抗滑樁在高速公路與水利交叉工程中的應用

凌新鵬,葉 偉

(新疆交通科學研究院，烏魯木齊 830049)

隨著我國交通行業與水利行業的大發展，高速公路網越來越密，高速公路常與國家重點水利項目、重要干渠樞紐等一并進行，通常在項目總體方案上，公路項目與水利項目存在相互干擾，即交叉工程，常見的交叉方式有水利下穿公路橋(暗渠)、公路上跨水利干渠(明渠)，因此，設計方案和施工方案難度都會增加；同時，由于資金和項目管理等原因，公路項目與水利項目并不一定同期施工，通常會出現公路或水利工程建成后，另一類工程才開始施工，因此對于已建工程交叉方案制訂和評價尤為重要，本項目以實際案例進行分析論證，最終提出合理的設計方案。

1 工程簡介

G218線新疆伊寧至墩麻扎高速公路位于新疆伊犁州伊寧縣境內，是伊犁地區重要通道，設計速度100 km/h，路基寬度27 m，全長約73 km；其北岸干渠水利樞紐工程是新疆伊犁河流域開發建設管理局的重點水利樞紐項目，兩個工程在高速公路K51+131處交叉，工程交角約30°。兩個工程因資金問題未能同時實施，高速公路于2010年交工、驗收、通車運行，水利工程未實施。

為方便水利工程實施，高速公路在交叉處設5～25 m預應力連續箱梁，橋墩采用柱式墩，橋臺采用肋板式橋臺，北岸干渠依次從橋下3號、2號、1號孔穿越，高速公路橋梁墩柱、樁基布置均采用非對稱布置，墩柱之間預留箱涵穿越空間。

交叉段北岸干渠采用雙孔箱涵式，交叉處干渠渠底標高位于地面以下約9.8 m，箱涵出口段長度50 m，進出口段與明渠相接，箱涵涵身段總長220 m，每隔10 m設置1道伸縮縫。因高速公路已建成通車，北岸干渠箱涵施工需開挖橋梁基礎和公路路基邊坡處地基覆土，對已通車的公路橋梁穩定性產生較大影響，存在安全隱患，基于此提出施工期基坑開挖支護安保工程，支護工程平面布置如圖1所示。

圖1 支護工程平面布置

2 工程項目區域地質特征

2.1 地形地貌

項目工程區域屬伊犁河三級階地，周圍為農田，地形平坦開闊。

2.2 地層條件

根據鉆探揭露，勘察區地層由第四系全新統(Q4a1+pl)沖洪積的細砂、粉質黏土中砂、砂礫、粉土和圓礫組成。根據取樣試驗和野外描述，按工程地質性能不同，在勘探深度范圍內從上至下大致可分為8層，各地層特征分述如下：①層：細砂，層厚2.8 m，土黃色，中密，土石工程分級為Ⅱ級。②層：粉質黏土，層厚9.6 m，土黃色，堅硬，中濕，土石工程分級為Ⅱ級。③層：中砂，層厚5.4 m，土黃色，中密，土石工程分級為Ⅱ級。④層：砂礫，層厚1.9 m，土黃色，中密，土石工程分級為Ⅲ級。⑤層：粉土，層厚3.4 m，土黃色，稍密，中濕，土石工程分級為Ⅱ級。⑥層：砂礫，層厚1.6 m，土黃色，中密，土石工程分級為Ⅲ級。⑦層：粉土，層厚7.1 m，土黃色，稍密，中濕，土石工程分級為Ⅱ級。⑧層：圓礫，層厚8.5 m，黃灰色，亞圓狀，密實，中濕，母巖主要為灰巖，砂巖，充填物為中砂，土石工程分級為Ⅲ級。

2.3 水文地質條件

項目區地表水系不發育，勘察期間未見地下水和地表水，可不考慮地下水對本工程的影響，但由于本項目位于農田區，施工時應考慮可能存在的農田漫灌對工程的影響，若施工時出現地表水，應先進行排水處理。

