棚洞在高陡短邊坡中的應用

常秀峰

1 工程概況

二道河棚洞位于十天高速公路漢中東段十六合同段，起訖樁號:XK310+118.75～XK310+185，原設計為路塹，左側最大挖深46.65 m，右側最大挖深16 m，且XK310+150處為最大挖深點，而XK310+170處挖深僅12 m，山體聳立，存在嚴重偏壓。同時該地區(qū)潮濕多雨，地質為強風化花崗巖，見水見風后容易出現(xiàn)塌方。考慮到該地勢短且陡峻，如按原設計施工，對本段自然植被破壞較大，影響美觀，故路基左線采用隧道明洞通過，右線仍采用路塹通過。但按照傳統(tǒng)的隧道形式，一方面偏壓很大，施工風險太高，另一方面本標段原設計沒有隧道，若僅施工這么一座短隧道成本太高，通過幾番論證協(xié)商，決定采用箱式棚洞通過(結構圖如圖1所示)。

2 設計描述

2.1 原設計

棚洞設計界限凈寬10.5 m，橫斷面組成為:(0.5+0.5+2×3.75+1+1)m，界限高度6.4 m。雙側設檢修道，結構采用鋼筋混凝土箱式結構，配筋11 t/m。山體防護設6根抗滑樁，間距6 m，截面3 m×2 m;棚洞基底以下8 m～10 m，棚洞基底以上17 m～21 m;設計要求抗滑樁最小埋深8 m;抗滑樁頂面一級邊坡不大于10 m，坡比1∶0.8，坡面采用噴錨防護。

棚洞在抗滑樁部分采用分離式基礎，抗滑樁外側采用整體式基礎。靠近抗滑樁一側墻厚100 cm，外側為梯形結構，上口120 cm，下口295 cm，頂板厚100 cm;鋼筋配置為11 t/m。

2.2 最終設計

棚洞開挖過程中，發(fā)現(xiàn)由大里程到小里程6根抗滑樁變形位移逐漸加大，K310+137處抗滑樁最大位移達12 cm，為確保山體穩(wěn)定和棚洞安全，經(jīng)設計院檢算增加錨索與抗滑樁共同受力，考慮到整個工程的美觀，抗滑樁設在回填頂面(即抗滑樁頂下4 m位置)，工程完工后采用回填土隱蔽抗滑樁橫梁;同時為加強棚洞的受力，在抗滑樁部分的棚洞基礎由分離式改變成整體式，且在基底增加錨桿，錨桿長3 m，間距1 m×1 m。

3 棚洞施工質量控制要點

1)抗滑樁施工過程中嚴格控制豎直度，禁止侵入棚洞墻體內，造成棚洞墻體厚度不夠或破壞抗滑樁確保墻體厚度。2)棚洞開挖過程中嚴格監(jiān)控抗滑樁的位移變形，如發(fā)現(xiàn)變形必須采用有效措施。3)開挖到錨索位置時必須先施工錨索，待錨索張拉后方可開挖棚洞。4)開挖后，墻體在抗滑樁部分必須采用可行措施剝裂樁體表面的山體和混凝土護壁，使墻體和樁體結合起來共同受力。5)箱體腳手架必須經(jīng)驗算合格后方可施工。6)洞頂回填和綠化需結合實際，同周圍環(huán)境必須協(xié)調。

4 設計方案的研究

1)如果重新設計棚洞，可以通過《錨桿抗滑樁內力計算的初參數(shù)法研究》確定最佳錨索長度和抗滑樁嵌入基底深度配置，以達到山體穩(wěn)定，保證公路運營過程中棚洞不受力。2)根據(jù)回填土厚度確定棚洞結構尺寸及配筋，同時考慮到棚洞外側的美觀，可結合以往公路棚洞設計多樣化，設計與當?shù)叵鄥f(xié)調的棚洞結構。3)實例。十天高速公路XK310+118～XK310+185穿越構造剝蝕低山丘陵較硬巖區(qū)，除棚洞進口端基巖出露外，其余地段被第四系殘坡積層覆蓋，厚度較大。山梁近南北走向，間夾沖溝切割，沿棚洞軸線山梁與沖溝間夾成波狀前起伏，地形較破碎。地層主要為揚子期花崗巖。根據(jù)本段巖層的性質，按最不利因素考慮計算破裂面仰角取45°，計算得出開挖后巖體的剩余下滑力為724 kN/m。

原設計方案采用抗滑樁方案，樁間距為6 m，截面尺寸為3 m×2 m，樁身混凝土采用 C30，其彈性模量為 E=3.0×10 kN/m2，其彎曲抗壓強度為16.5 N/mm2。原設計采用樁長30 m，其中基巖以上20 m，基巖以下錨固段10 m。后基巖以上13.6 m處抗滑樁兩側各增加一根5股錨索，錨索與水平夾角為25°，錨索的彈性模量為1.8×10 kN/m2，錨索的自由段長度為25 m。錨索的拉力按控制樁頂位移法求解，樁頂?shù)淖罱K水平位移以不超過3 cm為宜，求得錨索拉力為1 940 kN。

如采用錨索抗滑樁方案，破裂面仰角取45°，基巖以上13.6 m處設25 m錨索，錨索與水平夾角為25°，可得出錨索深入破裂面9.06 m，完全滿足受力結構;同時可考慮抗滑樁施工中預埋錨索導向管，將錨索直接作用在抗滑樁上。根據(jù)K法計算，埋深3 m即可。由于棚洞不參與受力，棚洞的底板和墻身可不考慮配筋，僅此一項可節(jié)約鋼筋9 t/m，而且底板下錨桿可取消。

5 棚洞在公路高陡短邊坡中擴大應用范圍的討論和建議

1)通過計算確定抗滑樁埋深和錨索長度和根數(shù)可降低成本。每2 m×3 m抗滑樁大概成本在1萬元左右，5股錨索成本在700元/m左右，由于在棚洞施工中利用回填土可以隱蔽抗滑樁上錨索橫梁，通過錨索和抗滑樁共同受力使抗滑樁由傳統(tǒng)意義上的懸臂受力變?yōu)楹喼芰Γ耆梢赃_到山體穩(wěn)定。合理計算抗滑樁的埋深與錨索設置的根數(shù)和長度，使棚洞不受力，可大大優(yōu)化棚洞結構尺寸和配筋，降低棚洞投資，擴大棚洞的應用范圍。2)完善抗滑樁、錨索和圍巖的共同受力體系，減弱棚洞的支護要求。就如隧道施工的新奧法一樣，由抗滑樁、錨索和圍巖的共同受力，棚洞設計僅起到美觀作用，這樣不僅棚洞的外露側可以同地形結合多樣化設計，而且大大降低了高短陡路基開挖深度，提高了路基穩(wěn)定性。3)認真考慮洞頂綠化作物對外露抗滑樁的視覺影響。洞頂綠化作物不僅要考慮與周邊環(huán)境的協(xié)調，也要考慮遮擋外露抗滑樁的要求。XK310+118.75～XK310+185左線采用棚洞通過后，由于設計時結合了實際地形地貌，不僅降低了邊坡高度，而且使棚洞成為了地方的一處亮麗風景。如果棚洞通過合理設計降低成本，它將在以后高陡短邊坡施工中得到廣泛應用。

［1］劉英樸，門玉明，藺興淼，等.錨桿抗滑樁內力計算的初參數(shù)法研究［J］.水文地質工程地質，2005(6):17-18.

［2］十天高速公路《二道河棚洞設計說明書》［Z］.