主跨457 m钢箱拱桥大型深基坑支护方案设计及验算分析

文章结合柳州官塘大桥工程实例，分别采用Midas GeoX基坑支护设计平面计算和Midas Civil空间有限元分析方法进行基坑支护验算分析，总结了临水大型深基坑支护方案设计和验算经验，可为同类工程提供参考。

主跨457m钢箱拱桥;临水基础;深基坑;支护方案

U448.22A311024

0 引言

柳州官塘大桥为主跨457 m有推力提篮式钢箱拱桥，拱座基础为一侧临水的台阶状扩大基础，采用先做筑岛围堰再开挖的施工方式，基坑支护采用钢筋混凝土咬合桩+钢管内撑的方式，基坑内侧采用岩层高压注浆止水，基坑外侧采用止水帷幕止水。本文分别采用Midas GeoX基坑支护设计平面计算和Midas Civil空间有限元分析方法进行基坑支护验算，总结了临水大型深基坑支护方案设计和验算经验，为同类工程提供参考。

1 概述

1.1 工程概况

柳州官塘大桥位于柳州市中心偏东北方向，横跨柳江，西侧通过莲花大道连接柳北和河东片区，东侧通过东环城大道连接柳州汽车城。主线全长1 155.5 m，其中跨江段主桥长度为462 m，引桥长度为251 m，西岸连接线段长429.5 m。西岸设置立交与沿江路连接;东岸跨越沿江路后，与规划道路连接。主桥采用457 m中承式钢箱拱桥，为有推力提篮式拱桥。大桥于2019年1月建成通车，桥型布置如图1所示。

1.2 建设条件

已建大桥桥位地形地貌变化较大，跨越丘陵、河床、柳江河一级阶地及二级阶地。大桥左岸主要为一、二级阶地及低矮土丘地貌单元，一级阶地地面标高一般在77.5～85.0 m，二级阶地地面标高一般在85.0～96.0 m。左岸覆盖层厚度为5～7 m，为新近沉积粉质黏土;持力层为中风化泥、碳质灰岩，饱和单轴抗压强度值为15.4～37.1 MPa，岩体完整程度为较破碎，基本质量等级为Ⅳ级。大桥右岸为丘陵地貌单元，柳江河岸坡处为上二叠统合山组岩质山体，山脚处标高约为83.0～86.0 m，山顶标高约为113.5 m，山体坡度一般为30°～40°。右岸覆盖层厚度为1～3 m，为可塑状粉质黏土;持力层为泥质灰岩夹薄层泥岩，饱和单轴抗压强度值为16.2～32.2 MPa，岩体完整程度为较破碎，基本质量等级为Ⅳ级。

土层的渗透系数如下：硬塑状粉质黏土渗透系数为9.92×10-6cm/s;可塑状粉质黏土渗透系数为3.91×10-5～5.45×10-5cm/s;含岩屑红黏土渗透系数k=6.51×10-6cm/s。岩层的渗透系数如表1所示。

桥址位于红花电站库区，电站设计常水位为77.50 m，桥位处常水位约为77.95 m，水位常年变化不大，施工期水位按77.95 m控制。桥位处河段1/100洪水位为88.50 m。

1.3 主要技术标准

桥梁道路等级为城市快速路，设计荷载为城-A级，设计时速为60 km/h;桥面有效宽度为39.5 m，双向六车道，两侧人行道各为2.5 m;设计洪水频率为1/300;航道等级为内河Ⅱ级航道;设计安全等级为一级。

1.4 桥梁结构

拱肋计算跨径L=457.183 m，拱轴线采用悬链线，拱轴系数为m=1.3，净跨径L0=450 m，净矢高f0=100 m，净矢跨比为L0/f0=1/4.5，拱肋内倾角度为10°（拱肋平面与竖直面的夹角）。拱肋钢箱采用等宽变高的单箱单室截面，拱肋高度沿拱轴线按照线性变化，由跨中的6.0 m渐变至拱脚截面的10.575 m，拱肋全宽5.0 m。主梁采用单箱单室扁平流线型全焊钢箱梁，含吊索區全宽44.5 m，无吊索区宽39.5 m，中心高3.5 m。全桥吊索均采用横向双索体系，采用环氧喷涂低松弛钢绞线、整束挤压式锚固的拉索体系，吊索间距为10.5 m。

2 拱座深基坑支护方案

2.1 拱座及基础形式

拱座采用分离式钢筋混凝土拱座，与提篮式拱肋（内倾角10°）相适应，拱座竖向轴线与竖直面夹角为10°。拱座基础采用钢筋混凝土扩大基础，顶面内倾，与水平面夹角为10°。纵桥向基础底部与基岩接触面设置成台阶状，纵桥向长30 m，横桥向宽16 m。基础置于稳定的、完整的中/微风化基岩上。上、下游两个分离式拱座基础之间设置预应力混凝土地系梁，以抵消提篮拱横桥向水平推力。拱座、地系梁采用C40混凝土，拱座基础采用C30混凝土。拱座及基础形式如图2所示。

2.2 拱座基坑支护方案

两岸拱座基础均为一侧临水，采用先做筑岛围堰后开挖的施工方式，基坑长度为80 m，宽度为34.5 m，最大深度为18 m（常水位以下14.5 m）。基坑支护方案为：围堰采用筑岛围堰+钢筋网石笼护脚/护坡+土袋护坡，基坑支护采用钢筋混凝土咬合桩+钢管内撑，基坑止水包括基坑内侧的岩层高压注浆和基坑外侧的止水帷幕。其中基坑外侧止水由两部分组成：（1）支护桩施工后，对岩石裂隙、岩溶管道等进行灌浆帷幕处理;（2）岩层帷幕注浆完成后，基岩面以上覆盖土层采用高压旋喷形式施工。筑岛围堰及基坑支护方案如图3所示。

