岩溶地区中小跨径桥梁下部结构设计新思路

王如寒

（广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东 广州 510060）

0 引言

桥梁桩基在岩溶发育地区的设计与施工一直是工程的重点与难点[1]。《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）[2]中规定：桩端以下硬持力层厚度不宜小于3 d（d 为桩径）。若进岩深度为1 d（若上覆盖较深，淤泥层还需增加），总持力层厚度需要4 d。按此设计准则，当桩径为1.2 m 时，所需的持力层厚度为4.8 m，桩径越大，所需的持力层厚度越大[1]。这对岩面起伏较大的岩溶发育地区是很难满足的。此时加长桩基穿过溶洞，会大大增加投资而不经济，同时继续往下又有可能碰到溶洞不满足完整持力层厚度的情况[1]。加长桩基也会增大桩基的施工风险。稍不注意就会造成掉钻、卡锤、埋锤、漏浆、塌孔等事故发生，严重影响施工工期与桥梁运营安全。

在岩溶发育地区实际工程中，中小跨径桥梁桩基的受力并不大，往往不是桩基的受力控制桩长，而是岩溶发育情况和持力层厚度控制桩长。因此，本文提出，在岩溶发育地区，中小跨径桥梁的桩基能不能取消不做？将这个难题避而不谈，带来的效益是巨大的。于是本文以清远市X 号景观中桥为实例，提出新的桥梁下部结构设计模式，为同类型的桥梁下部结构设计提供一种新思路。

1 工程概况

清远市X 号景观中桥跨径为1×30 m，桥梁横断面布置为3 m（人行道）+2.5 m（非机动车道）+2.4 m（侧绿化带）+7.5（车行道）+9.9（车行道）+2.5 m（非机动车道）+3 m （人行道）=30.8 m。该桥有一定的景观要求，初始方案采用上承式拱桥，但由于该区域岩溶发育、地质条件差，做有推力的拱桥造价太高。经优化后，上部结构采用简支箱梁，外带拱形装饰，采用支架现浇法施工；下部结构采用扶壁台配双排直径1.2 m钻孔灌注桩，结构示意图如图1 所示。

图1 扶壁台配钻孔灌注桩结构横断面示意

根据地质勘察报告，场区上覆地层为第四系全新统人工填土层（Q4ml）、第四系河流相冲积层（Qal）、坡积层（Qdl）、残积层（Qel），基岩主要为三叠系小坪组（T3x）粉砂岩、泥质粉砂岩、砂砾岩、炭质页岩、页岩，石炭系（C）石灰岩。场区的不良地质现象主要为岩溶。场区揭露基岩为灰岩，溶洞发育。在目前自然状态下，溶洞暂时不会发生顶板坍塌现象，但部分溶洞顶板基岩厚度小于2.5 m，在外界动力作用和人为改造情况下易发生顶板坍塌的可能。并且溶洞存在相连通的可能，故其稳定性需要特别考虑。全桥共24 根桩基，钻孔采用一桩一钻，具有代表性的钻孔资料如图2 所示。

图2 钻孔资料（单位：m）

根据钻孔资料，标高在-32.9~-30.1 m 为全充填溶洞，-52.7~-34.7 m 为串珠状半充填溶洞，-52.7 m以下才是稳定的微风化石灰岩。若按摩擦桩设计，光靠溶洞上方土层提供的摩擦力不足以满足设计要求；按嵌岩桩设计，桩基需进入-52.7 m 埋深的微风化石灰岩1 倍桩径，桩底标高为-53.9 m，而桩顶标高为9.7 m，故设计桩长为63.6 m。全桥共24 根直径1.2 m 桩基，桩基C30 混凝土用量为1 726.3 m3。同时施工桩基前需对溶洞进行处理，对单层洞高小于3 m的溶洞采用片石黄泥、袋装水泥反复充填；单层洞高3~6 m 的溶洞采用低压水泥浆预处理；单层洞高大于6 m 的溶洞采用双液高压旋喷注浆预处理。根据钻孔资料，片石黄泥、袋装水泥设计用量为1 098 m3；低压水泥浆预处理设计用量为868 m3；双液高压旋喷注浆设计用量为5 488 m3。根据工程清单报价，溶洞处理费用高达980.8 万元。整个工程费用清单见表1。

