城市立交桥桥墩保护方案研究

汪舟，唐文元，尹万杰，管文中

1.中国市政工程中南设计研究总院有限公司厦门分院，福建厦门，361006； 2.中国市政工程中南设计研究总院有限公司福建分院，福建福州，350001； 3.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉，430014

0 引言

立交桥是城市发展建设中的一项重要基础设施，其与交通、空间布局及利用、环境等均有一定的联系。因此对城市立交桥的设计以及施工质量提出更高的要求，而在实际施工过程中，立交桥桥墩作为主要的受力部位，直接关系到桥体的稳定性和使用性能。为此针对具体工程开展规划和安排时，应当注重对桥墩的保护，通过制定科学合理的保护方案，以此提高工程建设效果，切实发挥城市基础设施的功能和作用。并有利于加快工程施工效率，降低风险事故发生率[1-3]。

1 工程概况

1.1 立交桥概况

疏港路-湖滨北路口立交工程位于厦门本岛西部，包括南北方向的主线桥，北东方向的A匝道桥、东南方向的B匝道桥、连接A、B匝道桥与湖滨北路的C匝道桥。A匝道桥长410.554m，宽度8m；B匝道桥长239.0m，宽度8m；见图1。工程在2006年施工完成并一直使用至今。在使用过程中，现状桥墩PA10~PA12、PB6~PB8也均位于海域中，承台顶高程为0.0m~1.0m。设计标准：道路等级、城市主干道匝道；设计车速：30km/h；设计荷载：城-A级；匝道宽度：8m；安全等级：二级。

1.2 筼筜湖第二排涝泵站及西堤闸工程

（1）工程概况。项目建设用地位于筼筜湖西堤北端、现有西堤闸闸址的外侧，西侧为厦门西海域，东侧为筼筜湖。总用地面积11341.00m2（水域9393.728m2，陆地1947.068m2），见图2。

（2）工程施工与桥墩的影响关系。本工程采用围堰施工，对桥墩所在水域干作业，跟本工程相关的为位于筼筜湖水域的A、B匝道桥。工程平面见图3，A、B匝道桥开挖立面见图4及图5。

2 桥墩保护方案

2.1 桥墩与基坑关系

现状桥梁的PA10~PA12、PB6~PB8桥墩位于开挖的基坑内，全部为端承桩，桩长大于等于15米，桩基持力层为中风化凝灰岩。本工程建成后，PA10、PA11、PB6、PB7位于泵站出水区域，PA12、PB8位于泵站纳潮闸进口端。PA5桩长39m，为摩擦桩，持力层为强风化凝灰岩，桥墩位于新建的护岸挡墙支护后面。PA6~PA9、PB5位于现状海湾公园堤岸内，位于泵站施工基坑外侧。其中PA6~PA8为摩擦桩，持力层为强风化凝灰岩。PA9、PB5为端承桩，持力层为中风化凝灰岩。见表1。

由表1知，①PA5号墩距基坑边距离小且支护高度高，须进行单独分析；②PA12、PB8号墩围护桩外取土1.4m、PB7桩基周边均匀取土0.4m，对桥墩影响可忽略；③PA10号墩支护结构及地质条件与桥墩差别较大，须进行单独分析；④PB6、PA11号墩围护结构相同，桥墩与基坑变距相同，地质条件相近，取其中开挖深度最深，条件最不利的PB6号墩进行分析计算；⑤PA9、PA8、PB5号墩支护结构相同，地质条件相近，取其中基坑深度最深、桥墩离基坑边距离最小的PA9号墩进行分析计算。⑥PA6、PA7号桥墩支护结构相同，地质条件相近，取其中基坑深度最深、桥墩离基坑边距离最小的PA6号墩进行分析计算。故本次评估须进行详细分析计算的桥墩为PA5、PA6、PA9、PA10、PB6号墩。

表1 立交桥桥墩桩基与基坑位置关系表

2.2 基坑开挖对邻近桩基的影响分析

（1）基坑开挖深度的影响分析。基坑的开挖相当于卸除荷载，很显然，基坑开挖的深度所卸除的荷载对周围土体的影响不同。根据相关研究表明，在既有构造物周围进行的开挖深度较小时（一般是3米以内），基坑的开挖对邻近桩基的安全一般不会构成威胁。随开挖深度的增加，邻近桩产生的水平位移和弯矩都会增加。当桩底的约束较小时，最大位移总是出现在桩头处。当邻近桩的布置形式为双排桩时，前后排桩的位移差距不大，但前排桩的弯矩明显大于后排桩。最大弯矩基本上与开挖面在同一水平面上。

