砌石拱桥水下沉箱基础加固设计

王 华， 陈 翀

[1.广东省建筑设计研究院有限公司， 广东 广州 510220;2.中铁二院(广东)港航勘察设计有限责任公司， 广东 广州 510700]

0 引言

砌石拱桥作为中国最为传统且最具特色的桥梁形式，具有良好景观效果的同时更是具有不可替代的历史意义。沉箱基础作为我国应用较早的基础形式，在20世纪70年代桩基础成为主流基础形式前一直被广泛应用于跨河砌石拱桥[1]。沉箱基础虽然具有刚度大、稳定性良好等优点，但一旦出现由于河床下切导致基础掏空的状况，沉箱的稳定性及承载能力都将大大减弱，最终导致砌石拱圈出现开裂变形，严重时甚至出现坍塌。

本文结合2019年广东省农村公路危桥改造项目中河源市新丰江桥的加固方案，提出利用微型注浆钢管桩对水下沉箱基础进行加固，可为保护具有一定历史意义的石拱桥提供参考。

1 桥梁概况

新丰江桥(见图1)位于河源市县道X153线，建于1965年，设计荷载为汽-15。桥梁构造形式为5×33.15 m浆砌块石拱桥，总长183 m，总宽9 m，拱圈净跨30.3 m，矢高5.96 m，主拱圈厚度1.1 m。下部结构为浆砌片石墩台，钢筋砼沉箱基础。

图1 新丰江桥

2008年发现桥梁3、4号桥墩存在严重河床下切及基础掏空现象，且沉箱基础局部出现裂缝。后对3、4号墩沉箱基础进行钢套箱整体外包混凝土加固，并对全桥进行抛石回填防冲刷处理。

2019年进行桥梁外观检测时未发现桥梁上部结构有明显结构性病害，但水下检测结果显示桥梁2、3号墩河床出现严重下切，且1、2号墩沉箱基础存在多处竖向裂缝(见图2)，部分延伸至河床。

图2 沉箱基础竖向裂缝

考虑到桥梁一直处于通行状态，且拱圈并无明显病害，同时该桥作为城市的地标性建筑，具有较好的景观效果及独特的历史意义，当地政府也希望保留该桥，故最终决定对桥梁进行加固改造。桥梁的加固方案主要有以下几个内容：①水下沉箱基础加固；②河床抛石回填；③拱圈注浆勾缝。加固设计方案如图3所示。

图3 新丰江桥加固设计图(单位： cm)

由于水下沉箱基础开裂为桥梁的主要病害，沉箱基础加固方案的合理性和可实施性直接决定了桥梁加固的效果。本文主要对沉箱基础的加固方案进行论述及计算分析。

2 水下沉箱加固方案

表1 水下基础加固常用方式对比加固方式原理局限性注浆法通过注浆提高地基承载能力水下注浆效果较难把控,且对于桥梁基础并无加强护坦法保护地基,防止冲刷仅针对冲刷进行防治,对于地基承载能力及桥梁基础均无加强增大截面法局部增大截面,提高承载能力并隔绝有害因素无法避免基础掏空的现象,且施工难度较大抬桩法转移旧基础荷载,提高整体承载能力施工期间扰动较大,且对于施工净空有较大要求

由于河流水深接近7m，拱脚处净空仅有3.8m，桥梁所处地质又存在4～6m厚的卵石层，不论采用何种加固方法，都将存在较大的施工难度及安全风险。考虑到项目对工期及资金的限制都较为严格，同时吸取08年桥梁3、4号墩沉箱基础采用增大截面法加固并抛填块石后依然出现沉箱底掏空的经验教训，本次沉箱加固的重点在于如何减少基底掏空对沉箱造成影响，最终决定采用微型注浆钢管桩抬桩法辅以注浆法进行加固。

沉箱基础加固主要分为4个步骤：①修补基础裂缝；②对桥墩、沉箱基础及砂卵石层地基进行注浆加固；③打设微型注浆钢管桩；④外包桥墩墩身并使其支承于钢管桩上。

2.1 修复基础裂缝

沉箱基础裂缝采用水下填缝的施工方式进行修补。通过水下蛙人配合，在沉箱裂缝处采用水下环氧砂浆进行填缝修补，待砂浆具有一定强度后方可进行下一步施工。

2.2 注浆加固

本工程中注浆加固分为墩顶钻孔注浆及基础顶面钻孔注浆2种，其目的在于：①提高墩身及基础强度，防止因后续施工中的扰动而造成损坏；②提高地基承载能力；③减少后续微型桩钻孔过程中出现塌孔的可能性。

沉箱基础加固设计如图4所示。墩顶钻孔注浆采用袖阀管注浆，直接从桥面钻孔至强风化岩层顶面，每个桥墩横桥向均布4个注浆孔。每个钻孔进行分4次注浆，首次注浆浆液采用P·O42.5水泥浆，注浆压力为0.6～0.8 MPa，注浆范围主要控制在墩身及沉箱基础；后续3次采用水泥浆-水玻璃双液浆，注浆压力为0.8～1.2 MPa，主要对河床砂卵石层地基进行注浆。2次注浆间应间隔充足时间，在上一次注浆浆液完全硬化前不得开始下一次注浆。

图4 沉箱基础加固设计图(单位： cm)

基础顶面注浆采用钢花管注浆，在沉箱顶面按间距1.5m排布一排注浆孔，钻孔时应注意避开沉箱内部隔板。注浆浆液采用水泥浆-水玻璃双液浆，注浆压力为0.8～1.2 MPa，主要对沉箱基础及砂卵石层地基进行补充注浆。

