微型鋼管樁與抗滑樁組合快速支擋邊坡設(shè)計(jì)及施工

王國(guó)豐

（貴州路橋集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550018）

1 工程概況

1.1 六枝特大橋9#主墩概況

納晴高速六枝特大橋采用六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度為100km/h，單幅橋面寬度為16.55m。主橋?yàn)椋?66+3×320+166）m=1292m 預(yù)應(yīng)力混凝土懸澆空腹式連續(xù)剛構(gòu)橋，主墩為6～9 #橋墩，主墩（承臺(tái)頂至下弦根部） 的高度分別為163m、145m、163m、106（91）m，均為雙肢變截面空心薄壁墩。9#主墩左右幅承臺(tái)為獨(dú)立式階梯布置，承臺(tái)尺寸均為36m×15.75m×6.5m（長(zhǎng)×寬×高），兩幅承臺(tái)高差8.5m（左幅高），單個(gè)承臺(tái)群樁數(shù)量為17 根，樁徑?3.1m，橫橋向6×5×6（根）布置，樁基礎(chǔ)均采用鉆（挖）孔灌注樁。

1.2 六枝特大橋9#墩工程地質(zhì)條件

六枝特大橋9#主墩左側(cè)邊坡表層為含玄武巖碎塊石、碎石15%～25%土層，厚度約2.0～5.0m，下伏較破碎狀中風(fēng)化穩(wěn)定玄武巖，巖層產(chǎn)狀：47∠68°，還發(fā)育有2 組方向性和規(guī)律性極強(qiáng)的結(jié)構(gòu)面：Ll：325∠72°；L2：208∠31°，為張性節(jié)理，主要的節(jié)理產(chǎn)狀均較陡，貫通性較差。L2 是影響主墩岸坡穩(wěn)定性的主要節(jié)理，是構(gòu)成卸荷裂隙的主要節(jié)理，但從地表調(diào)查及物探結(jié)果來(lái)看，節(jié)理橫向、垂向發(fā)育較淺、貫通性差。主墩處山體下部近坡腳處，自然坡體穩(wěn)定，總體為較陡傾順向坡結(jié)構(gòu)，距臨江臨空面較遠(yuǎn)，主墩處坡體是穩(wěn)定的。主要考慮施工場(chǎng)地及基坑開(kāi)挖的仰坡及邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題，尤其是南側(cè)仰坡坑壁斷面巖層易發(fā)生順流面層（強(qiáng)風(fēng)化與中風(fēng)化界面）滑塌，需要進(jìn)行支擋防護(hù)，原設(shè)計(jì)支擋防護(hù)形式為11 根抗滑樁。

2 六枝特大橋9#墩左側(cè)邊坡支擋防護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目的

納晴高速六枝特大橋9#主墩左幅左側(cè)邊坡原設(shè)計(jì)采用11 根抗滑樁支擋防護(hù)，除5#抗滑樁斷面尺寸為3×3m外，其余10根抗滑樁斷面尺寸為2×3m，左幅主墩群樁施工前需先施工完抗滑樁，完成對(duì)左側(cè)邊坡的支擋，左側(cè)邊坡在抗滑樁支擋下，再在邊坡上開(kāi)挖17 根樁徑?3.1m 的群樁樁基。由于11 根抗滑樁需分多輪次進(jìn)行開(kāi)挖與澆筑作業(yè)，施工時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)，左右幅工期相差最短為60d，按與業(yè)主簽訂合同，計(jì)劃進(jìn)度嚴(yán)重滯后，也將影響整個(gè)橋梁的總體工期。因此，為了盡快啟動(dòng)左幅群樁樁基施工，現(xiàn)擬在左側(cè)邊坡口增加微型鋼管樁臨時(shí)防護(hù)（微型鋼管樁具有適應(yīng)性強(qiáng)、施工靈活、快速等特點(diǎn)，預(yù)計(jì)1 個(gè)月可施工完），以達(dá)到快速完成對(duì)左側(cè)邊坡支擋的目的，保證主墩群樁樁基施工安全，群樁樁基施工完成后再按原設(shè)計(jì)施工抗滑樁。

2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容及步驟

2.2.1 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

9#主墩左側(cè)邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算采用圓弧法進(jìn)行驗(yàn)算，由計(jì)算得出的結(jié)果設(shè)計(jì)相應(yīng)的微型鋼管樁支擋措施，保證左側(cè)邊坡在左幅群樁施工平臺(tái)及群樁開(kāi)挖過(guò)程中的安全。

