簡陽市沱西快速路高路塹邊坡高壓鐵塔支擋設計

吳 強，文琪鑫，楊靖柯

（中國建筑西南設計研究院有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷發展，城市建設逐漸向城市遠郊的山區丘陵地帶推進，市政工程已無法避免高大路塹邊坡等特殊性工點的建設。然而，市政道路邊坡常受現狀地形和邊坡上既有建構筑物等條件限制，抗滑樁作為一種剛性支護措施成為了此類邊坡的主要支護形式。

南寧東站電塔高邊坡采用抗滑樁防護，樁截面為圓形，按樁徑3.5m、樁間距7.0m、最大樁長26m進行單排布置，處理后邊坡在變形和穩定性方面能滿足規范要求，且較放坡開挖減小了對坡頂地塊的影響，有較好的處理效果[1]。四川省天府新區綿州路南段道路鄰近高壓電塔邊坡采用錨索支護排樁防護，樁截面為圓形，按樁徑1.5m，樁間距1.8m，最大樁長17m進行單排布置，并設置2道預應力錨索，處理后邊坡能較好地保障道路施工及行車安全[2]。本文針對簡陽市簡州臨港經濟區沱西快速路（以下簡稱沱西快速路）高路塹邊坡高壓電塔的保護方案進行設計，采用預應力錨索抗滑樁支擋，對此類邊坡設計及計算進行探討。

1 工程概況

沱西快速路場地東側為廈蓉高速公路及318國道，場地內部有若干水泥路，交通較為便利。項目建設過程中，需要在里程樁號K1+326.6～K1+432.8段形成挖方邊坡，邊坡總長度約106.20m，最大高差約25.10m，K1+380左側距離路中線35.8m處有1座高壓電塔，為了道路及高壓電塔的安全，對該段邊坡進行專項支護設計。

2 擬建場地地質概況

2.1 地形地貌

擬建場地屬于淺丘地貌，地形起伏較大，山體呈饅頭狀，溝谷呈淺U字型。山體自然坡度約30°～50°，坡表覆蓋層較薄，植被茂盛；溝谷寬緩平坦，覆土較厚。場區底面高程為415.62～487.46m，最大高差約72m。

2.2 地層分布

（4）侏羅系上統蓬萊鎮組（J3p）：其中的④2-1強風化泥質砂巖以褐紅色為主，主要礦物成分為長石、石英，粉粒結構，薄-中厚層構造，泥質膠結，膠結強度較低，局部為砂泥巖互層，節理裂隙發育，質軟，具風化差異性，較破碎，呈碎塊、圓餅及少量短柱狀，巖芯手易扳斷，場地部分地段分布，層厚0.50～15.0m，巖土類別為Ⅱ類。④2-2中等風化泥質砂巖呈褐紅、褐灰色，主要礦物成分為長石、石英，粉粒結構，巨厚層構造，泥質膠結，膠結強度較高，局部為砂泥巖互層，節理裂隙較發育，質軟，鉆探巖芯采取率約98%，RQD值為80%～90%，巖芯較完整，主要呈短柱、長柱狀，產狀近于水平，層厚為0.5～37.0m。根據巖石單軸飽和抗壓強度，屬較軟巖，巖體基本質量等級為Ⅳ級，巖土類別為Ⅳ類。

