王秋會，汶文釗，曹俊鑫

(中鐵一局集團(tuán)有限公司 技術(shù)研發(fā)中心，陜西 西安 710054)

拱橋的拱座基礎(chǔ)一般承受水平推力和豎直力。拱腳為一種傾斜式超大斷面隧道斜井式單樁基礎(chǔ)，其施工特點(diǎn)兼有深基坑和隧道的特點(diǎn)。本文以夜郎河大橋拱座基礎(chǔ)施工為例，介紹了一種新穎、可行的預(yù)應(yīng)力錨索配合型鋼拱架錨噴支護(hù)的隧道式全斷面開挖方法，確保大傾角斜面上最大程度實現(xiàn)高效的機(jī)械化施工。

1 工程概況

夜郎河雙線特大橋位于遵義市桐梓縣境內(nèi)，大橋為上承式鋼管混凝土X形提籃式拱橋，跨越V形夜郎河溝谷，坡面陡峭，橋梁軌底距離溝底210 m，施工條件復(fù)雜，施工難度大，是渝黔(重慶—貴陽)鐵路重難點(diǎn)工程[1]。

大橋單孔跨徑370.0 m，豎直平面內(nèi)矢高為83.5 m，矢跨比為1/4.4，拱軸系數(shù)為5.0。拱座基礎(chǔ)為超大斷面傾斜單樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)斷面為橢圓形，長22.50 m、寬16.38 m，面積320 m2，樁基礎(chǔ)斜向高度42.00 m。拱座基礎(chǔ)位于溝谷坡面，場地狹小，洞口場地布置困難，出渣難度大。尤其是重慶端拱座基礎(chǔ)位于順層坡面上，巖層為泥巖，層狀傾斜，單樁基礎(chǔ)斜井與水平方向夾角55.19°，穩(wěn)定性差，而且橋位下方有習(xí)新公路，大斷面斜井開挖施工風(fēng)險高，施工周期長。本文主要以重慶端拱座基礎(chǔ)施工展開論述，其巖層傾斜情況見圖1。

圖1 拱座基礎(chǔ)巖層傾斜情況(高程單位：m;長度單位：cm)

2 開挖方案

2.1 方案選擇

原設(shè)計該側(cè)拱座基礎(chǔ)采用上下導(dǎo)坑臨時仰拱法施工，該方法因工作空間狹小且傾斜角度大，出渣只能采用挖掘機(jī)倒運(yùn)，工作效率低。

重慶側(cè)存在層狀巖層傾斜不穩(wěn)定因素，可采取預(yù)應(yīng)力錨索加固措施增加滑裂面上的正應(yīng)力和阻滑力[2]有利于邊坡穩(wěn)定。

綜上，為了施工安全并考慮加快出渣，確保工期，最終采用預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)并配合型鋼拱架錨噴支護(hù)全斷面隧道式開挖法施工。出渣采取龍門吊配合挖機(jī)垂直運(yùn)輸方式。

2.2 施工方案

拱座基礎(chǔ)斜井采用全斷面開挖支護(hù)具體措施為：

1)在拱頂145°范圍采用54根φ108 mm,42 m長鋼管形成大管棚支護(hù)；

2)沿拱座基礎(chǔ)向上傾斜45°角，設(shè)置4層錨索，每層間距4 m，每個斷面設(shè)置5孔錨索，環(huán)向間距4.5 m，每孔6根，每根錨索長30 m，錨固段長10 m，自由段長20 m，錨索采用1×7標(biāo)準(zhǔn)型φ15.2 mm鋼絞線，強(qiáng)度 1 860 MPa，設(shè)計錨固力700 kN。另外，環(huán)向設(shè)置2I20a鋼墊梁實現(xiàn)錨索張拉。

3)采用35 cm厚C30混凝土噴錨護(hù)壁，內(nèi)設(shè)HW175×175型鋼架，縱向間距0.6 m，閉合成環(huán)。拱部錨桿采用φ25中空注漿錨桿，兩側(cè)壁采用φ22砂漿錨桿，錨桿長均為3.0 m，按1.0 m×0.8 m交錯布置。

預(yù)應(yīng)力錨索及噴錨支護(hù)施工方案如圖2所示。

圖2 預(yù)應(yīng)力錨索及噴錨支護(hù)施工方案(單位：mm)

3 有限元數(shù)值模擬

3.1 計算模型

圖3 計算模型

3.2 參數(shù)

計算時材料的物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)[3]