（1）確定滑動(dòng)面

結(jié)合9#墩左側(cè)邊坡斷面劃分圖，將左側(cè)邊坡劃分為Ⅰ-Ⅰ，Ⅱ-Ⅱ，Ⅲ-Ⅲ，Ⅳ-Ⅳ，Ⅴ-Ⅴ共5 個(gè)斷面，并對(duì)每個(gè)斷面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。Ⅰ-Ⅰ斷面，Ⅱ-Ⅱ斷面因坡高較矮，原設(shè)計(jì)為擋墻防護(hù)，故本次邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算以Ⅲ-Ⅲ斷面，Ⅳ-Ⅳ斷面，Ⅴ-Ⅴ斷面進(jìn)行。各斷面滑動(dòng)面按照4.5H法確定[1]，厚度按單位厚度1m取值。

（2）剩余下滑力計(jì)算

邊坡穩(wěn)定性計(jì)算采用畢肖普?qǐng)A弧法計(jì)算下滑力，計(jì)算公式見(jiàn)式（1）：

式中：En為第n個(gè)條塊的剩余下滑力（kN/m）；K為安全系數(shù)，本次計(jì)算取1.2；Wi為第i塊重量（kN）；ai為第i個(gè)條塊所在折線段滑面的傾角（°）；?i為第i個(gè)條塊滑面上的內(nèi)摩擦角（°）；Li為第i個(gè)條塊分段的弧長(zhǎng)度（m）；Ci為第i個(gè)條塊填土黏結(jié)力（kPa）。

根據(jù)地勘資料及現(xiàn)場(chǎng)邊坡開(kāi)挖情況分析，此次計(jì)算的巖體容重取γ=20kN/m3，黏聚力C值取20kPa，內(nèi)摩擦角?值取11°。

由計(jì)算公式及塊段劃分，計(jì)算出剩余下滑力En值。3個(gè)斷面剩余下滑力計(jì)算結(jié)果，Ⅲ-Ⅲ斷面En=465kN/m，Ⅳ-Ⅳ斷面En=579kN/m，Ⅴ-Ⅴ斷面En=1091kN/m，可以看出，Ⅴ-Ⅴ斷面的剩余下滑力最大，故以該斷面剩余下滑力作為邊坡支擋防護(hù)設(shè)計(jì)荷載值。

2.2.2 微型鋼管樁臨時(shí)加固設(shè)計(jì)計(jì)算

（1）邊坡支擋防護(hù)設(shè)計(jì)方案擬定

由邊坡下滑力計(jì)算結(jié)果En=1091kN/m，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)研究成果及類似工程成功經(jīng)驗(yàn)，擬采用空間鋼架微型鋼管樁體系布置形式對(duì)邊坡進(jìn)行臨時(shí)支擋防護(hù)，群樁數(shù)量及布置間距通過(guò)計(jì)算確定。為了提高安全系數(shù)，本次計(jì)算不考慮1#、3#、5#抗滑樁提供的抗力，邊坡下滑力全部以微型鋼管樁承受。

支護(hù)體系雖然采用空間鋼架微型鋼管樁布置形式，但坡體內(nèi)的每根鋼管樁卻是各自獨(dú)立的，即支擋坡體下滑的作用表現(xiàn)為每根獨(dú)立微型鋼管樁所能貢獻(xiàn)的最大抗力。這種抗力主要由兩部分組成，一部分是阻止巖土體下滑的抗剪力；另一部分是微型鋼管樁在荷載作用下發(fā)生彎曲變形而抵抗巖土體下滑的抗力。實(shí)際工程中不允許鋼管樁發(fā)生過(guò)大變形，否則樁已發(fā)生破壞。因此，樁發(fā)生彎曲變形提供的抗力通過(guò)計(jì)算顯示較小，本次設(shè)計(jì)不考慮該部分抗力。所以確定單根微型鋼管樁所能提供的最大抗力是微型鋼管樁設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容[2]。

（2）單根微型鋼管樁抗力計(jì)算

單根微型鋼管樁構(gòu)造采用?114mm壁厚5mm的普通鋼管，將固定在一起的3根?32mmHRB400鋼筋放入鋼管內(nèi)，微型樁成孔直徑為?150mm，再對(duì)孔內(nèi)注漿使之固結(jié)形成一根樁徑?150mm的微型鋼管樁。單根微型鋼管樁提供的抗力主要由兩部分組成：一是管內(nèi)3根?32mmHRB400鋼筋，二是管內(nèi)混凝土（?114mm壁厚5mm鋼管彎曲變形提供的抗力本次設(shè)計(jì)不計(jì)入，作為安全儲(chǔ)備）。

微型鋼管樁的截面積是A，樁的材料的許用抗剪強(qiáng)度是[τ]，那么微型鋼管樁阻止滑體沿滑面滑動(dòng)的抗剪力R=A[τ][3]，由此可計(jì)算管內(nèi)鋼筋及混凝土提供的抗力。

