铁路刚构斜拉桥主墩大型基础深切灰岩顺层山坡治理技术

曹 立

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

1 工程概况

黔张常铁路长湾澧水大桥位于湖南省张家界市桑植县利福塔镇青龙村长湾组附近，桥梁与河面斜交。

1.1 长湾澧水大桥的孔跨布置

桥址区河谷呈“U”形，落差达80.7 m。如图1所示，桥孔跨布置为：1-24 m简支梁+(172+158) m单T刚构斜拉桥，全长369.1 m[1]。主墩2号墩墩高66 m，位于澧水河左岸山坡上，坡度25°～45°，承台尺寸为31.7 m×20.3 m×5 m。

1.2 工程地质

出露地层为三叠系中统嘉陵江组灰岩，局部夹白云质灰岩，灰白色-青灰色，中厚-厚层，矿物成分以方解石为主，岩体较完整，岩质坚硬，锤击不易碎。岩体表面溶蚀严重，溶蚀沟槽发育。

1.3 水文

地表水：工点处地表水主要为澧水河河水，水面高程248 m，百年水位268.50 m。地下水：桥址处地下水为岩溶裂隙水，补给来源主要为大气降水，沿层理、溶隙径流，排泄至澧水河中。根据水质分析报告结果，地表水及地下水水质均良好，对混凝土无硫酸盐及氯盐侵蚀性[2]。

图1 长湾澧水大桥立面

1.4 不良地质

如图2所示，2号墩处的主要不良地质为顺层。岩层产状N30°E/35°N，倾向小里程，与墩台轴线夹角66°[3]。

图2 2号墩处灰岩顺层

2 施工前期，山体局部发生灰岩顺层滑坡

图3 一次顺层滑坡

施工前期，先后发生了2次顺层滑坡[4]。如图3所示，2015年8月11日，为施工便道，进行局部小型爆破时，引起2号墩位范围表层基岩顺层滑坡，整个顺层的石方滑入澧水河中，滑坡体25 m×20 m×2 m，近1 000 m3。

如图4所示，2015年8月20日，在爆破长湾澧水大桥常德台后方路堑石方时，由于爆破震动，导致桥台左上部位发生顺层滑坡，滑坡体40 m×50 m×5 m，近10 000 m3。

图4 二次顺层滑坡

3 稳定性分析

根据现场情况，对3种不同状况下的灰岩顺层山坡、边坡进行了稳定性分析。

3.1 原始状况下浅层灰岩顺层山坡的稳定性分析

图5 表层岩体层面泥土充填

岩层主要发育2组“X”形构造节理，节理产状分别为N35～60°W/65°S～⊥N50～70°E/50～65°S。如图5所示，表层主要为张开节理，沿节理面溶蚀严重，大部有泥土充填。节理一般从地面下切2～4层(1.5～3 m)，受节理灌入水流影响，节理切割的灰岩底部层面溶蚀较重，且水流携带的泥土充填于层中，形成软弱夹层，层间结合力差。施工便道开挖山坡切脚，软弱面上的灰岩下部失去支撑，同时爆破震动，在这两个不利因素综合作用下，岩体顺层滑动。

根据相关规范判定[5]，浅层层面抗剪强度指标标准值为φ=12°，c=20 kPa。现场情况结合稳定性计算[6-10]，认为浅层灰岩顺层山坡处于临界状态，遇扰动可能滑动。

3.2 原始状况下深层灰岩顺层山坡的稳定性分析

对顺层滑坡的滑动面进行现场调查，滑动面下的灰岩完整，节理较不发育且密闭。如图6所示，深部岩芯岩体完整性较好，层面平直光滑，无胶结，微张，无充填。两者结合，可以判定深部灰岩的层面无软弱夹层。

根据相关规范判定，深层层面抗剪强度指标标准值为φ=25°，c=60 kPa。现场情况结合稳定性计算，认为深层灰岩顺层山坡基本稳定。

图6 钻孔深部岩芯照片

3.3 开挖状况下深层灰岩顺层边坡的稳定性分析

如图7所示，2号桥墩处基坑开挖，在2号桥墩靠山侧形成了高达25 m左右的临空面。根据深层层面抗剪强度指标进行稳定性计算，基坑开挖后的灰岩顺层边坡稳定安全系数为1.01，基本上处于临界平衡状态。

