樁板式擋墻在半路半隧工程中的應(yīng)用

丁心香， 鄒秋紅

(1.河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司， 河南 鄭州　450052；2.湖南省永吉高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 吉首　416000)

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樁板式擋墻在半路半隧工程中的應(yīng)用

丁心香1， 鄒秋紅2

(1.河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司， 河南 鄭州450052；2.湖南省永吉高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 吉首416000)

摘要：為了研究山嶺重丘區(qū)公路建設(shè)中遇到的半路半隧的路基側(cè)邊坡防護問題，結(jié)合具體工程實例，介紹了半路基半隧道工程中路基側(cè)的支擋防護方案，經(jīng)比選提出了相應(yīng)的較優(yōu)的設(shè)計方案，并采用數(shù)值分析方法建立了路基側(cè)邊坡的計算模型，分析了深開挖條件下邊坡的安全性，并闡述了半路半隧的樁板式擋土墻的設(shè)計過程及施工要點，指出樁板墻可以有效地解決隧道偏壓以及路塹邊坡高擋墻的路基擋護問題。

關(guān)鍵詞：半路基半隧道； 樁板墻； 設(shè)計； 施工順序

1概述

由于山區(qū)高速公路線型受地形、地質(zhì)條件等限制，不可避免存在半路基半隧道的特殊工點類型。考慮隧道承拱開挖應(yīng)盡量避免嚴重偏壓以及路基側(cè)路塹的開挖施工對隧道的影響等因素，路基側(cè)的支擋問題尤為重要。采用何種支擋形式及施工流程更能有效地減少路基邊坡開挖對隧道的影響是該類工程問題的關(guān)鍵。由于抗滑樁抗滑能力大，預(yù)加固效果好，可以有效治理大型復(fù)雜邊坡，因此廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、水利等相關(guān)行業(yè)[1]。本文依托湖南省永吉高速公路工程，研究外掛板式樁板墻在半路半隧支擋工程中的設(shè)計應(yīng)用及施工要點，以期為相似工程提供參考。

2工程實例

2.1工程概況

湖南省永順至吉首高速公路(簡稱永吉高速)K37+570～K37+715段為分離式路基，右線K37+570～K37+715段為挖方路塹以路基通過，對應(yīng)左線為單洞隧道，隧道起訖樁號K37+531～K37+726，隧道全段為Ⅴ級圍巖，全長195 m，隧道進出口段山體自然坡度約50°，洞頂最大埋深30.1 m。左線及右線設(shè)計線間距為12.0 m，右線路面設(shè)計高程比左線高約2.8 m。路塹左側(cè)最大挖方深度約32 m。該段位于剝蝕構(gòu)造低山地貌，地形起伏較大，地勢陡峻，地面橫坡1∶5～1∶2。覆蓋層為第四系全新統(tǒng)殘坡積的粉質(zhì)黏土夾碎石，厚度不均，平均厚約2.7 m，下伏基巖為強風(fēng)化～中風(fēng)化元古界板溪群馬底驛組板巖，強風(fēng)化層厚度約16 m，強風(fēng)化板巖節(jié)理裂隙發(fā)育。

2.2支擋方案的比選

本段為典型的半路基半隧道工程，左幅隧道右側(cè)邊線和右幅路基左幅邊線凈距僅為9.0 m，若右幅路基放緩邊坡進行開挖，勢必會造成左幅隧道的嚴重偏壓問題，因此本段工點需要在路塹左側(cè)坡腳設(shè)置強支擋措施?？紤]到路塹開挖深度較深以及盡量減小路塹對隧道的影響，樁板墻可支護高度較高，施工方便快捷，后期養(yǎng)護維修費用低等優(yōu)點，決定采用樁板墻方案。根據(jù)本段橫斷面情況推斷，本段懸臂段約需14 m。據(jù)此又提出了a、b、c 3種方案進行詳細比選。

1) 方案a：外掛式樁板墻，樁頂設(shè)置錨索，采用2 m×3 m矩形樁。

采用樁+錨索的設(shè)計方案，優(yōu)點較為明顯，可以通過樁頂施加預(yù)應(yīng)力，大大改善樁的受力條件，減少樁身彎矩和剪力，有效減小樁的截面和埋置深度。并且錨索可以減少樁頂?shù)奈灰屏浚^快地穩(wěn)定邊坡。缺點是錨索的設(shè)置將對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

2) 方案b：內(nèi)置掛板式樁板墻，樁頂不設(shè)錨索，采用2 m×3.5 m矩形樁。

本方案采用常規(guī)樁板墻，樁采用T型樁，內(nèi)置掛板。增大樁高到3.5 m，可有效提高樁的力學(xué)性能，減少樁頂位移。但內(nèi)置擋土板施工時需開挖樁間土體，由于本段為強風(fēng)化板巖，開挖時容易造成樁間土體的塌落，嚴重時將會造成邊坡的位移，影響左幅隧道的安全。