①3 根?32 螺紋鋼筋的斷面積Ag=24.12cm2，許用剪應(yīng)力[τg]=600kgf/cm2。由此可得出 3 根?32 螺紋鋼筋所能提供的最大抗力R1為：

②鋼筋混凝土微型鋼管樁的斷面積Ac=177cm2（孔徑150mm 截面積），混凝土的[τc]=60kgf/cm2。混凝土能提供的抗剪力R2為：

綜上，單根微型鋼管樁所能提供的主要抗力R=R1+R2=236kN。

通過(guò)分析計(jì)算，單根微型鋼管樁能夠提供236kN的抗力，且主要是承受抗剪力。本邊坡表層為含玄武巖碎石塊土，下伏較破碎狀中風(fēng)化玄武巖，巖層易沿強(qiáng)風(fēng)化表層與中風(fēng)化下層交界面發(fā)生滑塌，雖然微型鋼管樁在強(qiáng)風(fēng)化與中風(fēng)化交界面處提供了較大的剪力，但是坡體內(nèi)發(fā)生較大的相對(duì)變形也可能使邊坡失穩(wěn)。因此對(duì)于此類坡體內(nèi)可能出現(xiàn)較大變形時(shí)，需控制微型鋼管樁樁頂?shù)奈灰?，才能使微型鋼管樁的抗剪力更好地發(fā)揮作用。鑒于此，本邊坡微型鋼管樁樁頂采用樁帽將每單元微型鋼管群樁連起來(lái)的布置形式，使樁與樁相互作用來(lái)控制樁頂位移[4]。

（3）單元微型鋼管樁布置數(shù)量及間距

①每個(gè)單元組合樁數(shù)量確定。通過(guò)以上計(jì)算，單根微型鋼管樁能夠提供236kN 的抗力，邊坡下滑力為1 091kN/m，因此，將微型鋼管樁按照數(shù)個(gè)單元沿邊坡走向布置，每個(gè)單元組合樁數(shù)量n按式（3）確定：

式中：T為邊坡剩余下滑力；R為單根微型鋼管樁抗滑力；K為安全系數(shù)，本次計(jì)算取2.5。

每單元組合樁布置12 根鋼管樁，采用3×4（橫向4列，縱向3排）的布置形式。

②每單元組合樁縱、橫向間距確定。目前對(duì)微型鋼管樁的間距尚無(wú)成熟的計(jì)算方法，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及本邊坡實(shí)際地質(zhì)情況為強(qiáng)—中風(fēng)化玄武巖，頂板連接式組合樁縱向間距采用0.5m，橫向間距采用0.6m，頂板厚1.2m。

③確定單元組合樁之間間距。單元組合樁之間的距離應(yīng)保證兩單元中間土體不被擠出，避免造成坡體失穩(wěn)，確定樁間距的方法有很多，如塑性體受阻的繞流法和土拱效應(yīng)法[5]，本次邊坡加固設(shè)計(jì)作為施工期間對(duì)坡體的臨時(shí)防護(hù)，作用時(shí)間短，考慮鋼管樁注漿固結(jié)范圍，結(jié)合原設(shè)計(jì)抗滑樁布置間距，為了便于施工，將組合樁間凈距布置為3.6m。

④根據(jù)Ⅲ-Ⅲ、Ⅳ-Ⅳ、Ⅴ-Ⅴ斷面確定的滑面深度，微型鋼管樁滑面以上懸臂最長(zhǎng)9m，滑面以下樁長(zhǎng)按照懸臂長(zhǎng)度3/5 控制，且應(yīng)嵌入中風(fēng)化玄武巖4m 深度，避免因錨固深度不足導(dǎo)致微型鋼管樁支擋體系失效。

2.3 六枝特大橋9#主墩左側(cè)邊坡臨時(shí)支擋設(shè)計(jì)方案

通過(guò)以上計(jì)算分析，快速支擋施工方案采用微型鋼管樁結(jié)合抗滑樁對(duì)邊坡進(jìn)行防護(hù)，先進(jìn)行原設(shè)計(jì)的1#、3#、5#、7#抗滑樁施工，同時(shí)在原來(lái)的2#、4#、6#抗滑樁位置周邊設(shè)置微型樁，預(yù)留抗滑樁樁位，先以兩種防護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合的方式進(jìn)行邊坡的臨時(shí)防護(hù)，防護(hù)施工完成后，進(jìn)行9#墩左幅樁基與承臺(tái)施工，待承臺(tái)施工完成后，再進(jìn)行2#、4#、6#抗滑樁施工。微型鋼管樁作為邊坡臨時(shí)防護(hù)，用于主墩基礎(chǔ)施工過(guò)程階段的防護(hù)，其永久防護(hù)仍然為抗滑樁防護(hù)。