（2）基坑围护结构的影响分析。当基坑的围护结构为支护桩时，支护桩的刚度越大，邻近桩的弯矩和位移越小。但当支护桩刚度很小时，邻近桩的位移很大，变化幅度很大。当基坑的围护结构为围护面墙时，对于受土体位移作用的被动桩来说，围护面墙能够大量减少土体的侧向位移，从而减小桩基础因土体水平位移而产生的位移和弯矩。

（3）邻近桩基距基坑开挖面距离的影响分析。很明显，邻近桩桩身位移和弯矩随着距开挖面距离的增大而减小，位移和弯矩都迅速减小。若其距离大于基坑开挖影响土体范围外时，则邻近桩基不受影响。

（4）邻近桩桩长的影响分析。邻近桩长的大小对桩本身的位移和弯矩有很大影响。当桩长小于基坑深度时，最大弯矩出现在桩的中间处，桩的水平位移随桩的增长而减小[4]。当桩长大于基坑深度时，桩的水平位移随桩的增长会出现先增大后减小的特征，而最大弯矩出现的位置与基坑深度基本保持一致。

2.3 桥墩保护方案

根据本工程的实际情况，对现状匝道桥有影响的桩基为PA5~PA12、PB5~PB8桥墩，其中PA10~PA12、PB6~PB8均为端承桩，桩长为15~25米，桩基持力层为中风化花岗岩层；PA5为摩擦桩，桩长39米，桩底持力层为强风化凝灰岩。针对上述桩基，分别采用不同的保护方案：

（1）PA12、PB8位于工程护岸结构内，不位于水流作用区，桩基所在区域土体不扰动，结合护岸的实施，在桩体外侧实施钻孔灌注桩，桩径0.8m，桩长12m，桩底位于强风化凝灰岩。支护桩外侧取土深度最大1.4m。见图6。

（2）PA10、PB6位于工程出水口的护岸结构内，为保证桩基不受水利冲刷，沿水流方向实施护岸结构（采用钻孔灌注桩），将桩基和承台包在结构体内，避免对桩基区域土体造成扰动。由于PA10基坑较深，桩顶位移较大，设计考虑将承台四周均打灌注桩，并在后面打高压旋喷桩加固土体。桩径0.8m，桩长15m，桩底位于强风化花岗岩层。PA10号墩外侧最大取土深度为4.0m，PB6号墩靠近PA10号墩处最大取土深度4.0m，其北侧取土深度1.8m。见图7。

（3）PA11两侧均为工程出水口，为保证桩基不受水利冲刷，沿两侧水流方向实施护岸结构（采用钻孔灌注桩），将桩基和承台包在结构体内，避免对桩基区域土体造成扰动。桩径0.8m，桩长12m，桩底位于强风化凝灰岩。桥墩南侧及东侧最大取土深度2.6m，北侧及西侧最大取土深度0.4m。见图8。

（4）PB7现状就位于水域，使用环境在工程实施前后基本无变化，出水口水流经过闸口区域后，水流平缓。查阅了桥墩原设计的使用条件、同时结合现场情况看，使用条件无变化、水流条件基本无变化，此桥墩本次设计暂不考虑保护。

（5）PA5桥墩为A匝道桥第二联（33+41+33）m钢箱梁设置固定支座的中墩，根据竣工图及相关变更资料显示，该桥墩在设计及施工时均有考虑西堤石拱涵改造的影响，桩基长度及桩基钢筋均有进行加强及加长。本次桥墩保护方案的思路为采用双排钻孔灌注桩进行防护，同时采用旋喷桩对桥墩周围的素填土及杂填土层进行土体固化，以最大程度地降低西堤石拱涵拆除时引起的桥墩周围土压力不平衡影响[5]。PA5桥墩现状位于地面、临近水面，现需在其附近处修建护岸和跨越水面的交通桥。在实施交通桥梁的桥台时，需在现状地面挖约2m基坑（挖除为杂填土）来实施桥台盖梁，此处桥墩为摩擦桩，经核算开挖后桥墩承载力仍满足要求，但需避免对桩周土体造成扰动，本次对桩体周边结合护岸采用双排钻孔灌注桩防护，同时采用旋喷桩对桥墩范围内土层进行加固。见图9。

