驸马长江大桥重力锚深基坑开挖支护方案研究

余鑫

摘要 悬索桥重力锚基坑具有工程量大、技术难度高、不可预见因素多等特点，依据桥址区的地质情况，选择适宜的开挖、支护方案，对确保施工安全至关重要。驸马长江大桥北岸重力锚基坑位于长江北岸一堆积体斜坡上，该区域受滑坡影响，岩质多属软岩或极软岩，易诱发边坡失稳。鉴于工程特殊性，文章依托驸马长江大桥重力式锚碇基坑工程，研究超深锚碇基坑垂直开挖和支护设计，通过地勘、滑坡稳定性分析、设计方案优化等，制定针对性的垂直开挖支护设计方案，保证了工程顺利实施，对同类工程有一定参考价值。

关键词 悬索桥;锚碇;基坑;开挖支护

中图分类号 F542.8 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）05-0167-05

0 引言

悬索桥重力式锚碇基坑开挖和支护安全可靠性不仅影响基坑本身，且往往会影响周边环境，一旦基坑边坡失稳坍塌将影响整个工程建设，因此锚碇基坑开挖支护方案设计显得尤为重要。

1 工程概况

驸马长江大桥是重庆万州至湖北利川高速（重庆段）跨长江控制性工程，主桥为1 050 m单跨双铰钢箱加劲梁悬索桥。北岸为重力式锚碇，锚碇基坑处于长江北岸一堆积体斜坡上，该区域受庄屋滑坡影响，为土质滑坡，滑动面为土层基岩接触面，滑坡前缘高程为187 m，后缘高程251 m，宽220 m，轴长260 m，厚8 m，方量46万m³。基坑受土溜、卸荷裂隙等影响，北岸近地表裂隙多张开，裂隙宽1～8 cm，发育间距0.5～1.4 m。基坑开挖尺寸为73 m×48 m，最深达38.5 m，基坑暴露时间长，基坑各方向标高变化大，剖面形状急剧变化，基坑北侧房屋较多，紧邻既有道路，开挖切坡易诱发土体浅层滑坡，增加了施工难度（如图1）。

2 基坑开挖支护技术

我国东部平原地区具有深厚的覆盖层，锚碇基坑常采用沉井[1]、矩形地下连续墙[2]、圆环形地下连续墙[3]等支护形式，积累了丰富的经验。中西部山岭重丘区，重力锚基坑边坡常为岩质边坡或土岩混合边坡，可充分发挥岩质边坡的优势，采用放坡开挖或者混合支护形式。

北岸锚碇地质条件复杂、开挖深度大、开挖方量大、防护面积大、工期紧、任务重，且存在施工期降雨量大等难点，合理的基坑开挖支护设计是关键。

3 地质勘察

地质勘察揭露北岸锚碇范围内实际岩土特征，根据地质物理力学参数，针对性地评价北岸锚碇区域地质构造、场地稳定性，以及水文地质条件等（如表1）。

4 岩土力学参数

4.1 岩土室内试验

取粉质粘土样3组进行土常规试验，取岩样7组进行物性、抗压试验。砂岩天然单轴抗压强度标准值为17.57 MPa，饱和单轴抗压强度标准值12.72 MPa，属软岩;泥岩天然单轴抗压强度标准值为6.15 MPa，饱和单轴抗压强度标准值3.86 MPa，属极软岩;粉砂岩天然单轴抗压强度标准值为3.61 MPa，饱和单轴抗压强度标准值1.85 MPa，属极软岩。

4.2 岩体基本质量分级

勘察探空显示锚碇深基坑地下岩层为侏罗系中统沙溪庙组的砂岩、粉砂岩和泥岩，根据现场地质调查结果和《公路工程地质勘察规范》（JTG C20—2011）定性了解岩体完整程度，并进行岩体基本质量分级。强风化岩体完整程度为破碎，为极软岩，基本质量分级为Ⅴ级;中风化岩体完整程度为较破碎-较完整，为软岩或极软岩，基本质量分级为Ⅳ级和Ⅴ级。

