中铁建大桥工程局集团第一工程有限公司
摘要：源头水库特大桥5号主墩地形及地质条件复杂。该主墩位于悬崖峭壁上，墩位处坡度达54°,下临水库，地形陡坎，整个山体覆盖层浅，下伏基岩面高低起伏较大。设计为低桩承台，承台尺寸大，开挖部分深度大，悬空部分面积大，基础作业平台施工极为困难。经过方案研究比选，采用主、被动防护网组合支护水库上方的边坡，对承台开挖部分进行钻爆开挖施工；并且依托现场地形，充分利用仰斜式、台阶式、锚杆式等3种挡墙的特点，创新组合形成墙高内有预留孔洞的锚杆台阶仰斜组合式挡土墙，作为承台悬空部分的回填料支挡结构。5号主墩技术创新，达到了缩短施工周期，降低成本，降低施工难度和安全风险，提高环、水保实施程度的目的。
关键词：山区陡坎地形;低桩承台;基础作业平台;大开挖;悬空;组合式挡土墙;施工技术研究;
收稿日期：2021-05-17
基金：中铁建大桥工程局集团第一工程有限公司2018年度科技创新项目开发计划，项目编号18-21;
在山区陡坎V字地形中架设桥梁时，桥墩多处于地势高低起伏的山坡上。受美观和地质条件限制，多采用低桩承台设计。一般情况下，承台开挖深度较大，悬空面积较多，在采用常规开挖、修建衡重式挡土墙、回填形成施工作业平台等施工工艺后进行基础处理，施工难度、工程量、施工风险以及环、水保要求均较大。为此，对江西省萍乡～莲花高速公路源头水库特大桥5号主墩基础作业平台的施工技术开展研究，以探索适合于山区陡坎复杂地形桥梁低桩承台基础作业平台的施工建造技术。
源头水库特大桥主桥孔径及孔数为90m+2×160m+90m,上部结构为预应力混凝土变截面连续刚构，下部结构由空心墩和矩形承台(均设计为低桩承台)组成。主墩承台平面尺寸为12.8m×12.8m,高度为5m,每个承台下设9根桩基，直径为2.2m,长52m。该桥跨越萍水河一级支流麻山水，毗邻源头水库和G319省道，地形及地质条件困难复杂，特别是5号主墩。5号主墩位于悬崖峭壁上，墩位处坡度平均达54°,下临水库大坝，地形陡峭；整个山体覆盖层浅，下伏基岩面高低起伏较大，岩层坚硬；从原地面需要平均垂直开挖30m方可进行桩基施工，边坡陡峭且设计无防护措施；左幅共有6根桩基处于承台悬空部分，悬空部分约占比承台总空间的2/3,最大悬空高度为7m,最大悬臂长度为9m。考虑桩身的内力、位移及稳定性，兼顾毗邻省道的美观效果，设计单位将该承台设计为低桩承台。5号主墩的基础立面和左幅基础平面分别如图1和图2所示。
5号主墩位左、右幅承台开挖部分的高度大，方量多，地质坚石比例高。由于临近水库大坝和G319省道，对安全和环、水保的要求严格。
承台悬空部分面积及长度均较大，桩基外露数量多、高度大，桩基和承台施工难度大，施工安全和施工质量的隐患多，施工风险大，基础作业平台建造困难。
建设期内工期紧张，资金有限，并且基础施工时正值雨季。
图15号主墩基础立面布置
图25号主墩左幅基础平面布置
承台开挖部分采用静态爆破后机械开挖的措施，施工周期长，价格昂贵，方案可行性差，因此不作为对比选择，而是选择其他两种可行施工方案进行综合比较。方案1为被动防护网+机械开挖，即在开挖线下方和水库临山坡面上方，设置被动防护网，阻止大型挖掘机械开挖时滚石进入水库，满足水库安全和环水保要求。方案2为主、被动防护网+钻孔爆破开挖，即在开挖线下方和水库临山坡面上方，除了设置被动防护网外，还在钻孔爆破深度范围的边坡坡面设置主动防护网，阻止爆破产生的飞石和滚石进入水库，满足水库安全和环、水保要求。两种方案经济分析见表1。
表1承台开挖方案经济对比分析
