基础冲刷桥梁加固改造方案研究

李少强,袁 媛

（1.五华县公路事务中心,广东 梅州 514400; 2.北京特希达交通勘察设计院有限公司,北京 100067）

0 引言

近些年，桥梁垮塌事件频繁发生，尤其是在役旧桥，由于设计荷载等级较低、使用年限的增加，构件老化、扩大基础埋深较浅、桩基础桩长较短等原因，在重载、超载车辆、洪水等情况下极易发生垮塌。其中基础冲刷作为造成运营阶段桥梁垮塌的主要病害之一，表现为突发性和毁灭性，严重威胁着人民生命财产安全，如2017年8月洪水冲毁的石亭江大桥、2019年6月洪水冲毁的紫金桥等。易仁彦[1]等对179起桥梁坍塌事故进行了整理分析，发现60%发生在运营期，其中水毁桥梁占比30%。秦泗凤[2]对151座水毁桥梁进行了统计分析，发现80%发生在南方，其中约64%为梁桥。

为全面排查在役桥梁防洪性能，对存在安全隐患的桥梁及时进行加固处治或改造，交通运输部及各省市均出具了相关文件[3-4]。

该文以某工程实例为背景，针对桥梁桩基础冲刷严重、桩基础埋深较浅病害，结合桥梁周边情况，分析桥梁基础受力，提出了加固改造方案并进行比选，给出最终推荐方案，方案已通过专家评审。

1 工程背景

1.1 工程概况

梅州市五华县某桥位于五华县琴江河段上，桥梁全长220.6 m，桥面全宽17.5 m。该桥上部结构为现浇钢筋混凝土简支T梁，跨径组合为13×16 m；支座为橡胶支座，下部结构为桩柱式桥墩，单排3根桩基础。设计荷载等级汽车-20级，挂车-100，设计洪水频率为百年一遇。

该桥位河床为人工改造形成，上游建有琴江水电站，河道水位变化受水电站排水影响。

根据勘察钻孔揭示的地质资料，场地内钻孔揭露深度内的岩土层为第1层素填土，该层不考虑其地基承载力。第二层强风化泥质粉砂岩，为极软岩，地基容许承载力[fa0]=500 kPa，桩侧摩阻力标准值qik=100 kPa。第三层为中风化泥质粉砂岩，为软岩，地基容许承载力[fa0]=1 500 kPa，岩石抗压强度fr=9.0 MPa，桩侧摩阻力标准值qik=150 kPa。

根据原桥竣工图纸，该桥桩基础直径1.2 m，桩长5~7 m，支撑于中风化岩层，按嵌岩桩设计。

2017年12月，该桥两侧进行了拓宽设计，拓宽幅桥梁为2×16 m预应力空心板+3×32 m预应力简支小箱梁+2×32 m预应力简支小箱梁+1×18 m预应力简支小箱梁。下部结构采用柱式墩，桩基础，桩基础长度25 m，嵌岩桩设计。

1.2 基础病害情况及成因分析

2019年对该桥进行了检测，根据检测情况，该桥下部结构主要病害为河床铺砌存在大面积破损，外露桩基础冲刷、露骨现象严重，其中11号、12号桩基础埋深仅0.9 m，10-1号桩基础埋深仅1.14 m。冲刷后河床断面及基础埋深情况见图1。

图1 桩基础冲刷后埋深情况

结合桥梁河床及周边实际情况，分析主要病害成因如下：

（1）在水流的不断冲刷下，随着时间的增长，河床铺砌出现破损。

（2）铺砌破损后，水流冲刷桩基础，由于部分桩基础保护层厚度不足或施工质量欠佳，出现露骨。

（3）由于原桩基础桩长较短，河床冲刷后，导致桩基础长度埋深较小，严重威胁桥梁安全。

2 现状基础入岩深度分析

根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363—2019）第6.3.8条公式6.3.8-1，验算该桥水中2~12号桩基础嵌入基岩中（不计强风化层、全风化层及局部冲刷线以上基岩）的有效深度hr（m），对比该桥桩基础实际如中风化岩层的深度h（m），如表1所示。

表1 桩嵌入基岩中有效深度hr

根据表1验算结果，现状该桥9~12号桩基础有效入岩深度已经不满足规范要求。

3 处治方案研究

3.1 桥梁情况分析

根据该桥现状病害情况，该桥实际情况及加固改造设计存在的限制条件总结分析如下：

（1）该桥关键病害为：旧桥桩基础冲刷后，桩基础埋深较小，其中11号、12号桩基础埋深仅0.9 m，10-1号桩基础埋深仅1.14 m，严重威胁桥梁安全，需立即进行改造处治。