2.4 地震效應評價

根據《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)[1]，項目屬地震基本烈7度區，設計地震分組為第2組，設計基本地震加速度值為0.15 g，地震動反應譜周期為0.45 s。

根據《公路橋梁抗震設計規范》(JTG/T 2231—01—2020)[2]4.3條判定，擬建場地20 m深度范圍內不存在飽和砂土，可不考慮地震液化問題。

2.5 工程地質條件評價

2.5.1 橋頭岸坡穩定性

橋址區為農田區，地形平坦，地勢開闊，兩側橋臺所處穩定性良好。

2.5.2 地基土分層容許承載力

根據勘探結果和試驗成果得出橋址區地基土分層摩阻力標準值和承載力基本容許值，如表1所示。

表1 地基土分層摩阻力標準值與承載力基本容許值

2.5.3 場地濕陷性評價

通過取原狀土樣進行濕陷性試驗，依據《濕陷性黃土地區建筑標準》(GB 50025—2018)[3]4.3.1條和《公路路基設計規范》(JTG D30—2015)[4]表7.10.4規定，在本次勘察渠24件不擾動土樣本中，通過水平與垂直兩個方向分析，場地有4件土樣的粉土自重失陷系數δzs大于0.015，其余均小于0.015；經計算得：試樣自重濕陷量Δzs為8.5～16.5 mm，滿足規范[1]要求Δzs≤70，為非自重濕陷場地；在深度小于10.0 m范圍內濕陷系數δs均大于0.015，濕陷厚度為9.8 m。濕陷系數隨著深度增加而減小。

依照《濕陷性黃土地區建筑標準》(GB 50025—2018)[3]，經計算得濕陷量Δs為211.5～225.0 mm。粉土濕陷等級為Ⅰ級(輕微)非自重濕陷性。濕陷性試驗結果如表2所示。

表2 濕陷性試驗結果

2.6 小結

(1) 擬建場區為非自重濕陷性場地，場地土的濕陷等級為Ⅰ級(輕微)非自重濕陷性。

(2) 依據《公路工程地質勘察規范》(TJG C20—2011)[5]附錄K 環境類型水和土對混凝土腐蝕的評價標準，可以判定：在Ⅱ類環境中，地基土為非鹽漬土，對混凝土腐蝕性綜合判定為無腐蝕性。

(3) 該場地位于季節性凍土地區，最大凍土深度為62 cm。

3 支護工程設計

3.1 方案設計論證比選

根據項目實際工程場地情況，因受制于現有高速公路橋梁的建設空間，一般性開放型或敞開式邊坡支護難以滿足施工要求。為此，在考慮支護工程作業空間時，優先考慮邊坡坡率大或能夠有效利用現有空間的設計方案，因此，本項目在方案論證根據不同基坑所處不同段落，采用不同的設計方案進行比選。

3.1.1 橋臺路基防護段

橋臺路基防護段采用重力式水泥土墻、地下連續墻鋼筋混凝土支護和抗滑支護樁3種支護方案比選。

重力式水泥土墻雖然在基坑類支護中因工程造價相對較低、對施工工藝要求不高等優點，有較好的實用價值，但其適用基坑深度較淺、土壓力相對較小的工程，一般深度約5 m。

地下連續墻鋼筋混凝土支護方案通常用于基坑周邊施工空間受限，且周邊10～20 m范圍內有高大建筑物，一般在市政工程中多見，基坑深度較深，約20 m，但因工程造價高、需專用機械、施工工藝相對復雜，因此地下連續墻鋼筋混凝土支護方案在場地受限的市政工程中使用效果最佳。

抗滑支護樁通常在基坑深度為10～15 m時適用，主體受力為鉆孔灌注樁，因此施工工藝難度適中，在城市中有較好的應用，在人跡罕至的野外極其適用，工程造價在上述二者居中，因此，綜合考慮施工難度和造價，本次推薦選擇抗滑支護樁。

