峡谷地区裸岩陡坡桥梁桩基筑岛施工技术研究

王林峰　何静　傅奕帆　唐红梅

摘要：筑岛是确保峡谷地区裸岩陡坡桥梁桩基顺利施工的有效工程措施。以北盘江贞望大桥6号主墩的桩基施工为例，考虑了4种不同桩基施工顺序对筑岛边坡稳定性的影响，以揭示不同成桩顺序条件下边坡位移和应力的响应规律。研究结果表明：① 按成桩顺序1施工为最优的成桩顺序。当开挖第一批桩的时候，成桩顺序3引起的边坡位移和水平应力最大、稳定系数最小;而开挖第二批桩时，成桩顺序4引起的边坡位移和水平应力最大、稳定系数最小;在整个开挖过程中，成桩顺序1引起的最大位移和水平应力最小、稳定系数最大。② 开挖桩孔对边坡的稳定系数影响最大，开挖第一批桩孔时，边坡稳定系数降低幅度最大，其中，成桩顺序3降幅达到了11.81%。研究成果可为峡谷地区裸岩陡坡桥梁桩基施工安全提供参考。

关键词：桥梁桩基; 桩基筑岛; 裸岩陡坡; 稳定性分析; 峡谷地区

中图法分类号： U443.15

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.023

0引 言

桥梁是跨越峡谷最常见的构筑物。由于峡谷地区地形陡峭，没有作业平台，导致桥梁的桩基施工条件很差。为了保证峡谷地区裸岩陡坡桥梁桩基的顺利施工，筑岛是一种既安全又经济的方法。但是筑岛存在库水位变化、自重和施工荷载等因素作用下边坡失稳的问题。筑岛边坡一旦失稳，将会引起较大的经济损失和人员伤亡。因此，采用筑岛方式施工峡谷地区裸岩陡坡桥梁桩基时，必须保证其稳定性。

筑岛是库岸再造、填湖（海）造地常见的一种构筑物。国内外专家对其进行了大量的研究。邓方明以向家坝码头为例，基于蒙特卡洛法和传递系数法，分析了加有筋材的岸坡失稳概率[1]。贺林林等考虑桩土相互作用，分析了水库水位快速下降时高填方岸坡的稳定性演化规律[2]。赵沧海等利用竹结构取代抛石，并利用有限元方法分析了填土边坡的稳定性[3]。江强强等考虑库水位变化和降雨2个因素，通过室内模型试验分析了岸坡的失稳机制[4-6]。马建全等考虑地震的作用，分析了庫岸高填方路基的稳定性以及它的沉降规律[7]。吴志轩等通过无限长边坡理论解和有限元方法，分析了在填土与基岩交界面开挖台阶对填土边坡的稳定性影响[8]。崔雪婷等采用室内试验和数值模拟，分析了碎石土配比对填方边坡稳定性的影响[9]。吴红刚等通过数值分析，研究了黏土含量和压实工艺对填方边坡渗流场的影响[10-11]。张祖莲等考虑到边坡倾角和水位高程2个因素对岸坡失稳机制的影响进行了研究[12]。Yin等通过许多案例，分析了三峡库区水库岸坡的诱发机制和风险控制方法[13]。Hassan等借助于响应面法，分析了降雨和干燥条件下边坡的失稳概率[14]。Mahdi等运用蒙特卡罗法，分析了不同地下水位下边坡的失稳机制[15]。

由上述研究可以看出，目前对筑岛边坡和库岸的研究主要集中在边坡受库水位和降雨影响的边坡稳定性分析和破坏机制研究方面，而分析施工对其稳定性影响方面的研究较少。

综上所述，筑岛是确保峡谷地区裸岩陡坡桥梁桩基顺利施工的有效工程措施，但目前对筑岛在施工条件下的稳定性问题研究较少。因此，本文将主要分析施工和库水位对筑岛边坡稳定性的影响，并优化桩基的施工顺序。

1工程概况

本文以北盘江贞望大桥6号主墩的桩基施工为例展开研究。贞望大桥位于峡谷中，两岸山坡的倾角为30°～45°。桥梁下部结构采用柱式墩、桩基础，桥台采用重力式桥台、桩基础。该墩处水深超过40.00 m、边坡陡峭，岩石裸露，由于交通条件限制，无大型起吊设备和驳船，因此，大型桥梁桩基施工平台的架设，钢护筒下沉、桩孔钻进和倾斜度控制等难度大。为了保证桥梁桩基的顺利施工，该项目采用先筑岛后桩基施工的顺序。根据《防洪标准》和《堤防工程设计规范》对该岛进行设计，其工程等级为Ⅲ等，典型断面如图1所示。

