简阳市沱西快速路高路堑边坡高压铁塔支挡设计

吴 强，文琪鑫，杨靖柯

（中国建筑西南设计研究院有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

随着我国城市化进程的不断发展，城市建设逐渐向城市远郊的山区丘陵地带推进，市政工程已无法避免高大路堑边坡等特殊性工点的建设。然而，市政道路边坡常受现状地形和边坡上既有建构筑物等条件限制，抗滑桩作为一种刚性支护措施成为了此类边坡的主要支护形式。

南宁东站电塔高边坡采用抗滑桩防护，桩截面为圆形，按桩径3.5m、桩间距7.0m、最大桩长26m进行单排布置，处理后边坡在变形和稳定性方面能满足规范要求，且较放坡开挖减小了对坡顶地块的影响，有较好的处理效果[1]。四川省天府新区绵州路南段道路邻近高压电塔边坡采用锚索支护排桩防护，桩截面为圆形，按桩径1.5m，桩间距1.8m，最大桩长17m进行单排布置，并设置2道预应力锚索，处理后边坡能较好地保障道路施工及行车安全[2]。本文针对简阳市简州临港经济区沱西快速路（以下简称沱西快速路）高路堑边坡高压电塔的保护方案进行设计，采用预应力锚索抗滑桩支挡，对此类边坡设计及计算进行探讨。

1 工程概况

沱西快速路场地东侧为厦蓉高速公路及318国道，场地内部有若干水泥路，交通较为便利。项目建设过程中，需要在里程桩号K1+326.6～K1+432.8段形成挖方边坡，边坡总长度约106.20m，最大高差约25.10m，K1+380左侧距离路中线35.8m处有1座高压电塔，为了道路及高压电塔的安全，对该段边坡进行专项支护设计。

2 拟建场地地质概况

2.1 地形地貌

拟建场地属于浅丘地貌，地形起伏较大，山体呈馒头状，沟谷呈浅U字型。山体自然坡度约30°～50°，坡表覆盖层较薄，植被茂盛；沟谷宽缓平坦，覆土较厚。场区底面高程为415.62～487.46m，最大高差约72m。

2.2 地层分布

（4）侏罗系上统蓬莱镇组（J3p）：其中的④2-1强风化泥质砂岩以褐红色为主，主要矿物成分为长石、石英，粉粒结构，薄-中厚层构造，泥质胶结，胶结强度较低，局部为砂泥岩互层，节理裂隙发育，质软，具风化差异性，较破碎，呈碎块、圆饼及少量短柱状，岩芯手易扳断，场地部分地段分布，层厚0.50～15.0m，岩土类别为Ⅱ类。④2-2中等风化泥质砂岩呈褐红、褐灰色，主要矿物成分为长石、石英，粉粒结构，巨厚层构造，泥质胶结，胶结强度较高，局部为砂泥岩互层，节理裂隙较发育，质软，钻探岩芯采取率约98%，RQD值为80%～90%，岩芯较完整，主要呈短柱、长柱状，产状近于水平，层厚为0.5～37.0m。根据岩石单轴饱和抗压强度，属较软岩，岩体基本质量等级为Ⅳ级，岩土类别为Ⅳ类。