4.3 地质参数确定

4.3.1 岩土参数确定

试验得出岩土体力学参数见表2、表3。

4.3.2 地基承载力确定

按《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63—2007）附录F试验得出的地基承载力见表4。

4.3.3 地基磨阻系数

按《水利水电工程岩石试验规程》（SL 264—2001）、《工程岩体试验方法标准》（GB/T 50266—2013）进行试验。锚碇前缘基底摩阻系数为0.64，中部为0.63，后缘为0.59，综合摩阻系数为0.61。

综上，锚碇区物探橫剖面基岩面基本稳定，无断层破碎带。锚碇区揭露松散层为第四系残坡积粉质黏土和第四系崩坡积粉质黏土混碎石，侏罗系上沙溪庙组（J2s）泥岩及砂岩，岩层产状155°∠3°，泥岩属软岩，遇水易软化，失水易崩解。锚碇区裂隙水较贫乏，中风化岩层通过压水试验揭露为相对隔水层，锚碇底标高214.70 m，高于三峡最高洪水位175 m。锚碇区基岩埋置深度较浅，中风化岩层埋置深度约15 m，基岩以中风化砂质泥岩为主，夹中风化砂岩，围岩级别为Ⅳ级，适用重力锚。

5 滑坡地段稳定性分析

5.1 模型建立

采用有限元软件Phase2对北岸滑坡堆积体二维稳定性计算分析，以大桥轴线及基坑中轴线作为计算剖面。模型底边宽1 100 m，左边界高350 m，右边界高64 m，底高程50 m。后缘节理倾角从上到下由陡变缓，在粉砂质泥岩中为50°，和下部近水平段滑带之间的过渡段为25°，滑带倾角为3°。根据地质勘探结果分析显示，长江水位位于滑带以下，北岸坡体地下水贫乏，计算模型中不考虑地下水位。

计算模型包含7种岩土体材料：

（1）粉质粘土夹碎块石，主要位于堆积体后缘凹陷区。

（2）粉质粘土，主要位于凹陷区以下的斜坡地表。

（3）上部砂岩，位于斜坡上部以及砂质泥岩内部。

（4）砂质泥岩，位于斜坡中部，是组成滑坡堆积体的主要成分。

（5）滑床基岩。

（6）滑带，位于砂质泥岩和滑床砂岩之间。

（7）陡倾节理，位于滑体后缘。

对模型底部边界施加固定约束，对左、右侧边界施加水平位移约束，地表面采用自由边界。模型统一采用三节点三角形单元网格剖分，对后缘节理和滑带区域进行适当加密[4]，划分出7 422个单元体，3 800个节点。北岸堆积体二维计算模型及网格剖分见图2（①号线条表示材料边界，②号边界为基坑开挖范围）。

5.2 模型参数

滑床基岩采用线弹性模型，滑床以上的岩土体（砂岩、砂质泥岩、滑带）均采用弹塑性模型、Mohr-Coulomb屈服准则，岩土体参数依据室内试验，结合当地经验等综合确定，滑坡堆积体计算参数见表5。

5.3 计算工况

影响北岸堆积体稳定性主要因素是降雨，同时研究区位于地震基本烈度Ⅵ度区，在稳定性计算中主要考虑，工况1：天然状态，工况2：天然状态+暴雨，工况3：天然状态+地震，暴雨工况通过设置地表岩土体的饱和参数来实现，地震工况通过施加水平地震力来实现，水平地震加速度取值0.05 g。

稳定性评价标准：参考对比国内不同行业的边坡安全系数选取标准，结合堆积体边坡的地质情况以及工程重要性，将堆积体在上述3种工况下的安全系数分别拟定为：1.35、1.20、1.10。

5.4 模拟结果

初始地应力场的生成采用了分阶段弹塑性求解法，首先，将模型中所有材料的粘聚力和抗拉强度设置成较大值，进行弹性求解，直至达到力的平衡状态;然后将粘聚力和抗拉强度重置为初始值，再进行塑性求解，直至达到最终的平衡状态。图3是模型初始地应力场的竖向应力云图，从图3中可以看出，竖向应力σz随着深度的增加而增大，符合一般规律。

