抗滑桩在高速公路与水利交叉工程中的应用

2021-04-09凌新鹏

现代交通技术 2021年1期

凌新鹏,叶伟

(新疆交通科学研究院，乌鲁木齐 830049)

随着我国交通行业与水利行业的大发展，高速公路网越来越密，高速公路常与国家重点水利项目、重要干渠枢纽等一并进行，通常在项目总体方案上，公路项目与水利项目存在相互干扰，即交叉工程，常见的交叉方式有水利下穿公路桥(暗渠)、公路上跨水利干渠(明渠)，因此，设计方案和施工方案难度都会增加；同时，由于资金和项目管理等原因，公路项目与水利项目并不一定同期施工，通常会出现公路或水利工程建成后，另一类工程才开始施工，因此对于已建工程交叉方案制订和评价尤为重要，本项目以实际案例进行分析论证，最终提出合理的设计方案。

1 工程简介

G218线新疆伊宁至墩麻扎高速公路位于新疆伊犁州伊宁县境内，是伊犁地区重要通道，设计速度100 km/h，路基宽度27 m，全长约73 km；其北岸干渠水利枢纽工程是新疆伊犁河流域开发建设管理局的重点水利枢纽项目，两个工程在高速公路K51+131处交叉，工程交角约30°。两个工程因资金问题未能同时实施，高速公路于2010年交工、验收、通车运行，水利工程未实施。

为方便水利工程实施，高速公路在交叉处设5～25 m预应力连续箱梁，桥墩采用柱式墩，桥台采用肋板式桥台，北岸干渠依次从桥下3号、2号、1号孔穿越，高速公路桥梁墩柱、桩基布置均采用非对称布置，墩柱之间预留箱涵穿越空间。

交叉段北岸干渠采用双孔箱涵式，交叉处干渠渠底标高位于地面以下约9.8 m，箱涵出口段长度50 m，进出口段与明渠相接，箱涵涵身段总长220 m，每隔10 m设置1道伸缩缝。因高速公路已建成通车，北岸干渠箱涵施工需开挖桥梁基础和公路路基边坡处地基覆土，对已通车的公路桥梁稳定性产生较大影响，存在安全隐患，基于此提出施工期基坑开挖支护安保工程，支护工程平面布置如图1所示。

图1 支护工程平面布置

2 工程项目区域地质特征

2.1 地形地貌

项目工程区域属伊犁河三级阶地，周围为农田，地形平坦开阔。

2.2 地层条件

根据钻探揭露，勘察区地层由第四系全新统(Q4a1+pl)冲洪积的细砂、粉质黏土中砂、砂砾、粉土和圆砾组成。根据取样试验和野外描述，按工程地质性能不同，在勘探深度范围内从上至下大致可分为8层，各地层特征分述如下：①层：细砂，层厚2.8 m，土黄色，中密，土石工程分级为Ⅱ级。②层：粉质黏土，层厚9.6 m，土黄色，坚硬，中湿，土石工程分级为Ⅱ级。③层：中砂，层厚5.4 m，土黄色，中密，土石工程分级为Ⅱ级。④层：砂砾，层厚1.9 m，土黄色，中密，土石工程分级为Ⅲ级。⑤层：粉土，层厚3.4 m，土黄色，稍密，中湿，土石工程分级为Ⅱ级。⑥层：砂砾，层厚1.6 m，土黄色，中密，土石工程分级为Ⅲ级。⑦层：粉土，层厚7.1 m，土黄色，稍密，中湿，土石工程分级为Ⅱ级。⑧层：圆砾，层厚8.5 m，黄灰色，亚圆状，密实，中湿，母岩主要为灰岩，砂岩，充填物为中砂，土石工程分级为Ⅲ级。

2.3 水文地质条件

项目区地表水系不发育，勘察期间未见地下水和地表水，可不考虑地下水对本工程的影响，但由于本项目位于农田区，施工时应考虑可能存在的农田漫灌对工程的影响，若施工时出现地表水，应先进行排水处理。

2.4 地震效应评价

根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[1]，项目属地震基本烈7度区，设计地震分组为第2组，设计基本地震加速度值为0.15 g，地震动反应谱周期为0.45 s。

根据《公路桥梁抗震设计规范》(JTG/T 2231—01—2020)[2]4.3条判定，拟建场地20 m深度范围内不存在饱和砂土，可不考虑地震液化问题。

2.5 工程地质条件评价

2.5.1 桥头岸坡稳定性

桥址区为农田区，地形平坦，地势开阔，两侧桥台所处稳定性良好。

2.5.2 地基土分层容许承载力

根据勘探结果和试验成果得出桥址区地基土分层摩阻力标准值和承载力基本容许值，如表1所示。

表1 地基土分层摩阻力标准值与承载力基本容许值

2.5.3 场地湿陷性评价

通过取原状土样进行湿陷性试验，依据《湿陷性黄土地区建筑标准》(GB 50025—2018)[3]4.3.1条和《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)[4]表7.10.4规定，在本次勘察渠24件不扰动土样本中，通过水平与垂直两个方向分析，场地有4件土样的粉土自重失陷系数δzs大于0.015，其余均小于0.015；经计算得：试样自重湿陷量Δzs为8.5～16.5 mm，满足规范[1]要求Δzs≤70，为非自重湿陷场地；在深度小于10.0 m范围内湿陷系数δs均大于0.015，湿陷厚度为9.8 m。湿陷系数随着深度增加而减小。

