鐵路剛構(gòu)斜拉橋主墩大型基礎(chǔ)深切灰?guī)r順層山坡治理技術(shù)

曹 立

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

1 工程概況

黔張常鐵路長(zhǎng)灣澧水大橋位于湖南省張家界市桑植縣利福塔鎮(zhèn)青龍村長(zhǎng)灣組附近，橋梁與河面斜交。

1.1 長(zhǎng)灣澧水大橋的孔跨布置

橋址區(qū)河谷呈“U”形，落差達(dá)80.7 m。如圖1所示，橋孔跨布置為：1-24 m簡(jiǎn)支梁+(172+158) m單T剛構(gòu)斜拉橋，全長(zhǎng)369.1 m[1]。主墩2號(hào)墩墩高66 m，位于澧水河左岸山坡上，坡度25°～45°，承臺(tái)尺寸為31.7 m×20.3 m×5 m。

1.2 工程地質(zhì)

出露地層為三疊系中統(tǒng)嘉陵江組灰?guī)r，局部夾白云質(zhì)灰?guī)r，灰白色-青灰色，中厚-厚層，礦物成分以方解石為主，巖體較完整，巖質(zhì)堅(jiān)硬，錘擊不易碎。巖體表面溶蝕嚴(yán)重，溶蝕溝槽發(fā)育。

1.3 水文

地表水：工點(diǎn)處地表水主要為澧水河河水，水面高程248 m，百年水位268.50 m。地下水：橋址處地下水為巖溶裂隙水，補(bǔ)給來源主要為大氣降水，沿層理、溶隙徑流，排泄至澧水河中。根據(jù)水質(zhì)分析報(bào)告結(jié)果，地表水及地下水水質(zhì)均良好，對(duì)混凝土無硫酸鹽及氯鹽侵蝕性[2]。

圖1 長(zhǎng)灣澧水大橋立面

1.4 不良地質(zhì)

如圖2所示，2號(hào)墩處的主要不良地質(zhì)為順層。巖層產(chǎn)狀N30°E/35°N，傾向小里程，與墩臺(tái)軸線夾角66°[3]。

圖2 2號(hào)墩處灰?guī)r順層

2 施工前期，山體局部發(fā)生灰?guī)r順層滑坡

圖3 一次順層滑坡

施工前期，先后發(fā)生了2次順層滑坡[4]。如圖3所示，2015年8月11日，為施工便道，進(jìn)行局部小型爆破時(shí)，引起2號(hào)墩位范圍表層基巖順層滑坡，整個(gè)順層的石方滑入澧水河中，滑坡體25 m×20 m×2 m，近1 000 m3。

如圖4所示，2015年8月20日，在爆破長(zhǎng)灣澧水大橋常德臺(tái)后方路塹石方時(shí)，由于爆破震動(dòng)，導(dǎo)致橋臺(tái)左上部位發(fā)生順層滑坡，滑坡體40 m×50 m×5 m，近10 000 m3。

圖4 二次順層滑坡

3 穩(wěn)定性分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)3種不同狀況下的灰?guī)r順層山坡、邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。

3.1 原始狀況下淺層灰?guī)r順層山坡的穩(wěn)定性分析

圖5 表層巖體層面泥土充填

巖層主要發(fā)育2組“X”形構(gòu)造節(jié)理，節(jié)理產(chǎn)狀分別為N35～60°W/65°S～⊥N50～70°E/50～65°S。如圖5所示，表層主要為張開節(jié)理，沿節(jié)理面溶蝕嚴(yán)重，大部有泥土充填。節(jié)理一般從地面下切2～4層(1.5～3 m)，受節(jié)理灌入水流影響，節(jié)理切割的灰?guī)r底部層面溶蝕較重，且水流攜帶的泥土充填于層中，形成軟弱夾層，層間結(jié)合力差。施工便道開挖山坡切腳，軟弱面上的灰?guī)r下部失去支撐，同時(shí)爆破震動(dòng)，在這兩個(gè)不利因素綜合作用下，巖體順層滑動(dòng)。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范判定[5]，淺層層面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值為φ=12°，c=20 kPa。現(xiàn)場(chǎng)情況結(jié)合穩(wěn)定性計(jì)算[6-10]，認(rèn)為淺層灰?guī)r順層山坡處于臨界狀態(tài)，遇擾動(dòng)可能滑動(dòng)。

3.2 原始狀況下深層灰?guī)r順層山坡的穩(wěn)定性分析

對(duì)順層滑坡的滑動(dòng)面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，滑動(dòng)面下的灰?guī)r完整，節(jié)理較不發(fā)育且密閉。如圖6所示，深部巖芯巖體完整性較好，層面平直光滑，無膠結(jié)，微張，無充填。兩者結(jié)合，可以判定深部灰?guī)r的層面無軟弱夾層。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范判定，深層層面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值為φ=25°，c=60 kPa。現(xiàn)場(chǎng)情況結(jié)合穩(wěn)定性計(jì)算，認(rèn)為深層灰?guī)r順層山坡基本穩(wěn)定。

