桩基础设计参考文献（拱桥斜桩基础综合施工技术研究）

邢俊平广西路桥工程集团有限公司

摘 要：对大倾角大断面拱座斜桩基础在施工阶段的有限元分析模拟、施工过程监控、出渣系统设计进行了相关研究。通过有限元模拟斜桩围岩及支护结构施工过程的应力及位移变化情况，对斜桩施工工艺改进有一定指导意义，同时该研究基于采矿业的斜井施工技术和隧道施工监控技术，参照了采矿业斜井出渣设计原理，设计了一套适合斜桩施工的结构轻型简单、运行稳定安全可靠的出渣系统。利用隧道施工监控技术与数值拟合分析技术，预报斜桩施工过程中的围岩及支护结构的稳定性，对拱座斜桩基础施工技术开发与应用具有一定的促进意义。

关键词：拱桥;斜桩基础施工;斜桩建模;施工监控;出渣系统;

基金：中央引导地方科技发展专项，项目编号桂科ZY20111020;

有水平推力的拱桥对拱座基础有较高的要求，其基础结构一般要求嵌入完整基岩，受地形地质条件影响较大。虽然地基基础施工技术不断发展，如地下连续墙[1]、咬合桩[2]等施工技术被不断创新应用于拱桥基础施工中，但在持力岩层埋置较深时，或者桥址处于落差较大的阶地河岸峡谷等时，大面积、大方量的明挖基坑面临较大施工风险。一种占地施工面积较小，开挖方量较小的斜桩基础结构被开发应用[3],斜桩施工同时具备基坑开挖和隧道的特点。目前拱座基础应用斜桩的建设案例较少，攀枝花市新密地大桥采用了斜桩基础，文献[4]详细介绍了斜桩施工中主体的工艺，但未涉及施工中先前模拟和施工过程中出渣、监控等细节工艺。夜郎河双线高铁特大桥为斜桩基础的上承式拱桥，其倾角达55.19°,在斜桩施工中采用龙门吊出渣工艺[5],该工艺具有较大局限性。本文基于大断面大倾角拱桥斜桩施工，借鉴采矿业斜井施工技术和隧道施工监控技术，参照采矿业斜井出渣设计原理[6,7],设计一套适合斜桩施工的结构轻型简单、运行稳定安全可靠的出渣系统。利用隧道施工监控技术与数值拟合分析技术，预报斜桩施工过程中的围岩及支护结构的稳定性。

1 工程概况

广西合山市合山红水河特大桥为中承式钢管混凝土拱桥，拱肋净跨径210 m, 计算矢跨比1/4。一岸拱座基础结构形式为扩大基础，另一岸为分离式斜桩基础。其中斜桩基础为大断面组合截面的单桩结构，基础高6 m, 宽6 m, 隧洞截面上半部分为半圆形，下半部分为矩形和弧形的组合形状，斜桩长30 m, 斜桩开挖角度为与水平面成46.185°,要求嵌入完整基岩不少于7 m, 桥型总体布置见图1。桥位上方为市政路，侧临航道局航道管理站，同时桥位阶地落差大，施工场地狭小，斜桩洞口施工及出渣组织布置困难。

图1 合山红水河特大桥总体布置 下载原图

采用人工挖孔桩工艺，洞口断面采用全断面开挖方法，斜桩前4 m采用长臂挖掘机在洞口平台开挖方法，其余部分采用爆破人工出渣开挖方式进行。洞渣出渣采用全新设计的轨道出渣系统进行出渣，钢筋笼采用钢筋加工厂加工成钢筋半成品后，在斜桩洞体内人工安装工艺，钢筋笼安装完成后采用旱桩浇筑工艺进行浇筑。

(1)施工机械进场，进行施工场地平整，先在成洞面上方5 m处设置截水沟。洞口边坡开挖坡度垂直于斜桩轴向，开挖完成后及时对斜桩成洞面及边坡进行挂网喷浆防护，洞口平台设置排水沟。

(2)斜桩洞身上方地表注浆：斜桩开挖前在洞身上方利用钢花管注浆加固覆盖层。注浆孔间距按2 m×2 m梅花形布置，在斜桩轴线左右各6 m及斜桩内2 m范围内布设，其深度于开挖轮廓外从地表至中风化基岩面，于边墙开挖轮廓内从地表至拱部开挖轮廓线外0.5 m或中风化基岩面。

(3)斜桩开挖：考虑到桩径较小、施工安全及出渣方式，按照全段面的开挖方法，每次进深1 m; 先进行斜桩套拱施工，再进行管棚注浆防护，随后正式进洞开挖；斜桩前4 m利用长臂挖机开挖，其余部分采用人工开挖。开挖到石灰岩岩层时采用光面爆破施工。

