主跨457 m鋼箱拱橋大型深基坑支護方案設計及驗算分析

文章結合柳州官塘大橋工程實例，分別采用Midas GeoX基坑支護設計平面計算和Midas Civil空間有限元分析方法進行基坑支護驗算分析，總結了臨水大型深基坑支護方案設計和驗算經驗，可為同類工程提供參考。

主跨457m鋼箱拱橋;臨水基礎;深基坑;支護方案

U448.22A311024

0?引言

柳州官塘大橋為主跨457 m有推力提籃式鋼箱拱橋，拱座基礎為一側臨水的臺階狀擴大基礎，采用先做筑島圍堰再開挖的施工方式，基坑支護采用鋼筋混凝土咬合樁+鋼管內撐的方式，基坑內側采用巖層高壓注漿止水，基坑外側采用止水帷幕止水。本文分別采用Midas GeoX基坑支護設計平面計算和Midas Civil空間有限元分析方法進行基坑支護驗算，總結了臨水大型深基坑支護方案設計和驗算經驗，為同類工程提供參考。

1?概述

1.1?工程概況

柳州官塘大橋位于柳州市中心偏東北方向，橫跨柳江，西側通過蓮花大道連接柳北和河東片區，東側通過東環城大道連接柳州汽車城。主線全長1 155.5 m，其中跨江段主橋長度為462 m，引橋長度為251 m，西岸連接線段長429.5 m。西岸設置立交與沿江路連接;東岸跨越沿江路后，與規劃道路連接。主橋采用457 m中承式鋼箱拱橋，為有推力提籃式拱橋。大橋于2019年1月建成通車，橋型布置如圖1所示。

1.2?建設條件

已建大橋橋位地形地貌變化較大，跨越丘陵、河床、柳江河一級階地及二級階地。大橋左岸主要為一、二級階地及低矮土丘地貌單元，一級階地地面標高一般在77.5～85.0 m，二級階地地面標高一般在85.0～96.0 m。左岸覆蓋層厚度為5～7 m，為新近沉積粉質黏土;持力層為中風化泥、碳質灰巖，飽和單軸抗壓強度值為15.4～37.1 MPa，巖體完整程度為較破碎，基本質量等級為Ⅳ級。大橋右岸為丘陵地貌單元，柳江河岸坡處為上二疊統合山組巖質山體，山腳處標高約為83.0～86.0 m，山頂標高約為113.5 m，山體坡度一般為30°～40°。右岸覆蓋層厚度為1～3 m，為可塑狀粉質黏土;持力層為泥質灰巖夾薄層泥巖，飽和單軸抗壓強度值為16.2～32.2 MPa，巖體完整程度為較破碎，基本質量等級為Ⅳ級。

土層的滲透系數如下：硬塑狀粉質黏土滲透系數為9.92×10-6cm/s;可塑狀粉質黏土滲透系數為3.91×10-5～5.45×10-5cm/s;含巖屑紅黏土滲透系數k=6.51×10-6cm/s。巖層的滲透系數如表1所示。

橋址位于紅花電站庫區，電站設計常水位為77.50 m，橋位處常水位約為77.95 m，水位常年變化不大，施工期水位按77.95 m控制。橋位處河段1/100洪水位為88.50 m。

1.3?主要技術標準

橋梁道路等級為城市快速路，設計荷載為城-A級，設計時速為60 km/h;橋面有效寬度為39.5 m，雙向六車道，兩側人行道各為2.5 m;設計洪水頻率為1/300;航道等級為內河Ⅱ級航道;設計安全等級為一級。

