山区复杂地形峡谷桥梁桩基及墩柱结构的施工技术

田世宽，李盼盼

（中交一公局第四工程有限公司，南宁 530033）

0 引 言

在桥梁的建设过程中，需要对桩基和墩柱进行重点监控管理，这是保证工程建造质量及其后期运营状态和使用寿命的重要步骤。随着交通基础设施建设力度的加大，高速公路、高速铁路逐步向山区、深山区延伸，桥位及桩位势必会面对越来越多的陡斜坡、滑坡体、泥石流等复杂多变的地形地貌，并遇到越来越多的地质灾害高发地区。在此种复杂地形、地质条件下如何保证桥梁的结构安全，是给工程技术人员提出的新问题，如需要思考选线、现场踏勘、地质调查、设计、施工控制等一系列新的研究方向和解决措施。

卜建清在结构时变理论的指导下，对风险分析与预防措施、结构设计、施工工艺、建模计算、试验研究、监测与控制、托换完成之后轻轨桥梁评估等环节的关键问题进行了比较系统的分析［1］。张时如在刚性地基与钢管群桩砾砂地基上进行考虑近场地震效应的低周反复荷载试验，对比分析了在2种情况下桥梁墩柱的抗震性能指标，发现土体的存在会减小地震对上部结构体系的作用，刚度退化、钢筋应变及结构体系的基本周期等方面也表明，按刚性地基假定设计的上部结构体系基本上会偏于安全［2］。王东然等以某交通改造工程中桥梁墩柱托换为例，对桩基托换施工工艺临时墩支撑体系、墩柱切割和施作支撑体系等关键技术以及在施工中建立监测项目的主要内容进行了研究［3］。石雪飞总结了在桥梁水下结构加固方面的研究成果和工程实践经验，对桥梁水下结构的管养需求、技术措施和一些在加固实践中研发的桩基加固技术进行概括，以实例形式阐述了桥梁下部墩柱防撞评估及加固设计方法［4－8］。

本文以实体工程为例，针对施工过程中出现的桥位处地形陡峭的山区破面或者破面荷载的情况，对其桩基、墩柱的设计和施工工艺以及运营过程中的病害处理措施进行详细阐述，希望对类似工程起到指导作用。

1 桥位处地形及地质调查

对桥位处是否处于滑坡体、泥石流及施工破坏可能会诱发新的地质灾害等情况进行调查和风险评估，现场地质水文、地形、地貌及施工破坏与水冲刷对地表的改变以及进一步对桥位及桥结构安全的影响也需要进行安全风险评估，对桥位、桩位地质、地勘资料的准确掌握，是桥位结构整体和局部安全的保证。

在设计选线时尽可能避开大的滑坡体、泥石流等地质灾害频发的地带，同时需要对地质进行判断，避开陡斜坡或因施工扰动等极易诱发地质灾害的地带，如实在避不开，则设计及施工方面就需要一系列强有力的工程措施，如选择大跨桥梁进行跨越。

一般桥位与沟谷有3种关系：一是正跨，纵向为陡斜坡；二是沿坡、沿沟或沿河，横向为陡斜坡；三是斜跨，桥位或桥墩纵向、横向、斜向为陡斜坡。

2 桩基及桩长设计的安全技术

当陡斜坡且桥位处于复杂地形、地貌等地质条件时，需要引入几个关键设计参数及控制指标，如有效桩长、最短安全桩长、安全襟边、有效入岩和嵌岩深度等。

2.1 有效桩长

有效桩长是指在结构计算时应扣除地表覆盖层（特别是松散体部分或其影响范围）后的实际桩长，比如：杂填土较厚的桥位区桩基需要考虑负摩擦力；含有古河床的黄土一旦遇到局部极端恶劣气候会被河水切割掏空，如陕西延延高速某桥梁；桥位跨越现有河床卵砾石层，设计为摩擦桩需要考虑局部极端暴雨对河床局部冲刷深度的影响，如西藏拉林高速曲尼帕特大桥等。如果设计地勘资料不详实，导致设计比较粗糙，且施工时没有及时发现和进行变更，就会留下永久隐患，更何况现在业主为了免责和控制投资一般不轻易同意变更，目前这类问题较多。