(4)斜桩支护：先开挖斜桩四周后进行初喷混凝土支护，然后架设钢拱架再复喷混凝土；先架设顶部径向钢拱架，再架设两侧壁径向钢拱架，最后架设隧洞底部径向仰拱钢拱架，形成闭合的钢拱架支护体系。

(5)出渣采用有轨运输工艺，借鉴采矿业有轨出渣系统，全新设计适合斜桩施工的轨道出渣系统，保障出渣过程中安全可靠。

2 有限元模型2.1计算模型

桥位地层地质主要由素填土、含砂黏土、含碎石黏土和中风化石灰岩组成。斜桩围岩掌子面揭露以强风化灰岩及黏土为主，黄褐色，软岩，结构松散，岩体破碎，节理裂隙发育，裂隙多夹泥，掌子面干燥，围岩自稳能力差。地层地质分布见图2。

图2 合山红水河特大桥地质岩层分布 下载原图

通过Midas GTS NX有限元软件建立三维有限元模型对斜桩施工工程进行模拟，模拟斜桩施工过程中斜桩应力变化及空间位移变化情况，验证施工支护方式及支护结构是否满足施工要求。土体网格单元采用混合体分割模拟，支护结构体系由I20型钢及C30喷射混凝土组成，模型单元总数约为137 000个，整体模型见图3,坡面防护及初支结构模型见图4。施工阶段模拟：(1)开挖；(2)初喷混凝土；(3)安装钢拱架；(4)复喷混凝土；(5)重复(1)～(4)。每次进尺1 m, 直至设计桩底标高，施工阶段模拟见图5。

图3 整体模型 下载原图

图4 坡面防护及初支 下载原图

图5 施工阶段模拟 下载原图

2.2参数选取

根据实际地勘报告，斜桩三维有限元模型材料属性参数取值见表1。

2.3计算结果

有限元模型模拟分析开挖过程中斜桩围岩、支护结构的应力及位移变形情况见图6和图7,可以为施工提供明确的指导。

表1 土体材料参数 下载原图

由图6和图7可以看出：在施工期间，支护结构最大应力为1.072MPa，拱顶最大沉降2.51mm，横向收缩为10.15mm；围岩最大应力为1.067MPa，拱顶最大沉降1.46mm，横向收缩为11.82mm。支护结构和围岩应力状态均处于较小值，变形位置发生在含碎石黏土层处，施工该部位时应及时支护和加强监测。

图6 斜桩结构应力 下载原图

图7 斜桩结构位移 下载原图

综上可知，采用全断面开挖斜桩桩体及桩体支护工艺可行。

3施工监测3.1施工监测布置

周边位移、拱顶下沉、地表沉降和斜桩支护状态是斜桩围岩应力状态变化的最直观反映，并综合评判斜桩结构稳定性，确保斜桩施工过程安全。根据周边位移和斜桩拱顶下沉变形速率判断斜桩围岩的稳定性，指导斜桩施工支护时机。为设计、施工等参建各方提供准确、及时和全面的变形量测数据，指导斜桩施工、确保施工安全。斜桩采用全断面开挖，参照《公路隧道施工技术规范》（JTG/T 3660-2020）全断面开挖方法对斜桩的位移量测的测线测点布置见图8和图9。并根据斜桩地质条件和工程特点，斜桩每3m（斜距）布设一个量测断面，周边位移及拱顶下沉监测点应布设在同一断面上。

图8 全断面测点布置 下载原图

图9 地表下沉测点布置 下载原图

3.2施工监测判断准则

根据《公路隧道施工技术规范》（JTG/T 3660-2020），可将斜桩设计的预留变形量作为极限位移，而设计变形量应根据监测结果不断修正。斜桩拱顶下沉或净空收敛速率大于1mm/d时，围岩处于急剧变形状态，应加强初期支护；速率变化在0.2～1.0mm/d时，应加强观测，做好加固的准备；速率小于0.2mm/d时，围岩达到基本稳定[8]。同时通过支护结构位移值变化确定隧道的管理等级，根据设计图，斜桩四周预留变形量u0=174mm。管理行为判定见表2。

表2 位移量测数据管理等级 下载原图

注：u实测位移值；u0预留变形量

3.3监控量测结果与分析

斜桩施工过程共监测11个断面，对观测断面监测数据分析，同时对监控数据进行拟合回归分析，结合监测数据的收敛变化及拟合回归分析结果，可预测各测点最大位移值，预判支护结构及围岩的稳定性。以下选择其中代表性断面：斜桩洞口部、洞中部、洞底部，其分析过程及结果见图10～图12。地表观测点的累积沉降结果及末期沉降速率见图13。通过对监控数据进行拟合回归分析得到回归拟合方程预测监测断面最大位移值见图14。

