大斷面斜井施工技術用于拱橋單樁拱座基礎

王秋會，汶文釗，曹俊鑫

(中鐵一局集團有限公司 技術研發中心，陜西 西安 710054)

拱橋的拱座基礎一般承受水平推力和豎直力。拱腳為一種傾斜式超大斷面隧道斜井式單樁基礎，其施工特點兼有深基坑和隧道的特點。本文以夜郎河大橋拱座基礎施工為例，介紹了一種新穎、可行的預應力錨索配合型鋼拱架錨噴支護的隧道式全斷面開挖方法，確保大傾角斜面上最大程度實現高效的機械化施工。

1 工程概況

夜郎河雙線特大橋位于遵義市桐梓縣境內，大橋為上承式鋼管混凝土X形提籃式拱橋，跨越V形夜郎河溝谷，坡面陡峭，橋梁軌底距離溝底210 m，施工條件復雜，施工難度大，是渝黔(重慶—貴陽)鐵路重難點工程[1]。

大橋單孔跨徑370.0 m，豎直平面內矢高為83.5 m，矢跨比為1/4.4，拱軸系數為5.0。拱座基礎為超大斷面傾斜單樁基礎，基礎斷面為橢圓形，長22.50 m、寬16.38 m，面積320 m2，樁基礎斜向高度42.00 m。拱座基礎位于溝谷坡面，場地狹小，洞口場地布置困難，出渣難度大。尤其是重慶端拱座基礎位于順層坡面上，巖層為泥巖，層狀傾斜，單樁基礎斜井與水平方向夾角55.19°，穩定性差，而且橋位下方有習新公路，大斷面斜井開挖施工風險高，施工周期長。本文主要以重慶端拱座基礎施工展開論述，其巖層傾斜情況見圖1。

圖1 拱座基礎巖層傾斜情況(高程單位：m;長度單位：cm)

2 開挖方案

2.1 方案選擇

原設計該側拱座基礎采用上下導坑臨時仰拱法施工，該方法因工作空間狹小且傾斜角度大，出渣只能采用挖掘機倒運，工作效率低。

重慶側存在層狀巖層傾斜不穩定因素，可采取預應力錨索加固措施增加滑裂面上的正應力和阻滑力[2]有利于邊坡穩定。

綜上，為了施工安全并考慮加快出渣，確保工期，最終采用預應力錨索支護并配合型鋼拱架錨噴支護全斷面隧道式開挖法施工。出渣采取龍門吊配合挖機垂直運輸方式。

2.2 施工方案

拱座基礎斜井采用全斷面開挖支護具體措施為：

1)在拱頂145°范圍采用54根φ108 mm,42 m長鋼管形成大管棚支護；

2)沿拱座基礎向上傾斜45°角，設置4層錨索，每層間距4 m，每個斷面設置5孔錨索，環向間距4.5 m，每孔6根，每根錨索長30 m，錨固段長10 m，自由段長20 m，錨索采用1×7標準型φ15.2 mm鋼絞線，強度 1 860 MPa，設計錨固力700 kN。另外，環向設置2I20a鋼墊梁實現錨索張拉。

3)采用35 cm厚C30混凝土噴錨護壁，內設HW175×175型鋼架，縱向間距0.6 m，閉合成環。拱部錨桿采用φ25中空注漿錨桿，兩側壁采用φ22砂漿錨桿，錨桿長均為3.0 m，按1.0 m×0.8 m交錯布置。

預應力錨索及噴錨支護施工方案如圖2所示。

圖2 預應力錨索及噴錨支護施工方案(單位：mm)

3 有限元數值模擬

3.1 計算模型

圖3 計算模型

3.2 參數

計算時材料的物理力學參數取值見表1。

表1 材料物理力學參數[3]

3.3 計算結論

施工階段分析開挖過程中圍巖、噴錨混凝土支護及管棚的應力、變形情況。初支的應力及變形情況能直觀反映開挖中的應力和變形變化，為施工提供明確的指導。初支最大應力計算結果見圖4，圍巖變形計算結果見圖5。

圖4 初支最大應力(單位：MPa)

圖5 圍巖變形(單位：mm)

由圖4可知：初襯最大主拉應力3.63 MPa，位于拱腰；最大壓應力8.69 MPa，位于拱墻；拉壓應力均比較小。

由圖5(a)可知拱頂最大變形值為9.45 mm，由圖5(b)可知開挖過程中橫向收斂變形值最大為 6.24 mm，即內縮值為12.48 mm，約在距離坑底8 m處。最大變形發生在橫斷面拱腰中心，施工中應加強變形觀測。

綜上可見全斷面開挖施工是可行的，加固效果明顯。

4 現場施工

4.1 施工工藝流程

拱座基礎斜井施工涉及管棚、預應力錨索施工、噴錨支護、垂直出渣等關鍵工序。其流程為:①施作拱頂145°范圍內超前大管棚；②施作洞口環向鎖口，并安裝洞口40 t龍門吊；③斜井全斷面開挖，布眼，鉆眼，裝藥，龍門吊提升料斗出渣，施作錨桿，復噴混凝土，噴混凝土，安裝鋼拱架；④斜井隧道支護；⑤安裝鋼筋、冷卻管與安裝拱腳預埋段；⑥澆筑混凝土。

4.2 管棚施工

4.2.1 拱座基礎洞門支護

從導向墻下部支撐墩底面沿拱座基礎開挖線方向環向設置C30混凝土墻身作為洞門支護結構。環向墻身結構尺寸為1 m×1 m，墻身內設置環向抗裂構造鋼筋。

洞門環向墻施工時先測量放樣確定其平面位置，然后利用挖機配合人工風鎬掏槽方式進行，與混凝土接觸面位于基巖上且須穩固，保證墻身支撐于硬巖上且保證混凝土墻身面與拱座基礎面齊平。