拟建场地地质剖面图见图1。

图1 拟建场地地质剖面图

2.3 水文地质条件

（1）地表水特征：工程区地表自然水系不发育，无河流通过，亦无湖泊分布。

（2）地下水特征：拟建场地地下水类型主要为赋存于第四系松散堆积层中的上层滞水和基岩裂隙带中的基岩裂隙水。

（3）上层滞水：上层滞水赋存于第四系松散堆积层，主要受地表水下渗及大气降水补给。

（4）基岩裂隙水：场地基岩风化裂隙相对发育，但由于其大多呈闭合状，故透水性、富水性较差。

（5）勘察期间地下水分布情况：勘察期间揭示的地下水类型大多为上层滞水，于地势低洼处测得部分钻孔地下水稳定水位埋深0～1.8m。

2.4 场地水、岩、土腐蚀性评价

根据现场勘察，场地水、岩、土对混凝土结构、钢筋混凝土结构中的钢筋及钢结构有微腐蚀性。

2.5 场地各岩土层主要物理力学指标

岩体、土体的工程特性指标建议值见表1。

表1 岩体、土体的工程特性指标建议值

3 支护方案比选

3.1 方案一：预应力锚索单排支护桩

采用预应力锚索单排支护桩，桩截面为圆形，桩径为1.5m，桩间距为3.35m，桩长18～40.5m，并设4排预应力锚索，顶层锚索与桩顶间距4m，锚索间距为3m，桩间钢筋混凝土挡土板采用逆作法封闭。支护桩为钻孔灌注桩，成孔工艺采用机械成孔。

预应力锚索单排支护桩纵剖图、横剖图见图2、图3。

图2 预应力锚索单排支护桩纵剖图

图3 预应力锚索单排支护桩横剖图

3.2 方案二：预应力锚索双排支护桩

采用预应力锚索双排桩支护结构[3]，桩截面为圆形，桩径为1.5m，沿路线纵向双排正三角形布置，桩长27～36.0m，桩间距3.35m，并设3排预应力锚索，顶层锚索与桩顶间距2m，锚索间距3m，预应力锚锭位于前排桩，相连3根桩间形成三角柱桁架结构，桩间钢筋混凝土挡土板采用逆作法封闭。支护桩为钻孔灌注桩，成孔工艺采用机械成孔。

预应力锚索双排支护桩纵剖图、横剖图和平面图见图4、图5和图6。

图4 预应力锚索双排支护桩纵剖图

图5 预应力锚索双排支护桩横剖图

图6 预应力锚索双排支护桩平面图

3.3 方案比较

方案一优点：力学模型较为成熟；圆形截面桩，采用机械成孔，施工安全性好；施工工艺成熟，造价相对较低。

方案一缺点：桩长较长，侧向刚度小，预应力锚索排数多。

方案二优点：侧向刚度大，桩长较单排桩短；预应力锚索排数少，桩间空隙有利于种植立体植物，景观效果好。

方案二缺点：尚未有统一力学计算模型；桩间空隙施工难度大，工期长，造价相对较高。

通过对比以上2种支护方案优缺点，并进行初算，发现2种支护方案均能满足保护高压铁塔要求。方案选用时，综合考虑运营安全、地质条件、施工条件、工期和造价等方面，特别是区域为强风化泥质砂岩和中风化泥质砂岩，其内摩擦角和黏聚力均较大，致使边坡的稳定性较好，有利于满足铁塔的沉降与倾斜要求，因此推荐采用造价较低的单排桩方案。

4 保护支挡设计

4.1 支护桩

支护桩平面布置图见图7。

图7 支护桩平面布置图

边坡支护临空面与高压铁塔之间的斜交角度约45°，支护桩与铁塔最近基础净间距约6.0m，高压铁塔矩形基础长宽为3.3m×2.87m。

支护桩：桩径1.5m，桩间距3.35m，在高压铁塔处支护桩临空面高25.1m，设有4排锚索，其他位置设2～3排锚索。支护桩为钻孔灌注桩，成孔工艺采用机械成孔，采用C30混凝土现浇。桩钢筋保护层厚度50mm。主筋采用机械连接，同一断面接头数量不超过钢筋总数的50%。

冠梁：截面尺寸1.5m×1.0m，采用C30混凝土现浇。钢筋保护层厚度50mm。

卧地梁：截面尺寸0.4m×0.4m和0.5m×0.5m，采用C30混凝土现浇。

挡土板：板厚0.3～0.4m，采用C30混凝土现浇。

4.2 预应力锚索

锚索直接作用于支护桩上，锚索锚筋采用s15.24钢绞线（强度等级1860MPa），注浆材料为M30纯水泥浆，水灰比0.45～0.50。从锚孔底部进行注浆，注浆过程中严格控制注浆压力为0.4～0.8MPa，待1次注浆初凝后进行2次注浆。锚索钻孔直径20cm。预应力锚索下料时应预留张拉段长度，预留长度不小于1.0m。锚索入射角度为15°。预应力为200kN，锚索自由段长度为12m，锚固段长度为8m，锚固段均位于中等风化泥质砂岩。

