劉新起

中鐵建大橋工程局集團第一工程有限公司

摘 要：源頭水庫特大橋5號主墩地形及地質(zhì)條件復(fù)雜。該主墩位于懸崖峭壁上，墩位處坡度達(dá)54°,下臨水庫，地形陡坎，整個山體覆蓋層淺，下伏基巖面高低起伏較大。設(shè)計為低樁承臺，承臺尺寸大，開挖部分深度大，懸空部分面積大，基礎(chǔ)作業(yè)平臺施工極為困難。經(jīng)過方案研究比選，采用主、被動防護網(wǎng)組合支護水庫上方的邊坡，對承臺開挖部分進行鉆爆開挖施工；并且依托現(xiàn)場地形，充分利用仰斜式、臺階式、錨桿式等3種擋墻的特點，創(chuàng)新組合形成墻高內(nèi)有預(yù)留孔洞的錨桿臺階仰斜組合式擋土墻，作為承臺懸空部分的回填料支擋結(jié)構(gòu)。5號主墩技術(shù)創(chuàng)新，達(dá)到了縮短施工周期，降低成本，降低施工難度和安全風(fēng)險，提高環(huán)、水保實施程度的目的。

關(guān)鍵詞：山區(qū)陡坎地形;低樁承臺;基礎(chǔ)作業(yè)平臺;大開挖;懸空;組合式擋土墻;施工技術(shù)研究;

收稿日期：2021-05-17

基金：中鐵建大橋工程局集團第一工程有限公司2018年度科技創(chuàng)新項目開發(fā)計劃，項目編號18-21;

在山區(qū)陡坎V字地形中架設(shè)橋梁時，橋墩多處于地勢高低起伏的山坡上。受美觀和地質(zhì)條件限制，多采用低樁承臺設(shè)計。一般情況下，承臺開挖深度較大，懸空面積較多，在采用常規(guī)開挖、修建衡重式擋土墻、回填形成施工作業(yè)平臺等施工工藝后進行基礎(chǔ)處理，施工難度、工程量、施工風(fēng)險以及環(huán)、水保要求均較大。為此，對江西省萍鄉(xiāng)～蓮花高速公路源頭水庫特大橋5號主墩基礎(chǔ)作業(yè)平臺的施工技術(shù)開展研究，以探索適合于山區(qū)陡坎復(fù)雜地形橋梁低樁承臺基礎(chǔ)作業(yè)平臺的施工建造技術(shù)。

1 工程概況

源頭水庫特大橋主橋孔徑及孔數(shù)為90 m+2×160 m+90 m, 上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)由空心墩和矩形承臺(均設(shè)計為低樁承臺)組成。主墩承臺平面尺寸為12.8 m×12.8 m, 高度為5 m, 每個承臺下設(shè)9根樁基，直徑為2.2 m, 長52 m。該橋跨越萍水河一級支流麻山水，毗鄰源頭水庫和G319省道，地形及地質(zhì)條件困難復(fù)雜，特別是5號主墩。5號主墩位于懸崖峭壁上，墩位處坡度平均達(dá)54°,下臨水庫大壩，地形陡峭；整個山體覆蓋層淺，下伏基巖面高低起伏較大，巖層堅硬；從原地面需要平均垂直開挖30 m方可進行樁基施工，邊坡陡峭且設(shè)計無防護措施；左幅共有6根樁基處于承臺懸空部分，懸空部分約占比承臺總空間的2/3,最大懸空高度為7 m, 最大懸臂長度為9 m?？紤]樁身的內(nèi)力、位移及穩(wěn)定性，兼顧毗鄰省道的美觀效果，設(shè)計單位將該承臺設(shè)計為低樁承臺。5號主墩的基礎(chǔ)立面和左幅基礎(chǔ)平面分別如圖1和圖2所示。

2 工程難點

5號主墩位左、右幅承臺開挖部分的高度大，方量多，地質(zhì)堅石比例高。由于臨近水庫大壩和G319省道，對安全和環(huán)、水保的要求嚴(yán)格。

承臺懸空部分面積及長度均較大，樁基外露數(shù)量多、高度大，樁基和承臺施工難度大，施工安全和施工質(zhì)量的隱患多，施工風(fēng)險大，基礎(chǔ)作業(yè)平臺建造困難。