图10 斜桩洞口部断面监控数据分析结果 下载原图

图11 斜桩洞中部断面监控数据分析结果 下载原图

图12 斜桩洞底部断面监控数据分析结果 下载原图

图13 地表沉降监控量测结果 下载原图

图14 各测点预测最大的位移值 下载原图

由图10～图14可以看出：斜桩开挖各断面拱顶累积沉降值和水平收敛值逐渐趋于稳定，随着埋深加大，拱顶沉降量逐渐降低，最大洞口部断面拱顶沉降量为19.7 mm, 最小洞底部断面拱顶沉降量为6.65 mm。且各断面水平收敛值均处于较小值，拟合预测最大收敛值为2.17 mm, 变形速率最终趋近小于稳定阈值0.2 mm/d, 同时开挖断面的所有观测变形位移值均小于58 mm, 所以观测断面位移管理等级为Ⅲ级。

综上所述，斜桩开挖过程中支护结构、围岩、地表沉降变形稳定。

4 洞渣出渣系统

斜井和斜桩施工中，其洞渣出渣运输的方式一般分为无轨运输和有轨运输。无轨运输具有运输灵活，机动性高等特点，其缺点稳定安全性较低，且倾角一般不大于24°,对场地要求高有较大的局限性。有轨运输满足大倾角施工要求，同时安全稳定性较高，但是对轨道的维护量也非常大[8],本项目斜桩倾角达46.185°,因此只能选择有轨运输出渣工艺，针对现有轨道出渣工艺，设计一套安全、简易、可靠的出渣系统。

洞渣出渣系统的设计目标：需满足提升能力要求，系统结构轻型简单，运行稳定安全可靠。

出渣系统设计应考虑提升机的提升力、轨道形式、轨距、出渣车形式等，同时也应考虑设置阻车器、断绳保险装置等，以防跑车[9],此外还应满足牵引出渣、自动卸渣等功能。

出渣车牵引系统牵引力见式(1):

F=mgsinα f1mgcosα (1)

式中：m为出渣车及运载量自重；g为重力加速度；α为斜桩倾斜角度；f1为运行轨道摩擦系数，可取f1=0.015。

本工程设计的轨道式洞渣出渣系统主要设计要素见表3。

表3 出渣系统设计 导出到EXCEL

出渣系统	轨道设计	出渣车设计	卷扬机选型	塔架结构设计
设计要素	轨道类型、单元轨道长度、拼接工艺	轮子布置、出渣车容量	运行速度、牵引力	自卸渣、立柱型钢、稳定措施
设计选定	工型钢 钢管轨道、轨道单节长2 m,错缝焊接	四轮、容量1 m3	中速、5 t	卸渣装置及坡道、横向联系、底座固结配重

通过以上的设计分析比选，可设计出结构轻型简单，运行稳定安全可靠的出渣系统，满足设计目标要求。

5 结语

(1)在斜桩施工前，深入调研桥址处地质岩层水文情况，对斜桩进行施工有限元模拟，能在一定程度上优化施工方案和施工工艺。

(2)引用隧道施工监测技术于斜桩开挖过程中，对斜桩周边位移、拱顶下沉等关键部位进行监测，对监控数据进行分析和拟合回归分析可对斜桩稳定性进行评判和预测，确保斜桩的施工过程安全。

(3)借鉴采矿业的斜井施工技术，参照了采矿业斜井出渣系统的设计原理，设计了一套适合斜桩施工的结构轻型简单、运行稳定安全可靠的出渣系统。该系统在斜桩施工中具有一定推广意义。

参考文献

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[2] 邓海洪.大跨度拱桥基础施工控制要点[J].企业科技与发展，2017,(8):85-88.

[3] 朱洪志，张谢东，张志华，等.大断面倾斜单桩式桥梁拱座受力分析[J].交通科技，2017,(3).

[4] 谢东辉，刘成文，刘旭彤.大跨径悬浇施工箱型拱桥大截面斜桩施工技术[J].攀枝花科技与信息，2011,34(3):36-41.

[5] 王秋会，汶文钊，曹俊鑫.大断面斜井施工技术用于拱桥单桩拱座基础[J].铁道建筑，2019,59(4):72-75.

[6] 曾泰.大倾角大断面暗斜井综掘施工技术[J].煤炭工程，2018,50(8):53-55.

[7] 文素，张庆明，刘彬，等.隧道大坡度斜井机械化配套施工技术研究[J].重庆建筑，2020,19(10):48-50.

[8] JTG/T 3660-2020 公路隧道施工技术规范[S].

[9] 陈俊高.大断面陡倾角斜井快速施工技术[J].低碳世界，2016,(17):76-77.

[10] 李建军，郑捷.大倾角斜井有轨运输设备配置技术[J].现代隧道技术，2011,48(5):159-162.

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