4.3 排水

桩间挡土板预留泄水孔，泄水孔竖向间距1.0m。电塔附近紧邻坡顶设置宽50cm、深50cm截水沟，电塔6m保护范围外在坡顶外侧5m处设置截水沟，沟底坡度应随坡顶地面坡度，且不小于1.0%。沟底坡度大于40%时，沟底断面应砌成多级跌水。在距坡脚不小于30cm外应设置宽50cm、深50cm排水沟，沟底坡度1%，将坡顶及坡面的来水排走。当坡面设置急流槽时，在急流槽汇入排水沟处设置集水井，井深70cm。

4.4 施工顺序

测放桩位→抗滑桩施工→桩顶冠梁施工（同时设置变形观测点）→桩前土开挖及桩间挡土板施工（每次开挖高度不宜超过2m)→锚索施工→施加预应力→桩前土开挖及桩间挡土板施工，循环至设计标高。

5 支护结构验算

5.1 岩土计算

5.1.1 技术要求

边坡支护安全等级为按照道路快速路等级标准，设计稳定系数取值为：正常工况安全系数Fs=1.30；非正常工况安全系数Fs=1.20。

城市路基边坡支挡工程安全等级为一级；结构重要性系数γ0≥1.1。

经过与产权单位的技术对接，确定了220kV高压杆塔组竖立及架线后，其结构位移允许值应符合表2要求。

表2 高压杆塔位移允许值[4]

5.1.2 参数确定

为验证本文所提方法的准确性和合理性，依据边坡工程条件及支护设计建立有限元计算模型。

计算模型和材料参数以代表性勘察报告道路横剖面B9～B9’为对象，采用MIDASGTSNX有限元软件建立二维平面应变分析模型。边界上部取至边坡上缘50m，下部取到坡脚外侧30m。计算模型单元网格划分见图8，单元以四边形和三角形组成，共划分1794个单元，1821个节点。

图8 有限元计算模型

计算模型中材料类型共分为6种（耕土、可塑粉质黏土、强风化泥质砂岩、中风化泥质砂岩、桩体和锚杆），其中土体采用Mohr-Coulomb破坏准则，桩和锚杆为弹性模型的结构体。混凝土桩和锚杆的物理力学参数见表3。

表3 有限元计算模型物理力学参数

5.1.3计算结果计算模型的整体X向、Y向位移云图见图9、图10；最大剪应力云图见图11；有效应变云图见图12。

图9 整体X向位移云图

图10 整体Y向位移云图

图11 最大剪应力云图

图12 有效应变云图

5.2 结构验算与分析

利用有限元软件对该铁塔保护所采用的单排桩进行分析，得到支护后最不利工况(非正常工况)的坡体位移云图、剪应力分布情况及应变云图。计算方法为强度折减法，得到其在运营阶段的安全系数Fs=2.313，大于规范[5]要求的Fs=1.30；电塔位置最大水平位移m=0.517mm，小于规范[4]要求的50mm；电塔位置前向两端最大竖向位移分别为V1=26.7mm，V2=22.2mm；计算杆塔结构倾斜为0.105%，小于规范要求的0.3%。由此可见，坡体水平位移和杆塔结构倾斜均达到预期，能满足高压电塔的抗倾斜要求。

6 结语

本文对高路堑边坡高压电塔保护支挡设计方案进行比选，推荐采用预应力锚索单排桩支护方式支护边坡，并采用有限元方法对支护方案进行验证，得到其稳定性验收安全系数为2.313，高压电塔控制性指标杆塔结构倾斜度为0.105%，均符合规范要求；说明所采取的支护方案能保障道路及高压电塔的运营安全。对类似高路堑放坡困难地段，采用预应力锚索抗滑桩支护可有效控制坡顶地面的沉降作用。