復(fù)雜地質(zhì)條件下橋梁錨碇?jǐn)U大基礎(chǔ)方案研究

陳 梁

（華東勘測(cè)設(shè)計(jì)院（福建）有限公司，福州 350003）

橋梁具有克服地域屏障等優(yōu)勢(shì)，是人類(lèi)擴(kuò)大活動(dòng)空間的重要渠道，也是未來(lái)交通建設(shè)發(fā)展的趨勢(shì)。在橋梁工程初步設(shè)計(jì)中，基礎(chǔ)的力學(xué)性能、耐久性能是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。橋梁基礎(chǔ)是連接上部結(jié)構(gòu)與地下持力層之間的結(jié)構(gòu)[1]，是整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的最底層，通常埋設(shè)在地下或水下。橋梁的全部荷載最后都會(huì)傳遞到橋基上，因此橋基是決定橋梁安全性的最根本的構(gòu)件。

近些年來(lái)，許多專(zhuān)家對(duì)不同地質(zhì)條件下的橋梁基礎(chǔ)進(jìn)行了設(shè)計(jì)及研究[2-7]。王超[6]以某橋梁項(xiàng)目為依托，分析了在巖溶區(qū)域內(nèi)橋梁建設(shè)常見(jiàn)的問(wèn)題，采用復(fù)合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)合理保證了樁基施工安全和基礎(chǔ)工程質(zhì)量。韋馳[8]從多方面切入對(duì)橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)面進(jìn)行分析，通過(guò)優(yōu)化橋梁橋墩等設(shè)計(jì)方案，預(yù)解決工程中的施工問(wèn)題，保障了人員安全并提高了工作效率。黃雄軍等[9]從對(duì)鐵路橋梁的基礎(chǔ)承臺(tái)防護(hù)樁設(shè)計(jì)入手，在施工中分析影響因素，并用理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證，確保橋梁承臺(tái)施工安全。由于實(shí)際工程的需要，橋梁基礎(chǔ)將朝著更高的承載能力，更好的抗震性能，更好的抵抗船體沖擊方向發(fā)展[10]。

本文以實(shí)際橋梁設(shè)計(jì)為研究目標(biāo)，以水文地質(zhì)試驗(yàn)為依據(jù)，查明沿線地表水的流向、歷年最高水位、枯水位、勘察時(shí)水位和水質(zhì)等水文地質(zhì)資料。從水文地質(zhì)角度對(duì)擴(kuò)大基礎(chǔ)錨碇基坑施工方案的可行性、可靠性做出評(píng)估、建議。

1 工程概況

白洋長(zhǎng)江公路大橋地理位置圖如圖1 所示。橋梁初步設(shè)計(jì)為1 000 m 懸索橋方案，但初步設(shè)計(jì)階段勘察中僅在兩端錨碇處各設(shè)置1 個(gè)鉆孔，缺乏區(qū)域水文地質(zhì)的調(diào)查以及其他相應(yīng)試驗(yàn)資料，不能滿足工程需要。

大橋設(shè)計(jì)全長(zhǎng)2 150 m，其中跨江主橋推薦1 000 m雙塔懸索橋。設(shè)計(jì)為雙向六車(chē)道高速公路；設(shè)計(jì)速度為100 km/h；不含錨碇布索區(qū)的橋面寬度與路基同寬，為33.5 m。

2 區(qū)域地質(zhì)勘察

2.1 地形地貌

該地區(qū)的地形屬于鄂西山區(qū)和江漢平原的過(guò)渡性地區(qū)，地勢(shì)整體上是北高南低。區(qū)域內(nèi)發(fā)育有黃陵背斜、長(zhǎng)陽(yáng)背斜和天陽(yáng)坪斷裂。從地貌成因、地貌形態(tài)和組合特點(diǎn)等方面分析，場(chǎng)區(qū)的地表地貌為河床沖積階地平原地貌。其主要成分是砂礫土和其他粗粒土，在其表面覆蓋著一層有一定厚度的黏性土層。

錨碇區(qū)域的地貌形態(tài)如圖2 所示。淺部黏土層平均厚度8 m 左右，起到相對(duì)隔水作用，僅表層松散耕填土中含少量上層滯水，水量小，易疏排，對(duì)基坑工程影響小。

圖2 錨碇區(qū)域地貌形態(tài)