微型鋼管樁共布置6 個(gè)單元，每單元12 根鋼管樁，單元間距3.6m，單元與單元之間預(yù)留原設(shè)計(jì)2#、4#、6#抗滑樁施工位置。施工順序：1#、3#、5#、7#抗滑樁（同步進(jìn)行微樁施工）→左幅樁基群樁平臺(tái)開(kāi)挖→主墩左幅樁基、承臺(tái)施工→2#、4#、6#抗滑樁施工。

3 微型鋼管樁施工

3.1 施工工藝流程

鉆機(jī)平臺(tái)找平、搭設(shè)→測(cè)量放線確定樁位點(diǎn)→鉆機(jī)就位→成孔及清孔→鋼筋籠、注漿管制作及安裝→水泥漿制備→孔內(nèi)注漿→成樁檢測(cè)

3.2 微型鋼管樁施工要點(diǎn)

3.2.1 鉆機(jī)平臺(tái)施工

鑒于9#墩左側(cè)邊坡較陡，為確保施工安全，微型樁施工采用人工挖平臺(tái)（各單元微型樁頂平臺(tái)成階梯形），平臺(tái)寬度不小于2.5m，滿足鉆機(jī)施工支撐架要求，平臺(tái)之間采用人工挖臺(tái)階上下。

3.2.2 成孔及清孔

采用空壓機(jī)帶動(dòng)潛孔鉆干式成孔，巖質(zhì)較好的可以一次成孔，鉆進(jìn)時(shí)遇到坍孔、卡鉆等現(xiàn)象要慎重，每鉆進(jìn)1m 要退鉆，若卡鉆太頻繁，需要注漿后再鉆，保證鉆孔成孔質(zhì)量較好。剛開(kāi)始鉆進(jìn)時(shí)，需保持低速低壓，在成孔5m 以上后可根據(jù)地質(zhì)情況逐漸調(diào)整鉆速及風(fēng)壓。每單元微型樁成孔采用跳孔施工、間歇施工等措施來(lái)進(jìn)行處理。

用地質(zhì)巖芯鉆桿配合鉆頭進(jìn)行反復(fù)掃孔，清除浮渣，確?？讖健⒖咨罘弦?，防止堵孔，用高壓風(fēng)從孔底向孔口清理鉆渣，成孔后孔內(nèi)虛渣不得大于50mm。

3.2.3 鋼管注漿孔制作

鋼管至樁頂1.7m 以下范圍內(nèi)每隔50cm 梅花形布置出漿孔（以左幅承臺(tái)底標(biāo)高為界，上、下1.5m 范圍內(nèi)不開(kāi)孔），出漿孔直徑15mm，鋼管下放前用透明膠帶封孔（防止相鄰樁位漿液滲透堵塞注漿孔）。

3.2.4 鋼筋籠、注漿管安裝

（1）鋼筋籠主筋采用鋼套筒連接，3 根主筋采用鐵絲綁扎，鋼筋籠安裝時(shí)應(yīng)安裝鋼筋支架，以確保周正及保護(hù)層厚度。

（2）鋼筋籠制作時(shí)需同時(shí)安裝注漿管，注漿管選用20mm 高抗壓注漿軟管，連接位置采用專用連接套，管底密封，綁扎在鋼筋籠內(nèi)，與鋼筋籠一起沉放到鉆孔內(nèi)，注漿管管底距孔底0.5m；出漿管在孔口位置焊接在小圓狀鋼板上，再將小圓鋼板與孔口處焊接密封，出漿管上安裝閘閥及壓力表。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)場(chǎng)先組織1#、3#、5#、7#抗滑樁施工，同時(shí)微型鋼管樁開(kāi)始搭設(shè)施工作業(yè)平臺(tái)。微型鋼管樁采用2 臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)施工，每臺(tái)鉆機(jī)每天可成2孔，現(xiàn)場(chǎng)鉆孔用時(shí)20d（設(shè)備進(jìn)場(chǎng)用時(shí)2d），注漿用時(shí)15d，1#、3#、5#、7#抗滑樁及6 個(gè)單元微型鋼管樁（共72 根）施工時(shí)長(zhǎng)共計(jì)35d，節(jié)約工期55d。該快速支擋設(shè)計(jì)措施既達(dá)到了邊坡防護(hù)的目的又保證了施工安全，同時(shí)也保證了大橋的施工工期，取得了良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益，可推廣應(yīng)用于搶險(xiǎn)救災(zāi)、需搶抓工期的臨時(shí)支擋防護(hù)工程中。