序号
子目名称
单位
被动防护网+机械开挖方案工程数量
主、被动防护网+钻爆开挖方案工程数量
综合单价/元
被动防护网+机械开挖方案合价/元
主、被动防护网+钻爆开挖方案合价/元
1
土地征拆费
亩
0.58
0.27
35000
20464.8
9550.2
2
被动防护网
m2
450
1350
235.5
105975
317925
3
主动防护网
0
1924
125.1
240692.4
4
机械开挖石方
m3
60765
50.7
3080785.5
5
钻爆法挖石方
20.4
1239606
6
合计
3207225.3
1807773.6
由表1可知，方案1和方案2都能满足安全和环水保要求。但是，方案2不仅比方案1节约施工造价约140万元，而且施工周期更短，因此承台开挖部分的施工选择方案2,即主、被动防护网+钻孔爆破开挖方案。
承台悬空部分直接进行土石方填挖施工桩基平台的填挖施工难度大，工程量巨大，且下临水库，没有可行性，故不作为对比选择。钢管+型钢、贝雷梁组成钢平台的方案适用于高桩承台设计，而5号主墩为低桩承台，故此方案也不可行，也不作为对比选择。所以，选择其他两种可行方案进行综合比较。方案3采用常规衡重式挡土墙(结构构造如图3所示)支挡后填土。方案4依托现场地形，充分利用仰斜式、台阶式、锚杆式等3种挡土墙的特点，创新组合形成墙高内有预留孔洞的锚杆台阶仰斜组合式挡土墙(结构构造如图4所示)支挡，无回填。方案3和方案4经济分析见表2。
图35号主墩衡重式挡土墙方案构造
图45号主墩被动防护网和组合式挡土墙构造
表2承台悬空处理方案经济对比分析
常规衡重式挡土墙方案工程数量
组合式挡土墙方案工程数量
常规衡重式挡土墙方案合价/元
组合式挡土墙方案合价/元
挡墙人工挖石方
486
113.6
115.3
56035.8
13098.08
C25混凝土
1348
753.72
832.01
1121549.48
627104.07
HRB40028mm钢筋锚杆
kg
1893.36
3303.72
15.15
28684.4
50051.36
80mm注浆
m
336
522
150.24
50480.64
78425.28
回填开山石渣(人工整平)
1377.6
103.5
142581.6
1399331.9
768678.8
相较于方案3,方案4不仅可节约施工造价约63.1万元，而且能有效地减少或改善常规衡重式挡土墙方案的施工弊端。
综上所述，承台开挖部分采用方案2,即主、被动防护网+钻孔爆破开挖方案；承台悬空部分采用方案4,即组合式挡土墙方案。方案2+方案4是源头水库特大桥5号主墩基础作业平台建造的最佳组合，施工难度小、工期短、成本低，环、水保程度较高，施工风险较小。
主动防护网在开挖坡面设置，被动防护网在开挖坡面以下设置3层。这种双重保险能有效阻止承台开挖爆破飞石和挡墙开挖的石块滚落，达到了水库和省道对钻爆开挖环、水保和安全的要求。
在山体坡面上修建挡土墙，在构造上能够解决承台悬空问题，在受力上能够承受墙后填料的压力和承台混凝土在未形成强度之前的均布荷载作用，以此形成桥梁基础作业平台。
充分利用现场地形陡坎和覆盖层浅的特点，将仰斜式、台阶式、锚杆式等3种挡土墙创新组合形成墙高内有预留孔洞的锚杆台阶仰斜组合式挡土墙，支挡无回填。墙体和山体相接部分采用反坡度台阶式，反坡度使得挡墙的垂直力矩减小，挡墙的抗倾覆稳定系数提高。由于台阶底宽呈下小上大形状，不利于挡墙抗倾覆、抗滑稳定性，因此台阶式部分采用锚杆设计，充分利用锚杆的抗拉拔特性，锚杆穿透表层强风化岩进入中风化岩层至少2m,切断最危险滑动面，使滑动半径增大，提高整体抗滑稳定性，并且也减少了石方开挖量，提高了环水保程度。
