软基路段新建市政道路下穿既有高速公路主线桥梁的设计研究

陈坚

福建省城乡规划设计研究院（350001）

软基路段新建市政道路下穿既有高速公路主线桥梁的设计研究

陈坚

福建省城乡规划设计研究院（350001）

结合工程实例，分析在沿海大面积软土地基区域，规划新建的市政主干路在既有净空不足的条件下，下穿高速公路既有主线桥梁的设计方案。通过采取梅花形布置灌注高压旋喷桩的软基处理方案和施打拉森钢板桩的支护措施，达到最大限度地减小机动车道下穿结构开挖施工对高速桥梁下部结构的影响，防止桥墩和桩基础因受力变化而产生侧向位移，保证高速公路桥梁的结构安全的目的。

下穿既有高速公路；软土地基；高压旋喷桩；拉森钢板桩

0 引言

福建省沿海地区存在着大面积的软土地基，高速公路较多采用高架桥跨越的形式穿越城区。然而，部分新建市政道路与既有高速公路立体交叉处并未预留合理的下穿通道。尤其是对于交叉处的横断面宽度和净空高度均无法满足新建市政道路直接下穿的情况，需要结合下穿通道的位置条件，综合考虑地形、地质、净空等诸多因素,对下穿处进行针对性的工程方案设计。文章以长乐营融线（峡漳线-占前路）道路工程下穿沈海高速公路福泉段（福州-泉州）高速营前特大桥的方案设计为工程实例，浅谈怎样通过工程设计解决上述问题。

1 工程概况

长乐营融线（峡漳线-占前路）道路工程位于福建省长乐市营前街道，道路全长1.88 km，道路等级为乡道二级公路兼城市主干路，设计速度60.0 km/ h，道路红线宽度46.0 m，横断面布置三块板结构，机动车道为双向六车道布置（三块板结构）。[1]本工程在桩号K0+531～K0+556路段，垂直下穿福州至泉段的营前特大桥41-43号桥墩。营前特大桥为东西向高速公路主线桥，桥跨上部结构为准连续钢筋混凝土T梁，单跨跨径30.0 m，梁底最低高程北侧为6.54 m，南侧为7.5 m；桥梁下部构造为柱式墩接钻孔灌注桩基础。桩基底面标高-52.0～-51.0 m，以强风化花岗岩为持力层，桩身长度53.0～54.0 m，地面高程约3.5 m，现状预留净空高度在3.04～4.0 m，无法满足高速公路下穿净空大于5.5 m的要求[2]。

所处场地地形较平坦，场地属冲淤积区，为冲淤积山前平原地貌。道路沿线场地标高在0.86～9.2 0 m（孔口标高），大部分标高约为3.00 m左右。场地内及周边未见滑坡、隐蔽建筑，场地下未埋藏有对工程不利的地下埋藏物。

根据钻孔揭露，场地岩土层自上而下依次为人工杂填土（Qml）、淤泥（Q4m）、冲洪积粉质黏土（Q4aL+pL）、岩盘全风化凝灰熔岩（J3）、岩盘土状强风化凝灰熔岩（J3）、岩盘碎块状强风化凝灰熔岩（J3）和岩盘中风化凝灰熔岩（J3）。

其中淤泥（Q4m）：深灰、灰黑色，鳞片状结构，饱和，呈流至软塑状，含腐殖质，局部含少量细砂，味臭，摇振反应弱，切面光滑，干强度差，韧性较好。该地层少量钻孔缺失,层厚3.40～11.50 m,平均9.16 m。底板标高0.02～3.32 m。

2 下穿方案设计

2.1 断面布局

本道路标准横断面布置为：4.5 m（人行道）+5.0 m（非机动车道）+2.0 m（侧分带）+23.0 m（机动车道）+2.0 m（侧分带）+5.0 m（非机动车道）+4.5 m（人行道）=46.0 m。

在下穿桥梁位置的横断面布置作如下调整，将机动车道完全分隔为两个独立的半幅，左右半幅断面分别布置于41～43号桥墩之间两跨内；将人行道宽度从4.5 m缩减至2.0 m，非机动车道宽度宽度从5.0 m缩减至3.5 m；降低机动车道纵断面高程以满足机动车道最小净空要求，保持非机动车道与人行道的高程与既有地面高程基本一致，以减少道路施工开挖对既有桥墩的影响。具体下穿横断面布置为：2.0 m（人行道）+3.5（非机动车道）+11.5 m（机动车道）+18.0 m（桥墩防护带）+11.5 m（机动车道）+ 3.5（非机动车道）+2.0 m（人行道）=52.0 m。

