BigAir滑雪跳台项目填方边坡支护动态设计研究_李姝.pdf

12 工程勘察Geotechnical Investigation&Surveying2023 年第 3 期BigAir 滑雪跳台项目填方边坡支护动态设计研究李 姝,范铁强(北京市勘察设计研究院有限公司,北京 100038)摘要:依托国家跳台滑雪训练科研基地的 BigAir 项目,采用迈达斯(Midas)软件建模进行填方范围分析,指导现场实现滑道填方造型。通过“锚喷+注浆”方式改善堆填体物理力学性质,控制降水入渗导致的细颗粒流失;滑道正面边坡采用“竖梁+锚杆”支护形式,锚杆长度的确定方法解决了复杂地层条件下滑动面随锚杆长度变化而导致计算有多种解的难题;侧面边坡采用“格构梁+锚杆+生态喷播”方案进行加固和绿化,提出了利用几何空间关系确定填方体厚度变化条件下锚杆长度的方法,并结合现场放线动态调整格构梁布置。通过综合分析,对 BigAir 项目进行了分区设计,为类似项目提供了一种可靠的设计思路。关键词:填方边坡;格构梁;锚杆;动态设计中图分类号:TU476文献标识码:AStudy on dynamic design of filling slope support in BigAir Ski Jump projectLi Shu,Fan Tieqiang(BGI Engineering Consultants Ltd,Beijing 100038,China)Abstract:A case study on the filling works of the BigAir project of National Ski Jumping Training and Research Base is carried out.Midas software is used to analyze the filling range and provide guidance on the filling form.The physical and mechanical properties of the landfill are improved by anchoring and grouting,and the loss of fine particles caused by precipitation infiltration is controlled;the skiing track slope is reinforced by vertical beam and anchor.The method of determining the anchor length solves the problem that the sliding surface varies with the length of anchor under complicate stratum conditions,which leads to multiple solutions;the slope side is strengthened and greened with the scheme of frame beams,anchor and hydro-seeding.A method to determine bolt length under the condition of filling thickness variation is proposed using geometric spatial relations,and the arrangement of lattice beam is dynamically adjusted according to the ground feature.Through the comprehensive analysis,the zoning design method of BigAir project provides a reliable design idea for similar projects.Key words:filling slope;frame beams;anchor;dynamic design收稿日期:2022-05-05;修订日期:2022-08-15作者简介:李姝(1991-),女(汉族),四川绵阳人,硕士,工程师.0引言山区高填方工程具有边坡高、方量大和填土厚度差异显著等特点,常常出现不均匀沉降、沉降稳定时 间 长 及 滑 坡 频 发 等 问 题,从 而 引 发 上 部 建(构)筑物、道路及管线开裂等各种工程事故1 4。因此,填方边坡的加固与支护设计,在越来越多的工程建设中得到了广泛的关注与研究5,6。同时,填筑质量也是影响高填方稳定性的重要因素,应严格控制施工过程,排除安全隐患7 9。治理后的填方边坡多作为公路地基与机场跑道等,而鲜有将其应用于单板大跳台的设计案例。本工程为国家备战2022 年冬奥会的重点设施建设项目,设计施工同步开展,对填方和支护方案提出了更高的要求,案例的成功实施意义重大。1工程概况涞源国家跳台滑雪训练科研基地项目位于保定市涞源县县城南侧白石山镇附近,场地位于山坡及山谷中。二期工程包括:道路工程、跳台滑雪场地(含 HS20、HS40、HS75 及 BigAir 赛道等)、跳台看台、造雪系统、提升系统、绿化防护工程及市政工程等。