峽谷地區(qū)裸巖陡坡橋梁樁基筑島施工技術(shù)研究

王林峰　何靜　傅奕帆　唐紅梅

摘要：筑島是確保峽谷地區(qū)裸巖陡坡橋梁樁基順利施工的有效工程措施。以北盤江貞望大橋6號主墩的樁基施工為例，考慮了4種不同樁基施工順序?qū)χu邊坡穩(wěn)定性的影響，以揭示不同成樁順序條件下邊坡位移和應(yīng)力的響應(yīng)規(guī)律。研究結(jié)果表明：① 按成樁順序1施工為最優(yōu)的成樁順序。當(dāng)開挖第一批樁的時候，成樁順序3引起的邊坡位移和水平應(yīng)力最大、穩(wěn)定系數(shù)最小;而開挖第二批樁時，成樁順序4引起的邊坡位移和水平應(yīng)力最大、穩(wěn)定系數(shù)最小;在整個開挖過程中，成樁順序1引起的最大位移和水平應(yīng)力最小、穩(wěn)定系數(shù)最大。② 開挖樁孔對邊坡的穩(wěn)定系數(shù)影響最大，開挖第一批樁孔時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)降低幅度最大，其中，成樁順序3降幅達到了11.81%。研究成果可為峽谷地區(qū)裸巖陡坡橋梁樁基施工安全提供參考。

關(guān)鍵詞：橋梁樁基; 樁基筑島; 裸巖陡坡; 穩(wěn)定性分析; 峽谷地區(qū)

中圖法分類號： U443.15

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.023

0引 言

橋梁是跨越峽谷最常見的構(gòu)筑物。由于峽谷地區(qū)地形陡峭，沒有作業(yè)平臺，導(dǎo)致橋梁的樁基施工條件很差。為了保證峽谷地區(qū)裸巖陡坡橋梁樁基的順利施工，筑島是一種既安全又經(jīng)濟的方法。但是筑島存在庫水位變化、自重和施工荷載等因素作用下邊坡失穩(wěn)的問題。筑島邊坡一旦失穩(wěn)，將會引起較大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。因此，采用筑島方式施工峽谷地區(qū)裸巖陡坡橋梁樁基時，必須保證其穩(wěn)定性。

筑島是庫岸再造、填湖（海）造地常見的一種構(gòu)筑物。國內(nèi)外專家對其進行了大量的研究。鄧方明以向家壩碼頭為例，基于蒙特卡洛法和傳遞系數(shù)法，分析了加有筋材的岸坡失穩(wěn)概率[1]。賀林林等考慮樁土相互作用，分析了水庫水位快速下降時高填方岸坡的穩(wěn)定性演化規(guī)律[2]。趙滄海等利用竹結(jié)構(gòu)取代拋石，并利用有限元方法分析了填土邊坡的穩(wěn)定性[3]。江強強等考慮庫水位變化和降雨2個因素，通過室內(nèi)模型試驗分析了岸坡的失穩(wěn)機制[4-6]。馬建全等考慮地震的作用，分析了庫岸高填方路基的穩(wěn)定性以及它的沉降規(guī)律[7]。吳志軒等通過無限長邊坡理論解和有限元方法，分析了在填土與基巖交界面開挖臺階對填土邊坡的穩(wěn)定性影響[8]。崔雪婷等采用室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬，分析了碎石土配比對填方邊坡穩(wěn)定性的影響[9]。吳紅剛等通過數(shù)值分析，研究了黏土含量和壓實工藝對填方邊坡滲流場的影響[10-11]。張祖蓮等考慮到邊坡傾角和水位高程2個因素對岸坡失穩(wěn)機制的影響進行了研究[12]。Yin等通過許多案例，分析了三峽庫區(qū)水庫岸坡的誘發(fā)機制和風(fēng)險控制方法[13]。Hassan等借助于響應(yīng)面法，分析了降雨和干燥條件下邊坡的失穩(wěn)概率[14]。Mahdi等運用蒙特卡羅法，分析了不同地下水位下邊坡的失穩(wěn)機制[15]。

