钢管混凝土桥墩在逆作法施工中的应用

靳建科

（石家庄市公路桥梁建设集团有限公司，河北 石家庄 050000）

0 引言

钢管对混凝土有一定套箍作用，能使混凝土实现三向受压，从而提升混凝土结构承载力，并改善延展性。此外，钢管还能作为模板施工，减少模板材料与支设方面的费用。逆作法在建筑领域的应用较多，在交通建设领域的应用尚少，而将钢管混凝土与逆作法结合，可表现出显著的技术优势。

1 逆作法优缺点

逆作法是指采用地连墙作为基坑支护同时作为地下室外墙，此时可同时向上与向下施工，从该方法施工特点可以看出，其主要意义在于减小基坑变形，降低深基坑开挖可能给周边环境造成的不利影响，并能缩短工程的工期，从而取得良好的综合效益。

逆作法与顺作法的主要区别在于：

（2）解决支撑布置方面的问题。因支撑体系主要由工程结构承担，因此对平面形状较为特殊的支撑体系，除了能保证结构受力合理，还能取代一部分支撑。通过对工程结构和基坑支护结构的结合，保证地下部分面积[1]。

（3）有利于缩短工程工期。按逆作法施工时，可能是地上和地下施工一同进行，如此，上部结构施工基本不占用工期，如果为软土地质，则一般能缩短三个月左右的总工期。

（4）经济效益显著。如前所述，按逆作法施工时，地下结构通常与基础结构为一体，大部分支撑体系都能采用地下结构代替，因此能减少大量支撑设施方面的费用，相较于传统施工方法，能大幅减少直接工程费。此外，缩短工期也能间接起到提高经济效益的作用。

（5）施工方案与工程设计之间的关系十分密切。采用逆作法施工时，所有工况都会对工程结构实际受力状态造成直接影响，因此，在工程设计过程中必须充分考虑施工中可能遇到的各类工况，设计单位必须加强与施工单位之间的联系与配合。

2 桩基逆作法

在桥梁工程中，桩基础是一种最常用也是最经济的基础类型，不仅施工方便，而且造价较低、基础沉降较小。在传统的桩基础施工过程中，通常为先施工桩，再进行承台浇筑，然后对上部结构进行施工。即便是承台和土体直接接触的桩基础，因桥梁控制较为严格且受到冲刷作用，很少考虑承台下部地基土对结构受力的贡献。然而，对承载力良好、冲刷作用响度较小而工后沉降相对较大的地层，按逆作法施工复合基础，除了能减少工程造价、缩短工期，还能对工后沉降予以有效控制，提高基础施工安全性，减少环境污染。

桩基逆作法是指考虑桩体和土体之间的共同作用，先由天然地基承受桥梁上部结构局部荷载，再实施桩基施工。采用该方法能促进土体固结沉降，通过在施工中完成部分沉降来减少施工完成后的土体沉降，进而从根本上保证结构使用过程中的安全性[2]。

3 逆作法施工工艺

逆作法工艺主要具有以下几方面特点：

（1）大规模施工过程中，可同时开展地上与地下结构施工，进而大幅缩短工程的工期。

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（2）将地下结构作为基坑的围护结构，防止围护结构产生变形，减少基坑施工给附近其他建筑造成的不利影响。

（3）将地面层结构施工完成后，可对地下部分开始施工，能减少环境因素给土方施工造成的影响，减少土方开挖施工在总工期中的占比[3]。

采用逆作法施工时，往往要具备下列两方面要素：

（1）围护结构应为永久性的，且作为主体结构体系受力结构，同时在内部施工过程中加以内衬，以形成一个完整的受力结构。

（2）基础形式应为一桩一柱，在箱形基础施工完成前，上部结构和地下部分结构自身重量均有桩柱承担。

逆作法包含很多施工方法，不同施工方法的步骤也不同，因此有必要明确不同施工方法对应的施工步骤。

全逆作法施工步骤为：①将地下结构作为围护结构；②桩基施工完成后进行地下结构施工；③临时支柱与其基础应处在柱结构截面中心；④地下结构采用边梁与周围围护结构相连，形成可靠水平内支撑；⑤将地下土方挖除；⑥第二道水平方向内支撑施工方式和第一道相同；⑦将地下土方挖除[4]。