具体工程措施为335.00 m以下采用抛石进行处理，并强夯密实，最大抛填块石深度约7.56 m，强夯单击能量3 000 kN·m。335.00～345.00 m采用堆石坝进行围护，堆石坝底高程335.00 m，顶高程345.00 m，高10.00 m。迎水面坡比为1∶1.50，背水面坡比为1∶1.0。坝顶宽4.0 m，底宽为13.03 m。对345.00～355.00 m采用碎石土回填碾压，顶高程355.00 m，高10.00 m。碎石土面坡坡比1∶1.48，并采用结构为正六边形的C20预制混凝土块进行护面，边长为20 cm，厚20 cm，并在其下部设置40 cm厚的碎石过渡层和20 cm厚的砂反滤层以保证筑岛填土体的透水性。

2桩基施工顺序对筑岛平台稳定性影响

本文拟定了4种桩基成桩顺序，分别研究筑岛边坡在不同成桩顺序下的位移、应力和稳定系数变化规律，进而得到最佳施工顺序。

2.1桩基成桩顺序

（1） 成桩顺序1。梅花式隔桩跳打施工，如图2（a）所示。

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

（2） 成桩顺序2。梅花式隔桩跳打施工，如图2（b）所示。

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

（3） 成桩顺序3。由外向里隔排施工，如图2（c）所示。

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

（4） 成桩顺序4。由里向外隔排施工，如图2（d）所示。

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

2.2数值模拟结果分析

采用FLAC 3D软件进行模拟，模型X方向80.00 m，Z方向40.00 m，Y方向18.00 m。模拟的参数如表1所列，模型如图3所示。模拟的工况共有5个。工况1，岛填筑完毕;工况2，先施工桩的开挖;工况3，先施工桩浇筑完毕;工况4，后施工桩开挖;工况5，后施工桩浇筑。

2.2.1位移分析

图4为不同成桩顺序下筑岛边坡总位移变化图。由图4可以看出：各成桩顺序在不同施工工况中的变化趋势基本一致，均为工况2和工况4位移量较大，工况1、工况3和工况5位移量较小。

（1） 工况2时，成桩顺序3的位移量最大，为16.99 mm，而成桩顺序4的位移量最小为16.00 mm。由于成桩顺序3的桩孔数量多于成桩顺序1，2和4，筑岛边坡的位移增加量最大，为2.28 mm，且位移最大;由于成桩顺序4的桩孔位置离筑岛边坡较远，对筑岛边坡的影响较小，因此位移最小。

（2） 工况3时，成桩顺序4的位移量最大，为14.94 mm，成桩顺序2的位移量最小，为14.79 mm。由于混凝土浇筑硬化后对筑岛边坡起到一定的支挡作用，而成桩顺序3浇筑混凝土的桩数最多，所以位移减小较大，减小了2.19 mm。

（3） 工况4时，成桩顺序4的位移量最大，为16.82 mm，成桩顺序3最小，为15.20 mm，由于受前面工况已施工好的桩的遮拦效应，成桩顺序1～3对筑岛边坡的位移影响较工况2减小，成桩顺序3的减小量最大，减小了1.89 mm，而成桩顺序4较工况2增大了0.59 mm。

从开挖到成桩完毕的5个工况中，成桩顺序1引起的最大位移是最小的。

2.2.2应力分析

（1） 施工前。

图5为Y=9.00 m，Z=40.00 m时筑岛平台水平向应力的变化图。由图5可以看出：在施工前，筑岛边坡应力全部为拉应力，并随着X的增加呈先增大后减小的趋势，最大拉应力出现在X=56.05 m处，该点位于筑岛平台的中部位置。

（2） 施工中。

图6为在成桩顺序1条件下Z=25，30 m和40 m时的水平应力分布图。由图6可以看出：当Z=25 m和40 m时，水平应力变化较小，说明桩孔施工对筑岛平台表面土体扰动量小。当Z=30 m时，土体的水平应力变化量大，最大水平应力为612 kPa，表明施工对岛中部扰动影响较大。

