余鑫

摘要 懸索橋重力錨基坑具有工程量大、技術難度高、不可預見因素多等特點，依據(jù)橋址區(qū)的地質情況，選擇適宜的開挖、支護方案，對確保施工安全至關重要。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設計，通過地勘、滑坡穩(wěn)定性分析、設計方案優(yōu)化等，制定針對性的垂直開挖支護設計方案，保證了工程順利實施，對同類工程有一定參考價值。

關鍵詞 懸索橋;錨碇;基坑;開挖支護

中圖分類號 F542.8 文獻標識碼 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，因此錨碇基坑開挖支護方案設計顯得尤為重要。

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，主橋為1 050 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?；邮芡亮铩⑿逗闪严兜扔绊?，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?；娱_挖尺寸為73 m×48 m，最深達38.5 m，基坑暴露時間長，基坑各方向標高變化大，剖面形狀急劇變化，基坑北側房屋較多，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 基坑開挖支護技術

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]等支護形式，積累了豐富的經驗。中西部山嶺重丘區(qū)，重力錨基坑邊坡常為巖質邊坡或土巖混合邊坡，可充分發(fā)揮巖質邊坡的優(yōu)勢，采用放坡開挖或者混合支護形式。

北岸錨碇地質條件復雜、開挖深度大、開挖方量大、防護面積大、工期緊、任務重，且存在施工期降雨量大等難點，合理的基坑開挖支護設計是關鍵。

3 地質勘察

地質勘察揭露北岸錨碇范圍內實際巖土特征，根據(jù)地質物理力學參數(shù)，針對性地評價北岸錨碇區(qū)域地質構造、場地穩(wěn)定性，以及水文地質條件等（如表1）。

4 巖土力學參數(shù)

4.1 巖土室內試驗

取粉質粘土樣3組進行土常規(guī)試驗，取巖樣7組進行物性、抗壓試驗。砂巖天然單軸抗壓強度標準值為17.57 MPa，飽和單軸抗壓強度標準值12.72 MPa，屬軟巖;泥巖天然單軸抗壓強度標準值為6.15 MPa，飽和單軸抗壓強度標準值3.86 MPa，屬極軟巖;粉砂巖天然單軸抗壓強度標準值為3.61 MPa，飽和單軸抗壓強度標準值1.85 MPa，屬極軟巖。

4.2 巖體基本質量分級

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)場地質調查結果和《公路工程地質勘察規(guī)范》（JTG C20—2011）定性了解巖體完整程度，并進行巖體基本質量分級。強風化巖體完整程度為破碎，為極軟巖，基本質量分級為Ⅴ級;中風化巖體完整程度為較破碎-較完整，為軟巖或極軟巖，基本質量分級為Ⅳ級和Ⅴ級。

4.3 地質參數(shù)確定

4.3.1 巖土參數(shù)確定

試驗得出巖土體力學參數(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設計規(guī)范》（JTG D63—2007）附錄F試驗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規(guī)程》（SL 264—2001）、《工程巖體試驗方法標準》（GB/T 50266—2013）進行試驗。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黏土和第四系崩坡積粉質黏土混碎石，侏羅系上沙溪廟組（J2s）泥巖及砂巖，巖層產狀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，中風化巖層通過壓水試驗揭露為相對隔水層，錨碇底標高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，中風化巖層埋置深度約15 m，基巖以中風化砂質泥巖為主，夾中風化砂巖，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)地質勘探結果分析顯示，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）粉質粘土夾碎塊石，主要位于堆積體后緣凹陷區(qū)。

（2）粉質粘土，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泥巖內部。

（4）砂質泥巖，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)點三角形單元網格剖分，對后緣節(jié)理和滑帶區(qū)域進行適當加密[4]，劃分出7 422個單元體，3 800個節(jié)點。北岸堆積體二維計算模型及網格剖分見圖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、砂質泥巖、滑帶）均采用彈塑性模型、Mohr-Coulomb屈服準則，巖土體參數(shù)依據(jù)室內試驗，結合當?shù)亟涷灥染C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，暴雨工況通過設置地表巖土體的飽和參數(shù)來實現(xiàn)，地震工況通過施加水平地震力來實現(xiàn)，水平地震加速度取值0.05 g。

穩(wěn)定性評價標準：參考對比國內不同行業(yè)的邊坡安全系數(shù)選取標準，結合堆積體邊坡的地質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 模擬結果

初始地應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度設置成較大值，進行彈性求解，直至達到力的平衡狀態(tài);然后將粘聚力和抗拉強度重置為初始值，再進行塑性求解，直至達到最終的平衡狀態(tài)。圖3是模型初始地應力場的豎向應力云圖，從圖3中可以看出，豎向應力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上進行。

經計算分析，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土體應提前清理，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 開挖支護方案設計

根據(jù)錨碇基坑范圍地勘結果，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“防護樁+垂直開挖+錨索支護”進行優(yōu)化。錨碇深基坑先實施防護樁支護，基坑壁上部14 m中、強風化基巖段采用分層垂直開挖，后采用預應力錨索加固，設置寬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，對開挖基坑邊坡進行穩(wěn)定性分析并研究支護加固措施。對K1～K2、K2～K3方向兩個典型剖面進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)定性計算結果見表7，錨碇基坑開挖縱向坡采用防護樁+錨索加固能滿足安全系數(shù)標準。

6.2 橫坡（K1～K2方向及K3～K4方向）

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

6.3 優(yōu)化設計

按設計方案支護后部分段穩(wěn)定性系數(shù)較高，支護方案偏保守。支護優(yōu)化時，防護樁及預應力錨索設計力不變，對錨索排數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化后相應基坑邊坡穩(wěn)定性驗算結果見表9。

7 結束語

（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，施工前應加強截排水措施。

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

（3）“防護樁+垂直開挖+錨索支護”具有安全性高、施工進度快、經濟效益好、協(xié)調難度低等優(yōu)點。

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

（5）設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約162天，較放坡開挖可節(jié)約47天。

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

（7）設計方案與放坡開挖支護方案相比，開挖土石方量降低近10萬m3，涉及征地棄土的問題，同時會產生中間倒運費，以及當?shù)赝獠繀f(xié)調問題;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。

參考文獻

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