单孔桥梁优化设计为箱涵的应用

刘 明 华

(湖南省核工业地质局，湖南 长沙 410011)

1 韶河大桥优化为双孔箱涵

1.1 工程概况及地质情况

韶山核心景区外环公路是湖南省纪念毛泽东同志诞辰120周年重点工程项目，为老路改扩建项目，起止点为竹鸡塅，途经韶山、湘乡两市8个乡镇31个行政村，由四段组成，全长43.15 km。该项目线路长、工期紧，各段公路等级、路面宽度、路面结构等不尽相同、施工组织难度大，项目于2012年10月20日开工，2013年12月26日建成通车。该项目的韶河大桥于K34+714处跨越韶河，全长59.086 m，为单孔桥梁，桥面宽25 m，与桥梁相接的路基宽32 m，桥梁与河流右夹角为315°，为公路兼市政景观桥梁。桥台桩径为D180 cm，基岩为微风化白云岩，岩溶非常发育；桥台为组合式台，左右桥台沿路线方向错台10.5 m；上部构造为1-40 m预应力混凝土简支T梁。

1.2 本桥梁施工的难点

韶河大桥0号台和1号台均采用6根直径为180 cm的桩基础，桥址基岩为白云岩，岩石强度高，岩溶非常发育。

正式施工前，施工单位按要求对每个桩孔布设3个探溶钻孔补充勘查发现，岩溶情况比设计图纸描述的更加发育、复杂，尤其是1号台左幅2号桩基下岩面相差最大达24 m多，桩基成孔非常困难且钻孔时间长、桩基的垂直度控制难。不仅造价增加较大，而且工期无法保证。

1.3 优化设计后方案

为保证施工进度及通车时间、降低工程造价，施工单位果断提出将韶河大桥优化为双孔箱涵的方案。经业主单位、监理单位、设计单位、施工单位有关人员研究、比选确认将韶河大桥优化为2-6.0×5.0钢筋混凝土箱涵，长102.55 m，涵顶路基宽32 m。

该箱涵要求基底持力层的容许承载力不小于150 kPa，地基采用C30混凝土挤密桩进行处理；涵身按原河道中轴线布置，按斜交正做，减少阻水面积；在涵身中部(即中央分隔带下)连同基础设变形缝一道，两边每10 m设一道断缝，以更好地适应地基合理变形；进、出口两端通过扭坡墙与原有河道顺接；进口端涵身中墙浇筑成半圆弧形迎水面；涵顶超出路基范围的部分加以绿化处理，达到美观的效果。

箱涵采用就地浇筑工艺，全箱涵分两次浇筑，第一次浇筑至底板内壁以上30 cm，第二次浇筑剩余部分。

1.4 韶河大桥优化设计为箱涵的优点

1.4.1技术难度对比分析

箱涵相对桥梁减轻了结构物自重，充分发挥了箱涵结构整体性好及基底应力扩散好的特点，达到了通过利用现有地质条件满足结构物地基承载力的目的。通过设置挤密桩对基底进行处理，完全满足箱涵的地基承载力容许值要求；箱涵施工相对桥梁施工更简单、更安全。

1.4.2造价对比分析

原清单中韶河大桥实体工程造价为1 269万元，优化为箱涵后最终的造价为1 093万元，造价减少176万元(即14%)，经济效益明显。同时减少了预制场的设置，节约临时用地。

1.4.3工期对比分析

监理批准的实施性施工组织设计中，韶河大桥计划工期9个月，若按原方案施工，实际工期可能更长；而优化设计为箱涵后实际工期为4个月，工期足足缩短5个月(即56%)，为后续的路面工程、交安工程的合理施工赢得了充足的时间。

1.4.4安全、文明、环保措施对比分析

韶河大桥桩基施工时间较长，难度大，易发生塌孔、坠落孔洞、掉钻、起重伤害等意外事故；桩基施工的噪声、振动、挤土、泥浆等会对周围居民、河堤、环境造成一定的不良影响。而优化为箱涵施工相对简单，仅需要跟水利部门沟通好，枯水季节在河堤外侧临时改一道河道，改河断面设置为倒梯字形，在迎水面铺设雨布两层，人工码砌2 m高编织砂袋加固，以防冲刷，再进行明挖施工，安全隐患及对周围环境的影响均较少。

2 神告湖中桥改双孔箱涵

2.1 工程概况及地质情况

广东省龙川至怀集公路神告湖中桥中心里程桩号K40+462.000，位于河源市东源县船塘镇龙江村附近，跨越县道X166线。桥梁上部结构采用1×20 m装配式预应力混凝土箱梁，全桥共1联8片箱梁。本桥为等宽桥梁，单幅桥宽12.5 m，分幅布置。下部结构采用重力式桥台，钻孔灌注桩基础，设计桩径140 cm，桩长32 m～54 m，共计24根，总长度为1 120 m。桥址区属低侵蚀低丘工程地质亚区，第四系地层起伏较大，勘察区内无活动性断裂通过，区域地质稳定性较好，但桥址区分布岩溶。根据勘察资料分析，岩溶地层埋藏深度为地面20.30 m以下，溶洞高度为0.50 m～18.50 m，岩溶层数为2层～6层，成串珠状，一般有充填物，充填物为可塑状粉质粘土、砂砾，少量无充填或半充填。两侧桥头设置位置覆盖层上层为可塑～硬塑状粉质粘土，下层为硬塑～坚硬状粉质粘土，工程性质较好，地基承载力为180 kPa～240 kPa。