由上述研究可以看出，目前對筑島邊坡和庫岸的研究主要集中在邊坡受庫水位和降雨影響的邊坡穩(wěn)定性分析和破壞機制研究方面，而分析施工對其穩(wěn)定性影響方面的研究較少。

綜上所述，筑島是確保峽谷地區(qū)裸巖陡坡橋梁樁基順利施工的有效工程措施，但目前對筑島在施工條件下的穩(wěn)定性問題研究較少。因此，本文將主要分析施工和庫水位對筑島邊坡穩(wěn)定性的影響，并優(yōu)化樁基的施工順序。

1工程概況

本文以北盤江貞望大橋6號主墩的樁基施工為例展開研究。貞望大橋位于峽谷中，兩岸山坡的傾角為30°～45°。橋梁下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、樁基礎(chǔ)，橋臺采用重力式橋臺、樁基礎(chǔ)。該墩處水深超過40.00 m、邊坡陡峭，巖石裸露，由于交通條件限制，無大型起吊設(shè)備和駁船，因此，大型橋梁樁基施工平臺的架設(shè)，鋼護筒下沉、樁孔鉆進和傾斜度控制等難度大。為了保證橋梁樁基的順利施工，該項目采用先筑島后樁基施工的順序。根據(jù)《防洪標準》和《堤防工程設(shè)計規(guī)范》對該島進行設(shè)計，其工程等級為Ⅲ等，典型斷面如圖1所示。

具體工程措施為335.00 m以下采用拋石進行處理，并強夯密實，最大拋填塊石深度約7.56 m，強夯單擊能量3 000 kN·m。335.00～345.00 m采用堆石壩進行圍護，堆石壩底高程335.00 m，頂高程345.00 m，高10.00 m。迎水面坡比為1∶1.50，背水面坡比為1∶1.0。壩頂寬4.0 m，底寬為13.03 m。對345.00～355.00 m采用碎石土回填碾壓，頂高程355.00 m，高10.00 m。碎石土面坡坡比1∶1.48，并采用結(jié)構(gòu)為正六邊形的C20預(yù)制混凝土塊進行護面，邊長為20 cm，厚20 cm，并在其下部設(shè)置40 cm厚的碎石過渡層和20 cm厚的砂反濾層以保證筑島填土體的透水性。

2樁基施工順序?qū)χu平臺穩(wěn)定性影響

本文擬定了4種樁基成樁順序，分別研究筑島邊坡在不同成樁順序下的位移、應(yīng)力和穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律，進而得到最佳施工順序。

2.1樁基成樁順序

（1） 成樁順序1。梅花式隔樁跳打施工，如圖2（a）所示。

2，4，6，8樁孔施工→2，4，6，8灌注混凝土→1，3，5，7，9樁孔施工→1，3，5，7，9灌注混凝土。

（2） 成樁順序2。梅花式隔樁跳打施工，如圖2（b）所示。

1，3，5，7，9樁孔施工→1，3，5，7，9灌注混凝土→2，4，6，8樁孔施工→2，4，6，8灌注混凝土。

（3） 成樁順序3。由外向里隔排施工，如圖2（c）所示。

1，3，4，6，7，9樁孔施工→1，3，4，6，7，9灌注混凝土→2，5，8樁孔施工→2，5，8灌注混凝土。

（4） 成樁順序4。由里向外隔排施工，如圖2（d）所示。

2，5，8樁孔施工→2，5，8灌注混凝土→1，3，4，6，7，9樁孔施工→1，3，4，6，7，9灌注混凝土。

2.2數(shù)值模擬結(jié)果分析

采用FLAC 3D軟件進行模擬，模型X方向80.00 m，Z方向40.00 m，Y方向18.00 m。模擬的參數(shù)如表1所列，模型如圖3所示。模擬的工況共有5個。工況1，島填筑完畢;工況2，先施工樁的開挖;工況3，先施工樁澆筑完畢;工況4，后施工樁開挖;工況5，后施工樁澆筑。

