復雜地質條件下橋梁錨碇擴大基礎方案研究

陳 梁

（華東勘測設計院（福建）有限公司，福州 350003）

橋梁具有克服地域屏障等優勢，是人類擴大活動空間的重要渠道，也是未來交通建設發展的趨勢。在橋梁工程初步設計中，基礎的力學性能、耐久性能是設計的關鍵。橋梁基礎是連接上部結構與地下持力層之間的結構[1]，是整個橋梁結構的最底層，通常埋設在地下或水下。橋梁的全部荷載最后都會傳遞到橋基上，因此橋基是決定橋梁安全性的最根本的構件。

近些年來，許多專家對不同地質條件下的橋梁基礎進行了設計及研究[2-7]。王超[6]以某橋梁項目為依托，分析了在巖溶區域內橋梁建設常見的問題，采用復合基礎設計合理保證了樁基施工安全和基礎工程質量。韋馳[8]從多方面切入對橋梁基礎設計面進行分析，通過優化橋梁橋墩等設計方案，預解決工程中的施工問題，保障了人員安全并提高了工作效率。黃雄軍等[9]從對鐵路橋梁的基礎承臺防護樁設計入手，在施工中分析影響因素，并用理論分析進行了驗證，確保橋梁承臺施工安全。由于實際工程的需要，橋梁基礎將朝著更高的承載能力，更好的抗震性能，更好的抵抗船體沖擊方向發展[10]。

本文以實際橋梁設計為研究目標，以水文地質試驗為依據，查明沿線地表水的流向、歷年最高水位、枯水位、勘察時水位和水質等水文地質資料。從水文地質角度對擴大基礎錨碇基坑施工方案的可行性、可靠性做出評估、建議。

1 工程概況

白洋長江公路大橋地理位置圖如圖1 所示。橋梁初步設計為1 000 m 懸索橋方案，但初步設計階段勘察中僅在兩端錨碇處各設置1 個鉆孔，缺乏區域水文地質的調查以及其他相應試驗資料，不能滿足工程需要。

大橋設計全長2 150 m，其中跨江主橋推薦1 000 m雙塔懸索橋。設計為雙向六車道高速公路；設計速度為100 km/h；不含錨碇布索區的橋面寬度與路基同寬，為33.5 m。

2 區域地質勘察

2.1 地形地貌

該地區的地形屬于鄂西山區和江漢平原的過渡性地區，地勢整體上是北高南低。區域內發育有黃陵背斜、長陽背斜和天陽坪斷裂。從地貌成因、地貌形態和組合特點等方面分析，場區的地表地貌為河床沖積階地平原地貌。其主要成分是砂礫土和其他粗粒土，在其表面覆蓋著一層有一定厚度的黏性土層。

錨碇區域的地貌形態如圖2 所示。淺部黏土層平均厚度8 m 左右，起到相對隔水作用，僅表層松散耕填土中含少量上層滯水，水量小，易疏排，對基坑工程影響小。

圖2 錨碇區域地貌形態

2.2 地質構造

項目區位于江漢平原沉降帶，北部為天陽坪逆斷層，南為白堊系-下第三系沉積區，西為梅子溪第四系正斷層，影響范圍內巖體破碎程度不高。宜昌單斜橫貫東西，構造較為簡單，對本橋梁沒有影響。勘探發現，橋下基巖為泥質砂巖、細砂巖和砂質泥巖，屬于第三系半成巖。

2.3 地層巖性

錨碇場地巖土類型主要為三大類共5 個亞層：粉質黏土、卵石混砂（夾漂石）、粗礫砂混卵石、強風化泥質砂巖、中風化泥質砂巖。其中泥質砂巖層在初期水文勘察中未被揭露，橋址區初勘最大揭露厚度13.10 m，埋深大，分布穩定，工程性能好。

2.4 不良地質影響

場區內及其附近無崩塌、滑坡、泥石流等不良地質現象。但存在如下特殊巖土問題，設計施工中需加以考慮。

1）卵石混砂：近長江南岸陸域以及長江河床段分布有較厚的卵石混砂地層，此層層厚大，透水性強，呈松散～稍密狀態，鉆探過程中極易垮塌，因此該層會對橋梁樁基施工及大橋宜都岸錨碇開挖帶來一定困難。

