王 華， 陳 翀

[1.廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司， 廣東 廣州 510220;2.中鐵二院(廣東)港航勘察設(shè)計有限責任公司， 廣東 廣州 510700]

0 引言

砌石拱橋作為中國最為傳統(tǒng)且最具特色的橋梁形式，具有良好景觀效果的同時更是具有不可替代的歷史意義。沉箱基礎(chǔ)作為我國應用較早的基礎(chǔ)形式，在20世紀70年代樁基礎(chǔ)成為主流基礎(chǔ)形式前一直被廣泛應用于跨河砌石拱橋[1]。沉箱基礎(chǔ)雖然具有剛度大、穩(wěn)定性良好等優(yōu)點，但一旦出現(xiàn)由于河床下切導致基礎(chǔ)掏空的狀況，沉箱的穩(wěn)定性及承載能力都將大大減弱，最終導致砌石拱圈出現(xiàn)開裂變形，嚴重時甚至出現(xiàn)坍塌。

本文結(jié)合2019年廣東省農(nóng)村公路危橋改造項目中河源市新豐江橋的加固方案，提出利用微型注漿鋼管樁對水下沉箱基礎(chǔ)進行加固，可為保護具有一定歷史意義的石拱橋提供參考。

1 橋梁概況

新豐江橋(見圖1)位于河源市縣道X153線，建于1965年，設(shè)計荷載為汽-15。橋梁構(gòu)造形式為5×33.15 m漿砌塊石拱橋，總長183 m，總寬9 m，拱圈凈跨30.3 m，矢高5.96 m，主拱圈厚度1.1 m。下部結(jié)構(gòu)為漿砌片石墩臺，鋼筋砼沉箱基礎(chǔ)。

圖1 新豐江橋

2008年發(fā)現(xiàn)橋梁3、4號橋墩存在嚴重河床下切及基礎(chǔ)掏空現(xiàn)象，且沉箱基礎(chǔ)局部出現(xiàn)裂縫。后對3、4號墩沉箱基礎(chǔ)進行鋼套箱整體外包混凝土加固，并對全橋進行拋石回填防沖刷處理。

2019年進行橋梁外觀檢測時未發(fā)現(xiàn)橋梁上部結(jié)構(gòu)有明顯結(jié)構(gòu)性病害，但水下檢測結(jié)果顯示橋梁2、3號墩河床出現(xiàn)嚴重下切，且1、2號墩沉箱基礎(chǔ)存在多處豎向裂縫(見圖2)，部分延伸至河床。

圖2 沉箱基礎(chǔ)豎向裂縫

考慮到橋梁一直處于通行狀態(tài)，且拱圈并無明顯病害，同時該橋作為城市的地標性建筑，具有較好的景觀效果及獨特的歷史意義，當?shù)卣蚕ＭＡ粼摌?，故最終決定對橋梁進行加固改造。橋梁的加固方案主要有以下幾個內(nèi)容：①水下沉箱基礎(chǔ)加固；②河床拋石回填；③拱圈注漿勾縫。加固設(shè)計方案如圖3所示。

圖3 新豐江橋加固設(shè)計圖(單位： cm)

由于水下沉箱基礎(chǔ)開裂為橋梁的主要病害，沉箱基礎(chǔ)加固方案的合理性和可實施性直接決定了橋梁加固的效果。本文主要對沉箱基礎(chǔ)的加固方案進行論述及計算分析。

2 水下沉箱加固方案

表1 水下基礎(chǔ)加固常用方式對比加固方式原理局限性注漿法通過注漿提高地基承載能力水下注漿效果較難把控,且對于橋梁基礎(chǔ)并無加強護坦法保護地基,防止沖刷僅針對沖刷進行防治,對于地基承載能力及橋梁基礎(chǔ)均無加強增大截面法局部增大截面,提高承載能力并隔絕有害因素無法避免基礎(chǔ)掏空的現(xiàn)象,且施工難度較大抬樁法轉(zhuǎn)移舊基礎(chǔ)荷載,提高整體承載能力施工期間擾動較大,且對于施工凈空有較大要求

由于河流水深接近7m，拱腳處凈空僅有3.8m，橋梁所處地質(zhì)又存在4～6m厚的卵石層，不論采用何種加固方法，都將存在較大的施工難度及安全風險?？紤]到項目對工期及資金的限制都較為嚴格，同時吸取08年橋梁3、4號墩沉箱基礎(chǔ)采用增大截面法加固并拋填塊石后依然出現(xiàn)沉箱底掏空的經(jīng)驗教訓，本次沉箱加固的重點在于如何減少基底掏空對沉箱造成影響，最終決定采用微型注漿鋼管樁抬樁法輔以注漿法進行加固。