3种不同工况下的稳定性计算均是在初始模型基础上进行。

经计算分析，古滑坡堆积体3种工况下均处于整体稳定状态，其中天然状态下安全储备较高，地震条件下有所降低，暴雨条件下安全储备最小[5]，见表6。尽管堆积体在暴雨条件下安全储备较小，但计算结果反映最危险部位仅局限于斜坡段地表残坡堆积土层，基坑正式开挖之前，基坑表面一定深度范围内土体应提前清理，因此降雨不会对基坑造成危险。综上，古滑坡堆积体整体稳定性满足工程要求。

6 开挖支护方案设计

根据锚碇基坑范围地勘结果，综合考虑施工期锚碇基坑边坡稳定性及场地受限等因素，选择“防护桩+垂直开挖+锚索支护”进行优化。锚碇深基坑先实施防护桩支护，基坑壁上部14 m中、强风化基岩段采用分层垂直开挖，后采用预应力锚索加固，设置宽2 m马道;下部基岩采用垂直开挖。为保证锚碇基坑施工开挖、锚碇施工期间的安全性，对开挖基坑边坡进行稳定性分析并研究支护加固措施。对K1～K2、K2～K3方向两个典型剖面进行二维边坡极限平衡稳定性分析。计算时仅考虑施工期及施工期+暴雨2种工况（如图4）。

6.1 纵坡（K2～K3方向）

基坑边坡采用直径1.5 m防护桩，间距3 m，提供水平抗剪力1 000 kN，加5排60 t锚索，间距3 m×3 m，基坑边坡加固后稳定性计算结果见表7，锚碇基坑开挖纵向坡采用防护桩+锚索加固能满足安全系数标准。

6.2 横坡（K1～K2方向及K3～K4方向）

基坑边坡右侧采用直径1.5 m防护桩，间距3 m，提供水平抗剪力1 000 kN，左侧采用直径1.5 m防护桩，间距3 m，提供水平抗剪力500 kN支护加固，开挖基坑边坡加固后稳定性计算结果见表8，基坑开挖横向坡采用防护桩+锚索加固能满足安全系数标准。

6.3 优化设计

按设计方案支护后部分段稳定性系数较高，支护方案偏保守。支护优化时，防护桩及预应力锚索设计力不变，对锚索排数优化，优化后相应基坑边坡稳定性验算结果见表9。

7 结束语

（1）锚碇区揭露松散层泥岩属软岩，遇水易软化，失水易崩解，施工前应加强截排水措施。

（2）基坑正式开挖之前，基坑表面一定深度范围内土体必须提前清理，避免降雨对基坑造成危险。

（3）“防护樁+垂直开挖+锚索支护”具有安全性高、施工进度快、经济效益好、协调难度低等优点。

（4）设计方案避免对堆积体斜坡大开大挖，降低安全风险，提升环保景观效果。

（5）设计方案截水沟施工约20天、帽梁施工约30天、基坑开挖及边坡防护施工约95天，放坡开挖方案截水沟施工约30天、基坑开挖与边坡防护约162天，较放坡开挖可节约47天。

（6）根据工程量，设计方案较放坡开挖支护方案节省建安费189万元，降低征地费用约208万元，工期缩短节省间接管理费用150万元。

（7）设计方案与放坡开挖支护方案相比，开挖土石方量降低近10万m3，涉及征地弃土的问题，同时会产生中间倒运费，以及当地外部协调问题;另外，放坡开挖还会牵涉到既有县道改移，并削弱处于坡面上的3#、4#墩桩基承载力。

参考文献

[1]谢博识， 饶建辉. 跨越千米圆梦江阴——江阴长江公路大桥通车20周年回顾与展望[J]. 中国公路， 2019（11）： 16-23.

[2]郭竞宇. 江苏润扬长江公路大桥北锚碇基础围护结构设计优化[D]. 成都： 成都理工大学， 2003.

[3]赵文艺， 汪西华， 韩冬冬， 等. 棋盘洲长江公路大桥南锚碇深基坑支护分析[J]. 公路， 2019， 64（4）： 135-140.

[4]吴琼， 王晓晗， 唐辉明， 等. 巴东组易滑地层异性层面剪切特性及水致劣化规律研究[J]. 岩土力学， 2019（5）： 1881-1889+1897.

[5]胡泽铭. 四川红层地区缓倾角滑坡成因机理研究[D]. 成都： 成都理工大学， 2013.