王超， 周志興

(中交二航局第五工程分公司， 湖北 武漢 430040)

重力式錨碇作為懸索橋重要結(jié)構(gòu)，依靠巨大的自重及基底摩阻力來(lái)抵抗主纜的豎向分力和水平分力，因此，基礎(chǔ)持力層承載力和剛度直接關(guān)系大橋的結(jié)構(gòu)安全。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念是將錨碇基礎(chǔ)底部置于硬巖層之上，基礎(chǔ)埋置深度大，依靠基底巖層來(lái)承受錨碇自重。巖層的低壓縮性和高強(qiáng)度，能夠輕易使得錨碇滿足變位和強(qiáng)度的要求，埋深一般可達(dá)30～50 m，但埋深過(guò)大導(dǎo)致基坑支護(hù)開(kāi)挖深度大，基坑支護(hù)及防水難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高，錨碇基礎(chǔ)則一般采用地連墻支護(hù)形式[1]。

伍家崗長(zhǎng)江大橋江南錨碇基礎(chǔ)首次將錨碇持力層選擇在強(qiáng)透水砂卵石層上，地質(zhì)條件復(fù)雜，基坑開(kāi)挖較傳統(tǒng)深挖基坑有著較大區(qū)別。該文主要從地質(zhì)水文條件出發(fā)，結(jié)合傳統(tǒng)基坑支護(hù)工藝和實(shí)際特點(diǎn)，研究強(qiáng)透水砂卵石層錨碇基坑支護(hù)方案，并根據(jù)實(shí)際效果驗(yàn)證方案的合理性[2]。

1 工程概況

伍家崗長(zhǎng)江大橋位于湖北宜昌，為雙塔鋼箱梁懸索橋，主跨1 160 m。

江南重力式錨碇設(shè)計(jì)為直徑85 m、深15 m的圓形擴(kuò)大基礎(chǔ)，基坑開(kāi)挖深度為15.5 m。

1.1 地質(zhì)條件

根據(jù)地表測(cè)繪和鉆孔揭露，南岸重力錨碇部位覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)的人工堆積層和上更新統(tǒng)洪、坡積層等，各地層巖性從上至下分述如下：

①-2層：粉質(zhì)黏土、含少量碎塊石及礫石，呈可塑狀；主要分布于南側(cè)柑橘地表部，厚度2.9～5.4 m。

④-1層：粉質(zhì)黏土，土體內(nèi)多見(jiàn)細(xì)砂團(tuán)塊，多見(jiàn)灰黑色鐵錳質(zhì)結(jié)核，偶含礫石；厚2.0～7.8 m，層底高程為61.0～65.6 m。

④-2-1層：含粉土卵礫石土，厚度3.5～9.2 m，局部?jī)H厚0.5 m，層底高程為56.20～60.6 m。

④-2-2層：含中粗砂卵礫石，總體呈中密狀，少量呈稍密狀。厚5.2～20.6 m，層底高程為38.2～52.9 m。

從巖層上分析，錨碇基底位于不均勻砂卵石層，需充分考慮非巖持力層的承載力問(wèn)題，因此要對(duì)復(fù)合地基加固進(jìn)行研究[3]。

1.2 水文條件

錨碇位于長(zhǎng)江二級(jí)階地，巖層走勢(shì)類似深溝，是地表水匯集和排泄通道，大氣降雨大部順坡匯入深溝并最終以地下水徑流形式流出，導(dǎo)致地下水豐沛，同時(shí)受雨季影響明顯。

其次，工程區(qū)地下水按賦存條件分為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水，第四系孔隙潛水較為穩(wěn)定，基巖裂隙水為弱透水，巖層總體以微透水為主。同時(shí)，長(zhǎng)江二級(jí)階地與長(zhǎng)江處于平行狀態(tài)，長(zhǎng)江水位對(duì)錨碇基本無(wú)影響。因此，橋址區(qū)內(nèi)以地下水徑流為主，經(jīng)試驗(yàn)，水位長(zhǎng)期處于59.0～60.5 m，雨季稍高，受外界補(bǔ)、排影響不大，而錨碇基坑底部標(biāo)高為55.3 m，試驗(yàn)確認(rèn)基坑水位降至高程54.53 m時(shí)涌水量Q為5 634.56 m3/d，為強(qiáng)透水砂卵石層。

