桩板式挡墙在半路半隧工程中的应用

丁心香， 邹秋红

(1.河南省交通规划设计研究院股份有限公司， 河南 郑州　450052；2.湖南省永吉高速公路建设开发有限公司， 湖南 吉首　416000)



桩板式挡墙在半路半隧工程中的应用

丁心香1， 邹秋红2

(1.河南省交通规划设计研究院股份有限公司， 河南 郑州450052；2.湖南省永吉高速公路建设开发有限公司， 湖南 吉首416000)

摘要：为了研究山岭重丘区公路建设中遇到的半路半隧的路基侧边坡防护问题，结合具体工程实例，介绍了半路基半隧道工程中路基侧的支挡防护方案，经比选提出了相应的较优的设计方案，并采用数值分析方法建立了路基侧边坡的计算模型，分析了深开挖条件下边坡的安全性，并阐述了半路半隧的桩板式挡土墙的设计过程及施工要点，指出桩板墙可以有效地解决隧道偏压以及路堑边坡高挡墙的路基挡护问题。

关键词：半路基半隧道； 桩板墙； 设计； 施工顺序

1概述

由于山区高速公路线型受地形、地质条件等限制，不可避免存在半路基半隧道的特殊工点类型。考虑隧道承拱开挖应尽量避免严重偏压以及路基侧路堑的开挖施工对隧道的影响等因素，路基侧的支挡问题尤为重要。采用何种支挡形式及施工流程更能有效地减少路基边坡开挖对隧道的影响是该类工程问题的关键。由于抗滑桩抗滑能力大，预加固效果好，可以有效治理大型复杂边坡，因此广泛应用于公路、铁路、水利等相关行业[1]。本文依托湖南省永吉高速公路工程，研究外挂板式桩板墙在半路半隧支挡工程中的设计应用及施工要点，以期为相似工程提供参考。

2工程实例

2.1工程概况

湖南省永顺至吉首高速公路(简称永吉高速)K37+570～K37+715段为分离式路基，右线K37+570～K37+715段为挖方路堑以路基通过，对应左线为单洞隧道，隧道起讫桩号K37+531～K37+726，隧道全段为Ⅴ级围岩，全长195 m，隧道进出口段山体自然坡度约50°，洞顶最大埋深30.1 m。左线及右线设计线间距为12.0 m，右线路面设计高程比左线高约2.8 m。路堑左侧最大挖方深度约32 m。该段位于剥蚀构造低山地貌，地形起伏较大，地势陡峻，地面横坡1∶5～1∶2。覆盖层为第四系全新统残坡积的粉质黏土夹碎石，厚度不均，平均厚约2.7 m，下伏基岩为强风化～中风化元古界板溪群马底驿组板岩，强风化层厚度约16 m，强风化板岩节理裂隙发育。

2.2支挡方案的比选

本段为典型的半路基半隧道工程，左幅隧道右侧边线和右幅路基左幅边线净距仅为9.0 m，若右幅路基放缓边坡进行开挖，势必会造成左幅隧道的严重偏压问题，因此本段工点需要在路堑左侧坡脚设置强支挡措施。考虑到路堑开挖深度较深以及尽量减小路堑对隧道的影响，桩板墙可支护高度较高，施工方便快捷，后期养护维修费用低等优点，决定采用桩板墙方案。根据本段横断面情况推断，本段悬臂段约需14 m。据此又提出了a、b、c 3种方案进行详细比选。

1) 方案a：外挂式桩板墙，桩顶设置锚索，采用2 m×3 m矩形桩。

采用桩+锚索的设计方案，优点较为明显，可以通过桩顶施加预应力，大大改善桩的受力条件，减少桩身弯矩和剪力，有效减小桩的截面和埋置深度。并且锚索可以减少桩顶的位移量，较快地稳定边坡。缺点是锚索的设置将对隧道结构产生不利影响。

2) 方案b：内置挂板式桩板墙，桩顶不设锚索，采用2 m×3.5 m矩形桩。

本方案采用常规桩板墙，桩采用T型桩，内置挂板。增大桩高到3.5 m，可有效提高桩的力学性能，减少桩顶位移。但内置挡土板施工时需开挖桩间土体，由于本段为强风化板岩，开挖时容易造成桩间土体的塌落，严重时将会造成边坡的位移，影响左幅隧道的安全。