图7 2号桥墩基坑横断面(单位：m)

4 灰岩顺层边坡的治理

2号桥墩处基坑开挖后的边坡稳定安全系数只有1.01，不能满足要求。在雨水下渗、爆破震动等因素影响下，有可能失稳，影响2号桥墩的安全。为保证施工及运营安全，采取了优化设计与施工组织等综合措施加固灰岩顺层边坡。

4.1 优化设计

如图8所示，原设计承台是垂直铁路中线布置。为降低靠山侧基坑的开挖深度[11，12]，同时避免靠河侧的桩基外露，就山势地形调整承台的布置，原设计的承台顺时针扭转15°，并上抬3 m。

对3种不同状况下的灰岩顺层山坡、边坡进行稳定性分析，以开挖状况下深层灰岩顺层边坡的下滑力最大。灰岩顺层边坡稳定安全系数取1.2，每延米下滑力8 000 kN/m，在基坑靠山侧设8根预应力锚索桩[13-14]，桩上设5根锚索，锚索施加预应力400 kN；锚索桩间挂钢筋网喷C25混凝土。基坑上方侧设锚索竖梁加固[15]，锚索间距3 m，20列、33排，共计660根，设计预应力值880 kN。由于锚索间距较小，为防止群锚效应，锚索采用一长一短的型式布置，长锚索的锚固段应全部置于短锚索底端的后面。基坑两侧边坡采用预应力锚索竖梁加固。

图8 2号桥墩承台及施工平台

4.2 优化施工组织

如图8所示，原施工组织设计在2号桥墩左侧顺河以半填半挖的形式修建60 m×25 m的施工作业平台。后优化施工组织，施工作业平台改用型钢搭建并尽量靠河设置，以避免作业平台开挖山坡造成新的顺层滑坡。

由于灰岩顺层边坡的稳定对外部因素敏感，制定了 “先加固再开挖”的施工工序[16]。施工工序：①清除加固范围内坡面的浮石、危石；②施工桥墩基坑外的山坡锚索竖梁；③基坑挖至锚固桩顶面；④施工锚固桩以上的竖梁；⑤施工锚索桩；⑥基坑每2～3 m分层开挖，及时锁定锚固桩的预应力。

为防止爆破诱发新的顺层滑坡，采用了控制爆破、非爆开挖。表层孤石清理，采用小爆破解小及风镐开挖，人工搬运清理；竖梁采用人工风镐开槽；锚固桩采用水磨钻开挖，隔1孔施工1根的方法施工；承台基坑采用控制爆破法开挖。

5 结论

(1)岩溶区的灰岩顺层，由于表层的灰岩岩体节理发育，水流顺垂直节理灌入，在溶蚀岩体的同时，水流携带的泥土充填于表层的节理及层面，形成了软弱夹层。在开挖切脚、爆破震动等因素影响下，诱发工程滑坡。

(2)优化设计，采取调整承台布置以降低临空面高度；设锚索桩和锚索竖梁加固措施。优化施工组织，严格控制施工因素对灰岩顺层的影响，采取型钢搭建作业平台；按“先加固后开挖”的工序施工；控制爆破、非爆开挖措施。设计与施工的紧密结合保证了长湾澧水大桥2号墩处灰岩顺层边坡的加固成功。

[1] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.长湾澧水大桥(坡面加固专项设计)说明书[Z].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2015.

[2] 中华人民共和国铁道部.TB10005—2010 铁路混凝土结构耐久性设计规范[S].北京: 中国铁道出版社，2010.

[3] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.长湾澧水大桥地质说明书[R].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2015.

[4] 中铁十一局集团有限公司，黔张常铁路站前工程QZCZQ-6标长湾澧水大桥顺层地质汇报报告[R].武汉：中铁十一局集团有限公司，2015.

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50330—2013 建筑边坡工程技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2013.

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