某臨近高壓電塔路塹邊坡加固設(shè)計方案研究

李旭華，唐勇斌

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510507)

隨著中國交通事業(yè)的不斷發(fā)展，工程項目越來越復(fù)雜，不可避免地會出現(xiàn)路線臨近重要結(jié)構(gòu)物的情況。當(dāng)公路與重要結(jié)構(gòu)物相距過近且結(jié)構(gòu)物無法遷改時，需著重考慮公路建設(shè)對結(jié)構(gòu)物的影響。因此，合理設(shè)計和優(yōu)化臨近重要結(jié)構(gòu)物路段道路邊坡方案，減少工程建設(shè)對其不利影響，對保障公路建設(shè)施工期及運營期安全性具有重要意義。

目前，對臨近重要結(jié)構(gòu)物路段邊坡加固方法主要有擋土墻、預(yù)應(yīng)力錨索、注漿錨桿、抗滑樁等，一般采用極限平衡法和巖土數(shù)值模擬分析法對邊坡加固穩(wěn)定性進(jìn)行分析。近年來，隨著錨索技術(shù)的發(fā)展，“錨索抗滑樁”邊坡加固方法已得到廣泛應(yīng)用，此方法通過在樁頂增設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索，改變了抗滑樁的懸臂受力狀態(tài)，減小了抗滑樁的嵌固深度和截面積。同時，抗滑樁具有適應(yīng)性強(qiáng)、對邊坡擾動和周邊地質(zhì)環(huán)境影響小、施工周期短等優(yōu)點，在多個項目中得到應(yīng)用。太長高速公路設(shè)計過程中對相近環(huán)境條件下，不同抗滑樁結(jié)構(gòu)的受力特性進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明：采用錨索抗滑樁更符合實際要求；桂來高速公路某超高壓電塔邊坡工程，采用赤平極射投影、極限平衡法及數(shù)值模擬方法對該邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，研究證明錨索抗滑樁方案合理可行；福建龍巖某高壓電塔下路塹邊坡設(shè)計方案采用了抗滑樁加樁頂放坡方案，坡頂采用框架錨桿及拱形骨架植草，取得了較好的邊坡防護(hù)效果；吉懷高速公路王坡大橋高壓鐵塔邊坡采用樁板式擋墻加固邊坡技術(shù)，工程實踐表明，樁板式擋墻加固高壓鐵塔邊坡不僅提高了邊坡安全系數(shù)，且減少了對現(xiàn)有塔基的施工干擾。

基于上述背景，該文以廣深高速公路新塘互通立交某高壓電塔邊坡工程為背景，采用極限平衡法及數(shù)值模擬方法對該邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，研究臨近高壓電塔下路塹邊坡加固設(shè)計，提出預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁邊坡加固設(shè)計及計算方法，為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 項目概況

新塘互通立交位于廣州市增城區(qū)新塘鎮(zhèn)，是廣深高速公路與國道G107公路連接的互通立交，主要為實現(xiàn)廣深高速與國道G107、新塘地方路的交通轉(zhuǎn)換。新塘立交為服務(wù)型立交，采用菱形+內(nèi)、外環(huán)匝道的布置方式。現(xiàn)狀新塘互通立交匝道存在繞行嚴(yán)重，交通組織復(fù)雜且不明確，通行能力及服務(wù)水平低的問題，不能滿足交通量快速增長的交通需求，因此需對新塘互通立交進(jìn)行改造。

現(xiàn)狀新塘立交場區(qū)范圍內(nèi)有一條220 kV中新甲線高壓線穿過，其中18#、19#和20#電塔位于匝道內(nèi)，已實施遷改。該項目某挖方路段道路左側(cè)邊線距離21#電塔3.78 m，與電塔加固基礎(chǔ)最小距離1.11 m，與加固后的電塔基礎(chǔ)承臺相鄰，經(jīng)多次協(xié)調(diào)，無法對電塔進(jìn)行遷改，須采取支擋防護(hù)設(shè)施，對路塹邊坡進(jìn)行加固設(shè)計。

1.2 工程地質(zhì)條件

該項目地貌主要為低緩殘丘，地形較緩，現(xiàn)狀坡坡角約為20°，坡體較穩(wěn)定，標(biāo)高為10～10.9 m，無層理，節(jié)理及斷層發(fā)育。地勘報告揭露的巖土層主要為砂質(zhì)粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖層等，物理力學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，各地層巖性特征如下：① 砂質(zhì)粉質(zhì)黏土1：黃褐色、灰黃色，濕，可塑，殘積成因，土質(zhì)較均勻，切面較粗糙，稍有砂感。局部分布，厚度 1.00～5.00 m；② 砂質(zhì)粉質(zhì)黏土2：紅褐色、黃褐色，稍濕，硬塑，殘積成因，黏性較差。局部分布，厚度 0.60～10.00 m；③ 全風(fēng)化花崗巖：黃褐色，巖石風(fēng)化完全，巖芯呈堅硬土狀，手可掰斷，遇水軟化，飽水崩解。局部分布，厚度 1.00～5.20 m。