2.2 下穿结构

机动车道下穿主体部分采用现浇钢筋混凝土U型一体式结构。其主体结构采用C40防水混凝土，抗渗等级为P8。结构底板厚度40 cm，车行道外边缘设置40 cm×70 cm排水边沟。结构下部依次设置20 cm厚C15素混凝土垫层、和50 cm厚砂垫层。U型下穿结构断面开挖和钢筋混凝土浇筑，均需沿路线方向分段对称施工。

K0+370～K0+530、K0+560～K0+690为下穿高程渐变路段，本路段非机动车道与机动车道之间采用悬臂式钢筋混凝土挡土墙隔离，并在挡墙顶部设置钢结构隔离护栏。

图1 横断面结构图

2.3 地基处理与支护措施

车行道U型下穿结构的施工需对桥梁底部既有土体进行开挖，开挖最大深度约4 m，需穿透杂填土层进入淤泥层。如何最大限度地减小土体开挖对既有高速公路桥梁下部结构的影响，防止桥墩和桩基础因受力变化而产生侧向位移，保证高速公路既有桥梁的结构安全是此类工程的重点和难点。本文通过采取软土地基处理措施和开挖支护措施来解决此类问题。

2.3.1 软土地基处理

本路段软基处理方案需同时达到以下要求：处理方案必须采用振动较小的工艺，减小施工过程中对桥梁下部结构的振动和对淤泥层的扰动；既有地面距桥梁梁底高差在3.04～4 m，施工预留净空高度小，为保障软基处理施工中桥梁的安全，必须采用施工机械高度低于3 m的处理方案；处理方案需要能同时解决软基不均匀沉降和最大限度降低下穿结构的施工工后沉降的问题；为了降低开挖时淤泥的侧向挤压和流动，处理方案需能达到对软基整体固结的效果；在满足以上要求的前提下，尽可能地选用工期较短和噪声较低的处理方式。

综合考虑以上因素，本方案选用梅花状平面布置灌注高压旋喷桩的软土地基处理方式。

高压喷射注浆法是在灌浆法的基础上，应用高压水射流切割技术发展起来的一项新的地基处理技术。它与其他地基处理的方法相比，高压喷射注浆法具有适用范围广、施工便捷、占地少、振动小、噪声较低、耐久性较好等特点，是较为适合本次下穿位置的软基处理方式。

高压旋喷桩在土层中喷射注浆时，有一部分比较细小的土粒以“半置换”的方式被带出地面，其余土粒在高压喷射流的冲击力、离心力和重力等的共同作用下，经过重新排列，组合成具有特殊结构的固结体桩。它具有较高的强度，并且由于喷射流的脉动和提升速度的不均匀，其外形一般很粗糙，因此具有较大的承载力。一般来说，加固后的地基承载力与旋喷桩的强度、单桩承载力、桩间土的性质和面积置换率等因素有关。

本次高压旋喷桩的高压施工工艺采用单管法，单根桩直径准50 cm，等边三角形布置，桩间间距1.8 m，断面加固宽度为14.4 m，桩长6 m，施工需在道路双幅对称进行。施工参数需满足以下要求：灌浆压力≥22 MPa，流量30～40 L/min，喷射管的提升速度15～25 cm/min，水泥浆重度1.35～1.5 g/cm3，水泥用量>200 kg/m，水泥浆水灰比（0.8～1.5）∶1。单桩荷载试桩，要求单桩承载力不小于270 kPa。复合地基载荷试验，要求复合地基承载力不小于150 kPa。

2.3.2 支护措施

软基处理高压旋喷桩施工完毕后，下一步进行支护措施的施工。本项目支护措施采用在开挖断面两侧施打拉森钢板桩形成纵向连续的隔断支撑的方式，沉桩方式采用无振动、无噪的静压式。具体实施方案如下：

在下穿结构两侧距外侧桥墩间距6 m处，采用静压植桩机连续植入鞍Ⅳ型拉森钢板桩形成支护墙体，钢板桩单根桩全长12 m，受净空限制采用2 m分段连续焊接的形式，钢板桩开挖后入土深度不小于8 m。桩顶围囹采用两道HW350×350型钢型钢，横向支撑采用609 mm×19 mm圆型钢管，横撑间距为4 m。钢板桩沉桩施工需在路线左右双幅同时对称进行。施工垂直度偏差≤1/150。

简易施工工序如下：根据施工图及高程放设沉桩定位线→根据定位线控设沉桩导向槽→平整施工机械行走道路→沉设围护桩→将围护桩送至指定标高→焊接围囹支撑→基坑开挖→进行相关基坑施工→施工完成后拆除支撑围囹并对路面桩体外露部分进行切割掩埋。

2.4 对高速公路桥墩影响

下穿方案设计前，需委托有相应检测资质的单位对既有桥墩进行无损检测,内容包括桥墩铅垂度、混凝土强度和支座工作状况等；同时需收集原桥梁的施工图设计和竣工资料，一并作为此次设计计算的依据。