3.3 計算結(jié)論

施工階段分析開挖過程中圍巖、噴錨混凝土支護(hù)及管棚的應(yīng)力、變形情況。初支的應(yīng)力及變形情況能直觀反映開挖中的應(yīng)力和變形變化，為施工提供明確的指導(dǎo)。初支最大應(yīng)力計算結(jié)果見圖4，圍巖變形計算結(jié)果見圖5。

圖4 初支最大應(yīng)力(單位：MPa)

圖5 圍巖變形(單位：mm)

由圖4可知：初襯最大主拉應(yīng)力3.63 MPa，位于拱腰；最大壓應(yīng)力8.69 MPa，位于拱墻；拉壓應(yīng)力均比較小。

由圖5(a)可知拱頂最大變形值為9.45 mm，由圖5(b)可知開挖過程中橫向收斂變形值最大為 6.24 mm，即內(nèi)縮值為12.48 mm，約在距離坑底8 m處。最大變形發(fā)生在橫斷面拱腰中心，施工中應(yīng)加強(qiáng)變形觀測。

綜上可見全斷面開挖施工是可行的，加固效果明顯。

4 現(xiàn)場施工

4.1 施工工藝流程

拱座基礎(chǔ)斜井施工涉及管棚、預(yù)應(yīng)力錨索施工、噴錨支護(hù)、垂直出渣等關(guān)鍵工序。其流程為:①施作拱頂145°范圍內(nèi)超前大管棚；②施作洞口環(huán)向鎖口，并安裝洞口40 t龍門吊；③斜井全斷面開挖，布眼，鉆眼，裝藥，龍門吊提升料斗出渣，施作錨桿，復(fù)噴混凝土，噴混凝土，安裝鋼拱架；④斜井隧道支護(hù)；⑤安裝鋼筋、冷卻管與安裝拱腳預(yù)埋段；⑥澆筑混凝土。

4.2 管棚施工

4.2.1 拱座基礎(chǔ)洞門支護(hù)

從導(dǎo)向墻下部支撐墩底面沿拱座基礎(chǔ)開挖線方向環(huán)向設(shè)置C30混凝土墻身作為洞門支護(hù)結(jié)構(gòu)。環(huán)向墻身結(jié)構(gòu)尺寸為1 m×1 m，墻身內(nèi)設(shè)置環(huán)向抗裂構(gòu)造鋼筋。

洞門環(huán)向墻施工時先測量放樣確定其平面位置，然后利用挖機(jī)配合人工風(fēng)鎬掏槽方式進(jìn)行，與混凝土接觸面位于基巖上且須穩(wěn)固，保證墻身支撐于硬巖上且保證混凝土墻身面與拱座基礎(chǔ)面齊平。

4.2.2 鉆進(jìn)

管棚孔的鉆進(jìn)采用水平鉆，鉆頭直徑為φ127，在嚴(yán)控外傾角度為3°，并隨時檢測鉆進(jìn)角度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

鋼管頂入時采用人工和借助于挖掘機(jī)等機(jī)具輔助頂入施工。頂入時應(yīng)穩(wěn)妥緩慢，并隨時掌握好方向，防止硬頂將管頂彎致使施工中斷。

4.2.3 注漿

注漿材料采用水灰比0.8∶1～1∶1的水泥砂漿。向管棚鋼管內(nèi)注漿順序為先下后上，全孔可采用一次注漿，注漿初壓0.8～1.0 MPa，終壓2.0 MPa，具體漿液配合比及注漿壓力應(yīng)由現(xiàn)場試驗確定。

4.3 斜井開挖與出渣

斜井開挖采用全斷面開挖法，一次開挖成形。施工采用人工風(fēng)動鑿巖機(jī)鉆眼，爆破開挖，每次開挖進(jìn)尺1 m。

由于主拱基礎(chǔ)傾角大，利用一般斜井設(shè)備出渣困難，施工進(jìn)度慢，同時由于施工場地限制采用挖機(jī)配合龍門吊提升料斗出渣方式進(jìn)行施工。

4.3.1 提升設(shè)備

提升設(shè)備采用移動式30 t龍門吊。其參數(shù)：跨度22.3 m，豎向提升高度最大50 m，龍門吊基礎(chǔ)采用1.0×0.8×1.0 m，C35混凝土基礎(chǔ)，支腿采用φ426×16 mm 鋼管、2I40a型鋼墊梁，龍門吊軌道采用P43軌道。龍門吊及提升料斗出渣如圖6所示。

圖6 龍門吊及提升料斗出渣示意(單位：m)

