強透水砂卵石層重力式錨碇基坑支護方案研究

王超， 周志興

(中交二航局第五工程分公司， 湖北 武漢 430040)

重力式錨碇作為懸索橋重要結(jié)構(gòu)，依靠巨大的自重及基底摩阻力來抵抗主纜的豎向分力和水平分力，因此，基礎(chǔ)持力層承載力和剛度直接關(guān)系大橋的結(jié)構(gòu)安全。傳統(tǒng)的設(shè)計理念是將錨碇基礎(chǔ)底部置于硬巖層之上，基礎(chǔ)埋置深度大，依靠基底巖層來承受錨碇自重。巖層的低壓縮性和高強度，能夠輕易使得錨碇滿足變位和強度的要求，埋深一般可達30～50 m，但埋深過大導(dǎo)致基坑支護開挖深度大，基坑支護及防水難度大，安全風(fēng)險高，錨碇基礎(chǔ)則一般采用地連墻支護形式[1]。

伍家崗長江大橋江南錨碇基礎(chǔ)首次將錨碇持力層選擇在強透水砂卵石層上，地質(zhì)條件復(fù)雜，基坑開挖較傳統(tǒng)深挖基坑有著較大區(qū)別。該文主要從地質(zhì)水文條件出發(fā)，結(jié)合傳統(tǒng)基坑支護工藝和實際特點，研究強透水砂卵石層錨碇基坑支護方案，并根據(jù)實際效果驗證方案的合理性[2]。

1 工程概況

伍家崗長江大橋位于湖北宜昌，為雙塔鋼箱梁懸索橋，主跨1 160 m。

江南重力式錨碇設(shè)計為直徑85 m、深15 m的圓形擴大基礎(chǔ)，基坑開挖深度為15.5 m。

1.1 地質(zhì)條件

根據(jù)地表測繪和鉆孔揭露，南岸重力錨碇部位覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)的人工堆積層和上更新統(tǒng)洪、坡積層等，各地層巖性從上至下分述如下：

①-2層：粉質(zhì)黏土、含少量碎塊石及礫石，呈可塑狀；主要分布于南側(cè)柑橘地表部，厚度2.9～5.4 m。

④-1層：粉質(zhì)黏土，土體內(nèi)多見細砂團塊，多見灰黑色鐵錳質(zhì)結(jié)核，偶含礫石；厚2.0～7.8 m，層底高程為61.0～65.6 m。

④-2-1層：含粉土卵礫石土，厚度3.5～9.2 m，局部僅厚0.5 m，層底高程為56.20～60.6 m。

④-2-2層：含中粗砂卵礫石，總體呈中密狀，少量呈稍密狀。厚5.2～20.6 m，層底高程為38.2～52.9 m。

從巖層上分析，錨碇基底位于不均勻砂卵石層，需充分考慮非巖持力層的承載力問題，因此要對復(fù)合地基加固進行研究[3]。

1.2 水文條件

錨碇位于長江二級階地，巖層走勢類似深溝，是地表水匯集和排泄通道，大氣降雨大部順坡匯入深溝并最終以地下水徑流形式流出，導(dǎo)致地下水豐沛，同時受雨季影響明顯。

其次，工程區(qū)地下水按賦存條件分為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水，第四系孔隙潛水較為穩(wěn)定，基巖裂隙水為弱透水，巖層總體以微透水為主。同時，長江二級階地與長江處于平行狀態(tài)，長江水位對錨碇基本無影響。因此，橋址區(qū)內(nèi)以地下水徑流為主，經(jīng)試驗，水位長期處于59.0～60.5 m，雨季稍高，受外界補、排影響不大，而錨碇基坑底部標(biāo)高為55.3 m，試驗確認基坑水位降至高程54.53 m時涌水量Q為5 634.56 m3/d，為強透水砂卵石層。