表1 采用钻孔灌注钻的工程建安费

根据工程建安费报价，溶洞处理费用占整个工程建安费的52.4%。同时，溶洞处理工期长、难度大，实际施工中很容易出现掉钻、卡锤、埋锤、漏浆、塌孔等事故。如果仍按此设计施工，相当于花费巨大的时间、精力、金钱去打造一个黄金基础，而这个黄金基础上方放的却是一个简单便宜的现浇中小桥。这显然是非常不经济、不合理的。针对此现象，本文提出一种新思路：取消桩基的设计，改为扩大基础下部结构；避开溶洞处理，改为用水泥搅拌桩软基处理。

2 取消桩基的下部结构设计

扩大基础又称明挖扩大基础，属于浅基础，承受上部结构荷载，并通过底板直接传递给地基基础[3]。扩大基础比桩基与土体的接触面积更大，稳定性好，埋深较浅，施工相对简单，一般用于埋深较浅的岩石地区。若上部覆盖软弱土层，通常需要对地基进行加固处理，才能达到承载力、沉降等要求[3]。

通过水泥搅拌桩进行地基处理后的地基承载力一般情况下最大为180 kPa，故取消桩基后很重要的一点就是需要减小其基底应力，使之在180 kPa 以内。本文通过采用以下措施来优化设计：

（1）类比挡土墙墙趾墙踵的设计思路，将承台外挑长度加长。

（2）由于不再有桩基，承台厚度不再受制于拉压杆计算，以及《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363—2019） 中对承台厚度的构造要求。为减轻自重，将承台减小。

（3）类比箱涵的设计思路，通过将台身后压重的部分做成一个箱室的形状来减轻自重，箱室内用多道隔板来支撑其后侧的土压力。

（4）通过设置倒角来扩散应力。台身与承台连接部分设置倒角，直接承受土压力的侧板设置倒角，箱涵侧板与台身连接部分设置倒角。

优化后的下部结构示意图如图3 所示。

图3 取消桩基的下部结构横断面示意

优化结构的设计思路是，在细部尺寸满足受力要求的情况下，尽量减少基底所受的轴力和弯矩。

经过计算，基底所受轴力为15 377 kN；弯矩为1 235 kN·m；最大基底应力143 kPa，最小基底应力为126 kPa。

此外，还有两处细部构造值得注意。一是扩大基础桥台箱室外墙直接承担土压力作用，用中隔板的形式减小其受力。由于本桥台较高，受土压力作用时按双向板进行计算，尺寸和配筋满足受力要求即可。二是扩大基础桥台箱室顶板直接承担车辆荷载作用，同样按双向板进行计算，尺寸和配筋满足受力要求即可。

扩大基础桥台C40 用量共1 642 m3。软基处理采用1.2 m 间距的水泥搅拌桩施工，单根水泥搅拌桩按22 m 长计，要求处理后的的地基承载力不小于180 kPa。采用扩大基础桥台的工程建安费见表2。

表2 采用扩大基础桥台的工程建安费

相比于原先采用桩基础的设计，工程建安费减少了56.4%，约1 055 万元。同时降低了施工难度，加快了施工工期。

3 结语

（1）溶洞处理难度大、工期慢、费用高。在清远市X 号景观中桥的设计中，溶洞处理费用占整个工程建安费的52.4%。对于中小跨径桥梁，下部结构受力并不大，将桩基础改为扩大基础，省去繁杂的溶洞处理，使工程建安费大幅减少，经济效益明显，同时施工难度降低且加快了施工工期。

（2）在扩大基础桥台的设计中，创新性地借鉴挡土墙和箱涵的设计思路，通过加长承台外挑长度、增加箱室内隔板等方法减小基地应力，使结构安全可靠，为岩溶地区中小跨径桥梁下部结构的设计提供了一种新思路。