组合式挡墙依附地形斜向设置，与地形同方向，所以与山体表面之间的距离较近，单面支模。墙背回填范围直接在施工墙身时采用混凝土填充，与墙身同步浇筑，不再需要墙背回填施工。组合式挡墙墙身截面尺寸内有桩基通过，此处设计一个边长为桩径+0.4m的矩形内模，使得墙身中空，利于后续的桩基施工。
挡土墙主要受回填混凝土作用力(主动土压力)、平台顶机械或构造荷载及自重作用，组合式挡土墙的抗倾覆稳定性、抗滑移稳定性及其基础承载能力是需要首要考虑的。计算工况分为两种：工况一为钻孔桩施工时，其主要承受荷载为土压力+墙身自重+旋挖钻机荷载；工况二为承台施工时，主要承受荷载为土压力+墙身自重+承台均布荷载(挡墙上方的承台混凝土浇筑后，初凝前，桩基还未起到传力作用)。以工况二为最不利荷载组合。
挡土墙的抗倾覆稳定性是指其抵抗墙身绕墙趾向外转动倾覆的能力，用抗倾覆稳定系数K0表示。K0为对墙趾的稳定力矩之和∑MY与倾覆力矩之和∑M0的比值，见式(1)。
K0=∑MY∑M0(1)Κ0=∑ΜY∑Μ0(1)
根据组合式挡土墙结构设计，其抗倾覆力主要由挡土墙自重提供，倾覆力主要由回填混凝土和承台混凝土压力提供。
经计算，K0=1.41<1.5,不满足抗倾覆要求。
为满足要求，增设锚杆来连接墙体与山体，以增强其抗倾覆稳定能力。锚杆锚固段的间距按1.5m布设，采用全长黏结锚杆，连接山体和墙体。
重新计算后，K0=1.83>1.5,满足抗倾覆要求。
根据挡土墙结构形式可知，墙背回填和墙体是同步施工的，墙背回填料压力的存在将使墙身绕着后墙趾点转动。当回填至地面线时，产生的土压力达到最大值，而墙身自重将对后墙趾点产生与土压力相反方向的弯矩，抵消土压力对岩石基础的作用效果。因此，只需考虑墙身自重，计算岩石基础的承载力，见式(2)。
σ1=∑GA+∑MW=270.3kN/m2≤400σ1=∑GA+∑ΜW=270.3kΝ/m2≤400kPa(2)
挡土墙的抗滑移稳定性是指在墙背回填料压力和其他荷载作用下，基础摩擦阻力+锚杆抗拔能力抵抗挡土墙滑移的能力，用滑移稳定系数Ke表示。Ke为作用于挡土墙的抗滑力与实际下滑力之比，见式(3)。
Ke=(μ∑N+Eb+Ep)/Ex(3)
式中：∑N为作用在基础的竖向力之和；Eb为锚杆水平抗拔力；Ep为被动土压力；Ex为水平土压力。该岩石层摩擦系数取0.4。
根据该墙身的受力情况，计算可得Ke=1.67>1.3。
根据以上计算可知，该挡土墙的抗倾覆稳定性、基础承载力及抗滑移稳定性均能满足要求。
根据现场实际地形，先进行施工便道放样、拉线。施工便道从G319省道经主线路基修至源头水库特大桥左幅5号主墩承台处，长度约2500m,平均宽度7.5m,平均纵坡约为10%,每隔400m设置一个错车道。
根据设计图纸承台底标高来确定山体开挖面。开挖坡面范围内设置主动防护网1776m2,在开挖坡面以下设置3道被动防护网(第一道长100m、第二道长120m、第三道长140m)。被动防护网布置如图5所示。
图5被动防护网设置示意
主动防护网系统使用以钢丝绳网为主的各类柔性网覆盖或包裹需防护的斜坡或岩石，以限制坡面岩土体的风化剥落或破坏以及危岩崩塌，起到加固作用和围护作用。
被动防护系统由钢丝绳网、高强度铁丝格栅网、锚杆、工字钢柱、上下拉锚绳、消能环、底座及上下支撑绳等部件构成，立柱间距10m,高度为7m。被动防护网对所防护的区域形成坡面防护，从而阻止崩塌岩石的下坠，起到边坡防护的作用。
