不同地质环境车行地道结构抗浮工程措施的对比分析.pdf

No.2202353上语么路SHANGHAIHGHWAYS桥隧工程不同地质环境车行地道结构抗浮工程措施的对比分析王冠男，崔艺斌上海市政工程设计研究总院（集团)有限公司，上海2 0 0 0 92 摘要：车行地道结构由于尺寸较大，往往选用抗浮能力更强的抗浮桩作为抗浮工程措施。然而，对于工程地质较好的地区，抗浮锚杆的经济性效果更佳，且施工更为便捷。现对六安市某河道两侧的车行地道进行抗浮设计。由于河道两侧地质条件不同，针对不同的地质条件，对抗浮工程措施进行对比分析，选择经济合理的抗浮工程措施。通过计算分析得出，在岩石地质情况的河道北岸地道，抗浮锚杆更为经济合理；在砂层地质情况的河道南岸地道，抗浮桩更为经济合理。关键词：抗浮锚杆；抗浮桩；抗浮安全系数；车行地道0引言在地下水位较高的地下工程中，当结构自身重量无法抵抗地下水产生的浮力，结构抗浮安全系数无法满足规范要求时，往往需要采取工程措施，以消除地下水的影响。目前常用的工程抗浮措施主要有泄水降压法、压重抗浮法、抗浮锚杆法,以及抗浮桩法等2-3 。泄水降压法由于对施工条件的要求较高，因此在实际工程中的应用较少。车行地道为满足行车净空要求，通常埋深较大，宽度也较大，通过增加自重的压重抗浮法，往往无法满足抗浮设计的要求。因此，抗浮桩及抗浮锚杆的采用是车行地道最为常见的抗浮措施。其中，抗浮桩由于其直径较大，抗浮能力强，同时还可兼做基坑支护中的立柱基础,应用最为广泛。然而，针对不同的地质条件，仍需对抗浮桩及抗浮锚杆进行经济性、施工便易性及可靠性的对比分析，以寻求更为合理的抗浮工程措施方案4-5。本文结合工程项目河道两侧不同的地质条件，对抗浮工程措施分别进行对比分析，得出经济合理的实施方案。1工程概况六安市某河道两侧分别需新建两处车行地道，见下图1。北岸新建滨河大道地道，全长3 2 6 m，双向六车道布置。其中，暗埋段长度7 2 m，采用单箱双室箱型结构；开段全长2 54m，采用U形槽结构。南岸新收稿日期：2 0 2 2-0 8-2 2建河南路地道，全长2 98 m，双向四车道布置。其中，暗埋段长度7 8 m，采用单箱双室箱型结构；开段全长2 2 0 m，采用U形槽结构。河南路地道课河图1 工程地理位置图根据建筑工程抗浮技术标准JGJ476-2019,本工程抗浮设计等级为甲级，抗浮稳定安全系数Kw取值1.10。经验算，暗埋段由于结构自身重量及箱式上覆土的作用，其自身抗浮稳定安全系数满足规范的相关要求。因此，本文主要针对开段，来进行抗浮方案的设计及对比分析。2地质条件2.1地层本场区位于六安市西环路、窑岗嘴大桥及桥南北2023No.254上海么缘桥隧工程SHANGHAI HIGHWAYS处，主要地貌单元为江淮波状平原，地貌类型为河河漫滩、河一级阶地二级阶地。跨河道处地势起伏较大，北岸地势较南岸高。土层划分中，层为杂填土，层为中细砂，层为中粗砂夹卵砾石，层为黏土层，层为强至中风化砂岩层，各土层厚度不一。其中,南岸河南路地道开段底板坐落于层中粗砂夹卵砾石层，灰黄色，成分主要为粗砂混卵砾石，含石英、长石、云母。卵砾石粒径一般为2 3 cm，层顶局部松散状，下部稍密 中密。北岸滨河大道地道处、土层缺失，开段底板坐落于层中风化砂岩处，棕红色，细粒结构，中厚层状结构。主要矿物成分为石英、长石、云母，泥质胶结及钙质胶结，胶结程度一般。岩石节理发育，节理面间距2030cm，沿节理面填充铁锰质薄膜。岩石坚硬程度为较软 较硬岩，岩体完整程度为较破碎 较完整，RQD一般在50 8 0,岩体基本质量等级 I V 级。计算用各土层参数表见表1。