隧洞斜井樁基礎在拱橋建設中的應用與效益分析

作者簡介：梁瑋瑋（1991—），工程師，主要從事高速公路工程項目管理工作。

摘要：文章依托合山紅水河特大橋斜井樁基礎施工實例，介紹了擴大基礎及斜井樁基礎的設計形式、受力特點及施工工藝，對兩種結構形式的工程效益進行對比分析，并就后期斜井樁基礎設計優化、施工工藝等方面進行了探討。研究表明，斜井樁作為一種新的橋梁基礎形式，在拱橋建設中具有獨特優勢。其結構受力方向與拱肋方向相符，合理簡單高效，能有效減少土石方開挖，在鋼材用量、混凝土用量、永臨征地等方面優勢明顯，能夠產生較好的工程效益。

關鍵詞：拱橋；基礎；斜井樁；工程效益

0 引言

拱橋是人類發展史上較早應用的一種橋型，其具有結構跨度大、安裝方便、造型美觀等優點，在現代社會建設中極為常見。現代拱橋拱座基礎一般采用擴大基礎的結構形式，本文以柳州經合山至南寧高速公路合山紅水河特大橋建設為例，介紹了擴大基礎及斜井樁基礎的設計形式、受力特點及施工工藝，對兩種結構形式工程效益對比分析，并就后期斜井樁基礎設計優化、施工工藝等方面進行探討，可為今后同類型橋梁建設中基礎設計選型與施工提供借鑒參考。

1 案例背景

合山紅水河特大橋是新柳南高速公路合山連接線上跨越紅水河設置的一座特大橋，主橋為228 m中承式鋼管混凝土拱橋，凈跨徑210 m，矢跨比為1/4.0，拱軸系數m=1.45，拱肋橫向中心間距為17.8 m，拱肋采用變截面桁式結構，拱頂截面高3.8 m，拱腳截面高6 m。吊桿順橋向的標準間距為8.0 m，橋面采用格構式鋼-混組合結構，總寬度為15 m。合山岸及溯社岸引橋均采用3×20 m預應力混凝土連續小箱梁的結構形式。如圖1所示。

2 建設條件

合山紅水河特大橋所在航段屬于橋鞏樞紐庫區，平時水流較為平緩，河床穩定，水深較深。橋址區為紅水河階地地貌單元，階面殘丘發育，地形起伏較大，場地內地層主要由第四系人工填筑層（Q）、第四系沖洪積層（Q）、第四系殘坡積層（Q）及二迭系上統合山組（P2h）組成。該橋溯社岸地勢較為平緩寬闊，種植玉米、紅薯、花生等農作物，完整基巖覆蓋層較淺。合山岸橋址位于合山市里蘭鎮附近，周邊存在市政道路及大量民屋，該處覆蓋層屬碎石黏土層，厚度較大，承載力低，完整基巖埋置在較深位置，不利于抵抗推力的擴大基礎設置，因此該橋基礎設計方案為溯社岸采用擴大基礎，合山岸采用斜井樁+豎樁基礎。

3 設計情況

3.1 合山岸斜井樁+豎樁基礎（圖2）

合山岸為分離式拱座基礎，分為左、右2個，采用斜井樁+豎樁基礎的結構形式。豎樁直徑3.5 m、樁長10 m，采用人工挖孔樁；斜井樁高6 m、寬6 m，隧洞的上半部分為半圓形，下半部分為矩形和弧形的組合形狀，斜井樁左側長30 m，右側長28 m，斜井樁開挖角度為與水平面成46.185°，采用C30混凝土澆筑。

3.2 溯社岸擴大基礎（圖3）

溯社岸采用擴大基礎結構形式，縱橋向寬度為21 m，橫橋向寬度為32.8 m，采用C30內養生混凝土，設計基礎置于穩定的、完整的中風化基巖上。

4 拱座基礎受力特點分析

合山紅水河特大橋作為有推力鋼管混凝土拱橋，基礎需要承受由上部結構傳遞下來的豎向力和水平力，并將其傳入地基，如圖4所示。由于水平推力的作用，常規的樁基礎形式不適用于有推力拱橋，工程上一般采用明挖擴大基礎的結構形式。該項目溯社岸橋址處地質條件好，完整基巖埋藏淺，采用擴大基礎方案合理可行。合山岸受地質地貌的限制，如拱座基礎設計采用明挖擴大基礎，則需要進行深開挖，基礎尺寸過大，影響到周邊的市政道路及民屋，且工程造價較高，因而創新地采用了斜井樁基礎的形式。

如圖5所示，合山岸拱座基礎采用的是大斷面斜井樁+普通豎樁的設計形式，通過斜井樁和豎樁共同形成受力體系承擔主拱產生的巨大豎向力和水平推力。斜井樁順著拱肋軸線切線方向進行設置，能使其同時具有較好的水平及豎向承載力，傳力過程合理、簡單、高效。拱座下方布置豎樁，可分擔很大一部分豎向荷載，并有效約束拱座的豎向位移和轉動，使大部分拱肋彎矩被消止于拱座處，從而使斜井樁以受軸向力為主，更好地發揮其結構受力性能^[1]。

5 拱座基礎施工工藝

5.1 斜井樁基礎

合山岸兩斜井樁之間距離為8.8 m，施工時采取同時開挖的方式進行，開挖前運用物探+地質鉆孔的方式進行綜合超前地質探測預報^[2]，分析地層巖性及含水狀況，預測隧洞施工前方不良地質情況。斜井樁洞口段采取超前大管棚進行支護，采用長臂挖機進行前4 m開挖，其余部分采用人工開挖，開挖采用兩臺階的方式進行施工，出碴采用鋪設軌道利用料斗車裝運和卷揚機斜拉牽引運送，再利用自卸汽車運至棄碴場，如圖6所示。圖7為施工整體順序：施工測量→洞口防護→洞口土石方開挖→套拱施工→超前管棚支護→洞身開挖→初噴混凝土支護→鋼拱架支護→復噴混凝土支護→鋼筋制作及安裝→樁基混凝土澆筑→樁基檢測^[3]。