3) 方案c：外掛式樁板墻，樁頂不設(shè)錨索，采用2 m×3.5 m矩形樁。

和方案b類似，采用矩形樁外掛擋板，可最大程度地減少路基邊坡開挖對隧道造成的影響，但外掛式擋板對施工工藝要求較為嚴格。

通過以上方案的比選，因邊坡內(nèi)部巖土為隱蔽工程，本工點同時涉及隧道及路基邊坡開挖支護工程，施工過程中定存在如地層巖性、地下水、周邊環(huán)境變化等不確定因素，為盡量減少邊坡開挖支護對隧道的影響，采用方案c外掛式樁板墻對右幅路基左側(cè)進行強支擋。

2.3外掛式樁板墻的設(shè)計與施工

2.3.1路基開挖對邊坡的影響

為了研究路基側(cè)樁板墻防護方案的合理性，采用有限差分程序?qū)υ摴c建立了數(shù)值模型，樁截面采用矩形2 m×3.5 m樁，樁長28 m，樁頂高于路面14 m，錨固段14 m，樁間距5.0 m。樁體采用實體單元，樁側(cè)及樁底設(shè)置接觸面單元模擬樁土的相互作用。計算過程中，土體應(yīng)力應(yīng)變的本構(gòu)理論采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，樁體采用彈性模型。

由于隧道開挖時其一襯、二襯支護可以消除隧道內(nèi)土體卸荷的影響，因此本次分析不考慮隧道對邊坡的影響。所建立的模型如圖1a所示。開挖路槽后的邊坡模型如圖1b所示。

通過殺死相關(guān)單元，模擬路基的開挖。經(jīng)過計算，得出坡體的剪切應(yīng)變增量云圖如圖2所示。由摩爾-庫倫強度破壞理論可知，土體發(fā)生破壞是由于剪應(yīng)力達到了土體的剪切強度，從而發(fā)生剪切破壞，而當(dāng)土體發(fā)生剪切破壞時，相應(yīng)的剪切面上必然發(fā)生較大的剪切變形。因此，最大剪切應(yīng)變增量的位置可以反映邊坡的潛在破壞面位置。由圖2可知，樁頂以下坡體的剪切應(yīng)變較小，樁頂上邊坡的剪切應(yīng)變較大，以近似坡面角度向上發(fā)展。因此設(shè)計中應(yīng)重視該破壞面進一步發(fā)展的可能，防止沿此面產(chǎn)生樁頂以上坡體的越頂破壞。

　a) 開挖前　　b) 開挖后　

圖2　開挖后坡體的剪切應(yīng)變增量

2.3.2外掛式樁板墻設(shè)計

作用于樁體上的設(shè)計荷載按庫侖土壓力確定，庫侖土壓力分項(安全)系數(shù)=1.350 ，墻背路塹強風(fēng)化板巖摩擦角取42°。樁體按彈性樁考慮，樁的內(nèi)力計算采用“K”法，彈性地基系數(shù)取200 MN/m3。

經(jīng)過計算，墻背土壓力Ex=1 901.5 kN，作用點高度Zy=5.658 m，按土壓力驗算為設(shè)計依據(jù)，驗算樁頂位移為7.0 cm，背側(cè)最大彎矩為83 009.844 kN·m，距離樁頂16.0 m，最大剪力12 376.822 kN，距離樁頂14.0 m，根據(jù)以上結(jié)果，根據(jù)公路路基設(shè)計規(guī)范進行了相應(yīng)的抗彎鋼筋及抗剪鋼筋的配置。

樁頂以上坡體根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，通過在坡面采用長錨桿(12 m)進行加固，經(jīng)計算滿足安全要求。

經(jīng)以上分析及計算，本段半路半隧確定最終支護方案為：YK37+570～YK37+700段共長130 m，設(shè)置27根樁，樁截面采用矩形2 m×3.5 m樁，樁長28 m，樁頂高于路面14 m，錨固段14 m，樁間距5.0 m，為方便施工，樁間采用外掛式擋土板。擋土板內(nèi)力按均布荷載下的簡支梁計算。擋土板自樁頂以上0～7.0 m采用厚40 cm、寬50 cm擋板，7.0～14.0 m采用厚60 cm、寬50 cm擋板，支擋典型橫斷面圖如圖3所示。

圖3　防護方案設(shè)計圖

2.3.3外掛式樁板墻和隧道的施工

本工點中隧道開挖和路基開挖息息相關(guān)，開挖順序至關(guān)重要。右幅路塹左側(cè)抗滑樁與隧道結(jié)構(gòu)間凈距約4.4 m，屬典型的臨近施工，目前，國內(nèi)對此尚無工程規(guī)范，實例也較少，經(jīng)過多次論證比選，最后確定先施工抗滑樁進行預(yù)加固，再施工隧道初期支護，隧道初支封閉后，相當(dāng)于在坡體內(nèi)部形成一個承載拱，對于邊坡穩(wěn)定較為有利。再進行右幅路基的土石方開挖，同時進行隧道變形監(jiān)測。土石方工程開挖完成后，邊坡應(yīng)力重新分布，預(yù)加固的抗滑樁起到支擋作用并穩(wěn)定后，進行外掛式擋板施工及隧道二襯。這樣可有效解決隧道和路基支擋臨近施工帶來的相互干擾。