該項目地下水類型主要為松散層孔隙水，對坡體穩(wěn)定影響較小，不良地質(zhì)不發(fā)育。

2 路塹邊坡加固方案

2.1 設(shè)計思路

該項目地質(zhì)條件及路塹邊坡周圍環(huán)境相對較簡單，主要限制條件為電塔距挖方路段道路邊線較近。挖方路段道路左側(cè)邊線與電塔最小平面距離為3.78 m，該電塔所處里程由現(xiàn)狀地面標(biāo)高開挖至設(shè)計路面標(biāo)高，垂直開挖深度約7 m，若采用放坡開挖將直接侵入電塔基礎(chǔ)，故需采取相應(yīng)的路塹邊坡加固措施。

2.2 邊坡加固設(shè)計方案

為確保對現(xiàn)狀高壓電塔實施有效保護(hù)，結(jié)合已有工程案例，綜合考慮各因素，設(shè)計方案擬采用預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁對路塹邊坡進(jìn)行加固。方案擬在高壓電塔保護(hù)段布置平面長度為21 m的預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁，高壓電塔保護(hù)段之外路塹邊坡采用仰斜式擋土墻加墻頂放坡設(shè)計。

設(shè)計方案擬設(shè)置8根抗滑樁，抗滑樁采用鉆孔灌注樁，樁徑1.2 m，間距3 m；樁長15 m，嵌固深度10 m，懸臂段5 m，樁頂設(shè)1 m高T形冠梁。樁間掛板，面板厚0.3 m，采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆板。各抗滑樁樁頂冠梁均錨固一根預(yù)應(yīng)力束錨索，錨索長24 m，錨固段10 m，因部分錨索與電塔樁基礎(chǔ)沖突，施工困難，故取消Z2、Z6號樁的錨索，并以錨索與電塔基礎(chǔ)最小凈距50 cm為標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整剩余6根錨索偏移角度，偏移角度控制在5°以內(nèi)，平面布置如圖1所示。此外，為了便于電力人員日常對電塔進(jìn)行檢修，設(shè)計方案擬利用抗滑樁樁頂T形冠梁設(shè)計檢修工作平臺，邊坡加固設(shè)計剖面圖如圖2所示。

圖1 邊坡加固設(shè)計平面圖

圖2 邊坡加固設(shè)計剖面圖

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 電塔荷載的考慮

根據(jù)電力部門提供的資料，電塔結(jié)構(gòu)及電線豎向荷載共計2 545 kN，電塔基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，按抗拔樁設(shè)計，主要起抗拔作用。當(dāng)樁基承受豎直向下荷載時，荷載通過樁基傳遞至地基深處，對邊坡穩(wěn)定性影響較小。因此，從不利角度考慮且為簡化計算，假定電塔荷載由基礎(chǔ)承臺承擔(dān)，換算成承臺底面壓應(yīng)力為31.42 kPa，作用位置為邊坡坡頂。

3.2 理正軟件計算分析

3.2.1 巖土設(shè)計參數(shù)

1.5 統(tǒng)計學(xué)方法 采用SPSS 17.0軟件對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，患者手術(shù)時間為計量資料呈正態(tài)分布，以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（）表示，組間比較用t檢驗；術(shù)后血腫/血清腫、慢性疼痛及復(fù)發(fā)率為計數(shù)資料，采用χ2檢驗或Fisher確切概率法。P＜0.05表示有統(tǒng)計學(xué)意義。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及工程地質(zhì)勘探，該路塹邊坡在勘探深度范圍內(nèi)地層結(jié)構(gòu)較為簡單。土層采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，自上而下可分為3層。以邊坡坡頂為原點，0～6 m為砂質(zhì)粉質(zhì)黏土1；6～16 m為砂質(zhì)粉質(zhì)黏土2；16～21.2 m為全風(fēng)化花崗巖。左、右側(cè)地下水位高度不同，水位以上采用天然重度，水位以下土層采用浮重度。邊坡工程巖土體參數(shù)如表1所示。

表1 邊坡工程巖土體參數(shù)