3 施工方案研究比選

建設(shè)期內(nèi)工期緊張，資金有限，并且基礎(chǔ)施工時正值雨季。

圖1 5號主墩基礎(chǔ)立面布置

圖2 5號主墩左幅基礎(chǔ)平面布置

3.1承臺開挖部分

承臺開挖部分采用靜態(tài)爆破后機械開挖的措施，施工周期長，價格昂貴，方案可行性差，因此不作為對比選擇，而是選擇其他兩種可行施工方案進行綜合比較。方案1為被動防護網(wǎng)+機械開挖，即在開挖線下方和水庫臨山坡面上方，設(shè)置被動防護網(wǎng)，阻止大型挖掘機械開挖時滾石進入水庫，滿足水庫安全和環(huán)水保要求。方案2為主、被動防護網(wǎng)+鉆孔爆破開挖，即在開挖線下方和水庫臨山坡面上方，除了設(shè)置被動防護網(wǎng)外，還在鉆孔爆破深度范圍的邊坡坡面設(shè)置主動防護網(wǎng)，阻止爆破產(chǎn)生的飛石和滾石進入水庫，滿足水庫安全和環(huán)、水保要求。兩種方案經(jīng)濟分析見表1。

表1 承臺開挖方案經(jīng)濟對比分析

由表1可知，方案1和方案2都能滿足安全和環(huán)水保要求。但是，方案2不僅比方案1節(jié)約施工造價約140萬元，而且施工周期更短，因此承臺開挖部分的施工選擇方案2,即主、被動防護網(wǎng)+鉆孔爆破開挖方案。

3.2承臺懸空部分

承臺懸空部分直接進行土石方填挖施工樁基平臺的填挖施工難度大，工程量巨大，且下臨水庫，沒有可行性，故不作為對比選擇。鋼管+型鋼、貝雷梁組成鋼平臺的方案適用于高樁承臺設(shè)計，而5號主墩為低樁承臺，故此方案也不可行，也不作為對比選擇。所以，選擇其他兩種可行方案進行綜合比較。方案3采用常規(guī)衡重式擋土墻(結(jié)構(gòu)構(gòu)造如圖3所示)支擋后填土。方案4依托現(xiàn)場地形，充分利用仰斜式、臺階式、錨桿式等3種擋土墻的特點，創(chuàng)新組合形成墻高內(nèi)有預(yù)留孔洞的錨桿臺階仰斜組合式擋土墻(結(jié)構(gòu)構(gòu)造如圖4所示)支擋，無回填。方案3和方案4經(jīng)濟分析見表2。

圖3 5號主墩衡重式擋土墻方案構(gòu)造

圖4 5號主墩被動防護網(wǎng)和組合式擋土墻構(gòu)造

表2 承臺懸空處理方案經(jīng)濟對比分析

方案3和方案4均可以處理承臺懸空問題。方案3需要大開大挖。但5號主墩地形陡峭，修筑便道極其困難，挖掘機等大型設(shè)備無法使用。另外，擋墻底部距離水庫水面較近，石方不能進行鉆爆施工；工作面又狹小，則需要人工開挖，開挖破碎的石頭均需要使用吊車吊裝運輸。擋墻底部與施工通道之間的水平距離約30 m, 高度差約20 m, 運輸施工設(shè)備和材料很不方便，使用的施工設(shè)備型號大，消耗臺班多。左幅承臺需兩面修建擋土墻，修建高度約16 m, 受土壓力大，墻體方量大；擋墻施工后，墻后回填料方量大，均需要人工整平。由于開挖量大及作業(yè)時間長，對其下方的水庫和山體坡面造成的環(huán)、水保損害較高，而且容易塌方，需要投入的防護成本偏高。因此，方案3可行性較差。

相較于方案3,方案4不僅可節(jié)約施工造價約63.1萬元，而且能有效地減少或改善常規(guī)衡重式擋土墻方案的施工弊端。

綜上所述，承臺開挖部分采用方案2,即主、被動防護網(wǎng)+鉆孔爆破開挖方案；承臺懸空部分采用方案4,即組合式擋土墻方案。方案2+方案4是源頭水庫特大橋5號主墩基礎(chǔ)作業(yè)平臺建造的最佳組合，施工難度小、工期短、成本低，環(huán)、水保程度較高，施工風(fēng)險較小。

