文章結(jié)合柳州官塘大橋工程實(shí)例，分別采用Midas GeoX基坑支護(hù)設(shè)計(jì)平面計(jì)算和Midas Civil空間有限元分析方法進(jìn)行基坑支護(hù)驗(yàn)算分析，總結(jié)了臨水大型深基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)和驗(yàn)算經(jīng)驗(yàn)，可為同類工程提供參考。

主跨457m鋼箱拱橋;臨水基礎(chǔ);深基坑;支護(hù)方案

U448.22A311024

0?引言

柳州官塘大橋?yàn)橹骺?57 m有推力提籃式鋼箱拱橋，拱座基礎(chǔ)為一側(cè)臨水的臺(tái)階狀擴(kuò)大基礎(chǔ)，采用先做筑島圍堰再開挖的施工方式，基坑支護(hù)采用鋼筋混凝土咬合樁+鋼管內(nèi)撐的方式，基坑內(nèi)側(cè)采用巖層高壓注漿止水，基坑外側(cè)采用止水帷幕止水。本文分別采用Midas GeoX基坑支護(hù)設(shè)計(jì)平面計(jì)算和Midas Civil空間有限元分析方法進(jìn)行基坑支護(hù)驗(yàn)算，總結(jié)了臨水大型深基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)和驗(yàn)算經(jīng)驗(yàn)，為同類工程提供參考。

1?概述

1.1?工程概況

柳州官塘大橋位于柳州市中心偏東北方向，橫跨柳江，西側(cè)通過(guò)蓮花大道連接柳北和河?xùn)|片區(qū)，東側(cè)通過(guò)東環(huán)城大道連接柳州汽車城。主線全長(zhǎng)1 155.5 m，其中跨江段主橋長(zhǎng)度為462 m，引橋長(zhǎng)度為251 m，西岸連接線段長(zhǎng)429.5 m。西岸設(shè)置立交與沿江路連接;東岸跨越沿江路后，與規(guī)劃道路連接。主橋采用457 m中承式鋼箱拱橋，為有推力提籃式拱橋。大橋于2019年1月建成通車，橋型布置如圖1所示。

1.2?建設(shè)條件

已建大橋橋位地形地貌變化較大，跨越丘陵、河床、柳江河一級(jí)階地及二級(jí)階地。大橋左岸主要為一、二級(jí)階地及低矮土丘地貌單元，一級(jí)階地地面標(biāo)高一般在77.5～85.0 m，二級(jí)階地地面標(biāo)高一般在85.0～96.0 m。左岸覆蓋層厚度為5～7 m，為新近沉積粉質(zhì)黏土;持力層為中風(fēng)化泥、碳質(zhì)灰?guī)r，飽和單軸抗壓強(qiáng)度值為15.4～37.1 MPa，巖體完整程度為較破碎，基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)。大橋右岸為丘陵地貌單元，柳江河岸坡處為上二疊統(tǒng)合山組巖質(zhì)山體，山腳處標(biāo)高約為83.0～86.0 m，山頂標(biāo)高約為113.5 m，山體坡度一般為30°～40°。右岸覆蓋層厚度為1～3 m，為可塑狀粉質(zhì)黏土;持力層為泥質(zhì)灰?guī)r夾薄層泥巖，飽和單軸抗壓強(qiáng)度值為16.2～32.2 MPa，巖體完整程度為較破碎，基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)。

土層的滲透系數(shù)如下：硬塑狀粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)為9.92×10-6cm/s;可塑狀粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)為3.91×10-5～5.45×10-5cm/s;含巖屑紅黏土滲透系數(shù)k=6.51×10-6cm/s。巖層的滲透系數(shù)如表1所示。

橋址位于紅花電站庫(kù)區(qū)，電站設(shè)計(jì)常水位為77.50 m，橋位處常水位約為77.95 m，水位常年變化不大，施工期水位按77.95 m控制。橋位處河段1/100洪水位為88.50 m。

1.3?主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

橋梁道路等級(jí)為城市快速路，設(shè)計(jì)荷載為城-A級(jí)，設(shè)計(jì)時(shí)速為60 km/h;橋面有效寬度為39.5 m，雙向六車道，兩側(cè)人行道各為2.5 m;設(shè)計(jì)洪水頻率為1/300;航道等級(jí)為內(nèi)河Ⅱ級(jí)航道;設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)。

1.4?橋梁結(jié)構(gòu)

拱肋計(jì)算跨徑L=457.183 m，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)為m=1.3，凈跨徑L0=450 m，凈矢高f0=100 m，凈矢跨比為L(zhǎng)0/f0=1/4.5，拱肋內(nèi)傾角度為10°（拱肋平面與豎直面的夾角）。拱肋鋼箱采用等寬變高的單箱單室截面，拱肋高度沿拱軸線按照線性變化，由跨中的6.0 m漸變至拱腳截面的10.575 m，拱肋全寬5.0 m。主梁采用單箱單室扁平流線型全焊鋼箱梁，含吊索區(qū)全寬44.5 m，無(wú)吊索區(qū)寬39.5 m，中心高3.5 m。全橋吊索均采用橫向雙索體系，采用環(huán)氧噴涂低松弛鋼絞線、整束擠壓式錨固的拉索體系，吊索間距為10.5 m。