4.2.2 鉆進

管棚孔的鉆進采用水平鉆，鉆頭直徑為φ127，在嚴控外傾角度為3°，并隨時檢測鉆進角度進行相應調整。

鋼管頂入時采用人工和借助于挖掘機等機具輔助頂入施工。頂入時應穩妥緩慢，并隨時掌握好方向，防止硬頂將管頂彎致使施工中斷。

4.2.3 注漿

注漿材料采用水灰比0.8∶1～1∶1的水泥砂漿。向管棚鋼管內注漿順序為先下后上，全孔可采用一次注漿，注漿初壓0.8～1.0 MPa，終壓2.0 MPa，具體漿液配合比及注漿壓力應由現場試驗確定。

4.3 斜井開挖與出渣

斜井開挖采用全斷面開挖法，一次開挖成形。施工采用人工風動鑿巖機鉆眼，爆破開挖，每次開挖進尺1 m。

由于主拱基礎傾角大，利用一般斜井設備出渣困難，施工進度慢，同時由于施工場地限制采用挖機配合龍門吊提升料斗出渣方式進行施工。

4.3.1 提升設備

提升設備采用移動式30 t龍門吊。其參數：跨度22.3 m，豎向提升高度最大50 m，龍門吊基礎采用1.0×0.8×1.0 m，C35混凝土基礎，支腿采用φ426×16 mm 鋼管、2I40a型鋼墊梁，龍門吊軌道采用P43軌道。龍門吊及提升料斗出渣如圖6所示。

圖6 龍門吊及提升料斗出渣示意(單位：m)

鋼管與混凝土基礎連接采用1 cm厚預埋鋼板焊接形式，鋼管與工字鋼采用焊接連接，樁板墻上豎向鋼管沿龍門吊橫向側面采用4根鋼絲繩斜向固定于樁板墻上以增加整體穩定性，其余豎向鋼管間采用[14槽鋼剪刀撐連接穩固。龍門吊平面位置距離拱頂水平距離最小3 m，在軌道兩端設置走行限位裝置。

4.3.2 拱座基礎斜井出渣

出渣采用挖掘機,通過龍門吊將其提升下放。挖機出渣完畢后放炮前將其提至洞口橫移至拱座外側，待放炮結束后直接吊放至孔底繼續裝渣、出渣。

單個拱座基礎采用2套16 m3料斗裝渣，渣土通過龍門吊提升出洞口，由于拱座基礎實際角度限制,利用料斗豎直提升運輸高度約為27 m，至樁底剩余15 m渣土采用豎向開槽，擴大開挖面方式進行出渣，槽口寬度為6.0 m，高度8.5 m。對于這部分拱架支護暫時不封閉成環，為保證其整體穩定性，此部分設置大拱腳。

4.4 基礎斜井洞內支護

預應力錨索是依靠巖體與錨索的黏結摩擦阻力達到對錨固體的支護、加固作用[4-5]，由自由段和錨固在基巖中的錨固段組成。因此錨索施工中鉆孔、注漿、張拉等各個環節的規范操作和嚴格把控是確保錨固效果的有力保障。

4.4.1 錨索施工

1)錨索制作

錨索制作時，鋼絞線長度應較設計長度增加1.5 m 錨頭張拉段。錨索涂刷防腐油脂，自由段錨索外套φ22聚乙烯塑料套管隔離防護。

2)錨索鉆孔與注漿

錨索鉆孔采用干鉆，孔徑130 mm，并采用高壓風清孔。錨索孔位點誤差[6]控制在小于等于10 cm,終孔孔軸偏差控制在小于等于孔深的2%,方位角偏差控制在小于等于3°,確保施工中不出現串孔等現象。

注漿前必須做好封孔，注漿采用M35水泥砂漿，注漿壓力0.6～0.8 MPa。注漿采用自孔底向上一次性有壓注漿技術，中途不得停灌，保證漿液飽滿密實，確保錨固段完全被水泥漿握裹住。必要時對孔口段進行補漿，不得有里空外滿的現象，待注漿體強度達到設計強度的70%以上時進行張拉鎖定。

3)錨索張拉

張拉作業前必須對張拉機具和儀器進行標定，調校。先預緊張拉，再進行錨索整束分級張拉。采用小千斤頂單股預緊張拉，使鋼束繃直和整體張拉時索體受力均勻[7]。預張拉值取0.1～0.2倍設計張拉力值，對錨索進行1～2次預張拉，使錨固體各部分接觸密貼，再按設計鎖定噸位張拉鎖定。錨索張拉分5級進行，即設計張拉力的25%，50%，75%，100%，110%，每一級需要穩定2～5 min，最后一級需要穩定20～30 min。

4.4.2 聯合支護形成

錨索張拉通過環向設置的2I20a鋼墊梁施加，將力均勻分配給型鋼拱架，實現預應力錨索和斜井鋼拱架錨噴支護構成聯合支護，確保斜井的施工安全。

5 結語

采取預應力錨索+型鋼拱架錨噴支護的全斷面開挖，再配合龍門進行施工機械及渣土的垂直、縱向運輸出渣的施工方法，成功解決了夜郎河大橋超大斷面大角度拱座基礎開挖支護、出渣等技術難題。該開挖施工工藝獲得了2項國家發明專利，出渣裝置獲得了1項實用新型專利，可供同類工程參考。