2.2.1位移分析

圖4為不同成樁順序下筑島邊坡總位移變化圖。由圖4可以看出：各成樁順序在不同施工工況中的變化趨勢基本一致，均為工況2和工況4位移量較大，工況1、工況3和工況5位移量較小。

（1） 工況2時，成樁順序3的位移量最大，為16.99 mm，而成樁順序4的位移量最小為16.00 mm。由于成樁順序3的樁孔數(shù)量多于成樁順序1，2和4，筑島邊坡的位移增加量最大，為2.28 mm，且位移最大;由于成樁順序4的樁孔位置離筑島邊坡較遠，對筑島邊坡的影響較小，因此位移最小。

（2） 工況3時，成樁順序4的位移量最大，為14.94 mm，成樁順序2的位移量最小，為14.79 mm。由于混凝土澆筑硬化后對筑島邊坡起到一定的支擋作用，而成樁順序3澆筑混凝土的樁數(shù)最多，所以位移減小較大，減小了2.19 mm。

（3） 工況4時，成樁順序4的位移量最大，為16.82 mm，成樁順序3最小，為15.20 mm，由于受前面工況已施工好的樁的遮攔效應(yīng)，成樁順序1～3對筑島邊坡的位移影響較工況2減小，成樁順序3的減小量最大，減小了1.89 mm，而成樁順序4較工況2增大了0.59 mm。

從開挖到成樁完畢的5個工況中，成樁順序1引起的最大位移是最小的。

2.2.2應(yīng)力分析

（1） 施工前。

圖5為Y=9.00 m，Z=40.00 m時筑島平臺水平向應(yīng)力的變化圖。由圖5可以看出：在施工前，筑島邊坡應(yīng)力全部為拉應(yīng)力，并隨著X的增加呈先增大后減小的趨勢，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在X=56.05 m處，該點位于筑島平臺的中部位置。

（2） 施工中。

圖6為在成樁順序1條件下Z=25，30 m和40 m時的水平應(yīng)力分布圖。由圖6可以看出：當(dāng)Z=25 m和40 m時，水平應(yīng)力變化較小，說明樁孔施工對筑島平臺表面土體擾動量小。當(dāng)Z=30 m時，土體的水平應(yīng)力變化量大，最大水平應(yīng)力為612 kPa，表明施工對島中部擾動影響較大。

圖7為Y=9.00 m，Z=30.00 m時不同成樁順序在不同施工工況下的水平應(yīng)力分布圖。由圖7（a）可以看出：在X=50.00～56.00 m范圍內(nèi)時，樁孔施工對筑島平臺土體擾動量大，對平臺的后緣擾動量小，平臺應(yīng)力變化小。施工引起的水平應(yīng)力從大到小依次為施工順序3、順序1、順序2和順序4。順序3的最大水平應(yīng)力較順序4的增大了9.5倍。工況2時，成樁順序1和成樁順序3在X=54.65 m處達到峰值，而成樁順序2和4時基本沒有變化，這是由于4號樁孔周圍土體應(yīng)力釋放，向孔內(nèi)位移導(dǎo)致的。

圖7（b）為工況3時，不同施工順序下的水平應(yīng)力分布情況。從圖7（b）可以看出：在X=50.00～56.00 m范圍內(nèi)，樁孔施工對筑島平臺土體擾動量大，對平臺的后緣擾動量小。成樁順序3引起的水平應(yīng)力最大，應(yīng)力達到了218 kPa。然后，依次從大到小的順序為成樁順序1、成樁順序2和成樁順序4。成樁順序3引起的水平應(yīng)力較成樁順序4增大了123 kPa。

由圖7（c）可以看出，在各成樁順序下，坡體水平向應(yīng)力隨X變化規(guī)律基本一致：工況4成樁順序2和成樁順序4在X=54.65 m處達到峰值，但數(shù)值沒有工況2的大，這是因為已施工完成的樁對余下樁施工有遮蔽作用。施工引起的水平應(yīng)力從大到小依次為施工順序2、順序4、順序1和順序3。順序2的最大水平應(yīng)力較順序3的增大了6.1倍。