2）風化巖：初勘區內發育的風化巖主要為互層狀泥質砂巖、細砂巖夾砂質泥巖的巖體。該巖體表體風化較強烈，強度低，日曬雨淋后極易剝落、碎裂。節理裂隙發育，受風化作用強烈，往往切割深度較大。

3 區域水文條件

項目區屬長江中游流域，地表水系較發育，主要為長江干流。錨碇區含水層在平面上主要受長江補給邊界制約，地下水賦存狀態隨季節變化。

場區河段由三馬溪起始至枝城鎮結束，全長13.5 km，河面形狀為上、下兩段彎曲，中間為平直的河型，這兩段河段分別為宜都、百陽2 個河段。宜都河段是一條單水道，剖面形狀為“U”型或“V”型，河面寬度不超過1.4 km。

3.1 地下水賦存

根據地下水在不同巖組中賦存條件和水動力特征的不同，將線路區內地下水劃分為第四系松散土層孔隙潛水、基巖裂隙水兩大類。

第四系孔隙水賦存于砂卵（漂）石層中，屬強透水、含水豐富地層。基巖裂隙水，主要分布于第三系的碎屑巖類巖層中，含水多存在于巖類風化層的裂隙之中。

3.2 地下水的補給、徑流、排泄

第四系孔隙潛水主要接受長江補給，其次為大氣降水補給，地下水徑流較強，水位及水量受季節影響變化較大。

基巖裂隙水主要接受大氣降雨及第四系孔隙水的補給，徑流較弱，水量不豐，地下水動態較穩定。在深部朝下游徑流排泄。

3.3 場區長江與地下水水力聯系

場區地下水與長江水關系緊密，互為補充，并有很大的徑向流動，其地下水位和長江的水位基本一致。調查時恰逢長江枯水期，本區第四紀孔隙水表現出無承壓的潛水性，但在豐水期轉變為孔隙水。相應基坑涌水量為估算結果，建議基坑降水按雨季高位洪水進行驗算控制，并用于評價巖土體滲流變形、透水性和涌水量等。

對試驗孔進行了三降深穩定流抽水試驗，實驗結果表明錨碇場地孔隙含水層的滲透性極強，來水十分豐富。根據3 次試驗得出流量與降深之間的關系曲線。

如圖3 所示，錨碇場地孔隙含水層涌水量與降深呈直線關系，且涌水量的增幅遠大于水深的增幅。

圖3 流量與降深關系曲線圖

3.4 水質結果分析

根據水試樣分析結果，結合周圍環境地質條件（無污染源），根據規范判定，地下水對混凝土及混凝土中鋼筋具微腐蝕性；參考本地工程經驗，地下水對鋼結構具弱腐蝕性。有關環境水對建筑材料腐蝕的防護，應符合現行國家標準規定。

4 涌水量計算及基礎設計

4.1 初期方案設計

基于宜都岸錨碇場地地質情況，覆蓋層較厚，同時基底巖石為碎屑巖類，錨碇設計為重力式錨碇，錨碇基礎可采用擴大基礎、沉井基礎、地下連續墻基礎及復合基礎。根據水文地質勘察資料，錨碇所在場地卵石粒徑較大，且含較大漂石，對于沉井下沉方案存在一定的施工風險，結合南岸錨碇區域地質條件，采用淺層擴大基礎方案具備可行性。

4.2 涌水量計算

擬建錨碇工程位于強透水孔隙含水水文地質單元且鄰近直線型補給邊界，根據設計基坑將揭露的含、隔水層構成以及地下水位年動態變化導致地下水類型轉化的特點可知，場區地下水在枯水季節為孔隙潛水，雨季則轉為孔隙承壓水。因此，基坑涌水量估算應考慮不同季節的影響。

4.3 相關參數選取

根據錨碇基坑初步設計資料，選用錨碇基坑（矩形）參數如下：基坑長度為75 m，基坑寬度為60 m，η 系數為1.180，基坑底面積為4 500 m2，引用半徑r0=η×（a+b）/4，為39.83 m，基坑的開挖深度為35.00 m。平均標高為45.85 m，含水層平均厚度為48 m，滲透系數K為125，降水后水頭高度為20.18 m，抽水濾管進水段長為20.18 m，降水控制標高為10.35 m。

