斜拉桥主墩深基坑支护与开挖施工技术

李 毅

（云南建设基础设施投资股份有限公司，云南 昆明 650217）

0 引言

斜拉桥索塔基础是控制索塔承载力及稳定性的关键，它关系到整座桥梁受力是否达到设计要求，是否满足后期运营要求。依托跨黄河斜拉桥索塔基础的施工，探讨在水深1.0～6.5m的条件下，在大粒径卵石层、泥沙层等透水性强的地层中，开挖深基坑的支护施工技术。深基坑在支护施工过程中面临开挖失稳风险，侧壁、底板渗水，冬季施工温度控制等一系列问题，给主墩基础施工增加了困难。在实际施工中摒弃了原设计的永久钢板桩围堰支护方案，采用了排桩+冠梁结构+高压旋喷桩止水帷幕的深基坑支护方案，保证了基坑施工的顺利进行及主墩基础的施工质量。

1 工程概况

河口大桥主桥为双塔斜拉桥，跨径布置为：（177+360+177=714）m。桥塔为钢筋混凝土A型塔，塔高99m，塔身为带圆弧凸起的箱形结构，截面尺寸为横向450cm、纵向700cm。主梁采用工字钢-混凝土结合梁，梁高2.83～3.06m。桥面纵坡为2.24%、1.68%（斜向人字坡），桥面横坡由2%（人字坡）变化到4%（单向坡）。桥型布置如图1所示。

图1 河口大桥桥型布置图

河口大桥包括主墩2个、辅助墩2个、过渡墩1个，48根钻孔灌注桩基础。2#主墩位于黄河库区原有堤坝附近，该区域水面标高+1556m，水深1.0～6.5m，平均水深约2.8m。2#主墩承台底面高程1552m。

河口大桥2#主墩施工前，沿桥轴线自河岸至主墩填筑一条宽度7.5～30.0m的施工便道，由于施工期最高水位达+1560m，平台填筑标高定为+1560.5m。筑岛后在主墩处形成一个65m×36m的陆地施工平台，作为主墩施工区域及材料堆场。2#主墩钻孔平台布置见图2所示，2#主墩地质见图3所示。坡脚处抛掷石笼进行防护。

图2 2#主墩钻孔平台布置图

图3 2#主墩地质图

2#主塔承台为中间带系梁的“哑铃型”结构，平面尺寸为19m×50m，高4m，包含钢筋152t，C30 混凝土2052m³，上、下游承台分开浇筑，待施工完塔座之后浇筑中间系梁。

2 深基坑支护施工难点

深基坑支护主要发挥挡土和防渗的双重作用，为桥墩的桩基、承台施工提供干作业的安全空间，以确保基桩周边土石体的稳定和墩基混凝土的浇筑质量，由于桥址区地质和周边环境的原因，该深基坑支护施工面临着较多困难。

2.1 基坑基底位于卵石层，稳定性差

根据地质图及主墩桩基施工揭示的地质情况，本基坑侧壁土层从上往下依次为：杂填土、砂性土夹卵石层、卵石层、全风化泥岩，基底座落在卵石层中，被大粒径卵石层（卵石最大粒径达到52cm，一般在10～20cm之间）、泥沙层等透水性强的岩土体包围。

该卵石层的充填物主要为砂砾石、粉细砂、中粗砂等，无粘结，遇水极易松动，在水头压力的作用下，极易“液化”，瞬间完全失去抗剪强度。在不失去侧限约束和干燥状态下，卵石层具有很高的竖向承载力和不可压缩性；但在基坑开挖状态下，由于失去了侧限作用，在高水头的作用下，它处在一种容易液化的状态之中，支护结构的作用就是尽可能地补偿因开挖造成的侧限损失，使卵石层和支护体系达成新的平衡。如果没有支护结构，或者支护结构失稳，意味着卵石层的侧限约束力散失，发生液化，坑壁就会坍塌。

2.2 受黄河水影响，基坑防渗难度大

卵石层属于强透水层，基坑内地下水直接与黄河水联通，受河水补给。地下水是基坑支护工程的最不利因素，由于卵石层的存在，基坑开挖后形成的高水头差，很容易使卵石层液化，从而导致桩基周边卵石层松动，丧失对桩基和支护桩的侧限作用，使桩基和支护桩存在失稳风险。

3 基坑支护方案比选及支护结构设计

根据主墩桩基施工揭示的地质及现场实际情况，原设计的永久钢板桩围堰支护方案无法实施。结合设计提出的永久性防护需求及现场施工需要，重新提出了基坑支护的设计目标：（1）确保基坑的安全和正常使用；（2）在安全的前提下尽可能降低结构施工难度，缩短工期；（3）优化设计方案，降低工程造价、节约工程措施费。

3.1 基坑支护方案的比选

经现场钻探、方案分析、验算比选，最终支护方式确定为：排桩+冠梁结构+高压旋喷桩止水帷幕，支护桩采用机械成孔灌注桩，支护桩之间的砂、卵石采用高压旋喷桩固化并与支护桩共同形成侧壁的止水帷幕，坑底的封水措施则为支护桩和高压旋喷桩联合体，均进入全风化泥岩截断渗透途径，从而隔断基坑内外水力，使其形成“断路”，达到五面封水的效果。