图7为Y=9.00 m，Z=30.00 m时不同成桩顺序在不同施工工况下的水平应力分布图。由图7（a）可以看出：在X=50.00～56.00 m范围内时，桩孔施工对筑岛平台土体扰动量大，对平台的后缘扰动量小，平台应力变化小。施工引起的水平应力从大到小依次为施工顺序3、顺序1、顺序2和顺序4。顺序3的最大水平应力较顺序4的增大了9.5倍。工况2时，成桩顺序1和成桩顺序3在X=54.65 m处达到峰值，而成桩顺序2和4时基本没有变化，这是由于4号桩孔周围土体应力释放，向孔内位移导致的。

图7（b）为工况3时，不同施工顺序下的水平应力分布情况。从图7（b）可以看出：在X=50.00～56.00 m范围内，桩孔施工對筑岛平台土体扰动量大，对平台的后缘扰动量小。成桩顺序3引起的水平应力最大，应力达到了218 kPa。然后，依次从大到小的顺序为成桩顺序1、成桩顺序2和成桩顺序4。成桩顺序3引起的水平应力较成桩顺序4增大了123 kPa。

由图7（c）可以看出，在各成桩顺序下，坡体水平向应力随X变化规律基本一致：工况4成桩顺序2和成桩顺序4在X=54.65 m处达到峰值，但数值没有工况2的大，这是因为已施工完成的桩对余下桩施工有遮蔽作用。施工引起的水平应力从大到小依次为施工顺序2、顺序4、顺序1和顺序3。顺序2的最大水平应力较顺序3的增大了6.1倍。

由图7（a）和图7（c）可以看出：工况2和工况4中水平向应力既有向左的也有向右的，这是因为在钻孔阶段，桩孔周围土体产生应力释放，使得孔周围土体产生向孔内的应力，孔左边的土体向右移动，孔右边的土体向左移动。

由图7（d）可以看出，4个成桩顺序在工况5时沿X方向的水平应力变化规律基本一致。当X=54.6 m时水平应力达到最大，为852 kPa。

经过对比发现，从开挖到成桩完毕的5个工况中，成桩顺序1引起的最大水平应力是最小的。

（3） 稳定系数计算结果分析。

图8为各成桩顺序下筑岛边坡的稳定系数变化曲线。通过该曲线的分析可以发现：工况2时，成桩顺序3的稳定系数下降的幅度最大，减小了11.81%;工况4时，成桩顺序4的稳定系数减小了8.13%;两者相比较可知，工况2条件下稳定系数下降的幅度是工况4的1.45倍。

按照成桩顺序2，3，4进行桩基施工时，边坡的稳定性系数相对较小，不利于筑岛边坡的安全稳定，且不满足建筑边坡工程技术规范要求，而成桩顺序1在各个施工工况下稳定系数较高，并且考虑到了实际施工过程的复杂性，防止桩之间的相互作用，需采用跳桩法施工，因此该工程宜采用成桩顺序1进行桩基施工。

3结 论

（1） 以北盘江贞望大桥6号主墩的桩基施工为例，分析了4种不同桩基施工顺序对筑岛边坡稳定性的影响，揭示了不同成桩顺序条件下边坡位移和应力的响应规律，并获得了最优的成桩顺序，即该工程宜采用成桩顺序1（梅花式隔桩跳打施工）进行桩基施工。

（2） 开挖第一批桩的时候，成桩顺序3引起的边坡位移和水平应力最大、稳定系数最小，而开挖第二批桩时，成桩顺序4引起的边坡位移和水平应力最大、稳定系数最小。开挖桩孔时，边坡中部的扰动最大。开挖桩孔对边坡的稳定系数影响最大，开挖第一批桩孔时，边坡稳定系数降低幅度最大，其中成桩顺序3降幅达到了11.81%。

（3） 本文分析施工對筑岛边坡的影响时，只考虑到了成桩顺序对其影响，而施工中不同堆载、成孔方式和振动荷载对其的影响没有开展研究。这些研究内容由于篇幅的原因，将在以后研究中展开研究。

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[15]MAHDI SHADABFARA，HONGWEIHUANGA.Analysis of slope stability considering the uncertainty in water table level[J].Procedia Structural Integrity，2019（22）：345-352.

（编辑：赵秋云）

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