2.2 安全襟边

对于临空或悬崖绝壁或纵向、横向、斜向的陡斜坡桥位处的桩基、桥墩、桥台，必须考虑其安全襟边距离，特别是地面坡度陡于45°时。这里引入一个45°等腰直角三角形，有效桩长是一个直角边，另一个直角边就是安全襟边。以最陡一侧地面控制安全襟边，这个等腰直角三角形同时考虑了潜在的滑坡影响及范围，如果桩基底标高、桩长和安全襟边不满足这个等腰直角三角形的关系，就可能存在结构安全隐患，需要在施工时进行复核，及时向设计方、业主说明，进行变更处理。

2.3 有效入岩深度和嵌岩深度

在入岩深度或嵌岩深度方面，设计规范或施工规范给出了一个范围，比如控制在2.5～3倍桩径，这里一般是指平原或微丘陵地区，而对于山岭重丘区或复杂地质条件的陡斜坡桥位处则是不适用的，存在结构安全隐患，需要考虑墩高、覆盖层厚度、地形地貌和桩位地面陡斜坡坡度或桩长等，并应进行修订。这是因为，陡斜坡地形都存在滑坡或坍塌的风险，尽管看似稳定，一旦施工扰动就会导致地质灾害的发生或加剧。这里引入抗滑桩的设计理念，需要考虑自由段和锚固段，入岩深度应满足最小的锚固段长度的要求。建议根据实际地形和详实的地勘报告，做到一桩一设计和一墩一设计。

2.4 最短安全桩长

在复杂、陡斜坡地形桥位应引入一个最小直径、最短安全桩长的设计理念，综合考虑实际地形、地貌、地质、水文及施工平台和施工便道开挖对山体的扰动，在保证其安全襟边、有效桩长和最短入岩锚固长度的基础上，提出一个山区复杂地形、陡斜坡地区桥位有一个安全的设计最短桩长，同时也需要提出一个最小桩径的要求。

3 山区桩基施工主要控制技术

3.1 施工便道及施工作业平台控制

便道与工作平台的施工应与前期选线和现场踏勘相结合，并利用一些新的信息化手段，如无人机、倾斜测影等技术，这样可以实现便道及平台的施工优化和管理，规避便道及平台开挖引起的山体破坏或地质灾害，便于精细化设计、施工及环境保护。

3.2 桩基地系梁及墩台基坑开挖控制

山区特别是陡斜坡桥位处地系梁和墩台基坑开挖会形成较大的临空面，这样对山体及桥位稳定和安全不利，会诱发一些地质灾害，对此需要做一些技术研究。一是从设计上做一些优化，尽可能抬高地系梁或减少基坑开挖深度，以少扰动或不破坏山体稳定；二是确需开挖，则要采用配套的设计防护工程措施；三是加强施工控制，开挖及防护同步进行，实行施工动态管理。

3.3 桩基施工方式和施工工艺选择

在复杂地形、地质、水文条件下，如何合理和符合实际、因地制宜地选择桩基成孔方法和施工工艺是非常重要的，一旦选择不当就会留下极大的隐患。一般首先是挖孔桩成孔，只要解决好出渣和弃渣处理就会达到很好的效果；其次是修筑好施工便道，由于选择旋挖钻干孔成孔，同样是要解决好出渣和弃渣，以达到较好的效果；最后是不得以情况下选择冲孔成孔，这就需要解决泥浆的问题。这里挖孔桩和旋挖钻是最环保的施工方法和施工工艺。

