■卢才金 （福建省交通规划设计院，福州 ３５０００４） 摘 要 本文介绍了福厦高速公路拓宽桥台基坑垂直开挖支护方案。并采用ＰＬＡＸ－ Ｉｓ对开挖及支护过程进行数值模拟分析，证明对变形有严格要求的基坑工程，采用数值 分析方法进行设计是合理的、必要的。 关键词公路拓宽桥台基坑垂直开挖数值模拟 １ 工程背景 案选型带来了一些。。 福厦高速公路是福建省内第一条拓宽的高速公路， ２支护方案的确定 该路穿越了福建省的主要经济区，沿线地貌主要为低山 根据桥台基坑的上述特点，结合施工条件，决定采 丘陵、平原微丘区以及滨海区。沿线桥跨设施较多，除 取复合土钉墙支护，即以土钉支护为主，辅以超前支 跨越江河的桥梁外。跨越沿线道路、农田、 重要建筑物 护、坑底软基预支护、预应力锚杆等多种手段相结合的 等旱桥的数量也不在少数。拓宽的方式有拼宽（双侧、 方案。土钉墙支护采用植入近水平的加筋体，并采用高 单侧拼宽）以及新建等方式。此外，福厦高速公路拓宽 压劈裂注浆来改善土体的力学性能，形成“加筋整合” 是在不封闭交通、保证双向行车的条件下进行的，因此 效应来提高基坑的稳定性，具有施工方便、可分级开挖 工程难度是极其巨大的。 。 分级支护、支护位置灵活、支护效果好等特点，但若基 对于桥跨工程的拼宽，新老桥台除上部结构贴近 坑较高时，具有变形大等弱点，则必须辅以其他措施以 外，其基础部位也几乎贴近。因不能中断老路的行车， 满足既有高速公路的通车需要。支护的基本原则是分级 无法放坡来施工拓宽新建桥台的基础，必须接近垂直开 开挖，分级支护，并进行适时的监控量测。 挖才行。如何保证这些基坑的稳定性，给拓宽工程提出 （１）位移指标的确定，基坑开挖肯定会有一定的变 了极大的挑战。这些基坑工程具有如下特点： 形，尤其是对于高度达１０ｍ以上的填土基坑。这些变形 （１）福厦高速公路穿越地貌单元既有海相、三角洲 必须不能：影ｇｒｉｎ行车安全，也不要降低行车速度。基坑 相的沉积平原，也有剥蚀残丘、低山丘陵地貌，桥头路 长度一般约为１０￣１５ｍ，因此规定基坑顶部竖向位移不 段填方一般高度较大，范围约６￣１５ｍ０ 大于５ｃｍ，水平位移不大于５ｃｍ，且原则不得使路面出 （２）部分地段发育有淤泥、淤泥质亚粘土等软土， 现裂缝。 厚度不一，对基坑有影响的主要是承台开挖高度范围 （２）分级开挖的高度，与既有高速公路路基填料的 内，约 ３ｍ。 力学性质密切相关，其基本原则是必须保证在没有支护 （３）路基填料性质极其复杂，有工程性质良好的砂 的情况下，土体能在这个高度保证自稳，其高度要满足： 包土、碎石，也有工程性质较差的海砂或河砂，甚至粘 ｈ≤２ｃ 性土。 ｒ （４）整条高速公路拓宽工程施工期间，不能中断老 因此，要求对于粘性土（ｃ值一般大于２０ｋＶａ），分级 路通车，基坑顶部动荷载应予以考虑，且不能发生过大 开挖高度不大于２ｍ；对于ｃ＝０的砂。则必须采用预支护 的变形。 后方可开：挖。 （５）该高速公路大部分旱桥通过人烟密集地区，用 （３）对于ｃ＝０的砂质填料，必须采用土钉进行超前 地空间十分狭小，坡脚往往毗邻房屋或其他构筑物，不 支护，即在本级开挖前，以高角度（水平倾角约４５￣ 能满足大型机械如静压桩机通行的需要，因此给支护方 ６０。）打入土钉，形成一定强度后再进行开挖。 回福建交通科技２０１３年第４期 （４）对于发育有软基的地段，若承台开挖须在软基 中进行的，则在开挖至软顶面附近时，采用钢板桩进行 预支护，以防止软基底鼓变形，保证既有公路以及拓宽 施工的安全。 进行分析。 （３）支护方案按如下几种类型考虑：土钉（长度 ８ｍ）、土钉（长度１２ｍ）、土钉（长度８ｍ）＋双排钢管桩 预支护、土钉（长度１２ｍ）＋双排钢管桩预支护。 土钉参数为：孔径９～１１０ｃｍ．