据施工单位反馈，墩顶注浆过程中可见墩身局部缝隙中有浆液析出，且在下一个注浆孔及微型桩取芯钻孔时可发现墩身、承台及地基中均有浆液分布，说明该注浆工法有效可行。

2.3 打设微型注浆钢管桩

微型注浆钢管桩具有施工机具轻便、施工净空要求小及对周边土体扰动小等特点，被广泛用于各种既有建筑基础加固[4-5]。由于桥梁拱脚处净空较小，同时为减少施工过程中对于基础的扰动，本次抬桩法加固中采用微型注浆钢管桩。

ACCF通过椎体次全切除，直接切除骨化物，从而达到脊髓直接减压的目的。手术效果较为确切，有利于维持及重建颈椎的稳定性。Fujimori等［25］通过对27例椎管狭窄率＞ 60%的OPLL患者进行≥2年的随访，结果显示，术前JOA评分平均为9.3分，末次随访时为12.4分，平均恢复率为53%。Kim等［26］认为对椎管狭窄率≥60%或在MRI上存在脊髓高信号的患者，采用ACCF治疗预后良好。

微型注浆钢管桩采用水上取芯钻孔的方式进行成孔，成孔深度按进入强风化层至少5m或进入中风化层至少1 m控制。成孔完成后，按每节3 m长分段压入钢管，分段接口位置进行满焊焊接，并焊接钢套筒进行保护。钢管设置完毕后吊放钢筋笼，并注意在钢筋笼上绑扎注浆管，随后投放级配碎石，最后采用100 mm厚钢板进行封端后利用预留的注浆孔注浆。注浆分为两次进行，首次按压力0.5 MPa进行注浆，静置至少30 min后按1.0 MPa压力进行二次注浆，浆液采用M30水泥砂浆。

由于桩体在水下自由长度达6.5 m，为提高桩体稳定性及承载能力，在水下约3m深度处利用H型钢及钢管夹片将钢管沿沉箱基础环向连接成整体，并用U型固定钢筋将其固定于沉箱表面。

图5 微型注浆钢管桩固定措施

2.4 外包桥墩墩身

对桥墩墩身采用钢筋砼进行外包，并按间隔0.3 m×0.3 m植筋，旧桥桥墩与外包砼连接成整体。1、2号墩外包砼底部设置为牛腿状，确保沉箱基础再次因河床冲刷而承载能力下降时，上部荷载能传递至微型钢管桩处。

3 桥梁计算

利用Midas Civil对桥梁进行建模计算(见图6)，计算的桥梁工况分为：①工况1：桥梁加固前，仅采用沉箱基础；②工况2：桥梁加固后，沉箱发生微量沉降，沉箱与微型桩开始共同受力；③工况3：桥梁加固后，沉箱出现严重沉降，不参与受力。各个工况中主梁挠度、沉箱地基承载力设计值及单桩承载能力设计值见表2。

图6 工况2桥梁计算模型

从表2中可以发现，工况2中由于在墩身进行了外包砼加固，故其沉箱底地基压应力比工况1增长了5%；工况2中沉箱外侧共46根微型桩轴压力值总和为3 675.4 kN，沉箱底地基压力值为42814.5kN，两者分别占压力值总和的8%及92%，微型桩受力较少。从工况3中计算结果中可以发现，当完全不考虑沉箱贡献后，微型桩单桩轴压力值上升至596.9 kN，且由于1、2号墩抗推刚度下降，主拱圈弯矩及挠度分别提高了13.9%及51.4%。

表2 桥梁计算结果计算结果第2跨主拱圈跨中弯矩/(KN·m)跨中轴力/KN拱脚弯矩/(KN·m)拱脚轴力/KN跨中挠度/mm1、2号墩沉箱底地基压应力/KPa微型桩轴压力/KN工况1-1 38212 511-4 76016 7197.5479.1—工况2-1 37312 512-4 75416 7197.4503.779.9工况3-1 56412 430-4 90216 69711.2—596.9 注:轴力以受压为正;弯矩以下方受拉为正。

由于在实际中沉箱与桥墩完全脱离的情况基本不可能发生，且盲目地提高微型桩单桩承载能力也会造成较大的资源浪费及施工难度。综合工程造价、工期等因素考虑，最终按微型桩与沉箱基础共同承受上部荷载设计，微型桩单桩承载能力设计值为500KN，此时沉箱底地基承载能力满足276.4KPa即可，仅为原沉箱底压应力值的57.7%。

4 桥梁加固前后对比

加固完成后再次对桥梁进行动静载试验，试验荷载按汽-15，与加固前试验结果对比如表3。

表3 桥梁加固前后动静载试验结果对比表检测项目跨中挠度/mm控制点应变卸载后应变残余值加固前1.33136加固后0.98131

从表3中可以发现，桥梁加固后跨中挠度减少26.3%；满载时应变相同，但卸载后应变在加固前仅能恢复50%，加固后则可恢复92.3%，说明桥梁在加固后处于较好的弹性工作状态。

5 结论

本文结合工程实际需求，提出了一种利用微型注浆钢管桩抬桩法对砌石拱桥沉箱基础进行加固的方法，并对其计算结果及加固前后数据进行分析，结果表明微型桩可承担42.3%的桥梁荷载。该方案主要具有以下优点：

1) 桩体采用微型桩，避免了拱脚处净空小的限制，且施工过程中对于现状拱桥的扰动较小。

2) 可以采用水上成桩工艺，施工过程中受水位及水流的影响小，且安全性更高。

3) 桩体受力随着沉箱基础受力减少而逐步增大，既能充分利用现有沉箱结构，又可防止沉箱因水流冲刷掏空造成承载能力急剧下降。

4) 加固后对于过水断面的影响较少，避免后续因河流流态改变而引起严重冲刷。