鋼管與混凝土基礎(chǔ)連接采用1 cm厚預(yù)埋鋼板焊接形式，鋼管與工字鋼采用焊接連接，樁板墻上豎向鋼管沿龍門吊橫向側(cè)面采用4根鋼絲繩斜向固定于樁板墻上以增加整體穩(wěn)定性，其余豎向鋼管間采用[14槽鋼剪刀撐連接穩(wěn)固。龍門吊平面位置距離拱頂水平距離最小3 m，在軌道兩端設(shè)置走行限位裝置。

4.3.2 拱座基礎(chǔ)斜井出渣

出渣采用挖掘機(jī),通過龍門吊將其提升下放。挖機(jī)出渣完畢后放炮前將其提至洞口橫移至拱座外側(cè)，待放炮結(jié)束后直接吊放至孔底繼續(xù)裝渣、出渣。

單個拱座基礎(chǔ)采用2套16 m3料斗裝渣，渣土通過龍門吊提升出洞口，由于拱座基礎(chǔ)實際角度限制,利用料斗豎直提升運(yùn)輸高度約為27 m，至樁底剩余15 m渣土采用豎向開槽，擴(kuò)大開挖面方式進(jìn)行出渣，槽口寬度為6.0 m，高度8.5 m。對于這部分拱架支護(hù)暫時不封閉成環(huán)，為保證其整體穩(wěn)定性，此部分設(shè)置大拱腳。

4.4 基礎(chǔ)斜井洞內(nèi)支護(hù)

預(yù)應(yīng)力錨索是依靠巖體與錨索的黏結(jié)摩擦阻力達(dá)到對錨固體的支護(hù)、加固作用[4-5]，由自由段和錨固在基巖中的錨固段組成。因此錨索施工中鉆孔、注漿、張拉等各個環(huán)節(jié)的規(guī)范操作和嚴(yán)格把控是確保錨固效果的有力保障。

4.4.1 錨索施工

1)錨索制作

錨索制作時，鋼絞線長度應(yīng)較設(shè)計長度增加1.5 m 錨頭張拉段。錨索涂刷防腐油脂，自由段錨索外套φ22聚乙烯塑料套管隔離防護(hù)。

2)錨索鉆孔與注漿

錨索鉆孔采用干鉆，孔徑130 mm，并采用高壓風(fēng)清孔。錨索孔位點(diǎn)誤差[6]控制在小于等于10 cm,終孔孔軸偏差控制在小于等于孔深的2%,方位角偏差控制在小于等于3°,確保施工中不出現(xiàn)串孔等現(xiàn)象。

注漿前必須做好封孔，注漿采用M35水泥砂漿，注漿壓力0.6～0.8 MPa。注漿采用自孔底向上一次性有壓注漿技術(shù)，中途不得停灌，保證漿液飽滿密實，確保錨固段完全被水泥漿握裹住。必要時對孔口段進(jìn)行補(bǔ)漿，不得有里空外滿的現(xiàn)象，待注漿體強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的70%以上時進(jìn)行張拉鎖定。

3)錨索張拉

張拉作業(yè)前必須對張拉機(jī)具和儀器進(jìn)行標(biāo)定，調(diào)校。先預(yù)緊張拉，再進(jìn)行錨索整束分級張拉。采用小千斤頂單股預(yù)緊張拉，使鋼束繃直和整體張拉時索體受力均勻[7]。預(yù)張拉值取0.1～0.2倍設(shè)計張拉力值，對錨索進(jìn)行1～2次預(yù)張拉，使錨固體各部分接觸密貼，再按設(shè)計鎖定噸位張拉鎖定。錨索張拉分5級進(jìn)行，即設(shè)計張拉力的25%，50%，75%，100%，110%，每一級需要穩(wěn)定2～5 min，最后一級需要穩(wěn)定20～30 min。

4.4.2 聯(lián)合支護(hù)形成

錨索張拉通過環(huán)向設(shè)置的2I20a鋼墊梁施加，將力均勻分配給型鋼拱架，實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力錨索和斜井鋼拱架錨噴支護(hù)構(gòu)成聯(lián)合支護(hù)，確保斜井的施工安全。

5 結(jié)語

采取預(yù)應(yīng)力錨索+型鋼拱架錨噴支護(hù)的全斷面開挖，再配合龍門進(jìn)行施工機(jī)械及渣土的垂直、縱向運(yùn)輸出渣的施工方法，成功解決了夜郎河大橋超大斷面大角度拱座基礎(chǔ)開挖支護(hù)、出渣等技術(shù)難題。該開挖施工工藝獲得了2項國家發(fā)明專利，出渣裝置獲得了1項實用新型專利，可供同類工程參考。