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摘 要：我国地质变化复杂、地形陡峭,河川短促、河床坡度大且雨量集中,在极端气候情况下,桥梁基础设计为符合支承力、沉陷量、抗冲刷、抗震力等规范要求,基础规模愈做愈大,愈做愈深,其所面临重大挑战,包括桥梁基础冲刷、基础型式选用、挡土开挖、施工空间局限、水中构筑、卵砾石及岩层钻掘困难等问题,本文说明国内河川桥梁基础设计与施工问题进行分析,并提出建议.
关 键 词：公路桥梁建设,河川桥梁,基础设计,施工分析
当前,我国河川桥梁目前面临主要问题有桥梁各部结构老化、桥梁安全性不符耐震设计规范规定及桥梁基础因冲刷而裸露等问题,其中又以桥梁基础裸露为近年最被重视重要议题之一.我国的河川大多有坡陡流急特性,再加上砂石被大量盗采与超采等因素,使得我国桥梁基础裸露情形甚为严重.近年来极端气候导致时有超乎预期超大豪雨,原已严重裸露桥墩基础经此豪雨洪水冲刷,在封桥或交通管制的反应时间不及情况下,极可能立即发生对民众生命财产损害.
一、基础型式选用分析
常用桥梁基础型式有(1)直接基础、(2)桩基础、(3)沉箱基础（井筒基础）及(4)连续壁基础,其选用原则除考虑地层条件（有时以地质观点作周延思考）及桥梁上构传至基础载重条件外,尚须考虑下列因素：[1]
(一)施工性、经济性及工期
例如(1)卵砾石地层粒径太大或桩径太小,基桩施工钻掘困难,(2)岩层性质影响基桩钻掘或贯入能力,(3)于边坡上采用桩基时,其施工便道或构台费用高,且影响景观生态较大,可考虑采用井基,(4)地下水文条件影响基础施工性,及(5)基础施工对整体工期影响等.
(二)沉陷问题检验
基础沉陷可能影响结构使用性、安全性,尤其基础加载后,地层中应力增量影响深度范围内具压缩性土层时,应检验基础沉陷问题.
(三)环境条件改变
例如河流冲刷、开发行为造成基础覆土改变,影响基础承载能力,设计时应慎选基础型式或预作特别考虑.
目前国内河川桥常面对河床下降及台风带来豪雨的冲刷,因此若无特别考虑,桩基础为优先采用基础型式,而直接基础较少采用.至于沉箱基础在某些地层条件下,其施工品质与工期较难掌握,加上冲刷问题日趋严重,因此也渐少采用.
二、河川冲刷分析
桥梁防洪工程设计应依据相关规定办理,设计时最大可能冲刷深度通常取局部冲刷深度、河槽束缩冲刷深度、河床质移动层厚度、长期冲刷深度四项总和.冲刷深度为决定基础高程重要依据,以国内某河川桥为例,按国内外相关研究计算冲刷深度.[2]
本案例高滩地桥墩处地表约EL.209m,深槽区河床最低点约EL.196m,计划河床约EL.207m,因此依规定,墩柱底不得高于EL.196m,加上基础版厚度,将来基础开挖深度将达16m（EL.209m－EL.196m+桥墩基础版厚度3m等于16m）以上.因在本工址地层条件下,按以往工程经验,基础开挖16m挡土壁施工确有困难,“申请跨河建造物设置注意事项”虽有墩柱底高程应低于河川断面最低点及计划河床高规定,但地形环境特殊,桥墩底部埋设有实际困难者,得由申设单位在维护桥梁安全,确实考虑河道摆荡及冲刷深度影响,提出加深基桩或其桥墩底部至实际河川断面最低点部分不作为支承摩擦桩使用或适当局部保护措施下安全评估说明,并参考计划河床高办理.因此最后将墩柱底订在EL.200m,并采取加深基桩方式处理.
三、基础施工存在问题及其成因分析
河川深槽区因冲刷深度深,其所衍生基础施工、基础开挖挡土施工益形困难,其改建或基础补强时,实务上经常面对下列施工问题.
基础施工对于冲刷深度较大的桥址,沉箱施工比基桩施工困难,且工期与施工品质也较难控制.因此,若无特殊考虑,对有冲刷疑虑桥梁,仍以采用基桩为宜.依近年来的经验,常因冲刷设计考虑,导致基桩施工(1)采用大口径基桩、(2)桩长增加、(3)桩孔钻掘容易发生坍孔、(4)桩孔钻掘贯入困难、(5)机具设备或功率不足、及(6)采全套管机具施工时容易发生套管拔除困难、套管变形、底管磨损、机具设备因此障率高等现象,施工困难度增加,往往造成工程无法如期完工通车.
根据国内较大口径（φ150～φ300cm）全套管机具设备数量（98年）调查结果,可知目前国内大口径全套管基桩驱动设备数量合计约110部,其中φ200设备数量约占70%.
基础开挖挡土设施对于旧桥改建工程,因施工期间仍须维持车辆安全通行,常无法采用斜坡明挖或部分降挖后再打设挡土壁方式开挖构筑基础版（因明挖或降挖将使得既有桥梁基础周围土壤侧向解压或部分基础因开挖而外露,危及既有基础承载能力）.冲刷深度较大的桥址基础版埋深往往挑战国内现有挡土工法施工能力,或超出国内常用工法所能适用范围；例如于河川行水深槽区基础开挖施工,因基础埋深大,开挖挡土施工挑战度也高；由于开挖面内外水头差大,挡土壁体易因水密性不足渗水或发生开挖底部砂涌等灾害,严重者造成开挖挡土设施溃败,致使工期延误或发生工程事故.
净高受限及邻近施工国内既有桥梁改建,也常面临桥下基础施工、开挖施工净高受限问题,或因交通维持需而采半半施工时邻近施工顾虑.于设计阶段即应详加考虑净高受限情况下机具设备施工可行性及邻近施施工安全全性,整体而言,施工净高受限及邻近施工问题均增加施工施工安全风险与工期,施工期间应严格落实相关设计及图示规定,以利有效掌控工进及维护施工安全.
结论
随着我国交通事业的不断快速发展,桥梁的施工水平和基础设计直接决定了整座桥的质量,只有能够掌握桥梁的基础分类和具体特点以及桥梁基础的具体使用范围,只有做到这些才能使得专业设计人员能够在施工过程当中发挥各自的特长,使得建立出更合适的基础,从而建成更加高效美观实用的桥梁.经由上文分析可以看出,桥梁维护管理过程应首先分析桥梁生命周期,由客观预估每个阶段桥梁情况,然后于适当时间以适当方法进行冲刷维护,寻求以最低成本得到最佳维护效果.另外,预防性维护的成效往往高于结构物受损后的维护.如能于桥梁选址及设计时预先分析,辅以完善执行的预防性维护,应可以有效延长桥梁寿命.