（2）针对桩基础埋深较浅病害，如采用维修加固方案，最直接有效的方式为新增桩基础，可采用原桩基础间新增桩基础或前后新增桩基础变为多排桩基础等方案，但均需新增承台与墩柱连接。新增承台时，如采用在现状河床面以上新建，考虑到新增承台尺寸顺桥向宽度及竖向高度均较大，则将影响过水断面，故无加固空间；如为不影响过水断面，将承台落于河床面以下，则需开挖河床，由于现状桩基础埋深较浅，无法开挖河床，不可行。

（3）根据拓宽幅设计过程，在设计过程中，五华县上坝电站要求新建桥墩不得侵占排水渠，为此拓宽设计将桥跨进行了调整，调整后跨越了电站水渠，不影响水渠现状过水断面，故旧桥加固改造须考虑不影响现状水渠排水。

（4）根据以上分析，该次如对旧桥进行新增桩基础加固，对位于水渠范围内的10~12号墩，由于既无法将新增承台置于河床面以上（影响水渠排水），也无法开挖（原桩基础埋深过浅），则此方案不可行，10~12号墩难以通过维修加固保证结构受力需求。

（5）该桥现况旧桥与拓宽幅间距15 cm，且有多道防撞护栏，结合两侧道路情况，行车安全、美观性及舒适性较差。

3.2 处治方案

针对该桥桩基础病害情况，提出以下两种加固改造方案：

3.2.1 旧桥新增桩基础加固

为充分利用现有桥梁，节约造价，减小桥梁改造施工对交通的影响，该次考虑对旧桥进行加固改造，对水中的2~9号基础采用新建承台新增桩基础加固，见图2，由于10~12号墩不具备维修加固实施条件，故提出对10~13跨桥梁进行改建，改建后桥跨与拓宽幅相适应，将4跨改造为3跨（原11、12跨合并为一跨），一跨跨越排水沟渠，对其他部分桥梁进行维修加固。

图2 新增承台桩基础加固示意

3.2.2 全桥拆除重建

考虑到水渠内10~12号墩难以通过维修加固方案达到承载力要求，须对部分桥跨进行改建，施工复杂，经济性不佳，为彻底解决桥梁病害的同时，提高旧桥设计荷载等级，与拓宽幅相适应，同时减小桥梁对电站水渠排水的影响，该次提出对旧桥进行拆除重建方案，见图3~4。拆除后，与两侧拓宽幅桥梁跨径统一，上部结构形式统一，变形协调，拼接设计简单，下部结构墩台基础采用单排3根钻孔灌注桩基础，嵌岩桩设计。

图3 拆除改造后桥梁横断面示意

3.2.3 方案比选

对比两种方案，旧桥维修加固及全部拆除重建均能改善桥梁受力状况，提高结构的承载能力安全储备。拆除重做旧桥，可彻底解决桥梁病害，同时提高设计荷载等级与拓宽幅协调一致，且可实现新旧桥桥面系的连接，行车舒适性好；维修加固方案虽造价相对较低，但也需拆除部分桥跨，施工较复杂，且新增承台影响现状断面，同时不能提高设计荷载等级，拓宽幅利用性较差，经济性较差。通过综合分析，结合专家评审意见，一致同意对该桥旧桥进行拆除重建。

图4 拆除改造后桥位平面示意（部分）

4 施工要点及注意事项

4.1 旧桥拆除

考虑到该桥基础埋深较深，旧桥拆除过程中有一定的扰动，为保证拆桥安全，拆桥过程中须持续监测梁体及墩台基础变形，如有异常立即停止施工。

4.2 新建桩基础

考虑到该桥桥宽较大，为方便盖梁施工，同时梁高尽量与两侧拓宽幅统一，该次仍采用3根桩基础，普通钢筋混凝土盖梁，新建桩基础与旧桥桩基础桩位有重合，施工难度相对较大，且外侧桩基础距离两侧拓宽幅桩基础距离较近，为保证施工及拓宽幅桥梁安全，施工过程中应采用扰动较小的方式，并加强拓宽幅上、下部结构的观测[5]。

5 结语

该文通过对冲刷后桩基础埋深较浅存在严重安全隐患的梁桥基础加固改造方案进行分析，提出了适宜该桥的改造方案。现阶段桥梁正在进行改造施工，已完成部分钻孔灌注桩基础，施工进展顺利。如今我国仍存在大量的老旧桥梁，基础冲刷问题仍较为普遍，针对不同的基础类型及基础冲刷程度，应充分考虑施工复杂程度、经济性、合理性、美观性等各个层面，综合分析，采取最优方案，解决基础安全隐患，保证桥梁结构安全。