依照《湿陷性黄土地区建筑标准》(GB 50025—2018)[3]，经计算得湿陷量Δs为211.5～225.0 mm。粉土湿陷等级为Ⅰ级(轻微)非自重湿陷性。湿陷性试验结果如表2所示。

表2 湿陷性试验结果

2.6 小结

(1) 拟建场区为非自重湿陷性场地，场地土的湿陷等级为Ⅰ级(轻微)非自重湿陷性。

(2) 依据《公路工程地质勘察规范》(TJG C20—2011)[5]附录K 环境类型水和土对混凝土腐蚀的评价标准，可以判定：在Ⅱ类环境中，地基土为非盐渍土，对混凝土腐蚀性综合判定为无腐蚀性。

(3) 该场地位于季节性冻土地区，最大冻土深度为62 cm。

3 支护工程设计

3.1 方案设计论证比选

根据项目实际工程场地情况，因受制于现有高速公路桥梁的建设空间，一般性开放型或敞开式边坡支护难以满足施工要求。为此，在考虑支护工程作业空间时，优先考虑边坡坡率大或能够有效利用现有空间的设计方案，因此，本项目在方案论证根据不同基坑所处不同段落，采用不同的设计方案进行比选。

3.1.1 桥台路基防护段

桥台路基防护段采用重力式水泥土墙、地下连续墙钢筋混凝土支护和抗滑支护桩3种支护方案比选。

重力式水泥土墙虽然在基坑类支护中因工程造价相对较低、对施工工艺要求不高等优点，有较好的实用价值，但其适用基坑深度较浅、土压力相对较小的工程，一般深度约5 m。

地下连续墙钢筋混凝土支护方案通常用于基坑周边施工空间受限，且周边10～20 m范围内有高大建筑物，一般在市政工程中多见，基坑深度较深，约20 m，但因工程造价高、需专用机械、施工工艺相对复杂，因此地下连续墙钢筋混凝土支护方案在场地受限的市政工程中使用效果最佳。

抗滑支护桩通常在基坑深度为10～15 m时适用，主体受力为钻孔灌注桩，因此施工工艺难度适中，在城市中有较好的应用，在人迹罕至的野外极其适用，工程造价在上述二者居中，因此，综合考虑施工难度和造价，本次推荐选择抗滑支护桩。

3.1.2 箱涵穿越桥墩段落

箱涵穿越桥墩段落进行土钉墙方案与敞开式断面开挖方案比选。

一方面，由于桥梁桩基长度设计时已充分考虑干渠的开挖，为此在直接开挖时不会出现桩基摩阻力不足或桩基断桩与垮塌现象，为此，敞开式边坡比例满足开挖边坡稳定即可，采用坡率1∶1.25，机械土方开挖。

另一方面，由于敞开式开挖，工程开挖界限较大，为此使用土钉墙支护桩作为比选方案，但由于土钉墙支护施工工艺烦琐，不仅需要喷浆支护，还需要锚杆固定。同时，敞开式开挖与土钉墙支护桩相比，造价相当，但考虑施工难度与进度，选用敞开式开挖。

3.2 抗滑桩设计参数确定

抗滑桩设计参数的确定包括结构形式和平面布置。支护桩延长段落的确定，需根据地形图实际测量，支护桩与路基坡脚垂直最近距离为0.5 m，最远距离为10 m。因此在支护桩计算时，以最不利情况计算。

参照《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)[6]，桩间距参数应不大于2倍直径，本次选取桩间距为1.8倍桩直径。通常桩间距越小，桩间土土拱效应越大，工程安全系数越大，但相应桩的根数也会越多，因此，需要综合比选合理确定桩间距[7]。

由于支护桩点位地面高程的不同，抗滑支护桩计算也不相同，项目采用5类抗滑桩进行分析，分别为：B型、C型、D型、E型、F型；对应基坑深度分别为：13.3 m 、12.8 m、11.8 m 、10.8 m、9.8 m；嵌固深度分别为：10.64 m、10.24 m、9.44 m、8.64 m、7.84 m，采用机械钻孔C40钢筋混凝土浇筑，截面为圆形，桩直径1.0 m，桩间距1.8 m，抗滑支护桩结构示意如图2所示。

(a) 抗滑支护桩结构 (b) 钢筋构造

本项目治理范围2段，长度共计73 m，支护桩41根，总桩长789.84 m。

3.3 抗滑桩内力变形分析

支护桩计算通常不仅需要满足构造配筋要求，而且需要满足边坡开挖的稳定计算分析，保证施工各工序期间，支护桩处于稳定状态[8]。

3.3.1 抗滑桩滑坡推力计算

通过现场不同土层的物理力学参数计算抗滑桩滑坡推力，各地层物理力学参数如表3所示。边坡土体主要破坏表现形式为土层之间某一滑动面的破坏[9]，滑动推力计算简图如图3所示。

表3 各地层物理力学参数

图3 滑动推力计算简图(单位：m)

3.3.2 抗滑桩结构计算分析

以主滑面上抗滑支挡结构为例，分别以弹性法和经典法对土压力模型进行对比计算[10]，依据阶段法施工模拟计算，当基坑开挖至地面以下13.3 m时，抗滑桩土压力、水平位移、弯矩和剪力如图4所示。桩顶的最大水平位移273 mm，最大弯矩 3 760.15 kN·m，最大剪力1 011.64 kN。根据抗滑桩结构的计算弯矩和剪力可以对灌注桩进行配筋，对强度等进行验算，此处略。