其中,BigAir 单板大跳台选用旱雪赛道,实2023 年第 3 期工程勘察Geotechnical Investigation&Surveying13 现冬夏两用。基于此项目的特殊性,受疫情影响,工期极为紧张,设计施工一体化,提出如下设计原则:(1)长期安全原则:该工程边坡为永久性边坡,设计边坡的使用期限不低于周边建筑物的使用期限。填方高边坡防护与支挡结构需满足稳定性、耐久性及抗震要求;(2)经济效益原则:通过科学合理的技术方法和工程措施,控制工程造价,提高工程投入的经济效益;(3)生态优先原则:工程治理与生物治理相结合,营造与周边环境相协调的氛围,从人工到自然的过渡,以达到生态系统的平衡;(4)技术可行与施工安全原则:采用科学合理的设计,以确保工程施工与养护的安全,并建立有效的施工期和使用期的监测系统;(5)动态设计原则:采用动态设计,根据施工进度及反馈,对设计及时进行修正、校核和补充。2场区工程地质及水文地质条件2.1场区地层分布概况(1)人工堆积层:主要分布于浅层地表,一般为厚度 02.9m 的粉土素填土层及碎石素填土1层。(2)第四系坡洪积层:岩性主要为粉质黏土层、粉土1层(遇水后会发生湿陷)及碎石混黏性土2层;碎石混黏性土层、粉质黏土1层及粉土2层;碎石混黏性土层及粉质黏土1层。(3)第四系残坡积层:岩性主要为碎石混黏性土层及粉质黏土1层。(4)中元古界蓟县系雾迷山组:岩性为灰白色白云岩,岩层产状约为 125 13036 44。按风化程度可划分为全风化1层、强风化2层和中风化3层。2.2场区地下水概况拟建场地内分布的地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水(该层潜水主要赋存于碎石混黏性土层中,地下水稳定水位标高为 932.90 933.30m)与基岩裂隙水(受岩体裂隙发育程度影响,地下水的空间分布不均,多呈条带状分布)。2.3场地和地基的地震效应拟建场区抗震设防烈度为 7 度,设计基本地震加速度值为 0.10g,设计地震分组为第三组。2.4标准冻结深度拟建场地的标准冻结深度为 1.20m。3填方设计山区工程常常涉及斜坡基底高填方边坡,地形起伏大,边坡整体稳定性差,设计施工难度大,如何进行填方是面临的首要问题。塑料土工格栅是一种新兴的土工合成材料,具有抗拉强度高、弹性模量大、韧性好、抗腐蚀、耐老化、质量轻、与土体之间相互作用强等特点,能在较短时间内发挥加筋作用,因此被广泛应用于高填方边坡等岩土工程领域10 12。基底造型是指在填方体下部的稳定土体或岩体上,人工改造基底形状以提高界面的抗剪参数,从而提高填方体自身抗滑能力的工程措施。公路路基设计规范(JTG D30-2015)13、公路路基施工技术规范(JTG/T 3610-2019)14、铁路路基设计规范(TB 10001-2016)15、土方与爆破工程施工及验收规范(GB 50201-2012)16等国家标准以及行业标准均提出了相应的工程措施。根据建筑设计及现场施工情况,为建设 BigAir滑道,将 原 山 体 进 行 削 坡 或 填 筑。采 用 迈 达 斯(Midas)软件建模进行了填方范围分析:该赛道有两个区域涉及填方,高位填方区原山体坡度 27,填方后滑道坡度为 37,填方厚度 0 6.0m,填方坡面长度 37m,高度 19m;低位填方区原山体坡度25,填方后滑道坡度为 38,填方厚度 0 5.5m,填方坡面长度 22m,高度 12m。滑道侧面边坡按照自然休止角 37进行填筑。据此提出了填方方案:填方前应对山体进行台阶式开挖,每级台阶高度 1.0m,填方材料采用削坡处破碎白云岩块及表层土层形成的混合料,岩块最大粒径不超过 15cm,压实度不低于 90%,内摩擦角不低于 30。分层填筑,每层厚度 0.4m,层间铺设 TXB 三向土工格栅,相邻格栅搭接宽度不小于0.3m。由于现场施工速度快,短时间内填方体难以固结稳定,采用 25 中空锚杆(L=4.0m 1200)对其进行注浆加固,以改善堆填体物理力学性质,控制降水入渗导致的细颗粒流失,注浆前采用喷射混凝土封闭填方土体表面,达到封面稳内的效果。4边坡设计计算正面滑道和侧面边坡的地形不规则,锚杆长度与格构梁布置困难,首要解决的是边坡稳定性问题。高位区表层松散物薄,锚杆穿越填方体后很快进入基岩,但是低位区钻孔揭示土层较厚,土岩分界面起伏,滑动面随锚杆长度变化而导致计算呈现多种解,为了科学合理地设计锚杆提出如下方式:对填方体布设锚杆后,调整锚杆间距使边坡稳定安全系数在一般工况下大于 1.35,地震工况下大14 工程勘察Geotechnical Investigation&Surveying2023 年第 3 期于 1.15,量测该极限工况下锚杆入岩长度最大值(高位区 2.0m,低位区 1.22m),最终确定高位区填方体锚杆布设间距为 2.0m,低位区填方体锚杆间距为 1.5m,典型支护剖面见图 1 和图 2,图中 N为锚杆排数。高位区:经上述计算,最大锚杆极限抗拔承载力为 653.452kN,轴向拉力标准值为 653.452/2.6=251.328kN(2.6 为锚杆抗拔安全系数),取 280kN,杆体为 132PSB930。施工时要求高位区锚杆进入基岩强风化层大于等于 7.0m。