3) 方案c：外挂式桩板墙，桩顶不设锚索，采用2 m×3.5 m矩形桩。

和方案b类似，采用矩形桩外挂挡板，可最大程度地减少路基边坡开挖对隧道造成的影响，但外挂式挡板对施工工艺要求较为严格。

通过以上方案的比选，因边坡内部岩土为隐蔽工程，本工点同时涉及隧道及路基边坡开挖支护工程，施工过程中定存在如地层岩性、地下水、周边环境变化等不确定因素，为尽量减少边坡开挖支护对隧道的影响，采用方案c外挂式桩板墙对右幅路基左侧进行强支挡。

2.3外挂式桩板墙的设计与施工

2.3.1路基开挖对边坡的影响

为了研究路基侧桩板墙防护方案的合理性，采用有限差分程序对该工点建立了数值模型，桩截面采用矩形2 m×3.5 m桩，桩长28 m，桩顶高于路面14 m，锚固段14 m，桩间距5.0 m。桩体采用实体单元，桩侧及桩底设置接触面单元模拟桩土的相互作用。计算过程中，土体应力应变的本构理论采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，桩体采用弹性模型。

由于隧道开挖时其一衬、二衬支护可以消除隧道内土体卸荷的影响，因此本次分析不考虑隧道对边坡的影响。所建立的模型如图1a所示。开挖路槽后的边坡模型如图1b所示。

通过杀死相关单元，模拟路基的开挖。经过计算，得出坡体的剪切应变增量云图如图2所示。由摩尔-库伦强度破坏理论可知，土体发生破坏是由于剪应力达到了土体的剪切强度，从而发生剪切破坏，而当土体发生剪切破坏时，相应的剪切面上必然发生较大的剪切变形。因此，最大剪切应变增量的位置可以反映边坡的潜在破坏面位置。由图2可知，桩顶以下坡体的剪切应变较小，桩顶上边坡的剪切应变较大，以近似坡面角度向上发展。因此设计中应重视该破坏面进一步发展的可能，防止沿此面产生桩顶以上坡体的越顶破坏。

　a) 开挖前　　b) 开挖后　

图2　开挖后坡体的剪切应变增量

2.3.2外挂式桩板墙设计

作用于桩体上的设计荷载按库仑土压力确定，库仑土压力分项(安全)系数=1.350 ，墙背路堑强风化板岩摩擦角取42°。桩体按弹性桩考虑，桩的内力计算采用“K”法，弹性地基系数取200 MN/m3。

经过计算，墙背土压力Ex=1 901.5 kN，作用点高度Zy=5.658 m，按土压力验算为设计依据，验算桩顶位移为7.0 cm，背侧最大弯矩为83 009.844 kN·m，距离桩顶16.0 m，最大剪力12 376.822 kN，距离桩顶14.0 m，根据以上结果，根据公路路基设计规范进行了相应的抗弯钢筋及抗剪钢筋的配置。

桩顶以上坡体根据数值分析结果，通过在坡面采用长锚杆(12 m)进行加固，经计算满足安全要求。

经以上分析及计算，本段半路半隧确定最终支护方案为：YK37+570～YK37+700段共长130 m，设置27根桩，桩截面采用矩形2 m×3.5 m桩，桩长28 m，桩顶高于路面14 m，锚固段14 m，桩间距5.0 m，为方便施工，桩间采用外挂式挡土板。挡土板内力按均布荷载下的简支梁计算。挡土板自桩顶以上0～7.0 m采用厚40 cm、宽50 cm挡板，7.0～14.0 m采用厚60 cm、宽50 cm挡板，支挡典型横断面图如图3所示。

