駙馬長江大橋重力錨深基坑開挖支護(hù)方案研究

余鑫

摘要 懸索橋重力錨基坑具有工程量大、技術(shù)難度高、不可預(yù)見因素多等特點(diǎn)，依據(jù)橋址區(qū)的地質(zhì)情況，選擇適宜的開挖、支護(hù)方案，對確保施工安全至關(guān)重要。駙馬長江大橋北岸重力錨基坑位于長江北岸一堆積體斜坡上，該區(qū)域受滑坡影響，巖質(zhì)多屬軟巖或極軟巖，易誘發(fā)邊坡失穩(wěn)。鑒于工程特殊性，文章依托駙馬長江大橋重力式錨碇基坑工程，研究超深錨碇基坑垂直開挖和支護(hù)設(shè)計，通過地勘、滑坡穩(wěn)定性分析、設(shè)計方案優(yōu)化等，制定針對性的垂直開挖支護(hù)設(shè)計方案，保證了工程順利實(shí)施，對同類工程有一定參考價值。

關(guān)鍵詞 懸索橋;錨碇;基坑;開挖支護(hù)

中圖分類號 F542.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）05-0167-05

0 引言

懸索橋重力式錨碇基坑開挖和支護(hù)安全可靠性不僅影響基坑本身，且往往會影響周邊環(huán)境，一旦基坑邊坡失穩(wěn)坍塌將影響整個工程建設(shè)，因此錨碇基坑開挖支護(hù)方案設(shè)計顯得尤為重要。

1 工程概況

駙馬長江大橋是重慶萬州至湖北利川高速（重慶段）跨長江控制性工程，主橋?yàn)? 050 m單跨雙鉸鋼箱加勁梁懸索橋。北岸為重力式錨碇，錨碇基坑處于長江北岸一堆積體斜坡上，該區(qū)域受莊屋滑坡影響，為土質(zhì)滑坡，滑動面為土層基巖接觸面，滑坡前緣高程為187 m，后緣高程251 m，寬220 m，軸長260 m，厚8 m，方量46萬m3?；邮芡亮?、卸荷裂隙等影響，北岸近地表裂隙多張開，裂隙寬1～8 cm，發(fā)育間距0.5～1.4 m。基坑開挖尺寸為73 m×48 m，最深達(dá)38.5 m，基坑暴露時間長，基坑各方向標(biāo)高變化大，剖面形狀急劇變化，基坑北側(cè)房屋較多，緊鄰既有道路，開挖切坡易誘發(fā)土體淺層滑坡，增加了施工難度（如圖1）。

2 基坑開挖支護(hù)技術(shù)

我國東部平原地區(qū)具有深厚的覆蓋層，錨碇基坑常采用沉井[1]、矩形地下連續(xù)墻[2]、圓環(huán)形地下連續(xù)墻[3]等支護(hù)形式，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。中西部山嶺重丘區(qū)，重力錨基坑邊坡常為巖質(zhì)邊坡或土巖混合邊坡，可充分發(fā)揮巖質(zhì)邊坡的優(yōu)勢，采用放坡開挖或者混合支護(hù)形式。

北岸錨碇地質(zhì)條件復(fù)雜、開挖深度大、開挖方量大、防護(hù)面積大、工期緊、任務(wù)重，且存在施工期降雨量大等難點(diǎn)，合理的基坑開挖支護(hù)設(shè)計是關(guān)鍵。

3 地質(zhì)勘察

地質(zhì)勘察揭露北岸錨碇范圍內(nèi)實(shí)際巖土特征，根據(jù)地質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)，針對性地評價北岸錨碇區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、場地穩(wěn)定性，以及水文地質(zhì)條件等（如表1）。

4 巖土力學(xué)參數(shù)

4.1 巖土室內(nèi)試驗(yàn)

取粉質(zhì)粘土樣3組進(jìn)行土常規(guī)試驗(yàn)，取巖樣7組進(jìn)行物性、抗壓試驗(yàn)。砂巖天然單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為17.57 MPa，飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值12.72 MPa，屬軟巖;泥巖天然單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為6.15 MPa，飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值3.86 MPa，屬極軟巖;粉砂巖天然單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為3.61 MPa，飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1.85 MPa，屬極軟巖。

4.2 巖體基本質(zhì)量分級

勘察探空顯示錨碇深基坑地下巖層為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組的砂巖、粉砂巖和泥巖，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查結(jié)果和《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTG C20—2011）定性了解巖體完整程度，并進(jìn)行巖體基本質(zhì)量分級。強(qiáng)風(fēng)化巖體完整程度為破碎，為極軟巖，基本質(zhì)量分級為Ⅴ級;中風(fēng)化巖體完整程度為較破碎-較完整，為軟巖或極軟巖，基本質(zhì)量分級為Ⅳ級和Ⅴ級。