半逆作法施工步骤为：①围护结构包含两种形式，即地连墙与排桩；②桩基施工完成后，以此为基础进行地下结构施工；③临时立柱与它的基础应处在柱结构截面中心；④地下结构采用支模方式浇筑，交叉点上的结构需支承于临时立柱上，并通过和边梁之间的连接，形成第一道水平方向内支撑；⑤将地下土方挖除；⑥第二道水平方向内支撑施工方法和第一道相同；⑦挖除第二层土方。

部分逆作法施工步骤为：①排桩或地连墙均在周围展开施工；②土方开挖施工各种，应保留边跨部位土方暂时不予开挖，为围护桩提供可靠临时支撑；③施工柱基础；④施工柱结构；⑤结构混凝土浇筑，通过围护桩之间的结合形成水平方向支撑；⑥其他结构浇筑。

分层逆作法施工步骤为：①先对中间支承柱与基础进行施工；②在基坑周围5～8m进行土方开挖施工；③进行土钉墙与喷锚施工；④进行必要的防水层施工；⑤采用支模的方法进行混凝土结构浇筑施工；⑥土方全面开挖；⑦其他结构浇筑；⑧第二层土方开挖；⑨土钉墙及喷锚施工。在土质相对良好的情况下，该方法有很多实例，但要注意防水施工质量与结构连接。实践表明，该方法的应用能减少工程成本与造价，并能加快工程进度。

4 钢管混凝土逆作法施工

某桥梁按照常规施工工序先对主线路基进行施工，然后再对桥梁的基础与下部结构进行施工，之后进行支架的搭设和上部结构施工。主线开挖之后，难免会使接线出现临时中断，具体的中断周期和施工工期有关，进而给地方路网造成一定程度的影响[5]。

该桥梁所在地区盛产水果，每年水果成熟季节，道路上的运输车辆明显增多，给地方路网提出了很高要求。该桥梁作为所在地区的重要通道，如果由于施工而产生临时中断，则要做好临时性的保通方案设计。但从现场地形地势看，临时改线基本无法实现，工程造价极高，整体经济性差。基于此，必须在避免中断交通的情况下先对接线桥梁进行施工，然后对主线进行开挖施工，避免给地方道路通行与主线施工造成影响。

针对以上具体问题，初步制定了以下两套施工方案：

方案一：混凝土桥墩+常规施工，其具体施工工序为：①先进行改线设计，修筑临时通道；②对主线路基进行开挖，即开始施工主线；③待主线路基施工完成后进行场地平整和标高复测，经复测确认坐标无误后，开始对桥梁的基础与下部结构进行施工；④进行场地平整与硬化，然后搭设临时支架，并做好支架的预压与检查验收；⑤模板支设、钢筋绑扎、浇筑箱梁混凝土，在箱梁混凝土实际强度满足设计要求后，开始预应力张拉施工；⑥待上部主梁结构施工完成后将临时支架拆除，对桥面系与其各类附属构件进行施工，对桥位所处主线范围内的路基边坡予以防护。

方案二：钢管混凝土桥墩+逆作法施工，其具体施工工序为：①场地平整与标高复测，经复测确认坐标准确无误后做好桩位现场放样，做好相应的标记，以此为之后的基础施工做好各项准备工作；②桩基与桥墩施工，直到设计要求的标高，同时对成型的墩身、墩台及桩头予以临时防护；③做好场地平整与硬化，充分利用现有的地层制作“土牛”，并对箱梁结构的模板进行搭设，绑扎结构钢筋，然后进行混凝土浇筑，在浇筑的混凝土实际强度符合要求后，开始预应力张拉施工；④上部主梁施工结束后将临时支架拆除，对其他下部结构及桥面系和各类附属构件进行施工；⑤在接线保持畅通的情况下对主线路基进行开挖施工，并对桥位范围内的主线路基边坡予以临时防护。