2.2地下水拟建场地地下水有三类，一类属上层滞水，分布在层杂填土中，水量大小受降水量影响较大；二类属潜表1 计算用土层参数表极限侧阻力标准值qi/kPa锚杆的极限黏结强度标准值qi/kPa层序及层名抗拔系数入混凝土预制桩钻孔灌注桩一次常压注浆二次压力注浆第-2 层路基填土26250.62535第层中细砂37350.63555第层中粗砂夹卵砾石62600.66080第-1 层淤泥质粉质黏土22200.72025第层黏土68650.76590第-1 层强风化砂岩一1200.75150200第-3 层中风化砂岩3000.8250300水，分布在层细砂及层中粗砂夹卵砾石中，补给来源主要为河河水和降雨下渗，水位标高在3 2 3 5m左右，年变幅2 5m，水量丰富；三类属岩石裂隙水，主要集中在层风化裂隙和节理裂隙发育地段，含水量不均一，呈带状或脉状分布，补给来源主要为河河水，水量较丰富。场区内的地下水主要由大气降水、地表径流、地下渗透补给，以蒸发和侧向渗流排泄为主。地下水径流条件较好，动态随季节变化，变幅较大。场地地下水位年变化幅度在2 5m。近三年，河北岸最高地下水位高程约48 m，历史最高水位高程48.5m；南岸最高地下水位高程约42 m，历史最高水位高程42.5m。3抗浮工程措施选择及对比分析3.1抗浮工程措施的选择本工程开段底板均位于透水层，因此结构选择整体性及抗渗性更好的U型槽结构。但由于地道结构为满足车行净空及暗埋段顶板覆土的要求,其埋深较深。而地下水位位于河岸边，补给水源水量丰富，地下水位较高，抗浮水位仅为地表以下0.5m。通过增加底板厚度及宽度来增加的自重有限，无法满足结构抗浮要求。同时，由于基底土层均为透水层，渗透系数较大（k=5103cm/s）,采用泄水减压法的滤管需长期收集地下水，对环境有所影响，且滤管容易阻塞，抗浮效果难以保证，维护成本较高。止水惟幕则需延伸至弱透水层，工程造价也较高。综上所述，本工程针对抗浮工程的措施主要集中在抗浮桩及抗浮锚杆的选择上。3.2滨河大道地道抗浮工程措施对比分析北岸新建滨河大道地道全长2 98 m。其中，暗埋段长度7 8 m，开段全长2 2 0 m。暗埋段单个箱体的最不利断面处，顶板厚1.1 1.3 5m，底板厚1.3 m，地道全宽2 9.5m；侧墙厚1.0 m、高6.2 4m，中墙厚0.7 m；铺装最小厚度0.2 m，地下水位按地面下0.5m考虑。则暗埋段结构的自重抗浮力为2 7 2 5kN/m，浮力为2 43 3 kN/m，抗浮安全系数1.1 2 大于1.1，满足规范要求，不需另加抗浮措施。开段的最不利断面处，侧墙高7.2 1 3 m、厚1.1 0 m，底板厚1.1 m，铺装厚No.2202355上语么缘SHANGHAI HIGHWAYS桥隧工程0.5m，地道全宽2 9.7 m。开段结构的自重抗浮力为1 545N/m，浮力为2 3 2 0 kN/m，需设置抗浮桩或抗浮锚杆来进行抗浮。开段最不利节段的长度为3 4m。按最不利节段计算，当满足抗浮安全系数1.1 0 时，抗浮措施需提供的抗浮力为（1.1 2 3 2 0-1 545）3 4=3 42 3 8 kN。抗浮锚杆按1 0 排、每排8 根布设，共布设8 0 根。锚杆长度按建筑工程抗浮技术标准(JGJ476-2019)第7.5.4-1条计算。KN,元dfrbk其中，K取2.0,Nt=34238/80=428kN，取0.8,d为0.25m，f r b k 取、层的平均黏结强度1 8 2.5kPa，计算取锚杆长度9.0 m。根据建筑工程抗浮技术标准（JGJ476-2019)第7.5.5条，群锚呈非整体破坏时，锚杆抗拔极限承载力标准值为1 2 6 1 kN；群锚呈整体破坏时，锚杆抗拔极限承载力标准值为1 2 1 4kN。取两者最小值1 2 1 4kN作为其锚杆抗拔极限承载力标准值，则抗拔承载力特征值为6 0 7 kN,大于需求的42 8 kN,满足抗浮要求。考虑用抗浮桩作为工程抗浮措施。由于在岩层施工，考虑采用冲击钻成孔。抗浮桩直径1 0 0 0 mm，桩长7 m，单桩抗浮承载力计算按照公路桥涵地基与基础设计规范（JTG3363-2019)第6.3.9条计算。R,=0.3uZail:qikni=1同时，考虑单桩在浮重度条件下的桩身自重抗浮，可以得出单桩抗浮承载力为1 0 50 kN。