4.4 枯季錨碇基坑涌水量估算

如圖4 所示，對于枯季基坑涌水量估算按潛水完整井考慮，分別估算低位枯水、常態枯水、高位枯水3種狀況的涌水量。分別用裘氏理論和基坑規范公式進行計算與校核。

圖4 枯季潛水狀態基坑涌水量估算剖面示圖

裘氏理論公式

基坑規范公式

式中：Q為基坑涌水量，K為含水層滲透系數，H為潛水水頭高度，d為基坑中心至補給邊界平距，r0為基坑降水引用半徑，hw為基坑降水后的水頭高度。圖4 中Sw為控制降深。

結果顯示基坑平均總涌水量Q在高枯水位達到248 643.03 m3/d，常態枯水水位在232 355.12 m3/d，低位枯水為221 667.78 m3/d。

4.5 雨季錨碇基坑涌水量估算

分別用裘氏理論和基坑規范公式進行計算與校核。符號代表同上，M為承壓含水層厚度。

裘氏理論公式如下

基坑規范公式如下雨季承壓～潛水狀態錨碇基坑涌水量估算結果顯示，低位洪水基坑總涌水量為277 195.44 m3/d，常態洪水為287 451.68 m3/d，高位洪水位為368 451.04 m3/d。由上述基坑涌水量估算結果不難看出，該錨碇基坑涌水量極大，實施單純的降水方案不但風險大且無法保證長時間維持，難以保障錨碇基礎安全、順利施工。

5 方案設計

5.1 初步開挖方案

推薦基坑開挖方案：首先在基坑開挖范圍內及四周施工注漿防滲體，形成錨碗區的防滲不透水立方體，注漿深度至基底設計標高以下4.2 m。然后在立方體中放坡干處開挖基坑。根據擬建場地勘察資料，結合開挖方案、注漿隔水體厚度、放坡和枯季施工水頭壓力較小等因素進行可行性分析。

根據宜都岸錨碗擴大基礎方案補充設計文件可知，錨碗擴大基礎基坑擬采用四周+底面的懸掛式注漿體方案，注漿方法為滲透注漿，注漿范圍按擴大基礎范圍至外緣布置3 排注漿孔控制，暫定注漿孔間距1.2 m（實際孔距結合現場試驗結果進行相應調整），注漿深度：自整平地面（標高45.214 m）以下4 m（標高41.214 m）至14.2 m 段（標高31.014 m），即施工注漿孔深，帷幕孔18.2 m，基底孔14.2 m；注漿體厚度，帷幕14.2 m，基底7.2 m。按設計注漿孔平面布置圖測算，基坑四周3 排注漿孔總數約為902 個，而封底注漿孔總數達6 385 個，遠遠多于四周注漿孔，總的注漿工程量及耗費較多。

5.2 方案優化

按照水文地質條件及基坑施工防滲需要，可以如下2 個方面考慮優化錨碗基坑施工防滲設計方案。

其一，基坑四周外圍3 排注漿孔采用目前設計方案，即注漿防滲帷幕自標高41.214 m（頂）～標高31.014 m（底），形成四面高度10.2 m 的防滲帷幕；底面注漿深度調整為自標高36 m（頂）～標高31 m（底），形成厚度5 m 的封底帷幕。總體呈“箱型”五面防滲帷幕，然后在其中施工錨碗基礎。

其二，根據場地砂礫卵（漂）石孔隙含水層下伏為泥質砂巖隔水底板的水文地質構造條件，可利用天然隔水底板實施四面坐底帷幕防滲方案，以四面坐底式注漿帷幕防范基坑涌水問題。

設計從經濟合理性角度，對目前10.2 m 厚的注漿立方體防滲方案與上述2 種防滲方案進行比較，擇優選用。

6 結束語

在橋梁基礎的設計和施工中，需要根據不同的地質條件進行靈活的調整，并結合具體的情況選取合適的基礎結構，以確保橋梁的穩定和安全。

本工程為宜昌至張家界高速公路的重點工程，根據水文地質勘察資料，本文綜合分析了各項建設條件，對其特殊巖土地質問題條件下的錨碇擴大基礎方案和涌水量估算進行詳細研究，從工程的安全度以及經濟性看，完成了預期目標，滿足了社會需求，并加快了工程建設速度，達到了社會效益最大化的目的。