2.2 本桥梁施工的难点

神告湖中桥按原设计桥梁施工，会面临多个方面的施工难点，主要体现在桥址周边环境复杂，征拆协调难度大，岩溶地质条件下进行钻孔灌注桩施工，工期难以控制，安全、文明和环保问题对县道交通会造成一定的影响。

2.2.1进场施工时间推迟

涉及征拆问题多，协调难度大，桥梁0号台位置为船塘镇强记花木场苗圃，种植名贵植物，1号台为聚豪农家乐，征拆补偿代价高，协调难度大，迟迟未交地，不能进场施工。

2.2.2施工工期不可控

地质情况复杂，钻孔灌注桩最深达54 m，属深孔桩基，占总桩长的1/4，再加上岩溶复杂地层，施工难度进一步加大，风险高，不可确定因素多，施工工期难以控制。

目前岩溶地层桩基成孔仍是桩基施工中普遍存在的难题，一般在处理溶洞时，应根据实际情况和经验进行加泥浆、抛片石、埋置护筒等措施[1]。根据勘察资料提供的桥址岩溶情况，神告湖中桥钻孔灌注桩成孔过程中处置溶洞会导致整个桥梁施工周期长，施工成本高，而且如遇到不可预见的情况(如丢钻头、卡钻头、埋钻头)，处理起来特别复杂。外加桥址区周边环境的影响，桥梁桩基施工场地严重受限，无法通过增加施工机械的投入来加快施工进度，导致桩基施工工期不能准确预见和有效控制。

2.2.3文明施工与环保管理难度大

钻孔施工噪声大，影响时间长，且受施工场地限制，钻孔桩泥浆排放管理难度大。

2.3 优化设计后方案

在考虑到桥梁施工过程中会遇到诸多难点，同时为节约造价、缩短工期，施工单位提出桥梁改双孔箱涵的优化设计方案，经与业主、监理、设计和地方政府相关部门研究，各方一致同意把神告湖中桥优化设计为2-9 m×6 m箱涵。神告湖箱涵中心桩号为K40+457.5，第一象限交角为115°，箱涵总长度为35 m，具备通行兼排水功能。箱涵采用单箱双室框架断面，顶板及侧墙、中墙厚度80 cm，底板厚100 cm，单孔结构净宽9 m，净高6 m，采用C35混凝土浇筑，地基承载力容许值不小于250 kPa。

2.4 神告湖中桥优化设计为箱涵的优点

2.4.1技术难度对比分析

箱涵相对桥梁减轻了结构物自重，充分发挥了箱涵结构整体性好及基底应力扩散好的特点，达到了通过利用现有地质条件满足结构物地基承载力的目的。箱涵设置位置粉质粘土层覆盖最小厚度达20.3 m以上，上层粉质粘土为软～硬塑状，下层粉质粘土为硬塑～坚硬状，工程性质较好，通过对箱涵基底做适当的换填处理，完全满足箱涵的地基承载力容许值要求。箱涵施工相对桥梁施工简单，没有岩溶地层桩基施工风险大。

2.4.2造价对比分析

神告湖中桥造价约675万元，优化为箱涵后估算工程造价约385万元，造价减少290万元(即43%)，经济效益明显。

2.4.3工期对比分析

在不考虑钻孔灌注桩基础穿过溶岩层时遇到丢钻头、卡钻头、埋钻头等特殊事故情况下，神告湖中桥预计工期5个月，而优化设计为箱涵后工期为2个月，工期足足缩短3个月(即60%)，为后续工程的施工赢得了充足的时间。

2.4.4安全、文明、环保措施对比分析

一般情况下桥梁施工比箱涵施工的安全、文明和环保措施多。桥梁施工的安全、文明和环保措施主要体现在桩基施工、箱梁架设、桥面铺装和防撞护栏施工阶段。钻孔灌注桩施工时须对孔、泥浆池进行围闭，车辆走县道外运泥浆至弃土场；箱梁架设前须在跨县道处搭钢管棚，架设时协调当地交管部门对县道进行临时封闭交通；桥面铺装和防撞护栏施工时须做临边防护，协调当地交管部门安排专人指挥交通，防止水泥浆等坠落物给车辆、行人造成影响。箱涵施工面临的安全、文明和环保问题就少很多，造成的环境污染、交通干扰等影响也小很多。箱涵施工前，在红线范围内改移一段县道，避免了另外征地；基坑开挖完后做好安全支挡围闭，布置好交通指示牌，以减少现场施工与县道交通的互相干扰。

3 结语

通过上面的举例，韶河大桥和神告湖中桥优化设计为箱涵后，规避了地质条件复杂处桩基施工潜在风险，没有钻孔桩噪声、振动、泥浆排放对周围环境造成污染等问题。跨越道路时，交通疏导及交通管制相对简单，有利于交通疏导施工便道的规划及安全管控。桥梁优化为箱涵后，不仅节约大量工程投资，大大缩短了工期，确保了施工进度，具有良好经济效益和社会效益。

在各等级公路建设过程中，地质条件复杂、地基承载力低处设置桥梁跨越小型河道或低等级道路，或者因交地时间滞后，工期不能顺延时，可以通过将桥梁优化设计为箱涵，达到降低建设成本、加快工程进度、提高工程质量的目的。