公路橋梁工程地基施工中技術處理要點分析
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【摘要】隨著交通事業快速發展需要，大量的公路需要建設，橋渠作為公路的重要工程，是國家公路建設的重點施工項目，其橋渠施工的管理更是重中之重。在公路橋梁工程中，地基施工無疑是最為核心的環節，本文在對公路橋梁工程地基施工方式與特性進行概述的基礎上，重點從井式地基設計考慮與井式地基施工注意事項兩個方面著手，分析了井式施工的要點，最后進行了總結。
一、公路橋梁工程地基施工方式與特性
地基施工方式的研選與結構載重、地形、地質、地下水位及周圍環境等各項條件均息息相關，公路橋梁工程常采用的地基施工方式有：(1)直接地基；(2)筏式地基；(3)樁地基(4)；井式地基；(5)沉箱地基；(6)壁式地基等六種類型。其中，直接地基為淺地基，為符合結構載重所需，必須依據地層分布，考慮承載力及沉陷量進行地基埋置深度以及尺寸設計，一般而言，其所需深度較淺，但平面所占面積較大，在工程性質良好、承載層較淺的地層以及用地取得容易的郊區較為適用；筏式地基可以同時提供多根柱(墩)載重的大面積RC地基板，則適用于建筑物等的地基采用；而樁地基為深地基，為一般位于軟弱地層上的工程最常選擇的地基施工方式，而樁長的研訂通常取決于地層的特性，一般工程均會將樁底設計在較好的承載層深度，以取得較穩定的基礎，目前而言國內基樁長度最深約達120m，而為能鉆掘深層地盤，基樁工程通常需要使用的機具設備與施工空間較大，費用也較高；沉箱地基，顧名思義是以沉降的方式施作地基結構，然而為順利讓地基結構沉入地下，施工中必須要加載或小量超挖，因此地基常有傾斜或偏心等情況，而超挖過大時更容易造成工區附近地層下陷，施工控制精度較差，過去常用于河川地或高灘地等較無鄰近構造物的區域，近年來在城市內部施工中也會有采用壓入式沉箱工法的案例，但該沉箱常作為潛盾(或推進)工程的工作井使用；井式地基的結構型式類似沉箱，較大差異在于施工順序，通常以人工或小型機械開挖的方式鑿井，再于井中施筑地基結構，由于開挖期間必須保持井壁穩定施作壁面保護，例如噴凝土、巖釘、鋼襯板等，避免坍方造成施工危險，一般會選擇在工程性質良好，地下水位較深的地層施筑，因為以小型機具施工，地基平面尺寸較小(一般直徑約5~10m)，所以也是施工空間局限的工程所常選擇的地基施工方式。地基施工方式的選擇除了考慮水平側向力、垂直承載力、側向位移、沉陷量等，對于施工性也必須納入考慮。以直接地基及樁地基而言，都必須要施作地基版來傳遞載重，因此必須視地層情況設計臨時開挖擋土支撐來施作，在用地取得容易地區，可以斜坡明挖方式進行，速度快、施工容易，但若開挖深度較深或用地有限的情況下就必須先打設擋土支撐系統再開挖，但實踐中在施工高度受限的環境(如橋下或電纜線下方施工)或在地形陡峭崎嶇的斜坡面上，要打設擋土樁或架設水平支撐都有困難，而在這些困難施工環境下，井式地基則具有小型施工機具、施工面積較小及克服堅硬地盤等優勢。
二、井式地基設計考慮
井式地基因具有可因地制宜采用小型機具施工、地基面積小、開挖工法可順應地形等特點，因此在公路橋梁工程中，是使用較廣泛的施工方式。井式地基設計除了必須考慮地層、地形坡度以及地下水的影響外，同時免不了必須依據上構的載重條件分析地基承載力以及沉陷量等，以維持地基的穩定性。此外，若于河川地或高灘地選擇采用井式地基，其地基深度也須考慮河川的沖刷深度以決定井式地基深度，避免因掏刷地基外露而影響地基穩定；此外，井式地基斷面通常考慮用地范圍及上部結構載重、地層條件等綜合分析，若采用直徑大斷面者(約8～12m以上)通常井式地基結構體會采中空，中空處會填砂或填充強度較低的混凝土，而若斷面直徑較小者(約8m以下)，則必須要考慮施工空間會以實心井式地基結構體進行設計，并增加地基本身斷面強度及重量以抵抗橋墩產生塑性鉸后傳遞下來的力量，特別是當承受彎矩時，仍必須符合設計規范規定的偏心載重地基最小受壓面積比。在井式地基的公路橋梁工程分析上，必須分別考慮水平及垂直向的支承力及變位量進行檢核，以下簡述之。井式地基在垂直承載力的考慮上，由于井式地基開挖時土體側向解壓，在開挖面側壁常打設巖釘或錨筋等，造成地基外圍施工擾動，完成后的周圍土壤并無法完全包覆地基結構，恐無法發揮側向摩擦力，故設計時常保守忽略側向垂直摩擦力的貢獻，僅考慮井式地基底部的地盤反力。而井式地基常使用于坡地環境，在斜坡上的地基則必須考慮斜坡特性進行適當折減，折減系數隨坡度增加而減少。