1.3 特點(diǎn)分析

(1) 重力錨基坑開(kāi)挖深度約15.5 m，開(kāi)挖面積較大，土層穩(wěn)定性差。

(2) 地下水豐富且強(qiáng)透水。

綜上所述，需采用有效降水或止水措施，并及時(shí)支護(hù)擋土，且基坑施工完成后需滿足基底砂卵石層干燥條件，便于后期進(jìn)行注漿加固提高錨碇持力層的地基承載力[4]。

2 總體方案研究

經(jīng)調(diào)研國(guó)內(nèi)外大型基坑支護(hù)技術(shù)，擬定了以下4種施工方案：

(1) 方案1：全放坡開(kāi)挖+地下水引流。

(2) 方案2：兩級(jí)放坡開(kāi)挖+咬合樁。

(3) 方案3：兩級(jí)放坡開(kāi)挖+地連墻。

(4) 方案4：兩級(jí)放坡開(kāi)挖+鉆孔灌注樁支護(hù)+高壓旋噴樁止水帷幕。

2.1 方案1：全放坡開(kāi)挖+地下水分流

按照J(rèn)GJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》等基坑支護(hù)參數(shù)計(jì)算分析，砂卵石層地質(zhì)條件適宜采取放坡開(kāi)挖的方式，結(jié)合地理?xiàng)l件和后期地基基礎(chǔ)干處理的方式，首先分析全放坡開(kāi)挖方式(圖1)。

圖1 全放坡開(kāi)挖方案立面布置圖(單位：m)

采用3級(jí)放坡開(kāi)挖，每級(jí)開(kāi)挖深度5 m，1、2級(jí)邊坡坡比為1∶1，3級(jí)邊坡坡比為1∶1.5。每級(jí)平臺(tái)寬度為2 m，總開(kāi)挖直徑為130 m，開(kāi)挖量為13萬(wàn)m3，而基底處于地下水位以下3.7 m。

根據(jù)地下水常年位于二級(jí)階地的情況，而長(zhǎng)江一級(jí)階地高度為52 m，較基底高度55.3 m低，可采用在錨碇上游側(cè)100 m的位置開(kāi)槽打通二級(jí)階地與一級(jí)階地，形成排水通道將錨碇地下水排放至長(zhǎng)江，進(jìn)行地下水引流，達(dá)到基底干燥的條件。排水通道開(kāi)挖深度為18.3 m需要同步進(jìn)行放坡分級(jí)支護(hù)，開(kāi)挖長(zhǎng)度約110 m，開(kāi)挖落差高度為21 m，總開(kāi)挖量約為19萬(wàn)m3。該方案解決錨碇地下水的方式為引流，整體開(kāi)挖方式簡(jiǎn)單，施工設(shè)備組織難度小。但上游側(cè)地下水經(jīng)側(cè)向開(kāi)渠引流到長(zhǎng)江，可能出現(xiàn)排水不完全，無(wú)法達(dá)到基坑干施工條件，且對(duì)下游地理環(huán)境可能造成不可逆的破壞。

2.2 方案2：兩級(jí)放坡開(kāi)挖+咬合樁

兩級(jí)放坡開(kāi)挖每級(jí)高度5 m，一級(jí)坡比1∶1，二級(jí)坡比1∶1.5，開(kāi)挖直徑139 m，開(kāi)挖量為8.7萬(wàn)m3(圖2)。

圖2 兩級(jí)放坡開(kāi)挖+咬合樁方案立面布置圖(單位：m)

咬合樁主要用于房建及地鐵項(xiàng)目大型基坑支護(hù)。如圖3所示的素混凝土樁基中間打入鋼筋混凝土樁實(shí)現(xiàn)樁基之間的咬合，多根排樁相互咬合形成環(huán)更具擋土止水的效果。