沉箱基礎(chǔ)加固主要分為4個步驟：①修補基礎(chǔ)裂縫；②對橋墩、沉箱基礎(chǔ)及砂卵石層地基進行注漿加固；③打設(shè)微型注漿鋼管樁；④外包橋墩墩身并使其支承于鋼管樁上。

2.1 修復基礎(chǔ)裂縫

沉箱基礎(chǔ)裂縫采用水下填縫的施工方式進行修補。通過水下蛙人配合，在沉箱裂縫處采用水下環(huán)氧砂漿進行填縫修補，待砂漿具有一定強度后方可進行下一步施工。

2.2 注漿加固

本工程中注漿加固分為墩頂鉆孔注漿及基礎(chǔ)頂面鉆孔注漿2種，其目的在于：①提高墩身及基礎(chǔ)強度，防止因后續(xù)施工中的擾動而造成損壞；②提高地基承載能力；③減少后續(xù)微型樁鉆孔過程中出現(xiàn)塌孔的可能性。

沉箱基礎(chǔ)加固設(shè)計如圖4所示。墩頂鉆孔注漿采用袖閥管注漿，直接從橋面鉆孔至強風化巖層頂面，每個橋墩橫橋向均布4個注漿孔。每個鉆孔進行分4次注漿，首次注漿漿液采用P·O42.5水泥漿，注漿壓力為0.6～0.8 MPa，注漿范圍主要控制在墩身及沉箱基礎(chǔ)；后續(xù)3次采用水泥漿-水玻璃雙液漿，注漿壓力為0.8～1.2 MPa，主要對河床砂卵石層地基進行注漿。2次注漿間應間隔充足時間，在上一次注漿漿液完全硬化前不得開始下一次注漿。

圖4 沉箱基礎(chǔ)加固設(shè)計圖(單位： cm)

基礎(chǔ)頂面注漿采用鋼花管注漿，在沉箱頂面按間距1.5m排布一排注漿孔，鉆孔時應注意避開沉箱內(nèi)部隔板。注漿漿液采用水泥漿-水玻璃雙液漿，注漿壓力為0.8～1.2 MPa，主要對沉箱基礎(chǔ)及砂卵石層地基進行補充注漿。

據(jù)施工單位反饋，墩頂注漿過程中可見墩身局部縫隙中有漿液析出，且在下一個注漿孔及微型樁取芯鉆孔時可發(fā)現(xiàn)墩身、承臺及地基中均有漿液分布，說明該注漿工法有效可行。

2.3 打設(shè)微型注漿鋼管樁

微型注漿鋼管樁具有施工機具輕便、施工凈空要求小及對周邊土體擾動小等特點，被廣泛用于各種既有建筑基礎(chǔ)加固[4-5]。由于橋梁拱腳處凈空較小，同時為減少施工過程中對于基礎(chǔ)的擾動，本次抬樁法加固中采用微型注漿鋼管樁。

ACCF通過椎體次全切除，直接切除骨化物，從而達到脊髓直接減壓的目的。手術(shù)效果較為確切，有利于維持及重建頸椎的穩(wěn)定性。Fujimori等［25］通過對27例椎管狹窄率＞ 60%的OPLL患者進行≥2年的隨訪，結(jié)果顯示，術(shù)前JOA評分平均為9.3分，末次隨訪時為12.4分，平均恢復率為53%。Kim等［26］認為對椎管狹窄率≥60%或在MRI上存在脊髓高信號的患者，采用ACCF治療預后良好。

微型注漿鋼管樁采用水上取芯鉆孔的方式進行成孔，成孔深度按進入強風化層至少5m或進入中風化層至少1 m控制。成孔完成后，按每節(jié)3 m長分段壓入鋼管，分段接口位置進行滿焊焊接，并焊接鋼套筒進行保護。鋼管設(shè)置完畢后吊放鋼筋籠，并注意在鋼筋籠上綁扎注漿管，隨后投放級配碎石，最后采用100 mm厚鋼板進行封端后利用預留的注漿孔注漿。注漿分為兩次進行，首次按壓力0.5 MPa進行注漿，靜置至少30 min后按1.0 MPa壓力進行二次注漿，漿液采用M30水泥砂漿。