按与抗浮锚杆相同的抗浮安全系数，共需抗浮桩3 2 根。对抗浮锚杆及抗浮桩进行对比分析，如下表2 所示。表2 滨河大道地道抗浮工程措施对比表抗浮措施受力特性可靠性施工便易性工期/h数量/根费用/万元在黏土、强、中风化岩层等易于成无黏结扩头锚杆锚固体处于孔径小，故成孔难度抗浮锚杆孔的地层中的可靠性较高，不适用808021.6受压受力状态，耐久性更优小，单根施工速度快于砂层和软土层抗浮桩受拉带裂缝工作，耐久地层适用范围广，在砂层和软土层孔径大，成孔难度抗浮桩923229.12性一般应采取防孔措施大，施工速度慢综上，抗浮锚杆锚固体处于受压状态，比钻孔桩的耐久性更好。同时，对于滨河大道地道的岩层地质情况，钻孔桩施工难度大，而抗浮锚杆施工更具便捷性，造价相对抗浮桩更优。因此，滨河大道地道抗浮工程措施选用扩大头抗浮锚杆。3.3汽河南路地道抗浮工程措施对比分析南岸新建河南路地道全长2 98 m。其中，暗埋段长度7 8 m，开段全长2 2 0 m。暗埋段单个箱体的最不利断面处，顶板厚1.1 m，底板厚1.2 m，地道全宽2 9.7 m；侧墙厚1.0 m、高5.2 9m，中墙厚0.7 m；覆土最小厚度1.3 m，地下水位按地面下0.5m考虑。则暗埋段结构的自重抗浮力为3 3 98 kN/m，浮力为2 0 8 5kN/m，抗浮安全系数1.6 3 大于1.1，满足规范要求，不需另加抗浮措施。开段的最不利断面处，侧墙高6.2 3 2 m、厚1.1 m，底板厚1.1 m，铺装厚0.4m，地道全宽1 9.9m。开段结构的自重抗浮力为1 0 6 9N/m，浮力为1 3 6 0 kN/m，需设置抗浮桩或抗浮锚杆来进行抗浮。开段的最不利节段长度为3 5m。按最不利节段计算，当满足抗浮安全系数1.1 0 时，抗浮措施需提供的抗浮力为（1.1 1 3 6 0-1 0 6 9）3 5=1 4945kN。抗浮锚杆按1 2 排、每排6 根布设，共布设7 2 根。锚杆长度按建筑工程抗浮技术标准计算，则锚杆长度大于8.95m，设计取锚杆长度1 0.0 m。根据建筑工程抗浮技术标准JGJ476-2019)第7.5.5条，群锚呈非整体破坏时，锚杆抗拔极限承载力标准值为46 5kN；群锚呈整体破坏时，锚杆抗拔极限承载力标准值为92 4kN。取两者最小值46 5kN，作为其锚杆抗拔极限承载力标准值，则抗拔承载力特征值为2 3 3 kN,大于需求的2 0 8 kN，满足抗浮要求。因该位置地层为砂层，扩头锚杆成孔易引起塌孔，故采用辅助措施。设计采用直径8 0 0 mm的高压旋喷桩，桩长1 1 m。待旋喷桩达到设计强度后，在旋喷桩内施工扩头锚杆。考虑抗浮桩作为工程抗浮措施。抗浮桩直径6 0 0 mm，56No.22023上涵么路桥隧工程SHANGHAIHIGHWAYS-桩长1 0 m，采用钢护筒施工，单桩抗浮承载力按照公路桥涵地基与基础设计规范计算。同时，考虑到单桩在浮重度条件下的桩身自重抗浮，可以得出单桩抗浮承载力为3 8 0 kN。按与抗浮锚杆相同的抗浮安全系数，共需抗浮桩45根。对抗浮锚杆及抗浮桩进行经济对比分析，如下表3 所示。表3 河南路地道抗浮工程措施对比表抗浮措施受力特性可靠性施工便易性工期/h数量/根费用/万元在黏土、强、中风化岩层等易于砂层易塌孔，需采用高压无黏结扩头锚杆锚固体处于抗浮锚杆成孔的地层中的可靠性较高，旋喷桩作为辅助措施，施1447235.71受压受力状态，耐久性更优不适用于砂层和软土层工工序多,施工速度慢抗浮桩受拉带裂缝工作，耐地层适用范围广，在砂层和软孔径大，砂层成孔难度小，抗浮桩924522.82久性一般土层应采取防塌孔措施施工速度较快综上，抗浮锚杆锚固处于受压状态，比钻孔桩的耐久性更好。对于河南路地道的砂层地质情况，钻孔桩施工难度小，但需做好防塌孔和缩颈等工程措施。抗浮锚杆在砂层中的成孔难度大，极易塌孔。为确保成孔质量，需采用高压旋喷桩作为成孔辅助措施，故造价相对抗浮桩更高。因此，河南路地道抗浮工程措施选用抗浮桩。4结语抗浮锚杆