4 5號主墩基礎(chǔ)作業(yè)平臺施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1平臺主要結(jié)構(gòu)設(shè)計及其特點

主動防護網(wǎng)在開挖坡面設(shè)置，被動防護網(wǎng)在開挖坡面以下設(shè)置3層。這種雙重保險能有效阻止承臺開挖爆破飛石和擋墻開挖的石塊滾落，達(dá)到了水庫和省道對鉆爆開挖環(huán)、水保和安全的要求。

在山體坡面上修建擋土墻，在構(gòu)造上能夠解決承臺懸空問題，在受力上能夠承受墻后填料的壓力和承臺混凝土在未形成強度之前的均布荷載作用，以此形成橋梁基礎(chǔ)作業(yè)平臺。

充分利用現(xiàn)場地形陡坎和覆蓋層淺的特點，將仰斜式、臺階式、錨桿式等3種擋土墻創(chuàng)新組合形成墻高內(nèi)有預(yù)留孔洞的錨桿臺階仰斜組合式擋土墻，支擋無回填。墻體和山體相接部分采用反坡度臺階式，反坡度使得擋墻的垂直力矩減小，擋墻的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)提高。由于臺階底寬呈下小上大形狀，不利于擋墻抗傾覆、抗滑穩(wěn)定性，因此臺階式部分采用錨桿設(shè)計，充分利用錨桿的抗拉拔特性，錨桿穿透表層強風(fēng)化巖進入中風(fēng)化巖層至少2 m, 切斷最危險滑動面，使滑動半徑增大，提高整體抗滑穩(wěn)定性，并且也減少了石方開挖量，提高了環(huán)水保程度。

組合式擋墻的方量更小，這樣就降低了建造期間使用的設(shè)備型號規(guī)格，減少了設(shè)備的使用時間，控制了成本。

組合式擋墻依附地形斜向設(shè)置，與地形同方向，所以與山體表面之間的距離較近，單面支模。墻背回填范圍直接在施工墻身時采用混凝土填充，與墻身同步澆筑，不再需要墻背回填施工。組合式擋墻墻身截面尺寸內(nèi)有樁基通過，此處設(shè)計一個邊長為樁徑+0.4 m的矩形內(nèi)模，使得墻身中空，利于后續(xù)的樁基施工。

4.2主要構(gòu)造受力分析

4.2.1計算工況

擋土墻主要受回填混凝土作用力(主動土壓力)、平臺頂機械或構(gòu)造荷載及自重作用，組合式擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定性、抗滑移穩(wěn)定性及其基礎(chǔ)承載能力是需要首要考慮的。計算工況分為兩種：工況一為鉆孔樁施工時，其主要承受荷載為土壓力+墻身自重+旋挖鉆機荷載；工況二為承臺施工時，主要承受荷載為土壓力+墻身自重+承臺均布荷載(擋墻上方的承臺混凝土澆筑后，初凝前，樁基還未起到傳力作用)。以工況二為最不利荷載組合。

4.2.2抗傾覆穩(wěn)定性計算

擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定性是指其抵抗墻身繞墻趾向外轉(zhuǎn)動傾覆的能力，用抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)K0表示。K0為對墻趾的穩(wěn)定力矩之和∑MY與傾覆力矩之和∑M0的比值，見式(1)。

K0=∑MY∑M0?????????(1)Κ0=∑ΜY∑Μ0?????????(1)

根據(jù)組合式擋土墻結(jié)構(gòu)設(shè)計，其抗傾覆力主要由擋土墻自重提供，傾覆力主要由回填混凝土和承臺混凝土壓力提供。

經(jīng)計算，K0=1.41<1.5,不滿足抗傾覆要求。

為滿足要求，增設(shè)錨桿來連接墻體與山體，以增強其抗傾覆穩(wěn)定能力。錨桿錨固段的間距按1.5 m布設(shè)，采用全長黏結(jié)錨桿，連接山體和墻體。

重新計算后，K0=1.83>1.5,滿足抗傾覆要求。

4.2.3巖石基礎(chǔ)承載力計算

根據(jù)擋土墻結(jié)構(gòu)形式可知，墻背回填和墻體是同步施工的，墻背回填料壓力的存在將使墻身繞著后墻趾點轉(zhuǎn)動。當(dāng)回填至地面線時，產(chǎn)生的土壓力達(dá)到最大值，而墻身自重將對后墻趾點產(chǎn)生與土壓力相反方向的彎矩，抵消土壓力對巖石基礎(chǔ)的作用效果。因此，只需考慮墻身自重，計算巖石基礎(chǔ)的承載力，見式(2)。