擬建場地地質剖面圖見圖1。

圖1 擬建場地地質剖面圖

2.3 水文地質條件

（1）地表水特征：工程區地表自然水系不發育，無河流通過，亦無湖泊分布。

（2）地下水特征：擬建場地地下水類型主要為賦存于第四系松散堆積層中的上層滯水和基巖裂隙帶中的基巖裂隙水。

（3）上層滯水：上層滯水賦存于第四系松散堆積層，主要受地表水下滲及大氣降水補給。

（4）基巖裂隙水：場地基巖風化裂隙相對發育，但由于其大多呈閉合狀，故透水性、富水性較差。

（5）勘察期間地下水分布情況：勘察期間揭示的地下水類型大多為上層滯水，于地勢低洼處測得部分鉆孔地下水穩定水位埋深0～1.8m。

2.4 場地水、巖、土腐蝕性評價

根據現場勘察，場地水、巖、土對混凝土結構、鋼筋混凝土結構中的鋼筋及鋼結構有微腐蝕性。

2.5 場地各巖土層主要物理力學指標

巖體、土體的工程特性指標建議值見表1。

表1 巖體、土體的工程特性指標建議值

3 支護方案比選

3.1 方案一：預應力錨索單排支護樁

采用預應力錨索單排支護樁，樁截面為圓形，樁徑為1.5m，樁間距為3.35m，樁長18～40.5m，并設4排預應力錨索，頂層錨索與樁頂間距4m，錨索間距為3m，樁間鋼筋混凝土擋土板采用逆作法封閉。支護樁為鉆孔灌注樁，成孔工藝采用機械成孔。

預應力錨索單排支護樁縱剖圖、橫剖圖見圖2、圖3。

圖2 預應力錨索單排支護樁縱剖圖

圖3 預應力錨索單排支護樁橫剖圖

3.2 方案二：預應力錨索雙排支護樁

采用預應力錨索雙排樁支護結構[3]，樁截面為圓形，樁徑為1.5m，沿路線縱向雙排正三角形布置，樁長27～36.0m，樁間距3.35m，并設3排預應力錨索，頂層錨索與樁頂間距2m，錨索間距3m，預應力錨錠位于前排樁，相連3根樁間形成三角柱桁架結構，樁間鋼筋混凝土擋土板采用逆作法封閉。支護樁為鉆孔灌注樁，成孔工藝采用機械成孔。

預應力錨索雙排支護樁縱剖圖、橫剖圖和平面圖見圖4、圖5和圖6。

圖4 預應力錨索雙排支護樁縱剖圖

圖5 預應力錨索雙排支護樁橫剖圖

圖6 預應力錨索雙排支護樁平面圖

3.3 方案比較

方案一優點：力學模型較為成熟；圓形截面樁，采用機械成孔，施工安全性好；施工工藝成熟，造價相對較低。

方案一缺點：樁長較長，側向剛度小，預應力錨索排數多。

方案二優點：側向剛度大，樁長較單排樁短；預應力錨索排數少，樁間空隙有利于種植立體植物，景觀效果好。

方案二缺點：尚未有統一力學計算模型；樁間空隙施工難度大，工期長，造價相對較高。

通過對比以上2種支護方案優缺點，并進行初算，發現2種支護方案均能滿足保護高壓鐵塔要求。方案選用時，綜合考慮運營安全、地質條件、施工條件、工期和造價等方面，特別是區域為強風化泥質砂巖和中風化泥質砂巖，其內摩擦角和黏聚力均較大，致使邊坡的穩定性較好，有利于滿足鐵塔的沉降與傾斜要求，因此推薦采用造價較低的單排樁方案。

4 保護支擋設計

4.1 支護樁

支護樁平面布置圖見圖7。

圖7 支護樁平面布置圖

邊坡支護臨空面與高壓鐵塔之間的斜交角度約45°，支護樁與鐵塔最近基礎凈間距約6.0m，高壓鐵塔矩形基礎長寬為3.3m×2.87m。

支護樁：樁徑1.5m，樁間距3.35m，在高壓鐵塔處支護樁臨空面高25.1m，設有4排錨索，其他位置設2～3排錨索。支護樁為鉆孔灌注樁，成孔工藝采用機械成孔，采用C30混凝土現澆。樁鋼筋保護層厚度50mm。主筋采用機械連接，同一斷面接頭數量不超過鋼筋總數的50%。

冠梁：截面尺寸1.5m×1.0m，采用C30混凝土現澆。鋼筋保護層厚度50mm。

臥地梁：截面尺寸0.4m×0.4m和0.5m×0.5m，采用C30混凝土現澆。

擋土板：板厚0.3～0.4m，采用C30混凝土現澆。

4.2 預應力錨索

錨索直接作用于支護樁上，錨索錨筋采用s15.24鋼絞線（強度等級1860MPa），注漿材料為M30純水泥漿，水灰比0.45～0.50。從錨孔底部進行注漿，注漿過程中嚴格控制注漿壓力為0.4～0.8MPa，待1次注漿初凝后進行2次注漿。錨索鉆孔直徑20cm。預應力錨索下料時應預留張拉段長度，預留長度不小于1.0m。錨索入射角度為15°。預應力為200kN，錨索自由段長度為12m，錨固段長度為8m，錨固段均位于中等風化泥質砂巖。