1.3 特點分析

(1) 重力錨基坑開挖深度約15.5 m，開挖面積較大，土層穩(wěn)定性差。

(2) 地下水豐富且強透水。

綜上所述，需采用有效降水或止水措施，并及時支護擋土，且基坑施工完成后需滿足基底砂卵石層干燥條件，便于后期進行注漿加固提高錨碇持力層的地基承載力[4]。

2 總體方案研究

經(jīng)調(diào)研國內(nèi)外大型基坑支護技術(shù)，擬定了以下4種施工方案：

(1) 方案1：全放坡開挖+地下水引流。

(2) 方案2：兩級放坡開挖+咬合樁。

(3) 方案3：兩級放坡開挖+地連墻。

(4) 方案4：兩級放坡開挖+鉆孔灌注樁支護+高壓旋噴樁止水帷幕。

2.1 方案1：全放坡開挖+地下水分流

按照JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》等基坑支護參數(shù)計算分析，砂卵石層地質(zhì)條件適宜采取放坡開挖的方式，結(jié)合地理條件和后期地基基礎(chǔ)干處理的方式，首先分析全放坡開挖方式(圖1)。

圖1 全放坡開挖方案立面布置圖(單位：m)

采用3級放坡開挖，每級開挖深度5 m，1、2級邊坡坡比為1∶1，3級邊坡坡比為1∶1.5。每級平臺寬度為2 m，總開挖直徑為130 m，開挖量為13萬m3，而基底處于地下水位以下3.7 m。

根據(jù)地下水常年位于二級階地的情況，而長江一級階地高度為52 m，較基底高度55.3 m低，可采用在錨碇上游側(cè)100 m的位置開槽打通二級階地與一級階地，形成排水通道將錨碇地下水排放至長江，進行地下水引流，達到基底干燥的條件。排水通道開挖深度為18.3 m需要同步進行放坡分級支護，開挖長度約110 m，開挖落差高度為21 m，總開挖量約為19萬m3。該方案解決錨碇地下水的方式為引流，整體開挖方式簡單，施工設(shè)備組織難度小。但上游側(cè)地下水經(jīng)側(cè)向開渠引流到長江，可能出現(xiàn)排水不完全，無法達到基坑干施工條件，且對下游地理環(huán)境可能造成不可逆的破壞。

2.2 方案2：兩級放坡開挖+咬合樁

兩級放坡開挖每級高度5 m，一級坡比1∶1，二級坡比1∶1.5，開挖直徑139 m，開挖量為8.7萬m3(圖2)。

圖2 兩級放坡開挖+咬合樁方案立面布置圖(單位：m)

咬合樁主要用于房建及地鐵項目大型基坑支護。如圖3所示的素混凝土樁基中間打入鋼筋混凝土樁實現(xiàn)樁基之間的咬合，多根排樁相互咬合形成環(huán)更具擋土止水的效果。

圖3 咬合樁結(jié)構(gòu)示意圖(單位：m)

咬合樁共計292根，樁徑1.5 m，樁心距1.05 m，咬合量為0.45 m，樁身深入巖層3 m，根據(jù)地層分布樁均長25 m，可達到擋土止水的效果。咬合樁總體成孔工藝采用旋挖鉆成孔，導(dǎo)管法澆筑混凝土。

該方案能有效解決地下水止水難題，保障基坑干施工環(huán)境，同時兩級放坡至地下水位以上，開挖組織及管理均較為簡單。但咬合樁結(jié)構(gòu)一般多應(yīng)用在房建及地鐵工程，成樁工藝較為復(fù)雜。

2.3 方案3：兩級放坡開挖+地連墻

基坑兩級放坡開挖方式與2.2節(jié)一致。

地下連續(xù)墻廣泛應(yīng)用于重力式錨碇基坑支護，適用于開挖深度較深的基坑。其施工為在地面上采用一種挖槽機械，沿著深開挖工程的周邊軸線，在泥漿護壁條件下，開挖出一條狹長的深槽，清槽后，在槽內(nèi)吊放鋼筋籠，然后用導(dǎo)管法灌筑水下混凝土筑成一個單元槽段，如此逐段進行，在地下筑成一道連續(xù)的鋼筋混凝土墻壁，作為截水、防滲、擋水結(jié)構(gòu)。

以錨碇基礎(chǔ)為邊界，采用直徑為85 m，平均深度為25 m的地連墻施工，具備擋土防滲作用(圖4)。

圖4 兩級放坡開挖+地連墻方案立面示意圖(單位：m)