三、井式地基施工注意事項
本文通過匯整所執行相關案例的經驗，歸納井式地基常遭遇的問題如下：1.開挖過程中大量地下水涌入問題，施工階段可用大型深井抽降，將地下水降低或導排，以利混凝土澆注作業保持較干燥的井壁；2.井式地基混凝土澆注后，混凝土須達預定強度方可停止抽水作業，以避免因地下水入滲造成保護層的混凝土漿流失；3.若采用較小直徑井式地基時，因無法采用大型開挖機具于井內施工，挖掘進度較慢；4.軟弱地層及松散土層使用井式地基時，可先地盤改良，以避免施工中的壁面坍塌、涌水或涌砂現象；5.若開挖擋土壁以鋼襯板施工，則鋼襯板與周圍地層之間隙如何以砂漿灌滿填實，必須特別注意；6.井式地基的開挖出土及運送等作業，隨開挖深度越增加則越困難，須特別注意施工安全；7.若井式地基設計成中空的結構體，則鋼筋組立及模板施作較為繁雜；8.地下水位較高時，井式開挖壁面較不易控制，表面較不平順且容易超挖；9.井式地基于地下水位較高的地層中施工時，應特別注意降水及導排水問題；10.井式地基施工應注意挖土、出土作業安全，以及施工中開挖監測壁體情況。井式地基施工不須大型機具，具有因地制宜的特性，主要施工機具包括吊車、挖土機、鉆機、卡車、發電機、空壓機、送風機、噴漿機、電焊機等，而機具大小及設備多寡可視現地可用空間調整。井式地基在開挖之前必須先進行放樣及整地，尤其在地形坡度較為陡峭的坡地區域，考量地基尺寸及施工空間，無法采用直接地基及樁地基時，井式地基可能為較佳的選擇方案，考慮地形陡峭無法大規模整地的緣故，為降低坡地開挖范圍，多以竹削工法搭配井式地基井口開挖，有關竹削工法的說明，可另行參閱相關技術文件，本文不再詳述。完成整地及放樣后，在井口施作高約50cm的RC環型梁，同時可作為防落護欄的地基，也可以防止地表徑流灌入開挖范圍內。開挖時，在深度約8m以內可于地表以PC300挖土機直接開挖，開挖深度較深時，則必須于井內以小型挖土機開挖，將土石倒入吊桶后吊出井外，而每次開挖深度以1m為原則，可視地層條件酌予調整，每次開挖后必須立刻進行開挖壁面保護(如鋼襯板、掛網噴凝土、巖栓、鋼支保等)，開挖時須隨時注意地下水滲入情況，輕微入滲時加強開挖面保護，避免壁面塌落，入滲較多時則必須于井外打設大口徑深井抽水，將地下水降低至開挖面下，井內積水則設集水坑抽出井外。開挖至預定深度后，先在底部打設10cm厚，以便于結構施筑，再根據設計圖說明施作底板及地基結構，井式地基鋼筋組立作業可視施工條件，先行于地面完成鋼筋籠綁扎后，使用吊車吊放至開挖完成的井內，或將加工完成的鋼筋料吊入井內，鋼筋籠在井內綁扎組立。施筑井式地基結構原則上以4m為一升層，逐層向上重復綁筋、組模、混凝土澆注作業，而由于井式地基深度較深，灌漿時常因灌漿方式不當或速度太快，導致施工質量不佳，因此必須注意灌漿時控制混凝土泵送速度，并控制灌漿管高度須維持在1m內，同時利用震動機搗實混凝土，避免混凝土粒料析離。另外，由于井式地基開挖一般深度較深(約>15m)，屬于危險工作場所，針對施工安全必須謹慎處理，為防止人員、物品自井口墜落，井口周圍必須設置護欄與防護網，井內施工必須設備妥善的通風、照明、通訊與進出設備，進入井式地基內作業前須先行進行井內的氧氣濃度與有害氣體濃度偵測，確認施工環境安全。
四、結語
井式地基為各結構物于丘陵地形或麓山地帶公路橋梁工程常選擇的地基施工方式之一，必須依據其地層特性、結構需求、經濟性以及施工性等進行綜合評估分析其妥適性。井式地基不適合于軟弱黏土、松散砂土及地下水位高的地層，較適合于適當深度內(一般約10~25m)存在堅硬承載層(如卵礫石層或巖層)的地層條件時采用之。井式地基因施工可不需大型機具，因此具備可因地制宜的施工特性，對于用地不足或地勢陡峭的情況下，不失為合適的地基施工方式。地下水位分布對于井式地基施工的成敗相當重要，在地下水位較高處的井式地基開挖必須式先考慮各種滲水的可能性，并預先做好降水、導排水或保護措施，避免開挖失敗。井式地基一般深度均較深(>15m)，井內開挖條件不佳，為高風險施工環境，必須考慮施工安全需求，設置保護措施。在陡峭邊坡地形的井式地基可搭配竹削式擋土開挖工法，可有效降低開挖面積，對環境保護及邊坡擾動較小。
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作者：柴佳 單位：中鐵武漢大橋工程咨詢監理有限公司