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

項(xiàng)目區(qū)位于江漢平原沉降帶，北部為天陽(yáng)坪逆斷層，南為白堊系-下第三系沉積區(qū)，西為梅子溪第四系正斷層，影響范圍內(nèi)巖體破碎程度不高。宜昌單斜橫貫東西，構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，對(duì)本橋梁沒(méi)有影響?？碧桨l(fā)現(xiàn)，橋下基巖為泥質(zhì)砂巖、細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖，屬于第三系半成巖。

2.3 地層巖性

錨碇場(chǎng)地巖土類(lèi)型主要為三大類(lèi)共5 個(gè)亞層：粉質(zhì)黏土、卵石混砂（夾漂石）、粗礫砂混卵石、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。其中泥質(zhì)砂巖層在初期水文勘察中未被揭露，橋址區(qū)初勘最大揭露厚度13.10 m，埋深大，分布穩(wěn)定，工程性能好。

2.4 不良地質(zhì)影響

場(chǎng)區(qū)內(nèi)及其附近無(wú)崩塌、滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象。但存在如下特殊巖土問(wèn)題，設(shè)計(jì)施工中需加以考慮。

1）卵石混砂：近長(zhǎng)江南岸陸域以及長(zhǎng)江河床段分布有較厚的卵石混砂地層，此層層厚大，透水性強(qiáng)，呈松散～稍密狀態(tài)，鉆探過(guò)程中極易垮塌，因此該層會(huì)對(duì)橋梁樁基施工及大橋宜都岸錨碇開(kāi)挖帶來(lái)一定困難。

2）風(fēng)化巖：初勘區(qū)內(nèi)發(fā)育的風(fēng)化巖主要為互層狀泥質(zhì)砂巖、細(xì)砂巖夾砂質(zhì)泥巖的巖體。該巖體表體風(fēng)化較強(qiáng)烈，強(qiáng)度低，日曬雨淋后極易剝落、碎裂。節(jié)理裂隙發(fā)育，受風(fēng)化作用強(qiáng)烈，往往切割深度較大。

3 區(qū)域水文條件

項(xiàng)目區(qū)屬長(zhǎng)江中游流域，地表水系較發(fā)育，主要為長(zhǎng)江干流。錨碇區(qū)含水層在平面上主要受長(zhǎng)江補(bǔ)給邊界制約，地下水賦存狀態(tài)隨季節(jié)變化。

場(chǎng)區(qū)河段由三馬溪起始至枝城鎮(zhèn)結(jié)束，全長(zhǎng)13.5 km，河面形狀為上、下兩段彎曲，中間為平直的河型，這兩段河段分別為宜都、百陽(yáng)2 個(gè)河段。宜都河段是一條單水道，剖面形狀為“U”型或“V”型，河面寬度不超過(guò)1.4 km。

3.1 地下水賦存

根據(jù)地下水在不同巖組中賦存條件和水動(dòng)力特征的不同，將線路區(qū)內(nèi)地下水劃分為第四系松散土層孔隙潛水、基巖裂隙水兩大類(lèi)。

第四系孔隙水賦存于砂卵（漂）石層中，屬?gòu)?qiáng)透水、含水豐富地層?；鶐r裂隙水，主要分布于第三系的碎屑巖類(lèi)巖層中，含水多存在于巖類(lèi)風(fēng)化層的裂隙之中。

3.2 地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄

第四系孔隙潛水主要接受長(zhǎng)江補(bǔ)給，其次為大氣降水補(bǔ)給，地下水徑流較強(qiáng)，水位及水量受季節(jié)影響變化較大。

基巖裂隙水主要接受大氣降雨及第四系孔隙水的補(bǔ)給，徑流較弱，水量不豐，地下水動(dòng)態(tài)較穩(wěn)定。在深部朝下游徑流排泄。

3.3 場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)江與地下水水力聯(lián)系

場(chǎng)區(qū)地下水與長(zhǎng)江水關(guān)系緊密，互為補(bǔ)充，并有很大的徑向流動(dòng)，其地下水位和長(zhǎng)江的水位基本一致。調(diào)查時(shí)恰逢長(zhǎng)江枯水期，本區(qū)第四紀(jì)孔隙水表現(xiàn)出無(wú)承壓的潛水性，但在豐水期轉(zhuǎn)變?yōu)榭紫端Ｏ鄳?yīng)基坑涌水量為估算結(jié)果，建議基坑降水按雨季高位洪水進(jìn)行驗(yàn)算控制，并用于評(píng)價(jià)巖土體滲流變形、透水性和涌水量等。