σ1=∑GA+∑MW=270.3kN/m2≤400σ1=∑GA+∑ΜW=270.3kΝ/m2≤400kPa (2)

4.2.4抗滑移穩(wěn)定性計算

擋土墻的抗滑移穩(wěn)定性是指在墻背回填料壓力和其他荷載作用下，基礎(chǔ)摩擦阻力+錨桿抗拔能力抵抗擋土墻滑移的能力，用滑移穩(wěn)定系數(shù)Ke表示。Ke為作用于擋土墻的抗滑力與實際下滑力之比，見式(3)。

Ke=(μ∑N+Eb+Ep)/Ex (3)

式中：∑N為作用在基礎(chǔ)的豎向力之和；Eb為錨桿水平抗拔力；Ep為被動土壓力；Ex為水平土壓力。該巖石層摩擦系數(shù)取0.4。

根據(jù)該墻身的受力情況，計算可得Ke=1.67>1.3。

根據(jù)以上計算可知，該擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定性、基礎(chǔ)承載力及抗滑移穩(wěn)定性均能滿足要求。

4.3施工要點

4.3.1進場便道

根據(jù)現(xiàn)場實際地形，先進行施工便道放樣、拉線。施工便道從G319省道經(jīng)主線路基修至源頭水庫特大橋左幅5號主墩承臺處，長度約2 500 m, 平均寬度7.5 m, 平均縱坡約為10%,每隔400 m設(shè)置一個錯車道。

4.3.2主、被動防護網(wǎng)

根據(jù)設(shè)計圖紙承臺底標(biāo)高來確定山體開挖面。開挖坡面范圍內(nèi)設(shè)置主動防護網(wǎng)1 776 m2,在開挖坡面以下設(shè)置3道被動防護網(wǎng)(第一道長100 m、第二道長120 m、第三道長140 m)。被動防護網(wǎng)布置如圖5所示。

圖5 被動防護網(wǎng)設(shè)置示意

(1)主動防護網(wǎng)。

主動防護網(wǎng)系統(tǒng)使用以鋼絲繩網(wǎng)為主的各類柔性網(wǎng)覆蓋或包裹需防護的斜坡或巖石，以限制坡面巖土體的風(fēng)化剝落或破壞以及危巖崩塌，起到加固作用和圍護作用。

(2)被動防護網(wǎng)。

被動防護系統(tǒng)由鋼絲繩網(wǎng)、高強度鐵絲格柵網(wǎng)、錨桿、工字鋼柱、上下拉錨繩、消能環(huán)、底座及上下支撐繩等部件構(gòu)成，立柱間距10 m, 高度為7 m。被動防護網(wǎng)對所防護的區(qū)域形成坡面防護，從而阻止崩塌巖石的下墜，起到邊坡防護的作用。

4.3.3承臺鉆爆開挖

根據(jù)承臺與原地面標(biāo)高差值計算，平均垂直開挖深度達(dá)30 m。將承臺開挖部分現(xiàn)場分級爆破挖除，挖至承臺墊層底標(biāo)高，邊坡坡比為1∶1,每8 m設(shè)置一級2 m寬的平臺。

4.3.4組合式擋土墻

(1)擋土墻基坑開挖。

由于受水庫環(huán)、水保限制，擋土墻基礎(chǔ)只能使用人工開挖，總長度約為30 m, 總寬度為3～4 m。由于作業(yè)范圍有限，必須集中搬運手工挖掘的石頭，并采用吊車吊裝轉(zhuǎn)移。

(2)基底檢查及處理。

擋墻以穩(wěn)定風(fēng)化巖為持力層，埋深不小于0.6 m, 地基承載力特征值≥400 kPa。對于不符合要求的部分采用換填夯實處理。

(3)擋土墻錨桿施工。

受現(xiàn)場地質(zhì)和地形影響，擋墻基礎(chǔ)自上而下開挖，形成臺階式。由于臺階底寬呈下小上大形狀，不利于擋墻抗傾覆及抗滑穩(wěn)定性，因此經(jīng)計算后采用打入巖石錨桿的措施，增強擋墻及現(xiàn)狀邊坡的抗傾覆、抗滑穩(wěn)定性，同時增強擋墻與現(xiàn)狀邊坡的整體性。