1.4?橋梁結構

拱肋計算跨徑L=457.183 m，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數為m=1.3，凈跨徑L0=450 m，凈矢高f0=100 m，凈矢跨比為L0/f0=1/4.5，拱肋內傾角度為10°（拱肋平面與豎直面的夾角）。拱肋鋼箱采用等寬變高的單箱單室截面，拱肋高度沿拱軸線按照線性變化，由跨中的6.0 m漸變至拱腳截面的10.575 m，拱肋全寬5.0 m。主梁采用單箱單室扁平流線型全焊鋼箱梁，含吊索區全寬44.5 m，無吊索區寬39.5 m，中心高3.5 m。全橋吊索均采用橫向雙索體系，采用環氧噴涂低松弛鋼絞線、整束擠壓式錨固的拉索體系，吊索間距為10.5 m。

2?拱座深基坑支護方案

2.1?拱座及基礎形式

拱座采用分離式鋼筋混凝土拱座，與提籃式拱肋（內傾角10°）相適應，拱座豎向軸線與豎直面夾角為10°。拱座基礎采用鋼筋混凝土擴大基礎，頂面內傾，與水平面夾角為10°。縱橋向基礎底部與基巖接觸面設置成臺階狀，縱橋向長30 m，橫橋向寬16 m。基礎置于穩定的、完整的中/微風化基巖上。上、下游兩個分離式拱座基礎之間設置預應力混凝土地系梁，以抵消提籃拱橫橋向水平推力。拱座、地系梁采用C40混凝土，拱座基礎采用C30混凝土。拱座及基礎形式如圖2所示。

2.2?拱座基坑支護方案

兩岸拱座基礎均為一側臨水，采用先做筑島圍堰后開挖的施工方式，基坑長度為80 m，寬度為34.5 m，最大深度為18 m（常水位以下14.5 m）。基坑支護方案為：圍堰采用筑島圍堰+鋼筋網石籠護腳/護坡+土袋護坡，基坑支護采用鋼筋混凝土咬合樁+鋼管內撐，基坑止水包括基坑內側的巖層高壓注漿和基坑外側的止水帷幕。其中基坑外側止水由兩部分組成：（1）支護樁施工后，對巖石裂隙、巖溶管道等進行灌漿帷幕處理;（2）巖層帷幕注漿完成后，基巖面以上覆蓋土層采用高壓旋噴形式施工。筑島圍堰及基坑支護方案如圖3所示。

支護樁采用C25混凝土，冠梁、鋼筋混凝土內支撐采用C30混凝土，其他內支撐鋼材等級均采用Q235B。基坑支護采用灌注樁，樁直徑為1.5 m，混凝土材料等級為C25，樁間距為1.3 m。自上而下第1道內支撐為鋼筋混凝土結構，采用1×1 m矩形截面，對應的鋼筋混凝土冠梁采用1×2 m矩形截面。其余內支撐、豎支撐采用630 mm鋼管，對應的型鋼腰梁采用雙拼Ⅰ45c型鋼。

拱座基坑開挖中，圍堰采用筑島圍堰+鋼筋網石籠護腳/護坡+土袋護坡的形式;基坑支護采用鋼筋混凝土咬合樁+鋼管內撐的形式;基坑止水采用外圍高壓旋噴樁+基底注漿的形式。鋼筋混凝土樁施工采用“跳樁施工”原則。拱座施工的主要順序為：筑島圍堰→基坑開挖→拱座基礎鋼筋綁扎、分層澆筑混凝土（后澆段除外）→完成地系梁先澆段施工→澆筑地系梁后澆段、張拉橫向鋼束→安裝定位拱肋JH0節段→綁扎拱座鋼筋和預埋拱腳節段預應力管道、錨具及鋼束→澆筑拱座基礎后澆段→分層澆筑拱座混凝土。

3?研究內容及方法

通常情況下，基坑支護驗算按照規范規定進行即可。按規范方法驗算，適用于基坑幾何形狀比較規則、周邊地質條件變化不大的情況，可采用常規商業軟件進行，如Midas GeoX基坑支護設計軟件。其主要應用于基坑工程，除了結合最新行業基坑規范進行基坑設計外，還按照地方最新規范進行設計，按照等值梁法、彈性支點法、彈塑性地基梁法進行計算及模擬實際基坑施工過程。