對(duì)試驗(yàn)孔進(jìn)行了三降深穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明錨碇場(chǎng)地孔隙含水層的滲透性極強(qiáng)，來(lái)水十分豐富。根據(jù)3 次試驗(yàn)得出流量與降深之間的關(guān)系曲線。

如圖3 所示，錨碇場(chǎng)地孔隙含水層涌水量與降深呈直線關(guān)系，且涌水量的增幅遠(yuǎn)大于水深的增幅。

圖3 流量與降深關(guān)系曲線圖

3.4 水質(zhì)結(jié)果分析

根據(jù)水試樣分析結(jié)果，結(jié)合周?chē)h(huán)境地質(zhì)條件（無(wú)污染源），根據(jù)規(guī)范判定，地下水對(duì)混凝土及混凝土中鋼筋具微腐蝕性；參考本地工程經(jīng)驗(yàn)，地下水對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。有關(guān)環(huán)境水對(duì)建筑材料腐蝕的防護(hù)，應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

4 涌水量計(jì)算及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

4.1 初期方案設(shè)計(jì)

基于宜都岸錨碇場(chǎng)地地質(zhì)情況，覆蓋層較厚，同時(shí)基底巖石為碎屑巖類(lèi)，錨碇設(shè)計(jì)為重力式錨碇，錨碇基礎(chǔ)可采用擴(kuò)大基礎(chǔ)、沉井基礎(chǔ)、地下連續(xù)墻基礎(chǔ)及復(fù)合基礎(chǔ)。根據(jù)水文地質(zhì)勘察資料，錨碇所在場(chǎng)地卵石粒徑較大，且含較大漂石，對(duì)于沉井下沉方案存在一定的施工風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合南岸錨碇區(qū)域地質(zhì)條件，采用淺層擴(kuò)大基礎(chǔ)方案具備可行性。

4.2 涌水量計(jì)算

擬建錨碇工程位于強(qiáng)透水孔隙含水水文地質(zhì)單元且鄰近直線型補(bǔ)給邊界，根據(jù)設(shè)計(jì)基坑將揭露的含、隔水層構(gòu)成以及地下水位年動(dòng)態(tài)變化導(dǎo)致地下水類(lèi)型轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)可知，場(chǎng)區(qū)地下水在枯水季節(jié)為孔隙潛水，雨季則轉(zhuǎn)為孔隙承壓水。因此，基坑涌水量估算應(yīng)考慮不同季節(jié)的影響。

4.3 相關(guān)參數(shù)選取

根據(jù)錨碇基坑初步設(shè)計(jì)資料，選用錨碇基坑（矩形）參數(shù)如下：基坑長(zhǎng)度為75 m，基坑寬度為60 m，η 系數(shù)為1.180，基坑底面積為4 500 m2，引用半徑r0=η×（a+b）/4，為39.83 m，基坑的開(kāi)挖深度為35.00 m。平均標(biāo)高為45.85 m，含水層平均厚度為48 m，滲透系數(shù)K為125，降水后水頭高度為20.18 m，抽水濾管進(jìn)水段長(zhǎng)為20.18 m，降水控制標(biāo)高為10.35 m。

4.4 枯季錨碇基坑涌水量估算

如圖4 所示，對(duì)于枯季基坑涌水量估算按潛水完整井考慮，分別估算低位枯水、常態(tài)枯水、高位枯水3種狀況的涌水量。分別用裘氏理論和基坑規(guī)范公式進(jìn)行計(jì)算與校核。

圖4 枯季潛水狀態(tài)基坑涌水量估算剖面示圖

裘氏理論公式

基坑規(guī)范公式

式中：Q為基坑涌水量，K為含水層滲透系數(shù)，H為潛水水頭高度，d為基坑中心至補(bǔ)給邊界平距，r0為基坑降水引用半徑，hw為基坑降水后的水頭高度。圖4 中Sw為控制降深。

結(jié)果顯示基坑平均總涌水量Q在高枯水位達(dá)到248 643.03 m3/d，常態(tài)枯水水位在232 355.12 m3/d，低位枯水為221 667.78 m3/d。

