高屏溪斜张桥基础及桥塔施工

1高屏溪斜张桥基础及桥塔施工夏明胜交通部台湾区国道新建工程局第四区工程处屏东工务所主任1.1概述第二高速公路高屏溪斜张桥位于高雄县与屏东县交界处，于高屏溪中游约28公里，即台21线里岭大桥下游约1公里处，跨越高屏溪，全长2，617公尺，高屏溪斜张桥为国内第一座高速公路复合式斜张桥，全桥共分为六大单元。其中第一单元，跨越省道台21线及高屏溪主流部份，采超大跨径单塔不对称斜张桥设计，桥塔高183.5公尺，桥面平均高出地面处约四十余公尺。本斜张桥之结构形式为两跨不对称单面复合式结构，侧跨由A1桥台跨越台21线省道，连接A1桥台与P1桥塔，跨径180公尺，为预力混凝土箱型梁构造；主跨连接P1桥塔与P2桥墩，跨越高屏溪主河道，跨径330公尺，为全焊接钢床钣箱型梁构造（图一）。预力混凝土箱型梁与钢床钣箱型梁于桥塔处衔接并座落于桥塔系梁上，桥面宽34.5公尺（图二），主跨与侧跨之梁深均采3.2公尺，以保持桥梁侧面外观之一致性。桥塔采混凝土A型单柱结构型式（图三），桥塔与上部结构箱型梁间以单扇两列平行辐射状不对称钢缆（共计十四组）相衔接，钢缆一端固定于箱型梁中央，另端锚碇于桥塔顶柱上。桥塔为A型构架，将上部结构各方向之庞大力量利用37公尺深之隔墙箱壁式基础传达于地层中。箱型梁与桥塔间，除箱型梁底部设有盘式支承将上部结构垂直载重传递于桥塔外；于箱型梁侧与桥塔连接处，另设有水平支承箱，以将上部结构之水平力传递于桥塔。P2桥墩部分设有盘式支承、剪力榫及拉力连杆以传递垂直及水平各向力。1.2隔墙箱壁式基础施工高屏溪桥主桥为一单塔不对称混合式斜张桥，桥长510公尺，塔高183.5公尺，上部结构之各种载重大多均由桥塔承受。考虑桥塔基础需提供巨大之承载力与较大之劲度，并考虑桥塔所座落之行水区冲刷问题，本桥塔基础采用较具刚性之隔墙箱壁式（即一般的连续壁）基础两座，为国内首度采用于桥梁基础者。其基础断面为一闭合格子形状，外围长19公尺、宽15.8公尺、深372公尺、壁厚120公分，基础上方为一厚4公尺之基础版，两座基础版间由地梁连接，以克服水平侧向力，地梁下设有两道2.7公尺长、33公尺深之连续壁以作为地梁之支撑（图四）。1.2.1工程地质分析及评估本桥P1桥塔位于冲积平原上，其下地质主要为卵石、砾石、粉土及中细砂间夹泥岩及透镜体所组成，本桥于设计阶段曾于桥址处进行钻孔以了解地层分布状况，施工前，为充分了解施工区域之地质状况，于桥塔基础施作区域内再补充钻探，并与原钻探资料相互比对。依据钻探资料分析得知，现有地面高程为EL+28，低水位或常水位位于EL+23，约于地面下五公尺左右，此五公尺土质为灰色极疏松黏土质砂，甚不稳定。沟壁施工开挖时，若地层水位过高，将会产生自然崩塌，造成施工上困难，须采抽水措施以降低水位防止挤压；EL+20~EL+5.2之地质为卵石层及砾石砂层，削挖时可能会产生局部滑落及失水现象，沟壁挖掘施工宜缓慢，并对稳定液之选择应加以特别考虑，以利削挖作业之进行；EL+5.2~EL-7主要为砂岩及泥岩，为一不透水层，S.P.TN值很高，应不会产生失水及土层崩塌情况。EL-7至预定削挖深度EL-16之间，为正常情形，应不会产生失水及局部滑落也不会造成沉泥现象。1.2.2施工机具依据钻探资料得知，桥塔下地质大多属卵砾石层，并且卵砾石最大粒径应小于50公分，且无岩层存在。本桥塔基础最大开挖深度为44公尺，壁体厚度为120公分，考虑结构形式及地质条件，施工机具采用MHL（MASAGOHYDRAULICLONGARMBUCKET）油压式长臂削掘机，为日本真砂株式会社制造，此类型之机具为目前构筑地下连续壁最常使用之削掘机具。其系以履带式桁架吊车挂载M.H.L.削掘机进行挖掘作业。上下之动作系由电力驱动之缆绳控制，另有油压驱动之调整板藉以修正其水平及垂直方向之偏差，精度可达1/200以上。削掘机前端为一具以油压控制之蛤式抓斗，利用强力油压系统控制操作其抓斗开合，挖掘取土。