香溪长江大桥南岸边坡防护方案评价与优化*

董一鸣 王同民 郑宏伟

(1.武汉轻工大学土木工程与建筑学院 武汉 430040； 2.中铁大桥局集团第七工程有限公司 武汉 430050；3.湖北秭兴长江大桥建设开发有限公司 宜昌 443600)

1 工程概况

香溪长江大桥在兵书宝剑峡上游峡口处由南向北从郭家坝镇跨越长江至香溪镇胡家坪，其主桥设计桥型为主跨(主桥交界墩间距)531.2 m的中承式钢箱桁架推力拱桥[1]。大桥拱肋施工采用缆索吊装法施工，工程施工期间，单幅缆塔基础所承担的最大荷载约7×104kN[2]。

南岸拱座分上、下游侧单独设置，挖基顺桥向边坡大于60 m，属典型高边坡，距离拱顶高约40 m处设有桥墩，并作为扣缆塔基础，拱座顶面以上3级坡面需进行特殊加固防护及边坡抗滑设计。经过方案比选，初步拟定边坡防护如下。

方案一：15 m承台+18根桩+锚索。

方案二：9 m承台+12根桩+锚索，见图1。

图1 拱座边坡防护方案简图(单位：m)

2 桥址区地质结构特征

根据实地地质调查与钻探勘察结果，桥址区南岸桥头边坡上部覆盖层主要为第四系杂填土(Q4ml)、残坡积成因的碎石土层(Q4el+dl)，出露基岩主要为三叠系下统嘉陵江组第三段(T1j3)白云质灰岩。

南岸岸坡主要为横向坡，整体稳定，表部存在一定厚度的卸荷岩体，主要构造形迹为小型褶曲、溶洞、断层及裂隙[3-4]。表部岩体中顺层发育的相对软弱的含有角砾状灰岩的J-1#，J-2#夹层以及沿软弱层发育的f1，f2小断层，上述顺层软弱带局部临空，f1与f2断层顺J-1#，J-2#角砾岩近平行发育，断层带充填断层泥及碎裂岩，部分为泥质胶结，遇水易崩解、软化，局部断面可见擦痕。f1断层以上的部分在强降雨或地震工况下存在顺层面滑移的可能。桥头边坡作为桥梁地基，如若失稳或变形过大将直接导致桥梁结构破坏。

3 计算模型及步骤

采用三维有限差分方法研究拱座高边坡的变形、塑性区及结构(桩基+锚索)受力。建立三维数值模型(见图2)，模型范围设置为顺桥向(X轴)、横桥向(Y轴)与垂直向(Z轴)均180 m。模型坐标系以桥梁中心线为X轴，向北为正；铅直方向为Z轴，向上为正；Y轴与X,Z轴构成右手坐标系，图4中断层产状为320°∠30°，倾向与横桥向相近。

图2 三维计算模型

岩体及结构面采用弹塑性Mohr-Coulomb本构模型，岩体物理力学参数根据室内力学试验见表1，其中卸荷带以外参数取饱和参数，卸荷带以内取天然参数。对边坡几何模型设置边界条件为左右(X向)、前后(Y向)和底面(Z向)约束[5-6]。其中大直径挖孔桩采用实体单元模拟，直径2 m，长38 m，锚索采用结构单元模拟，锚索总长30 m，锚索结构前20 m为自由段，后10 m为锚固段，锚索预应力为600 kN[7-8]。

表1 岩体及结构面力学参数计算采用值(天然状态)

由于研究对象位于地表浅层，计算分析时仅考虑自重应力作用。

边坡开挖加载分析采用以下计算步骤：①天然边坡自重平衡；②自重位移清零，模拟承台以上边坡的开挖；③位移清零，模拟桩基础的开挖建造；④承台下4级边坡开挖与支护；⑤拱座开挖；⑥扣缆塔荷载加载，单个承台荷载7×104kN，通过集中力施加在桩顶。

4 计算结果分析

建立方案一与方案二的三维数值模型，增加无支护模型。采用相同步骤和参数开展边坡开挖及加载模拟，得到各方案承台中心点位移随施工步发展曲线，见图3，由此可知：

1) 当前状态下桩基施工以及1阶施工曲线平缓，对边坡扰动较小。

2) 与f1断层相交的2、3阶开挖后，承台顺桥向位移相对增速较快；2～4阶及基座开挖后，边坡横桥向位移相对增速较快，最大位移为拱座基础开挖后，位移不足0.25 mm。

3) 扣缆塔加载产生水平位移量值均不大，有支护的方案中位移值均小于0.1 mm。

4) 15 m平台方案优于9 m平台方案，在支护和未支护方案中，15 m平台方案位移均小于9 m 平台，且位移增速较平缓。

5) 相对无支护方案，桩锚支护能进一步减小位移发展。

图3 承台中心位移随施工步序发展曲线

考虑到实际施工中桩基施工采用人工开挖，成孔较慢，对工程进度影响较大。根据上述结论，由于桩基施工以及1阶开挖施工对边坡扰动较小，可提出桩基与1阶边坡同步开挖施工，后安装锚索和建造桩基的施工工序，此优化工序施工完成后边坡顺桥向及横桥向最大位移与原方案相当，见图4，而锚索索力相比15 m平台方案在初始应力600 kN的基础上变化更小，主要表现在2，3，4阶开挖后，均比15 m平台锚索索力小0.4 kN。

图4 优化后承台中心位移随施工步序发展曲线

5 结语

1) 三维数值模拟结果表明横桥向和顺桥向位移均小于0.5 mm，岩体中未形成拉裂面，因此锚索应力基本未发展。

2) 在15 m平台方案、9 m平台方案及对应未施加桩锚方案中，15 m平台方案边坡变形及结构受力最小。

3) 当前状态下桩基施工及1阶施工对边坡扰动较小。提出桩基与1阶边坡同步开挖施工，后安装1阶锚索和建造桩基的施工步序，该步序施工完成后相比原方案位移增大0.02 mm，后续开挖步序新增位移基本未变化。

综上，拱座高边坡在未开挖及开挖未支护工况下有安全风险，15 m平台方案较9 m平台方案施工位移较小，能更好地达到稳定性要求。

[1] 詹建辉，张铭，张家元.宜昌香溪长江公路大桥主桥设计[J].桥梁建设，2017(3)：7-12.

[2] 肖开乾，郑宏伟，王同民，等.湖北香溪长江公路大桥具备拱肋吊装条件[J].世界桥梁，2017(3)：94-95.

[3] 罗明明，肖天昀，陈植华,等.香溪河岩溶流域几种岩溶水系统的地质结构特征[J].水文地质工程地质，2014(6)：13-19，25.

[4] 贾洪彪，马淑芝，唐辉明，等.巴东长江公路大桥桥址区斜坡稳定性有限元分析[J].测绘科学技术学报，2013(5)：456-460.

[5] 冯涛，王春雷，张友谊.边坡稳定性分析的FLAC数值模拟法[J].路基工程，2006(6)：89-91.

[6] 杜宇本，郑光，蒋良文，等.大瑞铁路澜沧江大桥工程边坡稳定性三维数值模拟分析[J].地质力学学报，2010(1)：108-114.

[7] 张恩峰，周健，宋修广，等.预应力锚索锚固效应的三维数值模拟及工程应用研究[J].地质力学学报，2006(2)：166-173.

[8] 董必昌,舒陶浪,安新强,等.边坡抗滑桩优化设计[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2010,34(6):1138-1140,1145.