根据承台与原地面标高差值计算，平均垂直开挖深度达30m。将承台开挖部分现场分级爆破挖除，挖至承台垫层底标高，边坡坡比为1∶1,每8m设置一级2m宽的平台。
由于受水库环、水保限制，挡土墙基础只能使用人工开挖，总长度约为30m,总宽度为3～4m。由于作业范围有限，必须集中搬运手工挖掘的石头，并采用吊车吊装转移。
挡墙以稳定风化岩为持力层，埋深不小于0.6m,地基承载力特征值≥400kPa。对于不符合要求的部分采用换填夯实处理。
受现场地质和地形影响，挡墙基础自上而下开挖，形成台阶式。由于台阶底宽呈下小上大形状，不利于挡墙抗倾覆及抗滑稳定性，因此经计算后采用打入岩石锚杆的措施，增强挡墙及现状边坡的抗倾覆、抗滑稳定性，同时增强挡墙与现状边坡的整体性。
组合式挡土墙采用全长黏结锚杆，如图6所示。锚杆全长7m,锚固在山体内6m,应穿透表层强风化岩进入中风化岩层至少2m,锚杆外露1m与挡土墙墙体锚固。
图6基础及墙身根部锚杆大样
单位：cm
基础采用C25混凝土分段分层浇筑，尤其要保证在挡墙横桥向和纵桥向的拐角处与该层混凝土同步浇筑，提高结构连接的完整性。
每层之间均应凿毛处理，使用HRB40028mm钢筋作为接茬钢筋，最顶一层台阶基础与最底一层墙身一起浇筑。
墙身截面尺寸内有桩基通过。为便于后续桩基施工，此处设计一个边长为桩径+0.4m的矩形内模，使得墙身中空。要注意墙身根部锚杆在此处应避让桩身范围。由于墙身截面尺寸在此处变小，并且考虑到墙身与边坡坡面间距离较近，为确保受力并减少墙后回填量，加快施工进度，墙身均使用单面模施工。内模与内模之间，内模与山体坡面之间均采用混凝土填充，与墙身同步浇筑(不再需要墙背回填)。墙身分层施工，每层墙身底部的长度方向与山体接缝位置采用一排HRB40028mm锚杆垂直打入山体，锚杆横纵向间距均为0.5m,单根长度为2m,埋深岩层中1m,伸入墙体中1m,以此增强墙身和山体之间的连接并保证墙身的截面尺寸。
组合式挡土墙施工现场如图7所示，工后现场如图8所示。
图7组合式挡土墙施工现场
图85号主墩基础作业平台工后现场
(1)主、被动防护网安装到位后，方可进行石方爆破施工。
(2)采用主动防护网可减少飞石产生的数量，采用覆盖炮被、钢丝网、砂袋的措施，以减小飞石距离。
(1)台阶式基础开挖后，底部必须清理平整到位。
(2)挡土墙墙身与山体之间的全长黏结锚杆，必须锚入稳定的中风化岩层至少2m,否则应增加锚杆设计长度。
(3)墙背回填混凝土与山体之间的连接钢筋在山体部分的孔洞空隙，必须使用高强度水泥净浆做灌浆封闭处理，以增加连接性。
源头水库特大桥5号主墩基础平台建造技术方案成功地解决了在陡坎复杂地形，毗邻水库和省道，对安全和环、水保要求高的条件下，桥梁承台开挖量大、悬空面积大的问题。采用主、被动防护网组合支护水库上方的边坡，对承台开挖部分进行钻爆开挖施工，并依托现场地形，充分利用仰斜式、台阶式、锚杆式等3种挡墙的特点，创新组合形成墙高内有预留孔洞的锚杆台阶仰斜组合式挡土墙。利用现有技术组合和新材料，产生了新的工艺方案。与单独采用机械开挖和常规衡重式挡土墙回填方案相比，新方案具备一定的创新性，方法简单、操作方便、材料用量少，人工和机械使用量低，工期比计划提前了28d，施工造价节省了约208万元，同时有效减少了安全方面的隐患和风险，减少了对源头水库和山体坡面的环、水保损害。
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