鐵路剛構斜拉橋主墩大型基礎深切灰巖順層山坡治理技術

曹 立

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

1 工程概況

黔張常鐵路長灣澧水大橋位于湖南省張家界市桑植縣利福塔鎮青龍村長灣組附近，橋梁與河面斜交。

1.1 長灣澧水大橋的孔跨布置

橋址區河谷呈“U”形，落差達80.7 m。如圖1所示，橋孔跨布置為：1-24 m簡支梁+(172+158) m單T剛構斜拉橋，全長369.1 m[1]。主墩2號墩墩高66 m，位于澧水河左岸山坡上，坡度25°～45°，承臺尺寸為31.7 m×20.3 m×5 m。

1.2 工程地質

出露地層為三疊系中統嘉陵江組灰巖，局部夾白云質灰巖，灰白色-青灰色，中厚-厚層，礦物成分以方解石為主，巖體較完整，巖質堅硬，錘擊不易碎。巖體表面溶蝕嚴重，溶蝕溝槽發育。

1.3 水文

地表水：工點處地表水主要為澧水河河水，水面高程248 m，百年水位268.50 m。地下水：橋址處地下水為巖溶裂隙水，補給來源主要為大氣降水，沿層理、溶隙徑流，排泄至澧水河中。根據水質分析報告結果，地表水及地下水水質均良好，對混凝土無硫酸鹽及氯鹽侵蝕性[2]。

圖1 長灣澧水大橋立面

1.4 不良地質

如圖2所示，2號墩處的主要不良地質為順層。巖層產狀N30°E/35°N，傾向小里程，與墩臺軸線夾角66°[3]。

圖2 2號墩處灰巖順層

2 施工前期，山體局部發生灰巖順層滑坡

圖3 一次順層滑坡

施工前期，先后發生了2次順層滑坡[4]。如圖3所示，2015年8月11日，為施工便道，進行局部小型爆破時，引起2號墩位范圍表層基巖順層滑坡，整個順層的石方滑入澧水河中，滑坡體25 m×20 m×2 m，近1 000 m3。

如圖4所示，2015年8月20日，在爆破長灣澧水大橋常德臺后方路塹石方時，由于爆破震動，導致橋臺左上部位發生順層滑坡，滑坡體40 m×50 m×5 m，近10 000 m3。

圖4 二次順層滑坡

3 穩定性分析

根據現場情況，對3種不同狀況下的灰巖順層山坡、邊坡進行了穩定性分析。

3.1 原始狀況下淺層灰巖順層山坡的穩定性分析

圖5 表層巖體層面泥土充填

巖層主要發育2組“X”形構造節理，節理產狀分別為N35～60°W/65°S～⊥N50～70°E/50～65°S。如圖5所示，表層主要為張開節理，沿節理面溶蝕嚴重，大部有泥土充填。節理一般從地面下切2～4層(1.5～3 m)，受節理灌入水流影響，節理切割的灰巖底部層面溶蝕較重，且水流攜帶的泥土充填于層中，形成軟弱夾層，層間結合力差。施工便道開挖山坡切腳，軟弱面上的灰巖下部失去支撐，同時爆破震動，在這兩個不利因素綜合作用下，巖體順層滑動。

根據相關規范判定[5]，淺層層面抗剪強度指標標準值為φ=12°，c=20 kPa。現場情況結合穩定性計算[6-10]，認為淺層灰巖順層山坡處于臨界狀態，遇擾動可能滑動。

3.2 原始狀況下深層灰巖順層山坡的穩定性分析

對順層滑坡的滑動面進行現場調查，滑動面下的灰巖完整，節理較不發育且密閉。如圖6所示，深部巖芯巖體完整性較好，層面平直光滑，無膠結，微張，無充填。兩者結合，可以判定深部灰巖的層面無軟弱夾層。

根據相關規范判定，深層層面抗剪強度指標標準值為φ=25°，c=60 kPa。現場情況結合穩定性計算，認為深層灰巖順層山坡基本穩定。

圖6 鉆孔深部巖芯照片

3.3 開挖狀況下深層灰巖順層邊坡的穩定性分析

如圖7所示，2號橋墩處基坑開挖，在2號橋墩靠山側形成了高達25 m左右的臨空面。根據深層層面抗剪強度指標進行穩定性計算，基坑開挖后的灰巖順層邊坡穩定安全系數為1.01，基本上處于臨界平衡狀態。