3.2 支护结构的设计

3.2.1 设计思路及计算理论

（1）考虑到墩基施工作业面的需要，按墩基础外侧边线向外扩0.8～1.2m，作为基坑开挖内边线，然后从内边线向外布置支护结构，确保地下基础施工具备一定的施工作业空间。

（2）该深基坑工程设计±0.00 标高相当于绝对标高1560.50m，基坑开挖支护至墩基础垫层底，基坑底标高为：-7.00m，考虑开挖对底层影响70cm，基坑坡顶超载取值q=40kPa[1-4]。

（3）土压力按郎肯土压力理论，水土压力合算，被动区域压力折减系数取1.1。排桩入土深度计算按极限土压力平衡理论与等值梁法分工况计算确定[5]，确保满足整体稳定和抗坑底隆起，排桩内力采用弹性抗力法计算确定，冠梁按多跨连续梁计算。

（4）计算原理。支护桩墙在受到墙背主动土压力时，通常是以桩底上方某点转动，这样在转动点以上的桩身前侧和转动点以下的桩身后侧将产生被动抵抗力，在对应的另一侧将产生主动土压力。计算时取单位长度坡体近似的假定土压力的分布。

具体计算过程较繁杂，故采用《天汉系列软件》（V2005.1）进行辅助计算，计算结果见图4、图5所示。

图4 桩墙撑锚结构极限平衡法计算结果图

图5 桩墙撑锚结构弹性抗力法计算结果图

3.2.2 支护桩长控制原则

经稳定性验算，得出支护桩最小嵌入桩长：上游为L=14.0m，下游为L=15.0m。考虑到止水需求，支护桩必须进入泥岩最小深度2m，才能满足止水条件，故取上游桩长L=15.5m，下游桩长L=22.5m。

3.2.3 地面硬化与排水沟要求

在实施时对基坑坡顶以外1.5m宽范围内的地面进行硬化，防止地表水从坡顶渗入边坡。同时，坡顶沿硬化带布设排水沟，排水沟过水断面尺寸为0.3m×0.3m，沟壁采用素喷C20混凝土硬化处理，沟底坡率为1.5‰。坡底沿坑底坡脚设置排水沟，基坑开挖后应在基底做盲沟排水，主要为疏排坑内积水、保护基底土层，盲沟过水断面尺寸为0.3m×0.3m，盲沟末端底部设置集水井，布置间距约25m∕个，集水井尺寸为1m×1m×1m。

3.2.4 设计成果

根据计算，最终设计为：排桩桩径为Φ1.2m，桩长为13.5～21.5m，共74根，排桩桩间距为0.8m；高压旋喷桩桩径为Φ0.35m，每相邻两根桩中间布设3根，共222根，桩长13.5～21.5m（见图6所示）；冠梁的截面尺寸为0.8m×1.2m，长度为139.13m。

图6 冲孔支护桩、高喷止水桩平面布置图

4 基坑支护的施工步骤及基坑开挖注意事项

4.1 基坑支护的施工步骤

总体的施工顺序遵循先灌注桩然后高压旋喷桩最后冠梁施工的顺序，支护工程完成后再进行基坑开挖，完成主墩承台的施工。

由于灌注桩、冠梁施工采用公路工程施工中常规的施工工艺，在此不再敷述。在公路工程中高压旋喷桩施工使用较少，在实际操作中制定了详细的施工工艺流程（如图7所示），圆满地完成了高压旋喷桩施工。

图7 旋喷桩施工工艺流程图

支护工程完成后，按沿长边放坡，分层开挖的方式完成基坑开挖（如图8所示），之后开始主墩承台的施工。

图8 基坑开挖完成简略效果图

4.2 基坑开挖施工

4.2.1 基坑开挖施工要点

（1）合理组织施工尽量减少基坑暴露时间。开挖至基底后，迅速铺设垫层及混凝土底板，之后紧跟施作其余主体结构；

（2）分层开挖，尽量减慢开挖过程中土体应力释放速度；

（3）深基坑开挖宜采用分层开挖或开沟道用正铲挖土机下入基坑分层开挖。为防止超挖，机械开挖至距设计坑底标高30cm处，改用小型挖掘机开挖；

（4）基坑开挖遵守“由上而下、分层开挖”的原则，减少基坑顶边缘地面荷载，严禁超载；

（5）开挖时注意对测量坐标、水准点、支撑监测点及仪器、降排水设施周围地下管线的保护。

4.2.2 基坑监测与地下水控制

（1）在基坑边线40m以外，设置监测基准点4个，基准点要可靠、稳定和牢固；

（2）对围护结构垂直度、水平位移、收敛及地表沉降进行监测；

（3）在基坑开挖前应测得基坑周边设置的观测点位置、标高初始值，在基坑开挖过程中及基坑使用10d内，每天监测3次，待位移及变形稳定后每天监测2次，直至基坑工程使用完毕；

（4）配备足够数量的编织袋备用，紧急时对基坑周围施做围挡，防止地面水流入坑内；

（5）配备3台水泵抽排基坑积水，同时加强对明排系统的管养，确保其正常运转；

（6）基坑内设置排水沟、集水井，及时收集抽排渗水。

5 结束语

河口特大桥采用排桩+冠梁结构+高压旋喷桩止水帷幕的方案进行主墩大型基坑施工，从基坑开挖的情况来看，方案取得了很好的效果，既降低了开挖失稳风险，又解决了侧壁、底板渗水问题，最终保证了深基坑安全及基础的施工质量。该施工技术可为类似工程的施工提供一些参考经验。