本工程所采用之抓斗有效开挖长度为260公分。1.2.3导沟构筑桥塔塔址下20至25公尺多为卵砾石夹细砂，地表下2~3公尺范围内为极疏松砂土层，透水性佳且易于崩塌，若依据原设计导沟施作深度1.6公尺，则须进行大开挖以降低原地面高程，但若进行大开挖将产生积水问题造成施工困3难，考虑上述种种因素，现场乃决定将原设计1.6公尺深之导沟加深至3.3公尺。导沟开挖之初，首先清除地上障碍物，将地表整平，清查地下障碍物并迁移之。依据测量数据进行放样，为导沟构筑之第一项工作，定出连续壁之中央位置并检查结构图之尺寸是否与相关结构物相配合。放样完成后，各角点应固定保护，并引点至邻近建筑物及其它固定位置处，以供后续工程之利用。然后依据放样标示位置进行导沟开挖、组模、扎筋、浇置混凝土、拆模及回撑等工作，在进行导沟混凝土浇置之时，亦同时于地表浇置混凝土铺面，以便于施工机具之行走及施作。导沟的良好与否影响将来连续壁的垂直度，构筑之初须小心确定中心线位置。开挖应注意土沟两侧之修齐及底部之整平，减少材料之损耗。导沟开挖宽度为连续壁之设计厚度及两旁各加2.5公分的空间，模板之组立务求平直。灌注混凝土时须注意两侧同时实施，且最好分两层浇置，以防模板移动及变形，铺面及吊车道亦应一并浇置，以减少施工接缝。拆模后注意养护，并用适当之材料上下间隔交错回撑之，以免沟壁变形。地下连续壁施工过程中于转角、叉角处最易发生坍落，为避免因角隅坍落造成施工困难，导沟交角与转角处；壁体内、外两侧各50公分范围内施设高压喷射成型桩。高压灌浆成型桩起于EL+25.5，约位于导沟底上方50公分处，止于EL+15.5，桩长约10公尺，此为较可能崩塌之深度。因高压喷射成型桩之直径、强度、灌浆压力、灌浆配比、钻杆提升速度皆与地质条件息息相关，因此于施作前，先于导沟外侧施作两支3公尺长之试灌桩，完成后挖出检视，其桩径约65公分，取样七天平均强度为6-11kg/cm2，其强度经分析可满足施工要求。因考虑地下连续壁施工时阳角较阴角易于崩塌，故规划高压喷射成型桩位置时，主要设置于阳角处，T型及L型转角处各灌注3支，十字型转角则灌注5支（图五）。1.2.4单元规划及施工地下连续壁施工一般都依据开挖机具及施工条件将连续壁划分单元施工，单元为连续壁施工中基本施工单位，依其尺寸及形状，一单元通常须经数次挖掘，一次挖掘称为一刀，每一单元自开挖始至混凝土浇置完成止均应连续施工，不得中断，故单元开挖前需确认所有相关作业是否已能配合，尤其是钢筋笼制作完成时间及混凝土浇置时间。单元开挖之时间与开挖深度、开挖刀数及地质条件均息息相关。本连续壁基础开挖深度自地面起算约44公尺，其中由于有一约20公尺之卵砾石质砂层，因此开挖速度较慢，每一刀开挖时数约4达8-12小时，依开挖刀数可估计每一开挖单元完成时间，然后进行钢筋笼吊放。本工程连续壁除口字型的外围侧壁外，中间尚有三道隔墙，具有许多角隅及叉角，因单元的接头部分较容易形成弱面，故一般于规划分割单元时均不将接头设于角隅及叉角处，使角隅及叉角处能成一完整单元。本工程连续壁单元分割配合平面形状，主要规划分割为L型、T型及十字型为主，较一般工程的地下连续壁单元分割复杂，其单元分割及施工顺序（图六）。由于结构平面复杂，其施工顺序必须妥为规划，避免有些单元因开挖过久未浇置混凝土而致崩塌之情况发生。以下将各单元依其形式分类及施工顺序详述其施工刀法：1、直线型单元，两侧均为母接头本类型单元计有1、2、6、7、9、10，单元长度共分3公尺及3.4公尺两种，以三刀施工，其中除第2单元须配合单元5下刀外，其余各单元开挖时先开挖两侧母接头，抓斗中心由端板外侧50公分处下第一刀，端板外侧开挖长度为180公分，内侧80公分，第一、二刀将两头母单元开挖完成后，中央剩余140公分及180公分土心，以第三刀挖除。单元2因须配合单元5的开挖，其刀法顺序如前所述，惟其第二刀及第三刀须交错开挖。本群单元三刀开挖长度总计分别为6.6及7公尺。