3.2.2 邊坡穩(wěn)定性計算

該項目為高速公路路塹邊坡，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)依據(jù)JTG D30—2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》要求考慮邊坡處于天然狀態(tài)下的工況及邊坡處于暴雨或連續(xù)降雨狀態(tài)下的工況。

利用理正巖土計算軟件，建立路塹邊坡穩(wěn)定性計算模型，采用圓弧滑動面法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行驗算，兩種工況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)如表2所示。

表2 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計算結(jié)果

由表2可知：該項目采用預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁邊坡加固設(shè)計方案時，路塹邊坡在天然工況及暴雨或連續(xù)降雨工況下的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1.3，邊坡穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

3.3 數(shù)值仿真計算分析

為進(jìn)一步研究路基邊坡開挖對電塔的影響，該文采用了Geo-Studio有限元巖土工程分析軟件，對路基邊坡開挖過程及支護(hù)過程進(jìn)行模擬。

3.3.1 幾何模型

圖3 計算模型簡圖

3.3.2 材料參數(shù)

土層參數(shù)根據(jù)勘察資料取值(表1)。分析中抗滑樁和錨索分別采用梁和桿單元進(jìn)行模擬，錨索中施加預(yù)應(yīng)力。錨索分為錨固段和自由段?？够瑯逗湾^索的力學(xué)參數(shù)取值如下：

抗滑樁：樁身C30混凝土彈性模量E=3.0×108kPa，鋼筋彈性模量E=2.0×109kPa，根據(jù)配筋率計算，抗滑樁等效彈性模量E=3.56×108kPa，橫截面積A=1.130 4 m2，慣性矩M=0.101 736 m4，按樁間距折減后的慣性矩M=0.033 912 m4。

錨索錨固段：彈性模量E=6×107kPa，橫截面積A=1.766 25×10-2m2。

錨索自由段：彈性模量E=2.0×108kPa，橫截面積A=7.254 656×10-4m2。

3.3.3 邊界條件

數(shù)值分析采用二維平面應(yīng)變模型，假設(shè)底部足夠深，不受邊坡開挖的影響，模型底部可采用水平位移和豎直位移為0作為邊界條件；模型左右兩側(cè)距離開挖位置較遠(yuǎn)，假定其水平位移為0；電塔荷載等效為邊坡坡頂線性荷載，大小為31.42 kPa；該處地下水位較深，地下水位對邊坡開挖幾乎無影響，數(shù)值分析中不予考慮。

3.3.4 結(jié)果分析

路基開挖至不同深度地層內(nèi)部的水平位移云圖及各階段抗滑樁水平位移如圖4、5所示。

由圖4、5可以看出：① 在施工錨索抗滑樁時，樁頂由于預(yù)應(yīng)力錨索的張拉，樁頂有向邊坡側(cè)擠壓的趨勢，在開挖至2 m時，樁頂仍有向邊坡側(cè)的位移。當(dāng)邊坡開挖至4 m深度時，樁頂位移已變?yōu)檎?，?.004 2 m，樁身最大水平位移約為0.012 7 m，位置約在深度為-9 m的位置。當(dāng)邊坡開挖至6 m深度時，樁頂位移為0.020 6 m，樁身最大水平位移約為0.026 3 m，位置約在深度為-6 m的位置；② 邊坡在開挖施工的各個階段，土體的水平位移均較小。由于預(yù)應(yīng)力錨索的作用，抗滑樁存在較明顯的“鼓肚子”現(xiàn)象，樁頂最大水平位移為0.020 6 m，樁身最大水平位移約為0.026 3 m，位移不大且可控，設(shè)計方案能夠保證邊坡穩(wěn)定，且對電塔影響甚微。

圖4 地層水平位移場云圖(單位：m)

圖5 各階段抗滑樁水平位移曲線圖

4 結(jié)論

(1)采用極限平衡法對預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁邊坡加固設(shè)計方案的穩(wěn)定性進(jìn)行了計算，在天然工況及暴雨或連續(xù)降雨工況下的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1.3，邊坡穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

(2)采用有限元數(shù)值分析方法對路基邊坡開挖過程及支護(hù)過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果表明：邊坡在開挖施工的各個階段，土體內(nèi)部最大水平位移為0.026 3 m，樁頂最大位移為0.020 6 m，水平位移及抗滑樁位移均不大且可控。

(3)計算了預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁邊坡加固設(shè)計方案的穩(wěn)定性及土體和抗滑樁的水平位移，確保邊坡在開挖和運營中的穩(wěn)定，且有效預(yù)估了邊坡開挖對現(xiàn)有電塔塔基的影響，對類似工程設(shè)計計算具有一定的參考價值。