2.4 基坑稳定计算

根据本工程的实际情况，对现状匝道桥有影响的桩基为PA5~PA12、PB5~PB8桥墩。其中PA5号墩距基坑边距离小且支护高度高，须进行单独分析；PA12、PB8号墩围护桩外取土1.4m、PB7桩基周边均匀取土0.4m，对桥墩影响可忽略；PA10号墩支护结构及地质条件与桥墩差别较大，须进行单独分析；PB6、PA11号墩围护结构相同，桥墩与基坑变距相同，地质条件相近，取其中开挖深度最深、条件最不利的PB6号墩进行分析计算；PA9、PA8、PB5号墩支护结构相同，地质条件相近，取其中基坑深度最深、桥墩离基坑边距离最小的PA9号墩进行分析计算；PA6、PA7号桥墩支护结构相同，地质条件相近，取其中基坑深度最深、桥墩离基坑边距离最小的PA6号墩进行分析计算。

故本次分析计算的桥墩为PA5、PA6、PA9、PA10、PB6号墩。由于项目内桥墩周边实际取土深度不大，本次评估采用理正深基坑7.0PB4软件结合相关计算分析，对PA5、PA6、PA9、PA10、PB6号墩处支护结构进行理论计算分析。

3 桥墩保护计算分析方案

3.1 PA5号墩防护结构计算分析

（1）桩基承载力计算。根据立交桥设计单位提供的上部计算结果，PA5在上部荷载作用下，桩顶的竖向力为Pmax=5314kN。

表2 立交桥桩基承载力计算表

接表2

根据桥位附近的钻孔，对PA5桩基的承载力进行核算。桩基长度按39m考虑，地质堪孔中，上部的杂填土和素填土共13.4m厚度不考虑对桩基提供承载力，仅下部5.2m全风化土层、8.3m强风化土层、12.1m强风化凝灰岩对桩基提供承载力。计算模式为摩擦桩，桩顶竖向力为5314kN，2.0m桩基，公式为：

[Ra]=1/2*3.14*2.0*(5.2*70+8.3*90+12.1*120)+1/4*3.14*4.0*qr

其中：qr=0.7*0.7*(800+5*18*(29-3))= 1666kPa。因此：[Ra]=8052+4833=12885kN。桩基受力：P=5314+786（桩基上部10m自重）+1139（桩基下部自重）=7239kN[Ra]＞P，桩基承载力满足要求。

（2）支护结构计算，见图10。

计算结构如下，见图11、图12、图13。

（3）抗倾覆稳定性验算。双排对前趾的抗倾覆稳定性验算（抗倾覆安全系数，一级结构，不小于1.25），抗倾覆稳定性系系数计算为KQ=3.956＞=1.25，满足规范要求。

（4）整体稳定验算，见图14。整体稳定安全系数Ks=5.213＞1.35，满足规范要求。

（5）抗隆起验算，见图15。支护底部，验算抗隆起如下。Ks=15.080≥1.800，抗隆起稳定性满足。Ks=(20.629×20.200×18.401+38.000×30.1 4)/(20.109×(5.600+20.200)+65.626)=15.080。

3.2 PA6、PA9、PA10、PB5号墩防护结构计算分析

根据PA5同样的计算方式，对PA6、PA9、PA10、PB5号墩防护进行计算分析，结果见表3。

表3 PA6、PA9、PA10、PB5号墩验算结果

3.3 桥墩保护计算分析总结

由计算结果知，桥墩围护结构抗倾覆稳定验算、整体稳定验算、抗隆起验算均满足规范要求。根据计算数据，结合相关成功工程案例，及立交桥原设计单位提供数据，桥墩及其围护结构变形分析如下：