2、L型单元，一公一母接头单元3属此一类型，规划以三刀开挖，第一刀抓斗沿导沟凹槽边缘下刀，第二刀须配合单元15开挖，在单元15开挖第一刀后，其与单元3第一刀之间的75公分土心，以第二刀挖除，第三刀挖除垂直向公接头剩余的100公分土心。单元5也为一公一母L型单元，两向之长度略有差异，计开挖三刀，与单元2相接的公接头侧仅长2.8公尺，考虑土压平衡问题，第一刀沿导沟凹槽边缘下刀，且须配合单元2同时施作，其顺序较单元2之边刀更早，第二刀下于另向母接头端板外50公分，剩余之140公分土心则以第三刀挖除。单元17、18亦为L型公母单元，两向之长度略有差异，以三刀施工，首先第一刀沿导沟凹槽边缘开挖；第二刀考虑土压问题须配合相邻单元19及20的第一刀交错下下开挖施工；另一向公接头之土心仅余100公分及110公分，以第三刀挖除。3、T型单元，双公一母接头单元4属此类型，计开挖三刀，第一刀抓斗中心于母接头端板外侧50公分处下刀；第二刀挖除T行基部220公分土心；垂直向尚剩余30公分土心，以第三刀挖除。4、T型单元，三母接头单元11为T型单元，三头均为母接头，计以五刀开挖。第一、二刀落于T型底部两母接头端板外侧50公分处，以挖除两母接头；第三刀落于垂直向母接头端板外侧50公分处，以挖除该母接头；第四刀挖除T型底部两母接头间所剩余之土心；第五刀挖除垂直向所剩余30公分土心。5、十字型单元，三公一母接头单元8为十字型单元，接头为三公一母，由于与第6、7单元相邻之公接头部分，5已于单元6、7开挖时挖除；另与单元4相邻之公接头部分，亦已于单元4开挖时挖除了180公分，故本单元仅余公母接头间约550公分土体须挖除，规划以三刀施工。第一刀落于母单元端板外50公分处，如此约剩290公分土心，若考虑一刀挖除中央260公分土心，则两端各剩15公分土体，将极容易产生崩塌，且连同第一刀，总共将需四刀，并不经济，故以两刀交错施工，以第二、三刀交错挖除剩余之290公分土心。6、十字型单元，四公接头单元单元12为四个公接头之十字型单元，经四头相邻单元开挖完成后，本单元仅余中心约210公分土心，故以一刀一次挖除。7、T型单元，双母一公接头单元13、14属此类型，以四刀开挖施工。第一、二刀落于母接头端板外50公分处，挖除母接头部分；第三刀挖除母接头间剩余土心（90、180公分）；第四刀挖除垂直向剩余土心（90公分及80公分）。8、T型单元，三公接头单元15为三个公接头之T型单元，开挖时须与第3单元配合下刀，规划以三刀开挖。第一刀距离单元3端板外165公分处下刀，此时左右将各剩余约75公分土心，其中与单元3相邻之土心已配合该单元开挖时挖除；第二刀挖除靠近单元13侧之剩余75公分土心；第三刀挖除垂直向剩余之80公分土心。单元16亦为三个公接头之T型单元，由于与单元5及单元14之公接头部份均已于各该单元施工时挖除了180公分，故T型底部仅余220土心，以第一刀挖除；第二刀挖除垂直向剩余之90公分土心。9、直线型单元，两侧均为公接头单元19、20为直线两头公接头单元，以一刀开挖，由于相邻单元17及单元18的部分于开挖时会产生土压平衡问题，故其下刀时须配合各该单元的第二刀交错向下开挖。10、地梁单元地梁单元为一单纯之270公分长矩形单元，因施工机具抓斗的有效施工宽度为260公分，一刀无法涵盖全部施工范围，若以两刀交错开挖，其下端将无法修齐，故以一刀开挖，两侧剩余土体以pipe冲洗，再以抓斗挖除底部沉泥。1.2.5稳定液选择及质量管理连续壁施工之质量除与施工技术息息相关外，其施工过程中开挖沟壁之稳定性亦为一重要之因素，而壁体稳定性又与稳定液的质量有极大关系。稳定液使用之目的，在利用稳定液之液压以抵抗施工挖掘过成中所发生之土压及水压，另稳定液经由沟槽壁面渗透到土层中附着于土壤粒子表面，而形成一层泥膜于壁面，可防止由于地下水之涌出而引起壁面崩塌，以达到稳定壁面的目的。一般而言，稳定液大多以皂土系（Bentonite）为主。本工程由于结构特殊且重要，基于施工质量及安全性的考虑，选用高分子聚合物材料-超泥浆第二