斜拉橋主墩深基坑支護與開挖施工技術

李 毅

（云南建設基礎設施投資股份有限公司，云南 昆明 650217）

0 引言

斜拉橋索塔基礎是控制索塔承載力及穩定性的關鍵，它關系到整座橋梁受力是否達到設計要求，是否滿足后期運營要求。依托跨黃河斜拉橋索塔基礎的施工，探討在水深1.0～6.5m的條件下，在大粒徑卵石層、泥沙層等透水性強的地層中，開挖深基坑的支護施工技術。深基坑在支護施工過程中面臨開挖失穩風險，側壁、底板滲水，冬季施工溫度控制等一系列問題，給主墩基礎施工增加了困難。在實際施工中摒棄了原設計的永久鋼板樁圍堰支護方案，采用了排樁+冠梁結構+高壓旋噴樁止水帷幕的深基坑支護方案，保證了基坑施工的順利進行及主墩基礎的施工質量。

1 工程概況

河口大橋主橋為雙塔斜拉橋，跨徑布置為：（177+360+177=714）m。橋塔為鋼筋混凝土A型塔，塔高99m，塔身為帶圓弧凸起的箱形結構，截面尺寸為橫向450cm、縱向700cm。主梁采用工字鋼-混凝土結合梁，梁高2.83～3.06m。橋面縱坡為2.24%、1.68%（斜向人字坡），橋面橫坡由2%（人字坡）變化到4%（單向坡）。橋型布置如圖1所示。

圖1 河口大橋橋型布置圖

河口大橋包括主墩2個、輔助墩2個、過渡墩1個，48根鉆孔灌注樁基礎。2#主墩位于黃河庫區原有堤壩附近，該區域水面標高+1556m，水深1.0～6.5m，平均水深約2.8m。2#主墩承臺底面高程1552m。

河口大橋2#主墩施工前，沿橋軸線自河岸至主墩填筑一條寬度7.5～30.0m的施工便道，由于施工期最高水位達+1560m，平臺填筑標高定為+1560.5m。筑島后在主墩處形成一個65m×36m的陸地施工平臺，作為主墩施工區域及材料堆場。2#主墩鉆孔平臺布置見圖2所示，2#主墩地質見圖3所示。坡腳處拋擲石籠進行防護。

圖2 2#主墩鉆孔平臺布置圖

圖3 2#主墩地質圖

2#主塔承臺為中間帶系梁的“啞鈴型”結構，平面尺寸為19m×50m，高4m，包含鋼筋152t，C30 混凝土2052m3，上、下游承臺分開澆筑，待施工完塔座之后澆筑中間系梁。

2 深基坑支護施工難點

深基坑支護主要發揮擋土和防滲的雙重作用，為橋墩的樁基、承臺施工提供干作業的安全空間，以確保基樁周邊土石體的穩定和墩基混凝土的澆筑質量，由于橋址區地質和周邊環境的原因，該深基坑支護施工面臨著較多困難。

2.1 基坑基底位于卵石層，穩定性差

根據地質圖及主墩樁基施工揭示的地質情況，本基坑側壁土層從上往下依次為：雜填土、砂性土夾卵石層、卵石層、全風化泥巖，基底座落在卵石層中，被大粒徑卵石層（卵石最大粒徑達到52cm，一般在10～20cm之間）、泥沙層等透水性強的巖土體包圍。

該卵石層的充填物主要為砂礫石、粉細砂、中粗砂等，無粘結，遇水極易松動，在水頭壓力的作用下，極易“液化”，瞬間完全失去抗剪強度。在不失去側限約束和干燥狀態下，卵石層具有很高的豎向承載力和不可壓縮性；但在基坑開挖狀態下，由于失去了側限作用，在高水頭的作用下，它處在一種容易液化的狀態之中，支護結構的作用就是盡可能地補償因開挖造成的側限損失，使卵石層和支護體系達成新的平衡。如果沒有支護結構，或者支護結構失穩，意味著卵石層的側限約束力散失，發生液化，坑壁就會坍塌。

2.2 受黃河水影響，基坑防滲難度大

卵石層屬于強透水層，基坑內地下水直接與黃河水聯通，受河水補給。地下水是基坑支護工程的最不利因素，由于卵石層的存在，基坑開挖后形成的高水頭差，很容易使卵石層液化，從而導致樁基周邊卵石層松動，喪失對樁基和支護樁的側限作用，使樁基和支護樁存在失穩風險。

3 基坑支護方案比選及支護結構設計

根據主墩樁基施工揭示的地質及現場實際情況，原設計的永久鋼板樁圍堰支護方案無法實施。結合設計提出的永久性防護需求及現場施工需要，重新提出了基坑支護的設計目標：（1）確保基坑的安全和正常使用；（2）在安全的前提下盡可能降低結構施工難度，縮短工期；（3）優化設計方案，降低工程造價、節約工程措施費。

3.1 基坑支護方案的比選

經現場鉆探、方案分析、驗算比選，最終支護方式確定為：排樁+冠梁結構+高壓旋噴樁止水帷幕，支護樁采用機械成孔灌注樁，支護樁之間的砂、卵石采用高壓旋噴樁固化并與支護樁共同形成側壁的止水帷幕，坑底的封水措施則為支護樁和高壓旋噴樁聯合體，均進入全風化泥巖截斷滲透途徑，從而隔斷基坑內外水力，使其形成“斷路”，達到五面封水的效果。