支护桩采用C25混凝土，冠梁、钢筋混凝土内支撑采用C30混凝土，其他内支撑钢材等级均采用Q235B。基坑支护采用灌注桩，桩直径为1.5 m，混凝土材料等级为C25，桩间距为1.3 m。自上而下第1道内支撑为钢筋混凝土结构，采用1×1 m矩形截面，对应的钢筋混凝土冠梁采用1×2 m矩形截面。其余内支撑、竖支撑采用630 mm钢管，对应的型钢腰梁采用双拼Ⅰ45c型钢。

拱座基坑开挖中，围堰采用筑岛围堰+钢筋网石笼护脚/护坡+土袋护坡的形式;基坑支护采用钢筋混凝土咬合桩+钢管内撑的形式;基坑止水采用外围高压旋喷桩+基底注浆的形式。钢筋混凝土桩施工采用“跳桩施工”原则。拱座施工的主要顺序为：筑岛围堰→基坑开挖→拱座基础钢筋绑扎、分层浇筑混凝土（后浇段除外）→完成地系梁先浇段施工→浇筑地系梁后浇段、张拉横向钢束→安装定位拱肋JH0节段→绑扎拱座钢筋和预埋拱脚节段预应力管道、锚具及钢束→浇筑拱座基础后浇段→分层浇筑拱座混凝土。

3 研究内容及方法

通常情况下，基坑支护验算按照规范规定进行即可。按规范方法验算，适用于基坑几何形状比较规则、周边地质条件变化不大的情况，可采用常规商业软件进行，如Midas GeoX基坑支护设计软件。其主要应用于基坑工程，除了结合最新行业基坑规范进行基坑设计外，还按照地方最新规范进行设计，按照等值梁法、弹性支点法、弹塑性地基梁法进行计算及模拟实际基坑施工过程。

由于官塘大桥的拱座基础为台阶状，其开挖基坑为非规则形状，而且临水面、背水面的开挖深度和地质边界条件差异很大。因此在进行验算时，分别按临水面、背水面两种工况进行，模拟实际基坑施工过程，得到各开挖工况下支护桩的受力和变形情况，并进行桩基嵌固深度、截面设计、整体稳定、抗倾覆、抗隆起验算。

规范方法属于平面验算，可以模拟实际地质条件和基坑施工过程，进行支护桩的嵌固深度、截面设计、整体稳定、抗倾覆、抗隆起验算。但是平面计算方法不能同时反映基坑四周开挖深度及地质条件的差异，也不能计算空间布置的内支撑受力和变形状况，因此除了采用Midas GeoX软件进行平面验算外，还采用Midas Civil软件进行空间建模，进一步对支护桩、内支撑、竖支撑、冠梁、腰梁等主要受力构件进行验算。

4 基坑支护验算

4.1 Midas GeoX平面计算

以临水面基坑验算为例，模型情况为：开挖总深度为18 m，嵌入深度为6 m，采用灌注桩支护结构。基坑安全等级：一级;基坑重要性系数：1.1;参考规范：《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）;分析方法：弹性支点法。计算模型如图4所示。

地质条件：黏性土层厚15 m，土层以下为微风化岩。

支撑布置：三道内支撑，一道冠梁，两道腰梁。

施工荷载：考虑基坑施工时的车辆荷载，按条形荷载施加。

施工阶段：模拟七个施工阶段，分别为：（1）开挖至0.5 m;（2）安装第1道内支撑及冠梁;（3）开挖至10.5 m;（4）安装第2道内支撑及腰梁;（5）开挖至15.5 m;（6）安装第3道内支撑及腰梁;（7）开挖至18 m。

计算得到各阶段的土压力、支护桩内力和变形分布情况（如图5所示）。根据计算，支护桩的嵌固深度要求>3.8 m，實际嵌固安全系数为1.35。支护桩配筋要求为：纵向主筋8根25 mm钢筋，箍筋6 mm间距20 cm。施工各阶段的整体稳定安全系数为1.35，抗倾覆安全系数为1.25，抗隆起安全系数为1.8。

4.2 空间有限元计算

采用Midas Civil软件对拱座基坑支护主要受力构件（含支护桩、冠梁、腰梁、内支撑等）空间模型进行静力计算，取得结构在基坑开挖过程中的最不利内力，并进行结构验算。作用于支护桩上的土压力根据Midas GeoX 基坑支护平面计算结果取值（见图6）。

4.3 空间计算主要结果

表2～4为基坑支护空间计算的主要内力、应力和变形计算结果。

计算结果表明，基坑支护的钢筋混凝土构件承载力、钢构件应力和支护桩的变形均满足要求。根据结构弹性屈曲分析，基坑支护结构最小弹性稳定系数为29.13>4.0，满足要求。

5 结语

柳州官塘大桥为主跨457 m有推力提篮式钢箱拱桥，拱座基础为一侧临水的台阶状扩大基础，采用先做筑岛围堰后开挖的施工方式，基坑支护采用钢筋混凝土咬合桩+钢管内撑的方式。本文分别采用规范平面计算方法和空间有限元分析方法进行基坑支护验算，总结了临水大型深基坑支护方案设计和验算经验，为同类工程提供参考。

[1]林小军.柳州官塘大桥净跨450 m钢箱拱桥设计[J].西南公路，2018（3）：10-13.

[2] JTJ120-2012，建筑基坑支护技术规程[S].