組合式擋土墻采用全長黏結(jié)錨桿，如圖6所示。錨桿全長7 m, 錨固在山體內(nèi)6 m, 應(yīng)穿透表層強風(fēng)化巖進入中風(fēng)化巖層至少2 m, 錨桿外露1 m與擋土墻墻體錨固。

圖6 基礎(chǔ)及墻身根部錨桿大樣

單位：cm

(4)擋土墻基礎(chǔ)施工。

基礎(chǔ)采用C25混凝土分段分層澆筑，尤其要保證在擋墻橫橋向和縱橋向的拐角處與該層混凝土同步澆筑，提高結(jié)構(gòu)連接的完整性。

每層之間均應(yīng)鑿毛處理，使用HRB400?28 mm鋼筋作為接茬鋼筋，最頂一層臺階基礎(chǔ)與最底一層墻身一起澆筑。

(5)擋土墻墻身施工。

墻身截面尺寸內(nèi)有樁基通過。為便于后續(xù)樁基施工，此處設(shè)計一個邊長為樁徑+0.4 m的矩形內(nèi)模，使得墻身中空。要注意墻身根部錨桿在此處應(yīng)避讓樁身范圍。由于墻身截面尺寸在此處變小，并且考慮到墻身與邊坡坡面間距離較近，為確保受力并減少墻后回填量，加快施工進度，墻身均使用單面模施工。內(nèi)模與內(nèi)模之間，內(nèi)模與山體坡面之間均采用混凝土填充，與墻身同步澆筑(不再需要墻背回填)。墻身分層施工，每層墻身底部的長度方向與山體接縫位置采用一排HRB400?28 mm錨桿垂直打入山體，錨桿橫縱向間距均為0.5 m, 單根長度為2 m, 埋深巖層中1 m, 伸入墻體中1 m, 以此增強墻身和山體之間的連接并保證墻身的截面尺寸。

組合式擋土墻施工現(xiàn)場如圖7所示，工后現(xiàn)場如圖8所示。

圖7 組合式擋土墻施工現(xiàn)場

圖8 5號主墩基礎(chǔ)作業(yè)平臺工后現(xiàn)場

5 注意事項

5.1承臺開挖部分

(1)主、被動防護網(wǎng)安裝到位后，方可進行石方爆破施工。

(2)采用主動防護網(wǎng)可減少飛石產(chǎn)生的數(shù)量，采用覆蓋炮被、鋼絲網(wǎng)、砂袋的措施，以減小飛石距離。

5.2承臺懸空部分

(1)臺階式基礎(chǔ)開挖后，底部必須清理平整到位。

(2)擋土墻墻身與山體之間的全長黏結(jié)錨桿，必須錨入穩(wěn)定的中風(fēng)化巖層至少2 m,否則應(yīng)增加錨桿設(shè)計長度。

(3)墻背回填混凝土與山體之間的連接鋼筋在山體部分的孔洞空隙，必須使用高強度水泥凈漿做灌漿封閉處理，以增加連接性。

6結(jié)語

源頭水庫特大橋5號主墩基礎(chǔ)平臺建造技術(shù)方案成功地解決了在陡坎復(fù)雜地形，毗鄰水庫和省道，對安全和環(huán)、水保要求高的條件下，橋梁承臺開挖量大、懸空面積大的問題。采用主、被動防護網(wǎng)組合支護水庫上方的邊坡，對承臺開挖部分進行鉆爆開挖施工，并依托現(xiàn)場地形，充分利用仰斜式、臺階式、錨桿式等3種擋墻的特點，創(chuàng)新組合形成墻高內(nèi)有預(yù)留孔洞的錨桿臺階仰斜組合式擋土墻。利用現(xiàn)有技術(shù)組合和新材料，產(chǎn)生了新的工藝方案。與單獨采用機械開挖和常規(guī)衡重式擋土墻回填方案相比，新方案具備一定的創(chuàng)新性，方法簡單、操作方便、材料用量少，人工和機械使用量低，工期比計劃提前了28d，施工造價節(jié)省了約208萬元，同時有效減少了安全方面的隱患和風(fēng)險，減少了對源頭水庫和山體坡面的環(huán)、水保損害。

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