圖7 2號橋墩基坑橫斷面(單位：m)

4 灰巖順層邊坡的治理

2號橋墩處基坑開挖后的邊坡穩定安全系數只有1.01，不能滿足要求。在雨水下滲、爆破震動等因素影響下，有可能失穩，影響2號橋墩的安全。為保證施工及運營安全，采取了優化設計與施工組織等綜合措施加固灰巖順層邊坡。

4.1 優化設計

如圖8所示，原設計承臺是垂直鐵路中線布置。為降低靠山側基坑的開挖深度[11，12]，同時避免靠河側的樁基外露，就山勢地形調整承臺的布置，原設計的承臺順時針扭轉15°，并上抬3 m。

對3種不同狀況下的灰巖順層山坡、邊坡進行穩定性分析，以開挖狀況下深層灰巖順層邊坡的下滑力最大。灰巖順層邊坡穩定安全系數取1.2，每延米下滑力8 000 kN/m，在基坑靠山側設8根預應力錨索樁[13-14]，樁上設5根錨索，錨索施加預應力400 kN；錨索樁間掛鋼筋網噴C25混凝土。基坑上方側設錨索豎梁加固[15]，錨索間距3 m，20列、33排，共計660根，設計預應力值880 kN。由于錨索間距較小，為防止群錨效應，錨索采用一長一短的型式布置，長錨索的錨固段應全部置于短錨索底端的后面。基坑兩側邊坡采用預應力錨索豎梁加固。

圖8 2號橋墩承臺及施工平臺

4.2 優化施工組織

如圖8所示，原施工組織設計在2號橋墩左側順河以半填半挖的形式修建60 m×25 m的施工作業平臺。后優化施工組織，施工作業平臺改用型鋼搭建并盡量靠河設置，以避免作業平臺開挖山坡造成新的順層滑坡。

由于灰巖順層邊坡的穩定對外部因素敏感，制定了 “先加固再開挖”的施工工序[16]。施工工序：①清除加固范圍內坡面的浮石、危石；②施工橋墩基坑外的山坡錨索豎梁；③基坑挖至錨固樁頂面；④施工錨固樁以上的豎梁；⑤施工錨索樁；⑥基坑每2～3 m分層開挖，及時鎖定錨固樁的預應力。

為防止爆破誘發新的順層滑坡，采用了控制爆破、非爆開挖。表層孤石清理，采用小爆破解小及風鎬開挖，人工搬運清理；豎梁采用人工風鎬開槽；錨固樁采用水磨鉆開挖，隔1孔施工1根的方法施工；承臺基坑采用控制爆破法開挖。

5 結論

(1)巖溶區的灰巖順層，由于表層的灰巖巖體節理發育，水流順垂直節理灌入，在溶蝕巖體的同時，水流攜帶的泥土充填于表層的節理及層面，形成了軟弱夾層。在開挖切腳、爆破震動等因素影響下，誘發工程滑坡。

(2)優化設計，采取調整承臺布置以降低臨空面高度；設錨索樁和錨索豎梁加固措施。優化施工組織，嚴格控制施工因素對灰巖順層的影響，采取型鋼搭建作業平臺；按“先加固后開挖”的工序施工；控制爆破、非爆開挖措施。設計與施工的緊密結合保證了長灣澧水大橋2號墩處灰巖順層邊坡的加固成功。

[1] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.長灣澧水大橋(坡面加固專項設計)說明書[Z].西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2015.

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB10005—2010 鐵路混凝土結構耐久性設計規范[S].北京: 中國鐵道出版社，2010.

[3] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.長灣澧水大橋地質說明書[R].西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2015.

[4] 中鐵十一局集團有限公司，黔張常鐵路站前工程QZCZQ-6標長灣澧水大橋順層地質匯報報告[R].武漢：中鐵十一局集團有限公司，2015.

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