香溪長江大橋南岸邊坡防護方案評價與優化*

董一鳴 王同民 鄭宏偉

(1.武漢輕工大學土木工程與建筑學院 武漢 430040； 2.中鐵大橋局集團第七工程有限公司 武漢 430050；3.湖北秭興長江大橋建設開發有限公司 宜昌 443600)

1 工程概況

香溪長江大橋在兵書寶劍峽上游峽口處由南向北從郭家壩鎮跨越長江至香溪鎮胡家坪，其主橋設計橋型為主跨(主橋交界墩間距)531.2 m的中承式鋼箱桁架推力拱橋[1]。大橋拱肋施工采用纜索吊裝法施工，工程施工期間，單幅纜塔基礎所承擔的最大荷載約7×104kN[2]。

南岸拱座分上、下游側單獨設置，挖基順橋向邊坡大于60 m，屬典型高邊坡，距離拱頂高約40 m處設有橋墩，并作為扣纜塔基礎，拱座頂面以上3級坡面需進行特殊加固防護及邊坡抗滑設計。經過方案比選，初步擬定邊坡防護如下。

方案一：15 m承臺+18根樁+錨索。

方案二：9 m承臺+12根樁+錨索，見圖1。

圖1 拱座邊坡防護方案簡圖(單位：m)

2 橋址區地質結構特征

根據實地地質調查與鉆探勘察結果，橋址區南岸橋頭邊坡上部覆蓋層主要為第四系雜填土(Q4ml)、殘坡積成因的碎石土層(Q4el+dl)，出露基巖主要為三疊系下統嘉陵江組第三段(T1j3)白云質灰巖。

南岸岸坡主要為橫向坡，整體穩定，表部存在一定厚度的卸荷巖體，主要構造形跡為小型褶曲、溶洞、斷層及裂隙[3-4]。表部巖體中順層發育的相對軟弱的含有角礫狀灰巖的J-1#，J-2#夾層以及沿軟弱層發育的f1，f2小斷層，上述順層軟弱帶局部臨空，f1與f2斷層順J-1#，J-2#角礫巖近平行發育，斷層帶充填斷層泥及碎裂巖，部分為泥質膠結，遇水易崩解、軟化，局部斷面可見擦痕。f1斷層以上的部分在強降雨或地震工況下存在順層面滑移的可能。橋頭邊坡作為橋梁地基，如若失穩或變形過大將直接導致橋梁結構破壞。

3 計算模型及步驟

采用三維有限差分方法研究拱座高邊坡的變形、塑性區及結構(樁基+錨索)受力。建立三維數值模型(見圖2)，模型范圍設置為順橋向(X軸)、橫橋向(Y軸)與垂直向(Z軸)均180 m。模型坐標系以橋梁中心線為X軸，向北為正；鉛直方向為Z軸，向上為正；Y軸與X,Z軸構成右手坐標系，圖4中斷層產狀為320°∠30°，傾向與橫橋向相近。

圖2 三維計算模型

巖體及結構面采用彈塑性Mohr-Coulomb本構模型，巖體物理力學參數根據室內力學試驗見表1，其中卸荷帶以外參數取飽和參數，卸荷帶以內取天然參數。對邊坡幾何模型設置邊界條件為左右(X向)、前后(Y向)和底面(Z向)約束[5-6]。其中大直徑挖孔樁采用實體單元模擬，直徑2 m，長38 m，錨索采用結構單元模擬，錨索總長30 m，錨索結構前20 m為自由段，后10 m為錨固段，錨索預應力為600 kN[7-8]。

表1 巖體及結構面力學參數計算采用值(天然狀態)

由于研究對象位于地表淺層，計算分析時僅考慮自重應力作用。

邊坡開挖加載分析采用以下計算步驟：①天然邊坡自重平衡；②自重位移清零，模擬承臺以上邊坡的開挖；③位移清零，模擬樁基礎的開挖建造；④承臺下4級邊坡開挖與支護；⑤拱座開挖；⑥扣纜塔荷載加載，單個承臺荷載7×104kN，通過集中力施加在樁頂。