圖6 鉆孔深部巖芯照片

3.3 開挖狀況下深層灰?guī)r順層邊坡的穩(wěn)定性分析

如圖7所示，2號(hào)橋墩處基坑開挖，在2號(hào)橋墩靠山側(cè)形成了高達(dá)25 m左右的臨空面。根據(jù)深層層面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，基坑開挖后的灰?guī)r順層邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.01，基本上處于臨界平衡狀態(tài)。

圖7 2號(hào)橋墩基坑橫斷面(單位：m)

4 灰?guī)r順層邊坡的治理

2號(hào)橋墩處基坑開挖后的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)只有1.01，不能滿足要求。在雨水下滲、爆破震動(dòng)等因素影響下，有可能失穩(wěn)，影響2號(hào)橋墩的安全。為保證施工及運(yùn)營(yíng)安全，采取了優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工組織等綜合措施加固灰?guī)r順層邊坡。

4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

如圖8所示，原設(shè)計(jì)承臺(tái)是垂直鐵路中線布置。為降低靠山側(cè)基坑的開挖深度[11，12]，同時(shí)避免靠河側(cè)的樁基外露，就山勢(shì)地形調(diào)整承臺(tái)的布置，原設(shè)計(jì)的承臺(tái)順時(shí)針扭轉(zhuǎn)15°，并上抬3 m。

對(duì)3種不同狀況下的灰?guī)r順層山坡、邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，以開挖狀況下深層灰?guī)r順層邊坡的下滑力最大。灰?guī)r順層邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)取1.2，每延米下滑力8 000 kN/m，在基坑靠山側(cè)設(shè)8根預(yù)應(yīng)力錨索樁[13-14]，樁上設(shè)5根錨索，錨索施加預(yù)應(yīng)力400 kN；錨索樁間掛鋼筋網(wǎng)噴C25混凝土。基坑上方側(cè)設(shè)錨索豎梁加固[15]，錨索間距3 m，20列、33排，共計(jì)660根，設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力值880 kN。由于錨索間距較小，為防止群錨效應(yīng)，錨索采用一長(zhǎng)一短的型式布置，長(zhǎng)錨索的錨固段應(yīng)全部置于短錨索底端的后面。基坑兩側(cè)邊坡采用預(yù)應(yīng)力錨索豎梁加固。

圖8 2號(hào)橋墩承臺(tái)及施工平臺(tái)

4.2 優(yōu)化施工組織

如圖8所示，原施工組織設(shè)計(jì)在2號(hào)橋墩左側(cè)順河以半填半挖的形式修建60 m×25 m的施工作業(yè)平臺(tái)。后優(yōu)化施工組織，施工作業(yè)平臺(tái)改用型鋼搭建并盡量靠河設(shè)置，以避免作業(yè)平臺(tái)開挖山坡造成新的順層滑坡。

由于灰?guī)r順層邊坡的穩(wěn)定對(duì)外部因素敏感，制定了 “先加固再開挖”的施工工序[16]。施工工序：①清除加固范圍內(nèi)坡面的浮石、危石；②施工橋墩基坑外的山坡錨索豎梁；③基坑挖至錨固樁頂面；④施工錨固樁以上的豎梁；⑤施工錨索樁；⑥基坑每2～3 m分層開挖，及時(shí)鎖定錨固樁的預(yù)應(yīng)力。

為防止爆破誘發(fā)新的順層滑坡，采用了控制爆破、非爆開挖。表層孤石清理，采用小爆破解小及風(fēng)鎬開挖，人工搬運(yùn)清理；豎梁采用人工風(fēng)鎬開槽；錨固樁采用水磨鉆開挖，隔1孔施工1根的方法施工；承臺(tái)基坑采用控制爆破法開挖。

5 結(jié)論

(1)巖溶區(qū)的灰?guī)r順層，由于表層的灰?guī)r巖體節(jié)理發(fā)育，水流順垂直節(jié)理灌入，在溶蝕巖體的同時(shí)，水流攜帶的泥土充填于表層的節(jié)理及層面，形成了軟弱夾層。在開挖切腳、爆破震動(dòng)等因素影響下，誘發(fā)工程滑坡。

(2)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采取調(diào)整承臺(tái)布置以降低臨空面高度；設(shè)錨索樁和錨索豎梁加固措施。優(yōu)化施工組織，嚴(yán)格控制施工因素對(duì)灰?guī)r順層的影響，采取型鋼搭建作業(yè)平臺(tái)；按“先加固后開挖”的工序施工；控制爆破、非爆開挖措施。設(shè)計(jì)與施工的緊密結(jié)合保證了長(zhǎng)灣澧水大橋2號(hào)墩處灰?guī)r順層邊坡的加固成功。

[1] 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.長(zhǎng)灣澧水大橋(坡面加固專項(xiàng)設(shè)計(jì))說明書[Z].西安：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2015.

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