5 静力验算与分析

5.1 上部结构

上部结构为预应力混凝土现浇箱梁，以上两套方案在上部结构方面没有明显差别，与常规现浇箱梁基本相同，其主要验算结果为：持久状况应力验算：混凝土最大压应力为-15.51MPa，规范限值为轴心抗压强度标准值50%，即-16.2MPa，计算结果满足要求；预应力筋最大拉应力为1 184kN，规范限值为轴心抗拉强度标准值65%，即1 209kN，计算结果满足要求；混凝土最大主压应力为-15.52MPa，规范限值为轴心抗压强度标准值60%，即-19.44MPa，计算结果满足要求。短暂状况应力验算：混凝土最大压应力为-12.16MPa，规范限值为轴心抗压强度标准值70%，即-18.144MPa，计算结果满足要求；混凝土最大拉应力为1.28MPa，规范限值为轴心抗压强度标准值70%，即1.855MPa，计算结果满足要求。正常使用状况下抗裂验算：频遇值组合最大拉应力为1.24MPa，规范限值为轴心抗压强度标准值70%，即1.855MPa，计算结果满足要求；频遇值组合最大主拉应力为1.28MPa，规范限值为轴心抗压强度标准值50%，即1.325MPa，计算结果满足要求；准永久值组合最大拉应力为-0.60MPa，规范限值为0，计算结果满足要求[6]。

5.2 下部结构

（1）方案一：下部结构桥墩为双柱墩，按最不利条件下内力组合设计实施配筋验算，配筋计算结果为：桥墩：直径为160cm，组合Ⅰ：轴力N为6 850kN，弯矩M为4 816kN·m，配筋为36C28，综合轴力NR为7 665kN，综合弯矩MR为5 389kN·m，裂缝宽度为0.05mm，安全度为1.12；组合Ⅱ：N为6 696kN，M为4 678kN·m，配筋为36C28，NR为7 710kN，MR为5 387kN·m，裂缝宽度为0.12mm，安全度为1.15。桩基：直径为180cm，组合Ⅰ：N为7 009kN，M为5 569kN·m，配筋为36C28，NR为10 627kN，MR为8 444kN·m，裂缝宽度为0.05mm，安全度为1.52；组合Ⅱ：N为6 855kN，M为5 409kN·m，配筋为36C28，NR为10 711kN，MR为8 451kN·m，裂缝宽度为0.12mm，安全度为1.56。

（2）方案二：钢管混凝土承载力计算主要采用以下两种方法：统一理论设计法与极限平衡理论设计法，一般情况下无需采用两种方法来验算，本次选择统一理论设计法进行验算。为保证对比的一致性，该方案桥墩也为双柱墩[7]。钢管的材质为Q345钢，在墩身范围内不布置钢筋，但为了保证钢管和混凝土之间的连接强度，在钢管的内壁进行剪力钉设置。单肢钢管混凝土柱在单一受力状态下的承载力计算结果为：组合Ⅰ：短柱轴心受压承载力为70 893kN，设计值为6 935kN，计算结果满足设计要求；轴心受拉承载力为29 484kN；受剪承载力为29 441kN，设计值为301kN，计算结果满足设计要求；受扭承载力为16 586kN·m；受弯承载力为17 014kN·m，设计值为4 816kN·m，计算结果满足设计要求；轴向受压稳定承载力为50 295kN，设计值为6 935kN，计算结果满足设计要求。组合Ⅱ：短柱轴心受压承载力为70 893kN，设计值为6 781kN，计算结果满足设计要求；轴心受拉承载力为29 484kN；受剪承载力为29 441kN，设计值为292kN，计算结果满足设计要求；受扭承载力为16 586kN·m；受弯承载力为17 014kN·m，设计值为4 678kN·m，计算结果满足设计要求；轴向受压稳定承载力为50 295kN，设计值为6 781kN，计算结果满足设计要求。单肢钢管混凝土柱在复杂受力条件下的承载力计算结果为：组合Ⅰ：压、弯、剪、扭共同作用下的承载力为1，不考虑混凝土收缩与考虑混凝土收缩时的设计值分别为0.232、0.225，满足要求；压、弯共同作用条件下的承载力为1，不考虑混凝土收缩与考虑混凝土收缩时的设计值分别为0.225 8、0.221，满足要求。组合Ⅱ：压、弯、剪、扭共同作用条件下的承载力为，不考虑混凝土收缩与考虑混凝土收缩时的设计值分别为0.225、0.218，满足要求；压、弯共同作用下的承载力为1，不考虑混凝土收缩与考虑混凝土收缩时的设计值分别为0.221、0.214，满足要求[8]。

6 结语

综上所述，采用钢管混凝土桥墩与逆作法相结合的方案不仅结构承载力较高，而且施工便捷、造价较低，经实践证明合理可行，具有良好的综合效益，适宜大范围推广应用。但该方法对施工控制有很高要求，包括钢管柱定位等，需在施工时加以注意。