圖3 咬合樁結(jié)構(gòu)示意圖(單位：m)

咬合樁共計(jì)292根，樁徑1.5 m，樁心距1.05 m，咬合量為0.45 m，樁身深入巖層3 m，根據(jù)地層分布樁均長(zhǎng)25 m，可達(dá)到擋土止水的效果。咬合樁總體成孔工藝采用旋挖鉆成孔，導(dǎo)管法澆筑混凝土。

該方案能有效解決地下水止水難題，保障基坑干施工環(huán)境，同時(shí)兩級(jí)放坡至地下水位以上，開(kāi)挖組織及管理均較為簡(jiǎn)單。但咬合樁結(jié)構(gòu)一般多應(yīng)用在房建及地鐵工程，成樁工藝較為復(fù)雜。

2.3 方案3：兩級(jí)放坡開(kāi)挖+地連墻

基坑兩級(jí)放坡開(kāi)挖方式與2.2節(jié)一致。

地下連續(xù)墻廣泛應(yīng)用于重力式錨碇基坑支護(hù)，適用于開(kāi)挖深度較深的基坑。其施工為在地面上采用一種挖槽機(jī)械，沿著深開(kāi)挖工程的周邊軸線，在泥漿護(hù)壁條件下，開(kāi)挖出一條狹長(zhǎng)的深槽，清槽后，在槽內(nèi)吊放鋼筋籠，然后用導(dǎo)管法灌筑水下混凝土筑成一個(gè)單元槽段，如此逐段進(jìn)行，在地下筑成一道連續(xù)的鋼筋混凝土墻壁，作為截水、防滲、擋水結(jié)構(gòu)。

以錨碇基礎(chǔ)為邊界，采用直徑為85 m，平均深度為25 m的地連墻施工，具備擋土防滲作用(圖4)。

圖4 兩級(jí)放坡開(kāi)挖+地連墻方案立面示意圖(單位：m)

該方案可以保證基坑安全開(kāi)挖，地連墻止水效果好，是錨碇基坑支護(hù)的常規(guī)工藝，但其工藝所采用的設(shè)備投入量大，對(duì)開(kāi)挖后的場(chǎng)地要求高，施工成本大。

2.4 方案4：兩級(jí)放坡開(kāi)挖+鉆孔灌注樁支護(hù)+高壓旋噴樁止水帷幕

基坑兩級(jí)放坡開(kāi)挖方式與2.2節(jié)一致。

鉆孔灌注樁直徑為150 cm，樁間距1.8 m(凈間距0.3 m)，樁底嵌入中風(fēng)化礫巖層3 m，平均樁長(zhǎng)25 m，均為鋼筋混凝土樁基，共151根，；灌注樁外側(cè)設(shè)一圈高壓旋噴樁作為止水帷幕，旋噴樁直徑0.8 m，平均樁長(zhǎng)25 m，樁頂設(shè)置鋼筋混凝土冠梁寬3 m、高1.5 m；基坑兩級(jí)放坡開(kāi)挖見(jiàn)圖5。

圖5 鉆孔灌注樁支護(hù)+高壓旋噴樁止水帷幕立面圖(單位：m)

該方案結(jié)構(gòu)施工工藝較為成熟，施工組織管理難度小，但支護(hù)效果由鉆孔灌注樁和止水帷幕共同決定，施工質(zhì)量控制難度大。

3 方案對(duì)比分析

3.1 工藝難度

大開(kāi)挖結(jié)合地下水引流主要通過(guò)機(jī)械開(kāi)挖的方式進(jìn)行施工，逐級(jí)開(kāi)挖逐級(jí)支護(hù)，工藝單一，施工難度小。

咬合樁目前多采用全套管鉆機(jī)成孔和旋挖鉆成孔工藝，項(xiàng)目選擇旋挖鉆泥漿護(hù)壁成孔工藝，在施工過(guò)程中主要控制成孔垂直度，保證相鄰孔位切割面的結(jié)合度，達(dá)到止水效果。目前旋挖鉆施工工藝成熟，設(shè)備投入量小，但在砂卵石層施工，存在擴(kuò)孔率高、塌孔等問(wèn)題，施工過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注成孔及混凝土灌注情況，以確保成樁質(zhì)量。