4.5 雨季錨碇基坑涌水量估算

分別用裘氏理論和基坑規(guī)范公式進(jìn)行計(jì)算與校核。符號(hào)代表同上，M為承壓含水層厚度。

裘氏理論公式如下

基坑規(guī)范公式如下雨季承壓～潛水狀態(tài)錨碇基坑涌水量估算結(jié)果顯示，低位洪水基坑總涌水量為277 195.44 m3/d，常態(tài)洪水為287 451.68 m3/d，高位洪水位為368 451.04 m3/d。由上述基坑涌水量估算結(jié)果不難看出，該錨碇基坑涌水量極大，實(shí)施單純的降水方案不但風(fēng)險(xiǎn)大且無(wú)法保證長(zhǎng)時(shí)間維持，難以保障錨碇基礎(chǔ)安全、順利施工。

5 方案設(shè)計(jì)

5.1 初步開(kāi)挖方案

推薦基坑開(kāi)挖方案：首先在基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)及四周施工注漿防滲體，形成錨碗?yún)^(qū)的防滲不透水立方體，注漿深度至基底設(shè)計(jì)標(biāo)高以下4.2 m。然后在立方體中放坡干處開(kāi)挖基坑。根據(jù)擬建場(chǎng)地勘察資料，結(jié)合開(kāi)挖方案、注漿隔水體厚度、放坡和枯季施工水頭壓力較小等因素進(jìn)行可行性分析。

根據(jù)宜都岸錨碗擴(kuò)大基礎(chǔ)方案補(bǔ)充設(shè)計(jì)文件可知，錨碗擴(kuò)大基礎(chǔ)基坑擬采用四周+底面的懸掛式注漿體方案，注漿方法為滲透注漿，注漿范圍按擴(kuò)大基礎(chǔ)范圍至外緣布置3 排注漿孔控制，暫定注漿孔間距1.2 m（實(shí)際孔距結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整），注漿深度：自整平地面（標(biāo)高45.214 m）以下4 m（標(biāo)高41.214 m）至14.2 m 段（標(biāo)高31.014 m），即施工注漿孔深，帷幕孔18.2 m，基底孔14.2 m；注漿體厚度，帷幕14.2 m，基底7.2 m。按設(shè)計(jì)注漿孔平面布置圖測(cè)算，基坑四周3 排注漿孔總數(shù)約為902 個(gè)，而封底注漿孔總數(shù)達(dá)6 385 個(gè)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于四周注漿孔，總的注漿工程量及耗費(fèi)較多。

5.2 方案優(yōu)化

按照水文地質(zhì)條件及基坑施工防滲需要，可以如下2 個(gè)方面考慮優(yōu)化錨碗基坑施工防滲設(shè)計(jì)方案。

其一，基坑四周外圍3 排注漿孔采用目前設(shè)計(jì)方案，即注漿防滲帷幕自標(biāo)高41.214 m（頂）～標(biāo)高31.014 m（底），形成四面高度10.2 m 的防滲帷幕；底面注漿深度調(diào)整為自標(biāo)高36 m（頂）～標(biāo)高31 m（底），形成厚度5 m 的封底帷幕?？傮w呈“箱型”五面防滲帷幕，然后在其中施工錨碗基礎(chǔ)。

其二，根據(jù)場(chǎng)地砂礫卵（漂）石孔隙含水層下伏為泥質(zhì)砂巖隔水底板的水文地質(zhì)構(gòu)造條件，可利用天然隔水底板實(shí)施四面坐底帷幕防滲方案，以四面坐底式注漿帷幕防范基坑涌水問(wèn)題。

設(shè)計(jì)從經(jīng)濟(jì)合理性角度，對(duì)目前10.2 m 厚的注漿立方體防滲方案與上述2 種防滲方案進(jìn)行比較，擇優(yōu)選用。

6 結(jié)束語(yǔ)

在橋梁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工中，需要根據(jù)不同的地質(zhì)條件進(jìn)行靈活的調(diào)整，并結(jié)合具體的情況選取合適的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，以確保橋梁的穩(wěn)定和安全。

本工程為宜昌至張家界高速公路的重點(diǎn)工程，根據(jù)水文地質(zhì)勘察資料，本文綜合分析了各項(xiàng)建設(shè)條件，對(duì)其特殊巖土地質(zhì)問(wèn)題條件下的錨碇?jǐn)U大基礎(chǔ)方案和涌水量估算進(jìn)行詳細(xì)研究，從工程的安全度以及經(jīng)濟(jì)性看，完成了預(yù)期目標(biāo)，滿足了社會(huì)需求，并加快了工程建設(shè)速度，達(dá)到了社會(huì)效益最大化的目的。