由于樁體在水下自由長度達6.5 m，為提高樁體穩(wěn)定性及承載能力，在水下約3m深度處利用H型鋼及鋼管夾片將鋼管沿沉箱基礎(chǔ)環(huán)向連接成整體，并用U型固定鋼筋將其固定于沉箱表面。

圖5 微型注漿鋼管樁固定措施

2.4 外包橋墩墩身

對橋墩墩身采用鋼筋砼進行外包，并按間隔0.3 m×0.3 m植筋，舊橋橋墩與外包砼連接成整體。1、2號墩外包砼底部設(shè)置為牛腿狀，確保沉箱基礎(chǔ)再次因河床沖刷而承載能力下降時，上部荷載能傳遞至微型鋼管樁處。

3 橋梁計算

利用Midas Civil對橋梁進行建模計算(見圖6)，計算的橋梁工況分為：①工況1：橋梁加固前，僅采用沉箱基礎(chǔ)；②工況2：橋梁加固后，沉箱發(fā)生微量沉降，沉箱與微型樁開始共同受力；③工況3：橋梁加固后，沉箱出現(xiàn)嚴重沉降，不參與受力。各個工況中主梁撓度、沉箱地基承載力設(shè)計值及單樁承載能力設(shè)計值見表2。

圖6 工況2橋梁計算模型

從表2中可以發(fā)現(xiàn)，工況2中由于在墩身進行了外包砼加固，故其沉箱底地基壓應力比工況1增長了5%；工況2中沉箱外側(cè)共46根微型樁軸壓力值總和為3 675.4 kN，沉箱底地基壓力值為42814.5kN，兩者分別占壓力值總和的8%及92%，微型樁受力較少。從工況3中計算結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，當完全不考慮沉箱貢獻后，微型樁單樁軸壓力值上升至596.9 kN，且由于1、2號墩抗推剛度下降，主拱圈彎矩及撓度分別提高了13.9%及51.4%。

表2 橋梁計算結(jié)果計算結(jié)果第2跨主拱圈跨中彎矩/(KN·m)跨中軸力/KN拱腳彎矩/(KN·m)拱腳軸力/KN跨中撓度/mm1、2號墩沉箱底地基壓應力/KPa微型樁軸壓力/KN工況1-1 38212 511-4 76016 7197.5479.1—工況2-1 37312 512-4 75416 7197.4503.779.9工況3-1 56412 430-4 90216 69711.2—596.9 注:軸力以受壓為正;彎矩以下方受拉為正。

由于在實際中沉箱與橋墩完全脫離的情況基本不可能發(fā)生，且盲目地提高微型樁單樁承載能力也會造成較大的資源浪費及施工難度。綜合工程造價、工期等因素考慮，最終按微型樁與沉箱基礎(chǔ)共同承受上部荷載設(shè)計，微型樁單樁承載能力設(shè)計值為500KN，此時沉箱底地基承載能力滿足276.4KPa即可，僅為原沉箱底壓應力值的57.7%。

4 橋梁加固前后對比

加固完成后再次對橋梁進行動靜載試驗，試驗荷載按汽-15，與加固前試驗結(jié)果對比如表3。

表3 橋梁加固前后動靜載試驗結(jié)果對比表檢測項目跨中撓度/mm控制點應變卸載后應變殘余值加固前1.33136加固后0.98131

從表3中可以發(fā)現(xiàn)，橋梁加固后跨中撓度減少26.3%；滿載時應變相同，但卸載后應變在加固前僅能恢復50%，加固后則可恢復92.3%，說明橋梁在加固后處于較好的彈性工作狀態(tài)。

5 結(jié)論

本文結(jié)合工程實際需求，提出了一種利用微型注漿鋼管樁抬樁法對砌石拱橋沉箱基礎(chǔ)進行加固的方法，并對其計算結(jié)果及加固前后數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果表明微型樁可承擔42.3%的橋梁荷載。該方案主要具有以下優(yōu)點：

1) 樁體采用微型樁，避免了拱腳處凈空小的限制，且施工過程中對于現(xiàn)狀拱橋的擾動較小。

2) 可以采用水上成樁工藝，施工過程中受水位及水流的影響小，且安全性更高。

3) 樁體受力隨著沉箱基礎(chǔ)受力減少而逐步增大，既能充分利用現(xiàn)有沉箱結(jié)構(gòu)，又可防止沉箱因水流沖刷掏空造成承載能力急劇下降。

4) 加固后對于過水斷面的影響較少，避免后續(xù)因河流流態(tài)改變而引起嚴重沖刷。