2?拱座深基坑支護(hù)方案

2.1?拱座及基礎(chǔ)形式

拱座采用分離式鋼筋混凝土拱座，與提籃式拱肋（內(nèi)傾角10°）相適應(yīng)，拱座豎向軸線與豎直面夾角為10°。拱座基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，頂面內(nèi)傾，與水平面夾角為10°?？v橋向基礎(chǔ)底部與基巖接觸面設(shè)置成臺(tái)階狀，縱橋向長(zhǎng)30 m，橫橋向?qū)?6 m?；A(chǔ)置于穩(wěn)定的、完整的中/微風(fēng)化基巖上。上、下游兩個(gè)分離式拱座基礎(chǔ)之間設(shè)置預(yù)應(yīng)力混凝土地系梁，以抵消提籃拱橫橋向水平推力。拱座、地系梁采用C40混凝土，拱座基礎(chǔ)采用C30混凝土。拱座及基礎(chǔ)形式如圖2所示。

2.2?拱座基坑支護(hù)方案

兩岸拱座基礎(chǔ)均為一側(cè)臨水，采用先做筑島圍堰后開挖的施工方式，基坑長(zhǎng)度為80 m，寬度為34.5 m，最大深度為18 m（常水位以下14.5 m）?；又ёo(hù)方案為：圍堰采用筑島圍堰+鋼筋網(wǎng)石籠護(hù)腳/護(hù)坡+土袋護(hù)坡，基坑支護(hù)采用鋼筋混凝土咬合樁+鋼管內(nèi)撐，基坑止水包括基坑內(nèi)側(cè)的巖層高壓注漿和基坑外側(cè)的止水帷幕。其中基坑外側(cè)止水由兩部分組成：（1）支護(hù)樁施工后，對(duì)巖石裂隙、巖溶管道等進(jìn)行灌漿帷幕處理;（2）巖層帷幕注漿完成后，基巖面以上覆蓋土層采用高壓旋噴形式施工。筑島圍堰及基坑支護(hù)方案如圖3所示。

支護(hù)樁采用C25混凝土，冠梁、鋼筋混凝土內(nèi)支撐采用C30混凝土，其他內(nèi)支撐鋼材等級(jí)均采用Q235B?；又ёo(hù)采用灌注樁，樁直徑為1.5 m，混凝土材料等級(jí)為C25，樁間距為1.3 m。自上而下第1道內(nèi)支撐為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用1×1 m矩形截面，對(duì)應(yīng)的鋼筋混凝土冠梁采用1×2 m矩形截面。其余內(nèi)支撐、豎支撐采用630 mm鋼管，對(duì)應(yīng)的型鋼腰梁采用雙拼Ⅰ45c型鋼。

拱座基坑開挖中，圍堰采用筑島圍堰+鋼筋網(wǎng)石籠護(hù)腳/護(hù)坡+土袋護(hù)坡的形式;基坑支護(hù)采用鋼筋混凝土咬合樁+鋼管內(nèi)撐的形式;基坑止水采用外圍高壓旋噴樁+基底注漿的形式。鋼筋混凝土樁施工采用“跳樁施工”原則。拱座施工的主要順序?yàn)椋褐u圍堰→基坑開挖→拱座基礎(chǔ)鋼筋綁扎、分層澆筑混凝土（后澆段除外）→完成地系梁先澆段施工→澆筑地系梁后澆段、張拉橫向鋼束→安裝定位拱肋JH0節(jié)段→綁扎拱座鋼筋和預(yù)埋拱腳節(jié)段預(yù)應(yīng)力管道、錨具及鋼束→澆筑拱座基礎(chǔ)后澆段→分層澆筑拱座混凝土。

3?研究?jī)?nèi)容及方法

通常情況下，基坑支護(hù)驗(yàn)算按照規(guī)范規(guī)定進(jìn)行即可。按規(guī)范方法驗(yàn)算，適用于基坑幾何形狀比較規(guī)則、周邊地質(zhì)條件變化不大的情況，可采用常規(guī)商業(yè)軟件進(jìn)行，如Midas GeoX基坑支護(hù)設(shè)計(jì)軟件。其主要應(yīng)用于基坑工程，除了結(jié)合最新行業(yè)基坑規(guī)范進(jìn)行基坑設(shè)計(jì)外，還按照地方最新規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照等值梁法、彈性支點(diǎn)法、彈塑性地基梁法進(jìn)行計(jì)算及模擬實(shí)際基坑施工過(guò)程。