4.3 排水

樁間擋土板預留泄水孔，泄水孔豎向間距1.0m。電塔附近緊鄰坡頂設置寬50cm、深50cm截水溝，電塔6m保護范圍外在坡頂外側5m處設置截水溝，溝底坡度應隨坡頂地面坡度，且不小于1.0%。溝底坡度大于40%時，溝底斷面應砌成多級跌水。在距坡腳不小于30cm外應設置寬50cm、深50cm排水溝，溝底坡度1%，將坡頂及坡面的來水排走。當坡面設置急流槽時，在急流槽匯入排水溝處設置集水井，井深70cm。

4.4 施工順序

測放樁位→抗滑樁施工→樁頂冠梁施工（同時設置變形觀測點）→樁前土開挖及樁間擋土板施工（每次開挖高度不宜超過2m)→錨索施工→施加預應力→樁前土開挖及樁間擋土板施工，循環至設計標高。

5 支護結構驗算

5.1 巖土計算

5.1.1 技術要求

邊坡支護安全等級為按照道路快速路等級標準，設計穩定系數取值為：正常工況安全系數Fs=1.30；非正常工況安全系數Fs=1.20。

城市路基邊坡支擋工程安全等級為一級；結構重要性系數γ0≥1.1。

經過與產權單位的技術對接，確定了220kV高壓桿塔組豎立及架線后，其結構位移允許值應符合表2要求。

表2 高壓桿塔位移允許值[4]

5.1.2 參數確定

為驗證本文所提方法的準確性和合理性，依據邊坡工程條件及支護設計建立有限元計算模型。

計算模型和材料參數以代表性勘察報告道路橫剖面B9～B9’為對象，采用MIDASGTSNX有限元軟件建立二維平面應變分析模型。邊界上部取至邊坡上緣50m，下部取到坡腳外側30m。計算模型單元網格劃分見圖8，單元以四邊形和三角形組成，共劃分1794個單元，1821個節點。

圖8 有限元計算模型

計算模型中材料類型共分為6種（耕土、可塑粉質黏土、強風化泥質砂巖、中風化泥質砂巖、樁體和錨桿），其中土體采用Mohr-Coulomb破壞準則，樁和錨桿為彈性模型的結構體。混凝土樁和錨桿的物理力學參數見表3。

表3 有限元計算模型物理力學參數

5.1.3計算結果計算模型的整體X向、Y向位移云圖見圖9、圖10；最大剪應力云圖見圖11；有效應變云圖見圖12。

圖9 整體X向位移云圖

圖10 整體Y向位移云圖

圖11 最大剪應力云圖

圖12 有效應變云圖

5.2 結構驗算與分析

利用有限元軟件對該鐵塔保護所采用的單排樁進行分析，得到支護后最不利工況(非正常工況)的坡體位移云圖、剪應力分布情況及應變云圖。計算方法為強度折減法，得到其在運營階段的安全系數Fs=2.313，大于規范[5]要求的Fs=1.30；電塔位置最大水平位移m=0.517mm，小于規范[4]要求的50mm；電塔位置前向兩端最大豎向位移分別為V1=26.7mm，V2=22.2mm；計算桿塔結構傾斜為0.105%，小于規范要求的0.3%。由此可見，坡體水平位移和桿塔結構傾斜均達到預期，能滿足高壓電塔的抗傾斜要求。

6 結語

本文對高路塹邊坡高壓電塔保護支擋設計方案進行比選，推薦采用預應力錨索單排樁支護方式支護邊坡，并采用有限元方法對支護方案進行驗證，得到其穩定性驗收安全系數為2.313，高壓電塔控制性指標桿塔結構傾斜度為0.105%，均符合規范要求；說明所采取的支護方案能保障道路及高壓電塔的運營安全。對類似高路塹放坡困難地段，采用預應力錨索抗滑樁支護可有效控制坡頂地面的沉降作用。