3.4 桩基和墩柱偏位控制技术

在山区陡斜坡复杂地形、地质条件下，不管采用何种方法和工艺成孔，很难避免地表覆盖层沿陡斜坡滑移导致桩基偏位，一旦没有及时发现就很容易造成墩柱偏心和偏位，给桥梁结构安全留下极大的隐患。因此，需要采用以下几个关键控制技术。

（1）在桩基成孔过程中定期进行桩基偏位检查和复核。

（2）在钢筋笼下放和就位后，加强桩基钢筋笼偏位复核和检查，然后必须对钢筋笼进行定位和固定，避免在桩基混凝土灌注过程中钢筋笼再次偏心和偏位。

（3）在墩柱施工前必须再次进行偏心和偏位复核，视实际情况及时进行纠偏，不要等到墩柱施工完成后才发现偏位。目前这类问题较多，一般按质量通病去对待和处理。

3.5 桩基出渣及弃渣场的选择和施工技术

桩基出渣及弃渣场乱堆乱放，很容易引发桥位处陡斜坡地表的滑塌，进一步加剧地质灾害的发生，一旦遇到极端恶劣气候或地震等，就很容易诱发和启动地质灾害，从而给桥梁结构安全留下永久的隐患。弃渣场选择不当也会对既有结构物、桥梁、路基等形成推移、滑坡、偏压，最后导致桩基偏位或剪断，直接影响桥梁结构安全。

4 山区复杂地形桥梁常见病害

（1）地震、滑坡、泥石流、坍塌和易发生的滚石、落石等地质灾害对桥位、桥墩及桥梁结构产生影响和破坏，均需进行危险性风险分析和评估，并从设计开始采取措施，施工期需进一步评估和处治，在营运阶段加强监测和监控并加大养护力度。

（2）弃渣场或其他临近施工对既有桥梁、墩柱产生偏压、挤压和推移等导致结构产生影响和破坏。

（3）施工过程中桩基偏位、墩柱偏位等为结构带来安全隐患或产生破坏。

（4）大纵坡、曲线桥预制梁等梁底楔形块设置不当，或没有考虑对支座产生的偏压、脱空、剪切破坏，会使墩柱产生偏位，最后对结构产生影响及破坏。

（5）大纵坡、曲线桥等高墩桥梁结构设计不合理，对高墩产生较大的推力或偏压，导致高墩出现偏位等，对结构产生影响或破坏。如支座设计、设置、安装不当，或墩梁固结设计不当，或没有考虑对局部个别高墩产生的较大水平推力，在温度变化、环境变化、基础变化时会导致高墩出现偏位而形成结构安全隐患。

5 山区复杂地形桥梁病害应对措施

（1）加强地质、地形及选线调查和比选，加强地勘工作，对于陡斜坡地形桥位应尽可能地将地勘资料做到详实准确。

（2）前期进场加强设计图复核和现场桥位踏勘，必要时做一些地质补充勘探，及时优化和补强设计。

（3）施工过程加强施工工序及施工工艺精细化管理，如桩基和墩柱施工偏位控制、梁底楔形块设置控制、支座安装检查及控制等。

（4）加强运营阶段对复杂地质条件下特殊结构和陡斜坡桥梁的监测和养护管理。

6 结 语

（1）在设计选线时，应对地质进行判断，避开滑坡体、泥石流、陡斜坡或因施工扰动等极易诱发地质灾害的地带，可选择大跨桥梁进行跨越。

（2）在陡斜坡及桥位处于复杂地形、地貌条件下，关键设计技术参数及控制指标包括：有效桩长、最短安全桩长、安全襟边、有效入岩和嵌岩深度等。

（3）在桩基成孔过程中定期进行桩基偏位检查和复核。在钢筋笼下放和就位后，对钢筋笼进行定位和固定。在墩柱施工前必须再次进行偏心和偏位复核，及时纠偏。

（4）施工过程加强桩基和墩柱施工偏位控制、梁底楔形块设置控制、支座安装检查及控制，以及陡斜坡桥梁的监测和养护管理。