低位区:经上述计算,最大锚杆极限抗拔承载力为 392.071kN,轴向拉力标准值为 392.071/2.6=150.797kN(2.6 为锚杆抗拔安全系数),取 170kN,杆体为 125PSB930。施工时要求低位区锚杆进入基岩强风化层大于等于 4m。计算满足的锚固段长度为极限状态,结合经验并考虑一定的安全储备,提出实际施工锚杆长度取计算值的 33.5 倍(大于锚杆抗拔安全系数 2.6)。图 1高位区支护剖面Fig.1Support section in high area图 2低位区支护剖面Fig.2Support section in low area格构梁垂直等高线均匀布置于填方体表面,交点位置设置锚杆,每个交点对应两个标高(原始地形和填方后),锚杆自由段长度(即填方体厚度)按照几何空间关系确定,详见图 3,同时考虑台阶式开挖高度为 1m,低位区土层较厚(结合钻孔分析,按 6m 考虑)等因素;锚固段:高位区锚杆进入基岩强风化层大于等于 7.0m,低位区锚杆进入基岩强风化层大于等于 4.0m;各项相加计算出侧面边坡每根锚杆的长度。图 3滑道侧面锚杆长度确定简图Fig.3Sketch of anchor length on the side of slide岩石锚杆采用精轧螺纹钢,其强度是普通钢筋的 2 倍以上,连接方便,锚头处理简单,相较于钢绞线,其耐久性、可靠性更高。但岩石锚杆在钻进岩层时产生振动,易造成堆填体碎石土坍塌,成孔难度大,故提出施工时采用套管跟进,并在套管局部打注浆孔,注浆后套管永久内置,节省了抽拔套管的工序,从而加快施工进度。格构梁设计按照弹性地基梁连续梁计算方法,根据锚杆布置间距计算格构梁剪力和弯矩,再按照混凝土结构设计规范(GB 50010-2010)17进行配筋计算。格构梁实际施工时需考虑躲避灯杆,同时兼顾横梁水平施工易浇筑混凝土等因素,依据现场实际放线后的格构梁位置动态调整支护设计。对山体进行造型改造后,采用先进的“根系引导孔+土工格室+客土喷播”植被修复技术对造型山体进行植被修复,使跳台滑雪训练场地与周边环境相协调,详见图 4。图 4植被修复技术Fig.4Technology for vegetation restoration5BigAir 支护方案按照结构要求与工程地质条件等因素将 BigAir划分为 6 个区,设计效果与航拍实景见图 5。2023 年第 3 期工程勘察Geotechnical Investigation&Surveying15 (1)区:锚喷+注浆+竖梁+板+锚杆根据结构设计标高进行土方清挖及地形整治,坡面挂勾花网,面层喷射混凝土,强度 C20,厚度100mm。采用中空锚杆进行注浆。边坡正面采用竖梁+板+锚杆支护,竖梁尺寸 500mm500mm,高位区间距 2.0m,低位区间距 1.5m,梁间设置 350mm混凝土板,采用 C30 混凝土。锚杆钻孔直径 130mm,倾角 15,高位区锚杆进入基岩强风化层大于等于7.0m,低位 区 锚 杆 进 入 基 岩 强 风 化 层 大 于 等 于4.0m。锚杆端部与框架梁锚入连接,锚杆孔注满水泥浆,水灰比 0.500.55,强度不小于 25MPa。(2)区:注浆滑道坡度平缓区域采用中空锚杆进行注浆,锚杆长度 4.0m,间距 1.2m,梅花形布孔。浆液采用P.S.A32.5 水泥浆,水灰比 0.50 0.55,注浆压力不小于 0.5MPa。(3)区:锚喷+注浆+格构梁+锚杆坡面挂勾花网,面层喷射混凝土,强度 C10,厚 100mm,采用中空锚杆注浆。边坡侧面采用框架格构 梁+锚 杆+生 态 喷 播 护 坡,格 构 梁 尺 寸 为400mm400mm,间距 2.0m,采用 C30 混凝土。锚杆钻孔直径 130mm,倾角 15,高位区锚杆进入基岩强风化层大于等于 7.0m,低位区锚杆进入基岩强风化层大于等于 4.0m。边坡环境生态化、景观化并防止地表水冲刷坡面,在格构梁内采用土工格室,喷播护坡绿化。(4)区:竖梁+板+锚杆填方体与原山分界交线为折线,原山部位无需进行锚喷+注浆加固,板、竖梁、锚杆要求同区。(5)区:板+锚杆设置锚杆对滑道板进行固定。(6)区:重力式挡墙低位区东侧无放坡空间,采用重力式挡墙,挡墙基底应位于碎石土层,否则采用毛石混凝土换填。挡墙高度根据现场实际地形进行调整,挡墙埋深不小于 1.2m,采用 C20 毛石混凝土浇筑,墙身应设置伸缩缝,缝宽 20mm,间距 20 25m。泄水孔采用预埋 100mmPVC 管,孔间距为 2.0m。图 5设计效果与航拍实景Fig.5Design effect and aerial view of the real scene6结语BigAir 项目的成功实施有力助推了冬奥会的举办,其时间紧,任务重,设计施工一体化,动态设计尤为重要,本文为类似项目提供了一种可靠的设计思路。原始地形与填方后地形数据是设计的基础,填方地形可采用模型分析指导现场施工,同时结合地形测绘进行精细化设计。原山进行台阶式开挖,采用削坡区破碎白云岩块及表层土层形成的混合料+分层铺设土工隔栅的方式进行填筑,并采用浅层中空锚杆与深层岩石锚杆相结合的方式改善堆填体物理力学性质,控制降水入渗导致的细颗粒流失。