該方案可以保證基坑安全開挖，地連墻止水效果好，是錨碇基坑支護的常規(guī)工藝，但其工藝所采用的設(shè)備投入量大，對開挖后的場地要求高，施工成本大。

2.4 方案4：兩級放坡開挖+鉆孔灌注樁支護+高壓旋噴樁止水帷幕

基坑兩級放坡開挖方式與2.2節(jié)一致。

鉆孔灌注樁直徑為150 cm，樁間距1.8 m(凈間距0.3 m)，樁底嵌入中風(fēng)化礫巖層3 m，平均樁長25 m，均為鋼筋混凝土樁基，共151根，；灌注樁外側(cè)設(shè)一圈高壓旋噴樁作為止水帷幕，旋噴樁直徑0.8 m，平均樁長25 m，樁頂設(shè)置鋼筋混凝土冠梁寬3 m、高1.5 m；基坑兩級放坡開挖見圖5。

圖5 鉆孔灌注樁支護+高壓旋噴樁止水帷幕立面圖(單位：m)

該方案結(jié)構(gòu)施工工藝較為成熟，施工組織管理難度小，但支護效果由鉆孔灌注樁和止水帷幕共同決定，施工質(zhì)量控制難度大。

3 方案對比分析

3.1 工藝難度

大開挖結(jié)合地下水引流主要通過機械開挖的方式進行施工，逐級開挖逐級支護，工藝單一，施工難度小。

咬合樁目前多采用全套管鉆機成孔和旋挖鉆成孔工藝，項目選擇旋挖鉆泥漿護壁成孔工藝，在施工過程中主要控制成孔垂直度，保證相鄰孔位切割面的結(jié)合度，達到止水效果。目前旋挖鉆施工工藝成熟，設(shè)備投入量小，但在砂卵石層施工，存在擴孔率高、塌孔等問題，施工過程中需要重點關(guān)注成孔及混凝土灌注情況，以確保成樁質(zhì)量。

地連墻廣泛應(yīng)用于錨碇深基坑支護結(jié)構(gòu)，具有剛度大，擋土止水效果好，但施工過程中工藝工序較多，應(yīng)用于砂卵石層時，對泥漿護壁的要求比較高，易出現(xiàn)相鄰墻段對接不準(zhǔn)確等問題；其次，進入巖層前需要更換抓斗取土為沖擊鉆，工藝轉(zhuǎn)換銜接難度大；最后，地連墻涉及機械設(shè)備需求大，總體上在砂卵石層施工地連墻控制難度較大。

鉆孔灌注樁與高壓旋噴樁的結(jié)合方式與咬合樁有異曲同工之妙，先施工鉆孔灌注樁，同樣采用旋挖鉆成孔，導(dǎo)管法澆筑混凝土，再在鉆孔樁外側(cè)施工高壓旋噴樁，最后在高壓旋噴樁與鉆孔樁中間部位進行注漿加固，工藝流程長，涉及機械設(shè)備數(shù)量多，難度大。

3.2 造價分析

根據(jù)工程量計算4種方案人材機投入數(shù)量，結(jié)合市場詢價，計算各方案造價如下：

(1) 方案1：土石方開挖量為32.2萬m3，回填量為20.9萬m3，土石方開挖綜合單價為65元/m3，回填綜合單價為5元/m3，總造價為2 197.5萬元。

(2) 方案2：樁徑1.5 m，均長25 m鋼筋混凝土樁146根，單樁綜合單價為5萬元/根；素混凝土樁146根，單樁綜合單價為3萬元/根；土石方開挖量為8.7萬m3，回填量為1.2萬m3，總造價為1 739.5萬元。

(3) 方案3：外圈直徑86.5 m，內(nèi)圈直徑85 m，深度25 m的地下連續(xù)墻，地連墻混凝土5 049 m3，地連墻鋼筋1 350 t，土石方開挖回填量與方案2相同，總造價為1 966.6萬元。

(4) 方案4：樁徑1.5 m，均長25 m鋼筋混凝土樁151根，樁長25m高壓旋噴樁151根，高壓旋噴樁綜合單價為14 700元/根，土石方開挖回填量與方案2相同，施工成本總價為1 548.5萬元。