地連墻廣泛應(yīng)用于錨碇深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，具有剛度大，擋土止水效果好，但施工過(guò)程中工藝工序較多，應(yīng)用于砂卵石層時(shí)，對(duì)泥漿護(hù)壁的要求比較高，易出現(xiàn)相鄰墻段對(duì)接不準(zhǔn)確等問(wèn)題；其次，進(jìn)入巖層前需要更換抓斗取土為沖擊鉆，工藝轉(zhuǎn)換銜接難度大；最后，地連墻涉及機(jī)械設(shè)備需求大，總體上在砂卵石層施工地連墻控制難度較大。

鉆孔灌注樁與高壓旋噴樁的結(jié)合方式與咬合樁有異曲同工之妙，先施工鉆孔灌注樁，同樣采用旋挖鉆成孔，導(dǎo)管法澆筑混凝土，再在鉆孔樁外側(cè)施工高壓旋噴樁，最后在高壓旋噴樁與鉆孔樁中間部位進(jìn)行注漿加固，工藝流程長(zhǎng)，涉及機(jī)械設(shè)備數(shù)量多，難度大。

3.2 造價(jià)分析

根據(jù)工程量計(jì)算4種方案人材機(jī)投入數(shù)量，結(jié)合市場(chǎng)詢價(jià)，計(jì)算各方案造價(jià)如下：

(1) 方案1：土石方開(kāi)挖量為32.2萬(wàn)m3，回填量為20.9萬(wàn)m3，土石方開(kāi)挖綜合單價(jià)為65元/m3，回填綜合單價(jià)為5元/m3，總造價(jià)為2 197.5萬(wàn)元。

(2) 方案2：樁徑1.5 m，均長(zhǎng)25 m鋼筋混凝土樁146根，單樁綜合單價(jià)為5萬(wàn)元/根；素混凝土樁146根，單樁綜合單價(jià)為3萬(wàn)元/根；土石方開(kāi)挖量為8.7萬(wàn)m3，回填量為1.2萬(wàn)m3，總造價(jià)為1 739.5萬(wàn)元。

(3) 方案3：外圈直徑86.5 m，內(nèi)圈直徑85 m，深度25 m的地下連續(xù)墻，地連墻混凝土5 049 m3，地連墻鋼筋1 350 t，土石方開(kāi)挖回填量與方案2相同，總造價(jià)為1 966.6萬(wàn)元。

(4) 方案4：樁徑1.5 m，均長(zhǎng)25 m鋼筋混凝土樁151根，樁長(zhǎng)25m高壓旋噴樁151根，高壓旋噴樁綜合單價(jià)為14 700元/根，土石方開(kāi)挖回填量與方案2相同，施工成本總價(jià)為1 548.5萬(wàn)元。

3.3 安全性

主要對(duì)比施工安全管理及相關(guān)方面。

大開(kāi)挖結(jié)合地下水引流，開(kāi)挖量總計(jì)達(dá)到32.2萬(wàn)m3，一方面棄土量大，而項(xiàng)目周圍棄土場(chǎng)選擇難度大，開(kāi)挖深度較其余方案深5 m，基坑穩(wěn)定性安全風(fēng)險(xiǎn)更高；另一方面存在地下水引流后對(duì)二級(jí)階地下游生態(tài)環(huán)境影響風(fēng)險(xiǎn)，總體開(kāi)挖環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)與安全風(fēng)險(xiǎn)都較大。

其余均為兩級(jí)開(kāi)挖，開(kāi)挖量減少，生態(tài)環(huán)保方面影響減小，附近棄土場(chǎng)可滿足要求。

其余3種方案結(jié)構(gòu)安全上均滿足擋土止水的效果，且都存在泥漿處理環(huán)節(jié)，咬合樁與鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁方案所需泥漿量較地連墻方案所需泥漿量少，泥漿處理難度較小。