4.3 地質(zhì)參數(shù)確定

4.3.1 巖土參數(shù)確定

試驗(yàn)得出巖土體力學(xué)參數(shù)見表2、表3。

4.3.2 地基承載力確定

按《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG D63—2007）附錄F試驗(yàn)得出的地基承載力見表4。

4.3.3 地基磨阻系數(shù)

按《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》（SL 264—2001）、《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50266—2013）進(jìn)行試驗(yàn)。錨碇前緣基底摩阻系數(shù)為0.64，中部為0.63，后緣為0.59，綜合摩阻系數(shù)為0.61。

綜上，錨碇區(qū)物探橫剖面基巖面基本穩(wěn)定，無斷層破碎帶。錨碇區(qū)揭露松散層為第四系殘坡積粉質(zhì)黏土和第四系崩坡積粉質(zhì)黏土混碎石，侏羅系上沙溪廟組（J2s）泥巖及砂巖，巖層產(chǎn)狀155°∠3°，泥巖屬軟巖，遇水易軟化，失水易崩解。錨碇區(qū)裂隙水較貧乏，中風(fēng)化巖層通過壓水試驗(yàn)揭露為相對隔水層，錨碇底標(biāo)高214.70 m，高于三峽最高洪水位175 m。錨碇區(qū)基巖埋置深度較淺，中風(fēng)化巖層埋置深度約15 m，基巖以中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖為主，夾中風(fēng)化砂巖，圍巖級別為Ⅳ級，適用重力錨。

5 滑坡地段穩(wěn)定性分析

5.1 模型建立

采用有限元軟件Phase2對北岸滑坡堆積體二維穩(wěn)定性計算分析，以大橋軸線及基坑中軸線作為計算剖面。模型底邊寬1 100 m，左邊界高350 m，右邊界高64 m，底高程50 m。后緣節(jié)理傾角從上到下由陡變緩，在粉砂質(zhì)泥巖中為50°，和下部近水平段滑帶之間的過渡段為25°，滑帶傾角為3°。根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果分析顯示，長江水位位于滑帶以下，北岸坡體地下水貧乏，計算模型中不考慮地下水位。

計算模型包含7種巖土體材料：

（1）粉質(zhì)粘土夾碎塊石，主要位于堆積體后緣凹陷區(qū)。

（2）粉質(zhì)粘土，主要位于凹陷區(qū)以下的斜坡地表。

（3）上部砂巖，位于斜坡上部以及砂質(zhì)泥巖內(nèi)部。

（4）砂質(zhì)泥巖，位于斜坡中部，是組成滑坡堆積體的主要成分。

（5）滑床基巖。

（6）滑帶，位于砂質(zhì)泥巖和滑床砂巖之間。

（7）陡傾節(jié)理，位于滑體后緣。

對模型底部邊界施加固定約束，對左、右側(cè)邊界施加水平位移約束，地表面采用自由邊界。模型統(tǒng)一采用三節(jié)點(diǎn)三角形單元網(wǎng)格剖分，對后緣節(jié)理和滑帶區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)加密[4]，劃分出7 422個單元體，3 800個節(jié)點(diǎn)。北岸堆積體二維計算模型及網(wǎng)格剖分見圖2（①號線條表示材料邊界，②號邊界為基坑開挖范圍）。

5.2 模型參數(shù)

滑床基巖采用線彈性模型，滑床以上的巖土體（砂巖、砂質(zhì)泥巖、滑帶）均采用彈塑性模型、Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，巖土體參數(shù)依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)等綜合確定，滑坡堆積體計算參數(shù)見表5。

5.3 計算工況

影響北岸堆積體穩(wěn)定性主要因素是降雨，同時研究區(qū)位于地震基本烈度Ⅵ度區(qū)，在穩(wěn)定性計算中主要考慮，工況1：天然狀態(tài)，工況2：天然狀態(tài)+暴雨，工況3：天然狀態(tài)+地震，暴雨工況通過設(shè)置地表巖土體的飽和參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，地震工況通過施加水平地震力來實(shí)現(xiàn)，水平地震加速度取值0.05 g。

穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)：參考對比國內(nèi)不同行業(yè)的邊坡安全系數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合堆積體邊坡的地質(zhì)情況以及工程重要性，將堆積體在上述3種工況下的安全系數(shù)分別擬定為：1.35、1.20、1.10。

5.4 模擬結(jié)果

初始地應(yīng)力場的生成采用了分階段彈塑性求解法，首先，將模型中所有材料的粘聚力和抗拉強(qiáng)度設(shè)置成較大值，進(jìn)行彈性求解，直至達(dá)到力的平衡狀態(tài);然后將粘聚力和抗拉強(qiáng)度重置為初始值，再進(jìn)行塑性求解，直至達(dá)到最終的平衡狀態(tài)。圖3是模型初始地應(yīng)力場的豎向應(yīng)力云圖，從圖3中可以看出，豎向應(yīng)力σz隨著深度的增加而增大，符合一般規(guī)律。