3.1.2 箱涵穿越橋墩段落

箱涵穿越橋墩段落進行土釘墻方案與敞開式斷面開挖方案比選。

一方面，由于橋梁樁基長度設計時已充分考慮干渠的開挖，為此在直接開挖時不會出現樁基摩阻力不足或樁基斷樁與垮塌現象，為此，敞開式邊坡比例滿足開挖邊坡穩定即可，采用坡率1∶1.25，機械土方開挖。

另一方面，由于敞開式開挖，工程開挖界限較大，為此使用土釘墻支護樁作為比選方案，但由于土釘墻支護施工工藝煩瑣，不僅需要噴漿支護，還需要錨桿固定。同時，敞開式開挖與土釘墻支護樁相比，造價相當，但考慮施工難度與進度，選用敞開式開挖。

3.2 抗滑樁設計參數確定

抗滑樁設計參數的確定包括結構形式和平面布置。支護樁延長段落的確定，需根據地形圖實際測量，支護樁與路基坡腳垂直最近距離為0.5 m，最遠距離為10 m。因此在支護樁計算時，以最不利情況計算。

參照《建筑基坑支護技術規程》(JGJ 120—2012)[6]，樁間距參數應不大于2倍直徑，本次選取樁間距為1.8倍樁直徑。通常樁間距越小，樁間土土拱效應越大，工程安全系數越大，但相應樁的根數也會越多，因此，需要綜合比選合理確定樁間距[7]。

由于支護樁點位地面高程的不同，抗滑支護樁計算也不相同，項目采用5類抗滑樁進行分析，分別為：B型、C型、D型、E型、F型；對應基坑深度分別為：13.3 m 、12.8 m、11.8 m 、10.8 m、9.8 m；嵌固深度分別為：10.64 m、10.24 m、9.44 m、8.64 m、7.84 m，采用機械鉆孔C40鋼筋混凝土澆筑，截面為圓形，樁直徑1.0 m，樁間距1.8 m，抗滑支護樁結構示意如圖2所示。

(a) 抗滑支護樁結構 (b) 鋼筋構造

本項目治理范圍2段，長度共計73 m，支護樁41根，總樁長789.84 m。

3.3 抗滑樁內力變形分析

支護樁計算通常不僅需要滿足構造配筋要求，而且需要滿足邊坡開挖的穩定計算分析，保證施工各工序期間，支護樁處于穩定狀態[8]。

3.3.1 抗滑樁滑坡推力計算

通過現場不同土層的物理力學參數計算抗滑樁滑坡推力，各地層物理力學參數如表3所示。邊坡土體主要破壞表現形式為土層之間某一滑動面的破壞[9]，滑動推力計算簡圖如圖3所示。

表3 各地層物理力學參數

圖3 滑動推力計算簡圖(單位：m)

3.3.2 抗滑樁結構計算分析

以主滑面上抗滑支擋結構為例，分別以彈性法和經典法對土壓力模型進行對比計算[10]，依據階段法施工模擬計算，當基坑開挖至地面以下13.3 m時，抗滑樁土壓力、水平位移、彎矩和剪力如圖4所示。樁頂的最大水平位移273 mm，最大彎矩 3 760.15 kN·m，最大剪力1 011.64 kN。根據抗滑樁結構的計算彎矩和剪力可以對灌注樁進行配筋，對強度等進行驗算，此處略。

(a) 土壓力 (b) 水平位移

4 支護效果評價

本項目支護樁施工共計12 d，施工7 d后，利用回彈儀測試支護樁強度均達到85%以上。水利箱涵施工期30 d，每日監測支護樁樁頂偏移值，單個樁頂中心累計最大偏移值35 mm，施工期間未出現支護樁失穩現象，箱涵強度達標后，進行基坑回填。本項目支護樁工程對基坑進行了有效支擋，確保水利工程順利實施。

5 結論

工程實踐表明，在高速公路與水利交叉工程中，鋼筋混凝土抗滑樁是治理深基坑支護處理的有效措施，該結構具有剛度大、變形小等優點，但其開挖工程量較大，施工中會對邊坡土體產生擾動。對于施工場地受限的項目，支護樁方案具有一定的優越性，在類似的深基坑處理及邊坡處理的工程實踐中值得推廣應用。