（1）PA5号墩桩基为摩擦桩，桩径1-φ2.0m，桩长39m，采用三排桩支护，桩中心距基坑边最垂距2.9m，支护结构最大悬臂高度8.6m，基坑底实际取土仅0.6m，支护结构主要承受原PA5号墩南侧拱涵拆除后的台后土压力。设计中，采用10m长的800@600双重管高压旋喷桩固化台后及PA5号墩周围土层。经计算分析，按桥墩桩基上部的杂填土和素填土共13.4m厚度不考虑对桩基提供承载力，桩基承载力/桩基受力= 12885kN/7239kN=1.78，承载力富余量大，且基坑底实际取土深度小，地基经历多年已稳定，固本桥墩的沉降或隆起可忽略；支护结构最大水平位移为7.1mm，根据支护结构周边土体变化规律，PA5号墩桩基水平位移会小于7.1mm，满足桥梁原设计单位提出的桥墩桩基位移小于10mm控制值要求。

（2）PA6号桥墩桩基为摩擦桩，桩径1-φ2.0m，桩长46m，采用双排桩支护，桩中心距基坑边最垂距7.2m，支护结构最大悬臂高度8.4m，支护结构主要承受PA6号墩北侧挡墙拆除及支护结构北侧土体卸载后的岸上土侧压力。经计算分析，按桥墩桩基上部可能受扰动的杂填土和素填土共13.4m厚度不考虑对桩基提供承载力，桩基承载力/桩基受力=12885kN/7239kN=1.78，承载力富余量大，固本桥墩的沉降或隆起可忽略；支护结构最大水平位移为8.2mm，满足桥梁原设计单位提出的桥墩桩基位移小于10mm控制值要求。

（3）PA9号墩桩基为端承桩，桩径1-φ1.8m，桩长30m，采用φ1.0m钢筋砼支护桩+2道内支撑支护，桩中心距基坑边最垂距4.7m，支护结构最大悬臂高度9.3m，支护结构主要承受PA9号墩西及北侧土体卸载后的岸上土侧压力。经计算分析，桥墩桩基为端承桩，桩基上部土体扰动对其竖向承载力影响不大，固本桥墩的沉降或隆起可忽略；支护结构最大水平位移为1.12mm，满足桥梁原设计单位提出的桥墩桩基位移小于10mm控制值要求。

（4）PA10号墩桩基为端承桩，桩径2-φ1.5m，桩长20m，采用φ0.8m钢筋砼双排桩支护，桩中心距基坑边最垂距3m，支护结构最大悬臂高度4.5m。设计基坑开挖过程中，均匀卸载支护桩四周土体，卸土深度不超过4.0m，使基坑四周土体处于同一水平面。经计算分析，桥墩桩基为端承桩，桩基上部土体扰动对其竖向承载力影响不大，固本桥墩的沉降或隆起可忽略；支护结构最大水平位移为9.3mm（未考虑支护桩南侧土体加固减荷作用），能满足桥梁原设计单位提出的桥墩桩基位移小于10mm控制值要求。

（5）PB6号墩桩基为端承桩，桩径2-φ1.5m，桩长18m，采用φ0.8m钢筋砼单排桩支护，桩中心距基坑边最垂距3m，支护结构最大悬臂高度3.7m。设计基坑开挖过程中，均匀卸载支护桩四周土体，卸土深度不超过1.8m，使基坑四周土体处于同一水平面。经计算分析，桥墩桩基为端承桩，桩基上部土体扰动对其竖向承载力影响不大，固本桥墩的沉降或隆起可忽略；在不考虑底板及格埂支铰的情况下，支护结构最大水平位移为8.5mm，能满足桥梁原设计单位提出的桥墩桩基位移小于10mm控制值要求。

3.4 水利流场分析

PA10~PA12、PB6~PB8桥墩增设线性防护结构后排洪道水力流场见图16、图17、图18。

由图16、图17、图18知，增设桩基防护后，排水闸流场平顺，无明显滞留、回旋带。

4 结语

项目施工期受影响桥墩为PA5~PA12、PB5~PB8桥墩。项目建成后PA5~PA10、PA12、PB5、PB6、PB8桥墩均位于永久的护岸结构内，跟闸孔和水流隔绝，项目运行对其安全无影响；PA11桥墩外围的支护桩防护也为永久结构，施工完成不拆除，项目运行对其也无影响；PB7桥墩的使用条件在工程运行前后无变化，安全也无影响。固项目建成后对桥墩安全影响不大，风险可控。