由于官塘大橋的拱座基礎為臺階狀，其開挖基坑為非規則形狀，而且臨水面、背水面的開挖深度和地質邊界條件差異很大。因此在進行驗算時，分別按臨水面、背水面兩種工況進行，模擬實際基坑施工過程，得到各開挖工況下支護樁的受力和變形情況，并進行樁基嵌固深度、截面設計、整體穩定、抗傾覆、抗隆起驗算。

規范方法屬于平面驗算，可以模擬實際地質條件和基坑施工過程，進行支護樁的嵌固深度、截面設計、整體穩定、抗傾覆、抗隆起驗算。但是平面計算方法不能同時反映基坑四周開挖深度及地質條件的差異，也不能計算空間布置的內支撐受力和變形狀況，因此除了采用Midas GeoX軟件進行平面驗算外，還采用Midas Civil軟件進行空間建模，進一步對支護樁、內支撐、豎支撐、冠梁、腰梁等主要受力構件進行驗算。

4?基坑支護驗算

4.1?Midas GeoX平面計算

以臨水面基坑驗算為例，模型情況為：開挖總深度為18 m，嵌入深度為6 m，采用灌注樁支護結構。基坑安全等級：一級;基坑重要性系數：1.1;參考規范：《建筑基坑支護技術規程》（JGJ120-2012）;分析方法：彈性支點法。計算模型如圖4所示。

地質條件：黏性土層厚15 m，土層以下為微風化巖。

支撐布置：三道內支撐，一道冠梁，兩道腰梁。

施工荷載：考慮基坑施工時的車輛荷載，按條形荷載施加。

施工階段：模擬七個施工階段，分別為：（1）開挖至0.5 m;（2）安裝第1道內支撐及冠梁;（3）開挖至10.5 m;（4）安裝第2道內支撐及腰梁;（5）開挖至15.5 m;（6）安裝第3道內支撐及腰梁;（7）開挖至18 m。

計算得到各階段的土壓力、支護樁內力和變形分布情況（如圖5所示）。根據計算，支護樁的嵌固深度要求>3.8 m，實際嵌固安全系數為1.35。支護樁配筋要求為：縱向主筋8根25 mm鋼筋，箍筋6 mm間距20 cm。施工各階段的整體穩定安全系數為1.35，抗傾覆安全系數為1.25，抗隆起安全系數為1.8。

4.2?空間有限元計算

采用Midas Civil軟件對拱座基坑支護主要受力構件（含支護樁、冠梁、腰梁、內支撐等）空間模型進行靜力計算，取得結構在基坑開挖過程中的最不利內力，并進行結構驗算。作用于支護樁上的土壓力根據Midas GeoX 基坑支護平面計算結果取值（見圖6）。

4.3?空間計算主要結果

表2～4為基坑支護空間計算的主要內力、應力和變形計算結果。

計算結果表明，基坑支護的鋼筋混凝土構件承載力、鋼構件應力和支護樁的變形均滿足要求。根據結構彈性屈曲分析，基坑支護結構最小彈性穩定系數為29.13>4.0，滿足要求。

5?結語

柳州官塘大橋為主跨457 m有推力提籃式鋼箱拱橋，拱座基礎為一側臨水的臺階狀擴大基礎，采用先做筑島圍堰后開挖的施工方式，基坑支護采用鋼筋混凝土咬合樁+鋼管內撐的方式。本文分別采用規范平面計算方法和空間有限元分析方法進行基坑支護驗算，總結了臨水大型深基坑支護方案設計和驗算經驗，為同類工程提供參考。

[1]林小軍.柳州官塘大橋凈跨450 m鋼箱拱橋設計[J].西南公路，2018（3）：10-13.

[2] JTJ120-2012，建筑基坑支護技術規程[S].