3.3 安全性

主要對比施工安全管理及相關(guān)方面。

大開挖結(jié)合地下水引流，開挖量總計達到32.2萬m3，一方面棄土量大，而項目周圍棄土場選擇難度大，開挖深度較其余方案深5 m，基坑穩(wěn)定性安全風(fēng)險更高；另一方面存在地下水引流后對二級階地下游生態(tài)環(huán)境影響風(fēng)險，總體開挖環(huán)保風(fēng)險與安全風(fēng)險都較大。

其余均為兩級開挖，開挖量減少，生態(tài)環(huán)保方面影響減小，附近棄土場可滿足要求。

其余3種方案結(jié)構(gòu)安全上均滿足擋土止水的效果，且都存在泥漿處理環(huán)節(jié)，咬合樁與鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁方案所需泥漿量較地連墻方案所需泥漿量少，泥漿處理難度較小。

從施工安全性方面對比，樁基施工設(shè)備單一，數(shù)量少，安全管控難度較地連墻施工更簡單。

3.4 小結(jié)

4種方案綜合比選結(jié)果如表1所示。

表1 4種方案綜合比選

大開挖方案存在影響下游生態(tài)環(huán)境風(fēng)險，且開挖量較大安全風(fēng)險較大；地連墻方案施工工藝復(fù)雜，施工成本高，質(zhì)量控制難度大；咬合樁方案相較于高壓旋噴樁方案，施工工序較少，施工質(zhì)量控制難度小，綜合考慮選用兩級放坡開挖+咬合樁方案，即方案2。

4 咬合樁施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 咬合樁工藝選型

國內(nèi)外常用的咬合樁施工工藝主要有全套管鉆機成孔和旋挖鉆泥漿護壁成孔兩種。全套管鉆機成孔主要通過套管護壁鉆進成孔，采用旋挖鉆配合鉆進取土，采用超緩凝混凝土，在混凝土初凝前進行切割，使相鄰兩根樁基相互咬合達到擋土止水的效果。旋挖鉆成孔與常規(guī)群樁施工基本相同，先施工素混凝土樁，待其強度較高時再用旋挖鉆進行切割后澆筑鋼筋混凝土樁，實現(xiàn)樁與樁的咬合。兩種工藝比較見表2。

表2 咬合樁施工工藝比較

從設(shè)備投入上看，旋挖鉆成孔投入少，成本小，施工難度小，工期基本一致，因此選擇旋挖鉆成孔工藝。

4.2 旋挖鉆咬合樁施工工藝施工要點

(1) 在砂卵石層采用旋挖鉆泥漿護壁鉆進成孔，易發(fā)生孔口塌孔現(xiàn)象，需采用護筒導(dǎo)向，精確定樁位。

(2) 鋼筋混凝土樁施工時切割兩根素混凝土樁，需保證兩根素混凝土樁樁頂標(biāo)高基本一致，保證開始切割期間鉆頭兩側(cè)受力均勻，保證鋼筋混凝土樁位。

(3) 泥漿護壁鉆進完成后，切割面上可能存在泥漿，必要時采取清理措施，以保證切割面的有效咬合。

(4) 嚴(yán)格控制樁基施工過程中的垂直度，在旋挖鉆自身垂直度數(shù)據(jù)監(jiān)控的基礎(chǔ)上，還需采用其他方法定期監(jiān)控，確保樁基垂直度，保障后期切割尺寸。

5 方案實施應(yīng)用效果

伍家崗長江大橋江南錨碇基坑采用兩級放坡開挖+咬合樁的施工方案，基底開挖完成后經(jīng)基坑監(jiān)測驗證邊坡和咬合樁穩(wěn)定性良好，基坑內(nèi)外水位監(jiān)測驗證止水效果良好，無滲漏現(xiàn)象，保持了基底干燥，為下一步施工創(chuàng)造了良好的施工環(huán)境。

6 結(jié)語

通過伍家崗長江大橋江南錨碇基坑支護方案研究與現(xiàn)場應(yīng)用，提出了砂卵石層大型基坑支護新方案，現(xiàn)場實施的良好效果驗證了方案的正確性，拓展了錨碇基礎(chǔ)持力層選位，攻克了不良地質(zhì)條件下錨碇基礎(chǔ)支護難題，首次將咬合樁施工技術(shù)應(yīng)用到橋梁錨碇基坑支護結(jié)構(gòu)上，可為今后同類型復(fù)雜地質(zhì)條件下修建大型橋梁工程提供借鑒。