由于U型通道施工期间要对桥墩周边的土体进行开挖，对桥墩产生单侧附加土压力，将对桥墩的受力产生影响。根据设计和现场情况，施工过程对41#桥墩产生的侧向土压力最大，因此本次计算选取41#桥墩为验算对象。

根据公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D63-2007）[3]，按m法计算弹性桩水平位移及作用效应，简化计算说明步骤如下：

1）确定b1

因为d=1.8 m>1.0 m,根据公式（P.0.1-1）可得：

对于单排桩k=1.0,公式（P.0.1-3）;水平力作用面为圆形,桩形状换算系数kf=0.9；所以b1=1.0×0.9× (1.8+1)=2.52 m。

2）确定地基水平向抗力系数的比例系数m

根据地勘桩基处地质以淤泥、淤泥质土和粉质黏土为主，为非岩石地基，所以地基抗力系数随埋深成比例增大，基础水平向抗力系数Cz=m×Z，桩基计算深度hm=2×(d+1)=2×2.8=5.6 m。由地勘资料可知，在计算深度hm内土层为淤泥层，根据表P.0.2-1可得m=4 000 kN/m4;

3）确定桩基中桩的变形系数α

由公式（P.0.2-1）

4）计算荷载作用效应和位移(摘自公路桥涵地基与基础设计规范JTG D63-2007附录P)

依据表P.0.4计算单排桩受侧面力作用时：

桩基单侧最大开挖深度为2.5 m，桩侧土压力为(根据公路桥涵设计通用规范JTG D60-2004)：

根据设计图纸文件，每片T型中梁的重量为58.4 t，每片边梁的重量为58.3 t，每幅桥包含3片中梁和2片边梁，桥面铺装采用8 cm沥青混凝土和10 cm厚的混凝土铺装层。由公路-Ⅰ级荷载算得,每个墩的竖向荷载设计值为：

F=1.2×0.5×[10×(3×58.4+2×58.3)+25×(0.18×12× 30)+2×（280+10.5×30）]=3436.8 kN,根据公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）表4.3.11滑板摩擦系数取0.06，则每个墩的最大支座摩阻力F=0.06×3 436.8=206.2 kN。

同时考虑桩侧和桩顶位移时（取地面线处的截面作为计算截面，柱的自由部分长度取2 m）：

柱顶最大位移： 4）根据内力验算桩身强度和桩基裂缝宽度

①桩基属于压弯构件，在忽略钢筋受力偏安全计算的条件下，根据《材料力学Ⅰ》（高等教育出版社）构件压弯组合变形公式计算。截面最大压应力：

因此桩身强度满足设计要求。

②裂缝宽度验算

由《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》公式（6.4.5-2）得：[4]

ss=

根据公式第4款说明可不必验算裂缝宽度，所以桩身裂缝宽度满足不超过0.2 mm的要求。

综上所述，通过实施以上软基处理和支护措施后，U型下穿结构工程对营前特大桥的41#桥墩的影响较小，计算墩顶最大位移仅为2.59 cm，墩身强度满足设计要求，墩身不会出现宽度大于0.2 mm的裂缝，桥墩受力安全。

3 施工监测要求

施工过程中需对桥墩的变形（墩顶水平位移,桥墩沉降量等）进行监测。

在墩顶、底上、下游各设置1～2处测点，并测出相应坐标，施工中采用全站仪进行持续观测，连续两次观测墩顶水平位移大于1 cm，需通知设计方；墩顶水平位移总量大于2.59 cm，需停工并通知建设、设计方。研究分析原因，确定下一步的调整措施。在桥墩盖梁下、墩底上各设1～2处测点，采用精密水准仪测量测点标高，如出现垂直位移需及时通知设计方。

4 结语

随着“十三规划”纲要的确立，许多城市的规划建设将出现相应的调整，部分新区的建设和路网结构的调整将逐步显现，新建市政道路与现有桥梁之间将面临越来越复杂的立体交叉问题，这对市政路桥设计工作提出了更高的要求。本文以“净空不足的软土地基路段开挖通道下穿高速公路主线桥梁”为切入点，提出了此类问题的部分设计解决方案，在今后的工作中面对各类立体交叉问题应结合工程具体情况科学的分析研究，寻求更多先进、合理、经济的工程设计。

[1]孙铭心.高压旋喷桩工程特性研究[D].连理工大学,2000.

[2]孙晃.拉森钢板桩在某软土管道基坑支护中的应用[J].福建交通科技,2015(3)：56-57.

[3]中华人民共和国行业规范.JTG D63—2007,公路桥涵地基与基础设计规范[S].2007,9.

[4]中华人民共和国行业规范JTG D62—2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].2004,6.