最終確定施工順序為：樁頂以上邊坡的開挖及防護→預(yù)加固樁抗滑樁施工→隧道開挖及初期支護→路基土石方開挖施工同時隧道變形監(jiān)測和邊坡監(jiān)控→外掛式擋板施工→隧道二襯→路面、排水及其他附屬工程。

本段工點對施工質(zhì)量要求較為嚴格，每道施工工藝提出關(guān)鍵技術(shù)要求：

1) 樁頂以上邊坡的開挖及防護：路塹邊坡土石方的開挖要求嚴格按照從上而下的開挖順序逐級開挖，待樁頂以上邊坡錨固工程全部實施并產(chǎn)生作用后方可進行樁板墻抗滑樁的施工，確保坡體穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全。

2) 預(yù)加固樁抗滑樁施工：采用人工挖孔樁跳槽開挖，采用挖孔時應(yīng)及時進行護壁，護壁靠線路側(cè)應(yīng)設(shè)置寶麗板以方便掛板前拆除，施工孔內(nèi)巖石須爆破時，應(yīng)采用淺眼爆破法。同時應(yīng)做好隧道變形監(jiān)測和邊坡的變形位移監(jiān)測。

3) 隧道開挖及初期支護：本隧道為偏壓隧道，隧道洞深淺埋及偏壓地段采用環(huán)狀開挖環(huán)留核心土的施工方法，嚴格遵循“管超前、嚴注漿、短進尺、弱爆破、早封閉、勤量測”的原則施工。

4) 路基土石方開挖施工：禁止采用大爆破，要求距設(shè)計坡面一定范圍內(nèi)一律采用光面爆破，以盡量減少或避免爆破施工對巖體結(jié)構(gòu)和隧道的破壞作用和影響。

5) 外掛式擋板施工：預(yù)制擋土板強度達到80%后吊裝，要保證各擋土板安裝牢固位置正確，并使板與樁密貼。

6) 隧道二襯：重點為預(yù)防或減少混凝土開裂，首先應(yīng)把好材料關(guān)，嚴格控制原材料的質(zhì)量與技術(shù)標(biāo)準，控制混凝土的施工工藝。

7) 路面、排水及其他附屬工程：開挖邊溝時同土石方施工一樣，嚴禁進行大爆破。

3結(jié)論

樁板式擋土墻兼具擋土以及抗滑的作用，可以有效地解決小凈距的半路基半隧道中不能開挖邊坡的路塹坡腳高支擋問題，同時預(yù)先施工的樁可起到預(yù)先加固邊坡的作用，可有效減小路基開挖對坡體的擾動和對隧道結(jié)構(gòu)的影響，在設(shè)計時除了要考慮整體邊坡的穩(wěn)定性分析外，墻背的綜合摩擦角取值應(yīng)恰當(dāng)準確，還應(yīng)注意考慮樁板墻和隧道以及路基的施工順序問題，直接影響到隧道工程的安全問題。

參考文獻：

[1] JTG D30-2015，公路路基設(shè)計規(guī)范[S].

[2] JTG F10-2006，公路路基施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3] JTG D30-2015，公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].

[4] 李海光.新型支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計與工程實例(第2版)[M].北京： 人民交通出版社，2013.

[5] 鄭穎人，陳祖煜，王恭先，等.邊坡與滑坡工程治理(第2版)[M].北京：人民交通出版社，2010.

[6] 章勇武，馬惠民.山區(qū)高速公路滑坡與高邊坡病害防治技術(shù)實踐[M].北京：人民交通出版社，2007.

[7] 熊建軍，易震宇，胡海波.殿會坪連拱隧道半隧半路段結(jié)構(gòu)分析研究[J].公路工程，2008(6).

[8] 葉彩娟.包頭至西安鐵路柳樹店明洞邊坡樁板墻加固工程設(shè)計[J].鐵道標(biāo)準設(shè)計，2012(6).

[9] 秦旗，韓仙華.高速鐵路深路塹框架型樁板墻二維有限元分析[J].交通標(biāo)準化，2011(7).

[10] 黃治云，張永興，董捷.樁板墻土拱效應(yīng)及土壓力傳遞特性試驗研究[J].巖土力學(xué)，2013(7).

文章編號：1008-844X(2016)02-0217-04

收稿日期:2016-03-12

作者簡介:丁心香( 1981-) ，女，主要從事公路工程道路設(shè)計工作。

中圖分類號：U 452.2

文獻標(biāo)識碼：B