由圖7（a）和圖7（c）可以看出：工況2和工況4中水平向應(yīng)力既有向左的也有向右的，這是因為在鉆孔階段，樁孔周圍土體產(chǎn)生應(yīng)力釋放，使得孔周圍土體產(chǎn)生向孔內(nèi)的應(yīng)力，孔左邊的土體向右移動，孔右邊的土體向左移動。

由圖7（d）可以看出，4個成樁順序在工況5時沿X方向的水平應(yīng)力變化規(guī)律基本一致。當(dāng)X=54.6 m時水平應(yīng)力達到最大，為852 kPa。

經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，從開挖到成樁完畢的5個工況中，成樁順序1引起的最大水平應(yīng)力是最小的。

（3） 穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果分析。

圖8為各成樁順序下筑島邊坡的穩(wěn)定系數(shù)變化曲線。通過該曲線的分析可以發(fā)現(xiàn)：工況2時，成樁順序3的穩(wěn)定系數(shù)下降的幅度最大，減小了11.81%;工況4時，成樁順序4的穩(wěn)定系數(shù)減小了8.13%;兩者相比較可知，工況2條件下穩(wěn)定系數(shù)下降的幅度是工況4的1.45倍。

按照成樁順序2，3，4進行樁基施工時，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)相對較小，不利于筑島邊坡的安全穩(wěn)定，且不滿足建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范要求，而成樁順序1在各個施工工況下穩(wěn)定系數(shù)較高，并且考慮到了實際施工過程的復(fù)雜性，防止樁之間的相互作用，需采用跳樁法施工，因此該工程宜采用成樁順序1進行樁基施工。

3結(jié) 論

（1） 以北盤江貞望大橋6號主墩的樁基施工為例，分析了4種不同樁基施工順序?qū)χu邊坡穩(wěn)定性的影響，揭示了不同成樁順序條件下邊坡位移和應(yīng)力的響應(yīng)規(guī)律，并獲得了最優(yōu)的成樁順序，即該工程宜采用成樁順序1（梅花式隔樁跳打施工）進行樁基施工。

（2） 開挖第一批樁的時候，成樁順序3引起的邊坡位移和水平應(yīng)力最大、穩(wěn)定系數(shù)最小，而開挖第二批樁時，成樁順序4引起的邊坡位移和水平應(yīng)力最大、穩(wěn)定系數(shù)最小。開挖樁孔時，邊坡中部的擾動最大。開挖樁孔對邊坡的穩(wěn)定系數(shù)影響最大，開挖第一批樁孔時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)降低幅度最大，其中成樁順序3降幅達到了11.81%。

（3） 本文分析施工對筑島邊坡的影響時，只考慮到了成樁順序?qū)ζ溆绊?，而施工中不同堆載、成孔方式和振動荷載對其的影響沒有開展研究。這些研究內(nèi)容由于篇幅的原因，將在以后研究中展開研究。

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（編輯：趙秋云）

Abstract：Building an island is an effective engineering measure to ensure the smooth construction of bridge pile foundation on bare rock steep slopes in canyon area.Taking the pile foundation construction of No.6 main pier of Zhenwang Bridge on Beipanjiang River as an example，considering the influence of four different pile foundation construction sequences on the stability of the island slope，we reveal the response law of slope displacement and stress under different pile formation orders.The results find that pile formation order one was the optimal pile formation order.When excavating the first batch of piles，the displacements and horizontal stresses of the slope caused by pile formation sequence three were maximum and slope stability coefficient was minimum，and when excavating the second batch of piles，the displacements and horizontal stresses of the slope caused by pile formation sequence four were maximum and slope stability coefficient was minimum.In the whole excavation process，pile formation sequence one caused the least maximum displacement and horizontal stress，and the slope stability coefficient was the greatest.Digging pile hole had the greatest influence on the stability coefficient of slope，when the first batch of pile holes were excavated，the slope stability coefficient decreased the most，especially the decline of stability coefficient by pile formation sequence three reached 11.81%.The research results can provide reference for the safety construction of pile foundation of bridge on bare rock steep slopes in canyon area.

Key words：bridge pile foundation;building an island for bridge pile foundation;bare rock steep slope;stability analysis;canyon area