從施工安全性方面對(duì)比，樁基施工設(shè)備單一，數(shù)量少，安全管控難度較地連墻施工更簡(jiǎn)單。

3.4 小結(jié)

4種方案綜合比選結(jié)果如表1所示。

表1 4種方案綜合比選

大開(kāi)挖方案存在影響下游生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，且開(kāi)挖量較大安全風(fēng)險(xiǎn)較大；地連墻方案施工工藝復(fù)雜，施工成本高，質(zhì)量控制難度大；咬合樁方案相較于高壓旋噴樁方案，施工工序較少，施工質(zhì)量控制難度小，綜合考慮選用兩級(jí)放坡開(kāi)挖+咬合樁方案，即方案2。

4 咬合樁施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 咬合樁工藝選型

國(guó)內(nèi)外常用的咬合樁施工工藝主要有全套管鉆機(jī)成孔和旋挖鉆泥漿護(hù)壁成孔兩種。全套管鉆機(jī)成孔主要通過(guò)套管護(hù)壁鉆進(jìn)成孔，采用旋挖鉆配合鉆進(jìn)取土，采用超緩凝混凝土，在混凝土初凝前進(jìn)行切割，使相鄰兩根樁基相互咬合達(dá)到擋土止水的效果。旋挖鉆成孔與常規(guī)群樁施工基本相同，先施工素混凝土樁，待其強(qiáng)度較高時(shí)再用旋挖鉆進(jìn)行切割后澆筑鋼筋混凝土樁，實(shí)現(xiàn)樁與樁的咬合。兩種工藝比較見(jiàn)表2。

表2 咬合樁施工工藝比較

從設(shè)備投入上看，旋挖鉆成孔投入少，成本小，施工難度小，工期基本一致，因此選擇旋挖鉆成孔工藝。

4.2 旋挖鉆咬合樁施工工藝施工要點(diǎn)

(1) 在砂卵石層采用旋挖鉆泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)成孔，易發(fā)生孔口塌孔現(xiàn)象，需采用護(hù)筒導(dǎo)向，精確定樁位。

(2) 鋼筋混凝土樁施工時(shí)切割兩根素混凝土樁，需保證兩根素混凝土樁樁頂標(biāo)高基本一致，保證開(kāi)始切割期間鉆頭兩側(cè)受力均勻，保證鋼筋混凝土樁位。

(3) 泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)完成后，切割面上可能存在泥漿，必要時(shí)采取清理措施，以保證切割面的有效咬合。

(4) 嚴(yán)格控制樁基施工過(guò)程中的垂直度，在旋挖鉆自身垂直度數(shù)據(jù)監(jiān)控的基礎(chǔ)上，還需采用其他方法定期監(jiān)控，確保樁基垂直度，保障后期切割尺寸。

5 方案實(shí)施應(yīng)用效果

伍家崗長(zhǎng)江大橋江南錨碇基坑采用兩級(jí)放坡開(kāi)挖+咬合樁的施工方案，基底開(kāi)挖完成后經(jīng)基坑監(jiān)測(cè)驗(yàn)證邊坡和咬合樁穩(wěn)定性良好，基坑內(nèi)外水位監(jiān)測(cè)驗(yàn)證止水效果良好，無(wú)滲漏現(xiàn)象，保持了基底干燥，為下一步施工創(chuàng)造了良好的施工環(huán)境。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)伍家崗長(zhǎng)江大橋江南錨碇基坑支護(hù)方案研究與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，提出了砂卵石層大型基坑支護(hù)新方案，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的良好效果驗(yàn)證了方案的正確性，拓展了錨碇基礎(chǔ)持力層選位，攻克了不良地質(zhì)條件下錨碇基礎(chǔ)支護(hù)難題，首次將咬合樁施工技術(shù)應(yīng)用到橋梁錨碇基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上，可為今后同類型復(fù)雜地質(zhì)條件下修建大型橋梁工程提供借鑒。