由于官塘大橋的拱座基礎(chǔ)為臺(tái)階狀，其開挖基坑為非規(guī)則形狀，而且臨水面、背水面的開挖深度和地質(zhì)邊界條件差異很大。因此在進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，分別按臨水面、背水面兩種工況進(jìn)行，模擬實(shí)際基坑施工過(guò)程，得到各開挖工況下支護(hù)樁的受力和變形情況，并進(jìn)行樁基嵌固深度、截面設(shè)計(jì)、整體穩(wěn)定、抗傾覆、抗隆起驗(yàn)算。

規(guī)范方法屬于平面驗(yàn)算，可以模擬實(shí)際地質(zhì)條件和基坑施工過(guò)程，進(jìn)行支護(hù)樁的嵌固深度、截面設(shè)計(jì)、整體穩(wěn)定、抗傾覆、抗隆起驗(yàn)算。但是平面計(jì)算方法不能同時(shí)反映基坑四周開挖深度及地質(zhì)條件的差異，也不能計(jì)算空間布置的內(nèi)支撐受力和變形狀況，因此除了采用Midas GeoX軟件進(jìn)行平面驗(yàn)算外，還采用Midas Civil軟件進(jìn)行空間建模，進(jìn)一步對(duì)支護(hù)樁、內(nèi)支撐、豎支撐、冠梁、腰梁等主要受力構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算。

4?基坑支護(hù)驗(yàn)算

4.1?Midas GeoX平面計(jì)算

以臨水面基坑驗(yàn)算為例，模型情況為：開挖總深度為18 m，嵌入深度為6 m，采用灌注樁支護(hù)結(jié)構(gòu)?；影踩燃?jí)：一級(jí);基坑重要性系數(shù)：1.1;參考規(guī)范：《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012）;分析方法：彈性支點(diǎn)法。計(jì)算模型如圖4所示。

地質(zhì)條件：黏性土層厚15 m，土層以下為微風(fēng)化巖。

支撐布置：三道內(nèi)支撐，一道冠梁，兩道腰梁。

施工荷載：考慮基坑施工時(shí)的車輛荷載，按條形荷載施加。

施工階段：模擬七個(gè)施工階段，分別為：（1）開挖至0.5 m;（2）安裝第1道內(nèi)支撐及冠梁;（3）開挖至10.5 m;（4）安裝第2道內(nèi)支撐及腰梁;（5）開挖至15.5 m;（6）安裝第3道內(nèi)支撐及腰梁;（7）開挖至18 m。

計(jì)算得到各階段的土壓力、支護(hù)樁內(nèi)力和變形分布情況（如圖5所示）。根據(jù)計(jì)算，支護(hù)樁的嵌固深度要求>3.8 m，實(shí)際嵌固安全系數(shù)為1.35。支護(hù)樁配筋要求為：縱向主筋8根25 mm鋼筋，箍筋6 mm間距20 cm。施工各階段的整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.35，抗傾覆安全系數(shù)為1.25，抗隆起安全系數(shù)為1.8。

4.2?空間有限元計(jì)算

采用Midas Civil軟件對(duì)拱座基坑支護(hù)主要受力構(gòu)件（含支護(hù)樁、冠梁、腰梁、內(nèi)支撐等）空間模型進(jìn)行靜力計(jì)算，取得結(jié)構(gòu)在基坑開挖過(guò)程中的最不利內(nèi)力，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。作用于支護(hù)樁上的土壓力根據(jù)Midas GeoX 基坑支護(hù)平面計(jì)算結(jié)果取值（見圖6）。

4.3?空間計(jì)算主要結(jié)果

表2～4為基坑支護(hù)空間計(jì)算的主要內(nèi)力、應(yīng)力和變形計(jì)算結(jié)果。

計(jì)算結(jié)果表明，基坑支護(hù)的鋼筋混凝土構(gòu)件承載力、鋼構(gòu)件應(yīng)力和支護(hù)樁的變形均滿足要求。根據(jù)結(jié)構(gòu)彈性屈曲分析，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)最小彈性穩(wěn)定系數(shù)為29.13>4.0，滿足要求。

5?結(jié)語(yǔ)

柳州官塘大橋?yàn)橹骺?57 m有推力提籃式鋼箱拱橋，拱座基礎(chǔ)為一側(cè)臨水的臺(tái)階狀擴(kuò)大基礎(chǔ)，采用先做筑島圍堰后開挖的施工方式，基坑支護(hù)采用鋼筋混凝土咬合樁+鋼管內(nèi)撐的方式。本文分別采用規(guī)范平面計(jì)算方法和空間有限元分析方法進(jìn)行基坑支護(hù)驗(yàn)算，總結(jié)了臨水大型深基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)和驗(yàn)算經(jīng)驗(yàn)，為同類工程提供參考。

[1]林小軍.柳州官塘大橋凈跨450 m鋼箱拱橋設(shè)計(jì)[J].西南公路，2018（3）：10-13.

[2] JTJ120-2012，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].