索竖向布置4排，横向间距4 m，每排布置6孔，每孔7股，其张拉力为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满足设计要求。

锚固体的承载力由注浆体与毛孔壁的粘结强度、锚杆与注浆体的粘结强度及锚杆强度三部分组成，设计取其小值。

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

实际锚固长度需要取Max(Lr，Lg)，且不应小于3 m，也不宜大于10 m，因此取两者之间大值，实际锚固长度为8.6 m。

锚索自由长度受稳定地层界面控制，一般考虑伸入滑动面或潜在的滑动面不少于1 m，且自由长度不得少于5 m，因此取自由段长度为5 m。所以锚索总长度=实际锚固长度8.6 m+自由段长度5 m+外露长度1.5+墙身厚度2.2 m=17.3 m，总共6×4×17.3=415.2 m。

3.4 悬臂凸榫挡墙

悬臂式凸榫挡墙是一轻型支挡建筑物，它依靠墙自重和墙底板以上填筑土体(包括荷载)的重力维持挡土墙的稳定，墙趾板可显著增大抗倾覆稳定性，减少基底应力，凸榫可增大结构的抗滑性能。该墙型的主要特点是构造简单，施工方便，墙身截面较小，自身质量轻，可以更好地发挥材料的强度性能。

其受力分析简图，见图2。

图2 悬臂凸榫挡墙受力图

主动土压力

被动土压力

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

墙趾板与地基摩擦力

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，即每道墙趾板及凸榫承受2 m范围的土压力。

3.5 方案比较表

4 结 论

综上，基于工程造价、施工影响，运营安全等多因素的分析，经综合比较，S326(60省道)三门段下穿甬台温高速选择桩板式挡墙防护桥台基础最合适，且施工快速、经济性良好，为类似工程提供参考。