3種不同工況下的穩(wěn)定性計算均是在初始模型基礎(chǔ)上進(jìn)行。

經(jīng)計算分析，古滑坡堆積體3種工況下均處于整體穩(wěn)定狀態(tài)，其中天然狀態(tài)下安全儲備較高，地震條件下有所降低，暴雨條件下安全儲備最小[5]，見表6。盡管堆積體在暴雨條件下安全儲備較小，但計算結(jié)果反映最危險部位僅局限于斜坡段地表殘坡堆積土層，基坑正式開挖之前，基坑表面一定深度范圍內(nèi)土體應(yīng)提前清理，因此降雨不會對基坑造成危險。綜上，古滑坡堆積體整體穩(wěn)定性滿足工程要求。

6 開挖支護(hù)方案設(shè)計

根據(jù)錨碇基坑范圍地勘結(jié)果，綜合考慮施工期錨碇基坑邊坡穩(wěn)定性及場地受限等因素，選擇“防護(hù)樁+垂直開挖+錨索支護(hù)”進(jìn)行優(yōu)化。錨碇深基坑先實(shí)施防護(hù)樁支護(hù)，基坑壁上部14 m中、強(qiáng)風(fēng)化基巖段采用分層垂直開挖，后采用預(yù)應(yīng)力錨索加固，設(shè)置寬2 m馬道;下部基巖采用垂直開挖。為保證錨碇基坑施工開挖、錨碇施工期間的安全性，對開挖基坑邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析并研究支護(hù)加固措施。對K1～K2、K2～K3方向兩個典型剖面進(jìn)行二維邊坡極限平衡穩(wěn)定性分析。計算時僅考慮施工期及施工期+暴雨2種工況（如圖4）。

6.1 縱坡（K2～K3方向）

基坑邊坡采用直徑1.5 m防護(hù)樁，間距3 m，提供水平抗剪力1 000 kN，加5排60 t錨索，間距3 m×3 m，基坑邊坡加固后穩(wěn)定性計算結(jié)果見表7，錨碇基坑開挖縱向坡采用防護(hù)樁+錨索加固能滿足安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

6.2 橫坡（K1～K2方向及K3～K4方向）

基坑邊坡右側(cè)采用直徑1.5 m防護(hù)樁，間距3 m，提供水平抗剪力1 000 kN，左側(cè)采用直徑1.5 m防護(hù)樁，間距3 m，提供水平抗剪力500 kN支護(hù)加固，開挖基坑邊坡加固后穩(wěn)定性計算結(jié)果見表8，基坑開挖橫向坡采用防護(hù)樁+錨索加固能滿足安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

6.3 優(yōu)化設(shè)計

按設(shè)計方案支護(hù)后部分段穩(wěn)定性系數(shù)較高，支護(hù)方案偏保守。支護(hù)優(yōu)化時，防護(hù)樁及預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計力不變，對錨索排數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化后相應(yīng)基坑邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果見表9。

7 結(jié)束語

（1）錨碇區(qū)揭露松散層泥巖屬軟巖，遇水易軟化，失水易崩解，施工前應(yīng)加強(qiáng)截排水措施。

（2）基坑正式開挖之前，基坑表面一定深度范圍內(nèi)土體必須提前清理，避免降雨對基坑造成危險。

（3）“防護(hù)樁+垂直開挖+錨索支護(hù)”具有安全性高、施工進(jìn)度快、經(jīng)濟(jì)效益好、協(xié)調(diào)難度低等優(yōu)點(diǎn)。

（4）設(shè)計方案避免對堆積體斜坡大開大挖，降低安全風(fēng)險，提升環(huán)保景觀效果。

（5）設(shè)計方案截水溝施工約20天、帽梁施工約30天、基坑開挖及邊坡防護(hù)施工約95天，放坡開挖方案截水溝施工約30天、基坑開挖與邊坡防護(hù)約162天，較放坡開挖可節(jié)約47天。

（6）根據(jù)工程量，設(shè)計方案較放坡開挖支護(hù)方案節(jié)省建安費(fèi)189萬元，降低征地費(fèi)用約208萬元，工期縮短節(jié)省間接管理費(fèi)用150萬元。

（7）設(shè)計方案與放坡開挖支護(hù)方案相比，開挖土石方量降低近10萬m3，涉及征地棄土的問題，同時會產(chǎn)生中間倒運(yùn)費(fèi)，以及當(dāng)?shù)赝獠繀f(xié)調(diào)問題;另外，放坡開挖還會牽涉到既有縣道改移，并削弱處于坡面上的3#、4#墩樁基承載力。

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