植入直径２２ｍｍ ２５ｍｍ的螺纹钢筋，或外径５０ｍｍ的无缝钢管，间距采用 ｌｍｘｌｍ，梅花型布设，外面采用挂网喷射Ｃ１５砼形成面 （５）对于开挖高度较大（Ｈ＞８ｍ）、填料较差的基坑， 在既有高速公路土路肩位置采用微型桩进行预支护。 （６）对于高度更大（Ｈ＞１２ｍ）的基坑，为防止既 有路面出现过大变形，影响行车安全，则在基坑的上部 采用预应力锚杆，以控制变形。预应力锚杆外侧采用 ３０＃槽钢对扣，中间灌入砼，直接扣在土钉墙表面（即 喷射砼表面）作为反力构件。预应力锚杆孔径为９０ｍｍ 或１１０ｍｍ，杆体采用直径２５ｍｍ或３２ｍｍ的精轧螺纹钢， 施加１５ ３００ｋＮ的预应力。 （７）基坑开挖、支护过程中，必须全过程进行变形 监测，以实测数据反馈设计并指导施工。 层。微型桩参数：孔径１５０ｍｍ，放入外径１０８ｍｍ壁厚６～ ｌＯｍｍ的无缝钢管，并压浆Ｍ３０水泥浆，沿线路间距 ｌｍ，横向间距ｌｍ，顶部采用钢筋砼形成联梁。 ３．２计算结果 模型建立后。按分步开挖、分步支护的顺序进行计 算，并采用强度折减法计算每一步的安全系数，位移考 察点分别选取路肩最外侧顶点Ａ、路面上距Ａ点４ｍ处、 路面上距离Ａ点８ｍ处。 ３支护方案的计算分析 为验证支护方案的可行性，并达到一定的经济性， 采用数值分析软件对开挖方案进行全过程模拟。 计算软件采用Ｐｌａｘｉｓ数值分析软件，按平面应变问 题考虑，土体材料采用摩尔一库伦模型。 ３．１计算模型的建立 （１）土钉长度８ｍ，仅采用土钉支护时，各步的计 算结果如表１所示。 （２）土钉长度１２ｍ，仅采用土钉支护时，各步的计 算结果如表２所示。 （３）土钉长度８ｍ，并采用微型桩做预支护时，各 步的计算结果如表３所示。 （１）基坑高度采用最大填土高度即１３ｍ，并按２ｍ的 分步高度进行开挖与支护。计算模型如图１。 （４）土钉长度１２ｍ，并采用微型桩做预支护时，各 步的计算结果如表４所示。 ３．３计算结果分析 （２）填土的弹性模量Ｅｒｅｆ＝１２ＭＰａ，泊松比＝０．３５，根 据填料复杂的特性，考虑其内摩擦角在一定范围内变 化，分别按２３ｏ、２８。、３０。、３３。取值，ｃ值按１５ｋＰａ分别 （１）对于 ＝２３￣３３。的填土，当开挖高度不大于８ｍ 时，采用８ｍ长度的土钉支护，均可满足要求（仅 ＝２３ｏ 图１ 桥台基坑垂直开挖计算几何模型 福建交通科技２０１３年第４期园 表１土钉长度８ｍ的计算结果 １０ １５ ４６ ３３ １．３０３ １３ ７６ １６６ １４７ １．１７８ 过大 １０ —４ ２９ ２０ １．３６２ １３ ４４ ９３ ７５ １．２７９ １Ｏ ２ ２２ １４ １．４２８ １３ ２０ ５７ ４５ １．４０８ １０ １ ２０ １２ １．５０２ ３３ １３ １２ ４４ ３３ １．４９２ 固福建交通科技２０１３年第４期 时，路肩沉降约５８ｒａｍ，略超）；当开挖高度大于１０ｍ 时，土钉即使增加到１２ｍ，基坑变形也不能满足要求。 支护时，路面沉降曲线为三角形，路肩点位移最大；而 采用土钉结合微型桩预支护时。曲线呈现为马蹄形。而 因此，仅增加土钉长度对控制变形作用不会太大。 （２）采用微型桩做预支护时，基坑变形明显减小， 且量值小得多（见图２、３）。说明微型桩的存在，有效 地了基坑的位移。 且变形曲线发生变化。比如对于路面沉降，仅采用土钉 （３）从控制位移的角度，采用微型桩比单纯增加土 ．—Ｌ＝一 Ｉ…。 Ｉ川 ＩＩｌ¨ ｆｌｌ¨ ｌ¨¨ｌ… —§—：一 ■ ： —＾—一 ■ ：： Ｉ—Ｌ■ —一 —ｔ—一 ——■ ：二ｌ一 ■ ：： ● －啊 ｝■ 一 ．．． Ｉ■．一 Ｉｌａｌ６１１１￣１ ……… ｏｘ Ｋａｂｕｔｏ Ｊｌｍｍｌ 图２仅设土钉（８ｍ）开挖８ｍ时路面沉降图 １ｈ，ｌＬ …ｌｌ Ｉｌｌｌ【ｌｌ＿ｌ ｌｌｌＩ ｛ 莲 ｌＩｌｌｌ Ｉｌ】Ｊ『ｌｌｌＩ Ｊ『ｌ』Ｊｌｌ＿ＪｌｌＩ＿Ｊ Ｊｌ Ｉ『ｌ ｌＪｌｌｌ Ｊ ｌＪ】 ｌＪｌ ｊＪＩｌＩ…ＩｌＩＩｌ ｒ” ’１● —兰 ｛ 三 一 ∞蛳 ■埘 ｆ ———ｌ ＪＥ—＝一 ． ＝＝ —ｌ ■ ■∞．