3.2 支護結構的設計

3.2.1 設計思路及計算理論

（1）考慮到墩基施工作業面的需要，按墩基礎外側邊線向外擴0.8～1.2m，作為基坑開挖內邊線，然后從內邊線向外布置支護結構，確保地下基礎施工具備一定的施工作業空間。

（2）該深基坑工程設計±0.00 標高相當于絕對標高1560.50m，基坑開挖支護至墩基礎墊層底，基坑底標高為：-7.00m，考慮開挖對底層影響70cm，基坑坡頂超載取值q=40kPa[1-4]。

（3）土壓力按郎肯土壓力理論，水土壓力合算，被動區域壓力折減系數取1.1。排樁入土深度計算按極限土壓力平衡理論與等值梁法分工況計算確定[5]，確保滿足整體穩定和抗坑底隆起，排樁內力采用彈性抗力法計算確定，冠梁按多跨連續梁計算。

（4）計算原理。支護樁墻在受到墻背主動土壓力時，通常是以樁底上方某點轉動，這樣在轉動點以上的樁身前側和轉動點以下的樁身后側將產生被動抵抗力，在對應的另一側將產生主動土壓力。計算時取單位長度坡體近似的假定土壓力的分布。

具體計算過程較繁雜，故采用《天漢系列軟件》（V2005.1）進行輔助計算，計算結果見圖4、圖5所示。

圖4 樁墻撐錨結構極限平衡法計算結果圖

圖5 樁墻撐錨結構彈性抗力法計算結果圖

3.2.2 支護樁長控制原則

經穩定性驗算，得出支護樁最小嵌入樁長：上游為L=14.0m，下游為L=15.0m。考慮到止水需求，支護樁必須進入泥巖最小深度2m，才能滿足止水條件，故取上游樁長L=15.5m，下游樁長L=22.5m。

3.2.3 地面硬化與排水溝要求

在實施時對基坑坡頂以外1.5m寬范圍內的地面進行硬化，防止地表水從坡頂滲入邊坡。同時，坡頂沿硬化帶布設排水溝，排水溝過水斷面尺寸為0.3m×0.3m，溝壁采用素噴C20混凝土硬化處理，溝底坡率為1.5‰。坡底沿坑底坡腳設置排水溝，基坑開挖后應在基底做盲溝排水，主要為疏排坑內積水、保護基底土層，盲溝過水斷面尺寸為0.3m×0.3m，盲溝末端底部設置集水井，布置間距約25m∕個，集水井尺寸為1m×1m×1m。

3.2.4 設計成果

根據計算，最終設計為：排樁樁徑為Φ1.2m，樁長為13.5～21.5m，共74根，排樁樁間距為0.8m；高壓旋噴樁樁徑為Φ0.35m，每相鄰兩根樁中間布設3根，共222根，樁長13.5～21.5m（見圖6所示）；冠梁的截面尺寸為0.8m×1.2m，長度為139.13m。

圖6 沖孔支護樁、高噴止水樁平面布置圖

4 基坑支護的施工步驟及基坑開挖注意事項

4.1 基坑支護的施工步驟

總體的施工順序遵循先灌注樁然后高壓旋噴樁最后冠梁施工的順序，支護工程完成后再進行基坑開挖，完成主墩承臺的施工。

由于灌注樁、冠梁施工采用公路工程施工中常規的施工工藝，在此不再敷述。在公路工程中高壓旋噴樁施工使用較少，在實際操作中制定了詳細的施工工藝流程（如圖7所示），圓滿地完成了高壓旋噴樁施工。

圖7 旋噴樁施工工藝流程圖

支護工程完成后，按沿長邊放坡，分層開挖的方式完成基坑開挖（如圖8所示），之后開始主墩承臺的施工。

圖8 基坑開挖完成簡略效果圖

4.2 基坑開挖施工

4.2.1 基坑開挖施工要點

（1）合理組織施工盡量減少基坑暴露時間。開挖至基底后，迅速鋪設墊層及混凝土底板，之后緊跟施作其余主體結構；

（2）分層開挖，盡量減慢開挖過程中土體應力釋放速度；

（3）深基坑開挖宜采用分層開挖或開溝道用正鏟挖土機下入基坑分層開挖。為防止超挖，機械開挖至距設計坑底標高30cm處，改用小型挖掘機開挖；

（4）基坑開挖遵守“由上而下、分層開挖”的原則，減少基坑頂邊緣地面荷載，嚴禁超載；

（5）開挖時注意對測量坐標、水準點、支撐監測點及儀器、降排水設施周圍地下管線的保護。

4.2.2 基坑監測與地下水控制

（1）在基坑邊線40m以外，設置監測基準點4個，基準點要可靠、穩定和牢固；

（2）對圍護結構垂直度、水平位移、收斂及地表沉降進行監測；

（3）在基坑開挖前應測得基坑周邊設置的觀測點位置、標高初始值，在基坑開挖過程中及基坑使用10d內，每天監測3次，待位移及變形穩定后每天監測2次，直至基坑工程使用完畢；

（4）配備足夠數量的編織袋備用，緊急時對基坑周圍施做圍擋，防止地面水流入坑內；

（5）配備3臺水泵抽排基坑積水，同時加強對明排系統的管養，確保其正常運轉；

（6）基坑內設置排水溝、集水井，及時收集抽排滲水。

5 結束語

河口特大橋采用排樁+冠梁結構+高壓旋噴樁止水帷幕的方案進行主墩大型基坑施工，從基坑開挖的情況來看，方案取得了很好的效果，既降低了開挖失穩風險，又解決了側壁、底板滲水問題，最終保證了深基坑安全及基礎的施工質量。該施工技術可為類似工程的施工提供一些參考經驗。