5.2 擴大基礎

溯社岸明挖擴大基礎采用機械開挖、人工輔助配合的方式，開挖前結合橋址區地質、水文及現場情況，明確基坑開挖方案，對開挖范圍、開挖坡度、邊坡防護、棄土方案及防排水措施等做出具體安排。擴大基礎整體施工順序為：測量定位→基坑開挖→基坑排水→基底處理→基底檢查處理報驗→安裝模板→綁扎鋼筋→基礎混凝土澆筑→脫模養生→回填。

6 工程效益對比（表1）

（1）斜井樁+豎直樁組成的合山岸拱座基礎相比擴大基礎永久及臨時用地更少，能夠避免大規模開挖，減小施工對原地貌的破壞，有效規避水土流失及防范施工造成的水質污染，踐行綠色品質“雙示范”建設理念^[4]。

（2）斜井樁+豎直樁組成的合山岸拱座基礎相比溯社岸擴大基礎在土石方開挖、鋼材用量、混凝土用量方面具有顯著的優勢，能夠節省資源，降低工程投資。

（3）合山岸斜井樁+豎直樁施工期為180 d，溯社岸擴大基礎施工期為183 d，因斜井樁+豎直樁施工作業面較小，無法進行機械開挖，主要采用人工開挖方式，擴大基礎采用機械方式進行開挖，在進度控制方面擴大基礎具有一定的優勢。

7 設計優化建議

（1）設計勘察階段，應加強拱座基礎周邊地質及水文情況的勘察，如地質條件較差，地表水及縫隙水較豐富時，應慎重考慮斜井樁基礎結構形式的選取。

（2）斜井樁傾斜角度過陡不利于后期的施工作業，設計時應盡可能減小斜井樁與水平面的傾斜角度，建議以≤45°為宜。

（3）根據迷你型挖掘機使用經驗，建議斜井樁高、寬尺寸設計≥6 m，施工階段可通過卷揚機將迷你型挖掘機吊運進斜井樁內，采取機械開挖+人工輔助配合的方式，加快施工進度及節省施工成本。

（4）對于完整基巖埋設較深、隧洞洞身表層圍巖松散、存在突水安全隱患的，設計中可考慮增加隧洞洞身地表注漿^[5]，隧洞超前管棚支護等方式，提高后期施工的安全性。

8 施工工藝建議

（1）斜井樁開挖前應采用物探+地質鉆孔的方式進行隧洞綜合超前地質預測預報，探明掌子面處地層巖性、地質構造及不良地質發育情況等，對可能存在突水、突泥和其他有害地質情況的段落，應采用有效處治措施，確保開挖過程的施工安全。

（2）斜洞開挖過程中遇到小股涌水或裂隙滲漏水宜采用巖面注漿或導管引排后再開挖，如遇較大涌水情況，采用水泵抽水無法滿足施工要求時，可采用玻璃膠壓密注漿設置止水帷幕^[6]。

（3）該項目采用有軌礦車出渣的方式，通過將卷揚機錨定在洞口平臺，開挖面底部鋪設鋼軌，斜拉牽引進行出渣，采取此種出渣方式時建議軌道設置在斜洞邊緣，有利于渣土搬運及出渣。

（4）有軌礦車出渣過程安全風險較高，可通過在出渣軌道安裝安全圍擋，設置料斗自動防墜落保護器，礦車下部安裝打掩裝置等措施，降低施工安全風險。

（5）斜井樁測量可通過在斜井樁洞口周邊建立控制點，在隧洞內壁設置反光貼，采用后方交匯法測量每個反光貼的位置，從而畫出斜井樁三維圖并依此判斷，提高進洞角度的精準性。

（6）隧洞施工過程應全程進行監控量測，及時掌握圍巖開挖過程中的動態和支護結構的穩定狀態，提供有關隧洞施工全面、系統信息資料，通過對量測數據的分析和判斷，對圍巖－支護體系的穩定狀態進行監控和預測，從而及時調整施工措施，確保隧洞巖體的穩定以及支護結構的安全。

9 結語

通過新柳南高速公路合山紅水河特大橋的建設實例，可以看到斜井樁作為一種新的橋梁基礎形式，在拱橋建設中具有獨特優勢。其結構受力方向與拱肋方向相符，合理簡單高效，能有效減少土石方開挖，在鋼材用量、混凝土用量、永臨征地等方面優勢明顯，能夠產生較好的工程效益，符合綠色品質“雙示范”建設理念，后續可在橋梁工程建設中通過不斷總結優化，有望得到更廣闊的應用。

參考文獻：

[1]施 智，羅吉智，胡騰飛.厚覆蓋層地質條件下有推力拱橋基礎研究[J].世界橋梁，2021，49（1）：76-82.

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[4]郭朋超.斜井喇叭口施工用拱橋式整體支護結[P].中國：CN202768001U，2013.

[5]董福民，寧曉駿，張清旭.直斜樁群樁基礎在鋼筋混凝土拱橋中的應用與探討[J].中國水運（下半月），2019，19（10）：186-188.

[6]王秋會，汶文釗，曹俊鑫.大斷面斜井施工技術用于拱橋單樁拱座基礎[J].鐵道建筑，2019，59（4）：67-70.