“＿口● ■ ＂＃埘嘲 ■ ”●＿●∞ ［ ＩＬｌ■硼髓＾ ＿ ｏｉｘｈＩｙ ｏｋｉ Ｋａｂｕｔｏ．Ｊａｐａｎ 图３设土钉（８ｍ）＋微型桩支护，开挖１０ｍ时路面沉降图 福建交通科技２０１３年第４期 钉长度的效果要好。比如，对于 ＝３０ｏ的填方，土钉长 果不堪设想。该基坑预支护采取了两排微型桩，结合长 度采用１２ｍ，开挖到１３ｍｇ，－］＂，变形达到了ｌ１８￣１３０ｍｍ； 度１０ｍ（上部４ｍ）、８ｍ（中部６ｍ）、５ｍ（底部３ｍ）的土 而采用长度８ｍ的土钉结合微型桩，开挖到１３ｍｌ￣，变形 钉。该基坑施工中，上下道路行车完全正常，路面未出 最大为７０ｒａｍ。另外，采用土钉结合微型桩预支护，比 现大的沉降盆，经实践检验是非常成功的。 单纯增加土钉长度更为经济。 对于变形有特殊要求的基坑支护工程，必须采用有 ４结论 限元等数值分析手段，才能较为准确地模拟其变形特 根据上述计算结果，再结合具体每个桥台的填土性 征，进而采取合理的措施。而且，有限元强度折减法能 质、开挖高度、基地条件，在设计中对土钉长度进行了 得出工程的安全系数，对于习惯采用安全系数设计的岩 适当调整（靠基坑下部的土钉长度可以适当减短）。 土工程师。是有相当的借鉴意义的。 经过历ｎ，－ｔ３年左右的紧张施工。福厦高速公路拓宽 工程已经完成。在桥台基坑开挖支护工程中，采取该技 参考文献 术后，基坑垂直开挖安全顺利，桥台拼宽得以顺利完 （１］赵尚毅，郑颖人，时卫民，等．用有限元强度折减法求边坡稳 成，没有造成行车中断等问题，证明上述方案是合理 定安全系数【『］．岩土工程学报，２００２，２４（３）：３４３￣３４６． 的。如泉厦高速公路泉州段的津淮桥，为高速公路上跨 ［２］戴自航，沈蒲生．摩尔一库仑等面积圆屈服准则的简化形式及 泉州市津淮路的跨线桥，桥台填土高达１３ｍ，填料为砂 应用【Ｊ］．福州大学学报，２００３，３１（４）：４５４￣４５９． 包土。桥台拼宽施工时，高速公路与下穿的津淮路车流 ［３］陈仲颐，周景星，王洪瑾．土力学［Ｍ］．北京：清华大学出版 量均十分巨大，且基坑开挖场地狭小，若基坑失稳，后 社．１９９４． （上接第１５页）的每月沉降量（见表３），砂桩复合地基在 定安全系数应该是最小的。 １０、ｌ１、１２月的每月沉降量均小于５ｍｍ，满足规范“连 （６）砂桩复合地基相比天然地基，在同等填土加载 续２个月观测的沉降量每月不超过５ｍｍ”的要求，因此 的情况下，稳定安全系数有了大幅的提高，且均能满足 可以在１２－２４月卸载开挖路槽并铺筑路面。 规范要求，保证了路堤在施工过程及后期营运过程中的 表３计算每月沉降量表（９—１２，ＥＪ） 稳定安全。 ４结语 工程实践证明，砂桩加固软土地基能大大缩短施工 周期，减少地基的沉降量，保证地基在路堤填土过程中 的稳定。同时从施工过程中发现，砂桩加固软土地基取 得的效果往往比我们设计时计算的要好。因此有必要对 砂桩变形计算理论进行深入的研究，以使砂桩复合地基 的变形计算结果更加符合实际，砂桩复合地基处理技术 （３）砂桩复合地基相比天然地基，最终的总沉降量 更加科学、经济和高效。 明显减少。本工程计算总沉降量减少１０％＂１５％。 （４）在填土开始至施工结束施加行车荷载这一过程 参考文献 中，稳定安全系数逐渐变小，地基逐渐失稳。 ［１］ＪＴＪ Ｄ３０—２００４，公路路基设计规范． （５）地基在没有进行加载的预压和路面铺筑这两个 ［２）ＪＴＪ ００４—８９，公路工程抗震设计规范． 阶段，稳定安全系数是逐渐增大的。由此我们可以推 ［３］刘玉卓．公路工程软基处理．北京：人民交通出版社，２００４． 测：在营运期内随着时间的增加，地基土强度逐渐固结 ［４］黄生文．公路工程地基处理手册．北京：人民交通出版社 提高，稳定安全系数也会日渐增大，而在营运初始期稳 ２００４． 园福建交通科技２０１３年第４期