图3　防护方案设计图

2.3.3外挂式桩板墙和隧道的施工

本工点中隧道开挖和路基开挖息息相关，开挖顺序至关重要。右幅路堑左侧抗滑桩与隧道结构间净距约4.4 m，属典型的临近施工，目前，国内对此尚无工程规范，实例也较少，经过多次论证比选，最后确定先施工抗滑桩进行预加固，再施工隧道初期支护，隧道初支封闭后，相当于在坡体内部形成一个承载拱，对于边坡稳定较为有利。再进行右幅路基的土石方开挖，同时进行隧道变形监测。土石方工程开挖完成后，边坡应力重新分布，预加固的抗滑桩起到支挡作用并稳定后，进行外挂式挡板施工及隧道二衬。这样可有效解决隧道和路基支挡临近施工带来的相互干扰。

最终确定施工顺序为：桩顶以上边坡的开挖及防护→预加固桩抗滑桩施工→隧道开挖及初期支护→路基土石方开挖施工同时隧道变形监测和边坡监控→外挂式挡板施工→隧道二衬→路面、排水及其他附属工程。

本段工点对施工质量要求较为严格，每道施工工艺提出关键技术要求：

1) 桩顶以上边坡的开挖及防护：路堑边坡土石方的开挖要求严格按照从上而下的开挖顺序逐级开挖，待桩顶以上边坡锚固工程全部实施并产生作用后方可进行桩板墙抗滑桩的施工，确保坡体稳定和结构安全。

2) 预加固桩抗滑桩施工：采用人工挖孔桩跳槽开挖，采用挖孔时应及时进行护壁，护壁靠线路侧应设置宝丽板以方便挂板前拆除，施工孔内岩石须爆破时，应采用浅眼爆破法。同时应做好隧道变形监测和边坡的变形位移监测。

3) 隧道开挖及初期支护：本隧道为偏压隧道，隧道洞深浅埋及偏压地段采用环状开挖环留核心土的施工方法，严格遵循“管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、早封闭、勤量测”的原则施工。

4) 路基土石方开挖施工：禁止采用大爆破，要求距设计坡面一定范围内一律采用光面爆破，以尽量减少或避免爆破施工对岩体结构和隧道的破坏作用和影响。

5) 外挂式挡板施工：预制挡土板强度达到80%后吊装，要保证各挡土板安装牢固位置正确，并使板与桩密贴。

6) 隧道二衬：重点为预防或减少混凝土开裂，首先应把好材料关，严格控制原材料的质量与技术标准，控制混凝土的施工工艺。

7) 路面、排水及其他附属工程：开挖边沟时同土石方施工一样，严禁进行大爆破。

3结论

桩板式挡土墙兼具挡土以及抗滑的作用，可以有效地解决小净距的半路基半隧道中不能开挖边坡的路堑坡脚高支挡问题，同时预先施工的桩可起到预先加固边坡的作用，可有效减小路基开挖对坡体的扰动和对隧道结构的影响，在设计时除了要考虑整体边坡的稳定性分析外，墙背的综合摩擦角取值应恰当准确，还应注意考虑桩板墙和隧道以及路基的施工顺序问题，直接影响到隧道工程的安全问题。

参考文献：

[1] JTG D30-2015，公路路基设计规范[S].

[2] JTG F10-2006，公路路基施工技术规范[S].

[3] JTG D30-2015，公路隧道设计规范[S].

[4] 李海光.新型支挡结构设计与工程实例(第2版)[M].北京： 人民交通出版社，2013.

[5] 郑颖人，陈祖煜，王恭先，等.边坡与滑坡工程治理(第2版)[M].北京：人民交通出版社，2010.

[6] 章勇武，马惠民.山区高速公路滑坡与高边坡病害防治技术实践[M].北京：人民交通出版社，2007.

[7] 熊建军，易震宇，胡海波.殿会坪连拱隧道半隧半路段结构分析研究[J].公路工程，2008(6).

[8] 叶彩娟.包头至西安铁路柳树店明洞边坡桩板墙加固工程设计[J].铁道标准设计，2012(6).

[9] 秦旗，韩仙华.高速铁路深路堑框架型桩板墙二维有限元分析[J].交通标准化，2011(7).

[10] 黄治云，张永兴，董捷.桩板墙土拱效应及土压力传递特性试验研究[J].岩土力学，2013(7).

文章编号：1008-844X(2016)02-0217-04

收稿日期:2016-03-12

作者简介:丁心香( 1981-) ，女，主要从事公路工程道路设计工作。

中图分类号：U 452.2

文献标识码：B