4 計算結果分析

建立方案一與方案二的三維數值模型，增加無支護模型。采用相同步驟和參數開展邊坡開挖及加載模擬，得到各方案承臺中心點位移隨施工步發展曲線，見圖3，由此可知：

1) 當前狀態下樁基施工以及1階施工曲線平緩，對邊坡擾動較小。

2) 與f1斷層相交的2、3階開挖后，承臺順橋向位移相對增速較快；2～4階及基座開挖后，邊坡橫橋向位移相對增速較快，最大位移為拱座基礎開挖后，位移不足0.25 mm。

3) 扣纜塔加載產生水平位移量值均不大，有支護的方案中位移值均小于0.1 mm。

4) 15 m平臺方案優于9 m平臺方案，在支護和未支護方案中，15 m平臺方案位移均小于9 m 平臺，且位移增速較平緩。

5) 相對無支護方案，樁錨支護能進一步減小位移發展。

圖3 承臺中心位移隨施工步序發展曲線

考慮到實際施工中樁基施工采用人工開挖，成孔較慢，對工程進度影響較大。根據上述結論，由于樁基施工以及1階開挖施工對邊坡擾動較小，可提出樁基與1階邊坡同步開挖施工，后安裝錨索和建造樁基的施工工序，此優化工序施工完成后邊坡順橋向及橫橋向最大位移與原方案相當，見圖4，而錨索索力相比15 m平臺方案在初始應力600 kN的基礎上變化更小，主要表現在2，3，4階開挖后，均比15 m平臺錨索索力小0.4 kN。

圖4 優化后承臺中心位移隨施工步序發展曲線

5 結語

1) 三維數值模擬結果表明橫橋向和順橋向位移均小于0.5 mm，巖體中未形成拉裂面，因此錨索應力基本未發展。

2) 在15 m平臺方案、9 m平臺方案及對應未施加樁錨方案中，15 m平臺方案邊坡變形及結構受力最小。

3) 當前狀態下樁基施工及1階施工對邊坡擾動較小。提出樁基與1階邊坡同步開挖施工，后安裝1階錨索和建造樁基的施工步序，該步序施工完成后相比原方案位移增大0.02 mm，后續開挖步序新增位移基本未變化。

綜上，拱座高邊坡在未開挖及開挖未支護工況下有安全風險，15 m平臺方案較9 m平臺方案施工位移較小，能更好地達到穩定性要求。

[1] 詹建輝，張銘，張家元.宜昌香溪長江公路大橋主橋設計[J].橋梁建設，2017(3)：7-12.

[2] 肖開乾，鄭宏偉，王同民，等.湖北香溪長江公路大橋具備拱肋吊裝條件[J].世界橋梁，2017(3)：94-95.

[3] 羅明明，肖天昀，陳植華,等.香溪河巖溶流域幾種巖溶水系統的地質結構特征[J].水文地質工程地質，2014(6)：13-19，25.

[4] 賈洪彪，馬淑芝，唐輝明，等.巴東長江公路大橋橋址區斜坡穩定性有限元分析[J].測繪科學技術學報，2013(5)：456-460.

[5] 馮濤，王春雷，張友誼.邊坡穩定性分析的FLAC數值模擬法[J].路基工程，2006(6)：89-91.

[6] 杜宇本，鄭光，蔣良文，等.大瑞鐵路瀾滄江大橋工程邊坡穩定性三維數值模擬分析[J].地質力學學報，2010(1)：108-114.

[7] 張恩峰，周健，宋修廣，等.預應力錨索錨固效應的三維數值模擬及工程應用研究[J].地質力學學報，2006(2)：166-173.

[8] 董必昌,舒陶浪,安新強,等.邊坡抗滑樁優化設計[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2010,34(6):1138-1140,1145.