通过边坡稳定性分析,得出合理的锚杆分布形式和长度,量测最大入岩长度确定锚杆长度,解决了复杂地层条件下滑动面随锚杆长度变化而导致计算有多16 工程勘察Geotechnical Investigation&Surveying2023 年第 3 期种解的难题,并结合几何空间关系确定填方体厚度变化条件下的锚杆长度。对山体进行造型改造后,采用先进的“根系引导孔+土工格室+客土喷播”植被修复技术对造型山体进行植被修复,使跳台滑雪训练场地与周边环境相协调。无填方坡体空间时,采用重力式挡墙进行支护。基于上述全面的分析,笔者将 BigAir 按照结构要求与工程地质条件等因素划分为 6 个区:区采用锚喷+注浆+竖梁+板+锚杆的支护形式,区为注浆支护形式,区采用锚喷+注浆+格构梁+锚杆的支护形式,区为竖梁+板+锚杆的支护形式,区为板+锚杆支护形式,区为重力式挡墙。参考文献 1 吴桐,茹治敏,岳喜 春.高 填 方 对 管 道 的 安 全 影 响 分 析J.石化技术,2015,22(10):2526.Wu Tong,Ru Zhimin,Yue Xichun.Effect of high embankment on pipeline safety J.Petrochemical Industry Technology,2015,22(10):2526.(in Chinese)2 周学深,杨泽亮,韩鹏.天然气长输管道通过高填方规划道路区的整治设计 J.天然气工业,2014,34(12):118122.Zhou Xueshen,Yang Zeliang,Han Peng.Rectification of long-distance pipelines buried under high filling planned roads J.Natural Gas Industry,2014,34(12):118122.(in Chinese)3 柴贺军,张丽娟.山区典型路基稳定性分析与处治效果评价J.公路交通科技(应用技术版),2008,(6):101103.Chai Hejun,Zhang Lijuan.Stability analysis and treatment effect evaluation of typical roadbed in mountainous area J.Highway Traffic Technology(Application Technology Edition),2008,(6):101103.(in Chinese)4 张井泉.高填方边坡稳定性研究 D.成都:西南交通大学,2009.Zhang Jingquan.Research on the stability of the high embankment slope D.Chengdu:Southwest Jiaotong University,2009.(in Chinese)5 刘媛,吴显伟,阎波等.垂直预应力锚杆式挡墙在高填方边坡防护中的应用 J.工程勘察,2020,48(2):3034,44.Liu Yuan,Wu Xianwei,Yan Bo et al.Application of retaining wall with vertical prestressed anchors in high fill slope engineering J.Geotechnical Investigation&Surveying,2020,48(2):3034,44.(in Chinese)6 侯俊伟.双排桩支护永久性高填方边坡数值分析与应用研究 J.工程勘察,2015,43(12):2226.Hou Junwei.Study on numerical analysis and application of double-row piles used in permanent high filling slopes J.Geotechnical Investigation&Surveying,2015,43(12):2226.(in Chinese)7 铁道部第二勘测设计院.抗滑桩设计与计算 M.北京:中国铁道出版社,1983.Second Survey and Design Institute of Railway.Design and calculation of anti-slide pile M.Beijing:China Railway Publishing House,1983.(in Chinese)8 中华人民共和国行业标准.滑坡防治工程设计与施工技术规范(DZ/T 0219-2006)S.北京:中国标准出版社,2006.The Professional Standards of the Peoples Republic of China.Specification of design and construction for landslide stabilization(DZ/T 0219-2006)S.Beijing:Standards Press of China,2016.(in Chinese)9 李智毅,杨裕云.工程地质学概论 M.武汉:中国地质大学出版社,1994.Li Zhiyi,Yang Yuyun.Introduction to engineering geology M.Wuhan:China University of Geosciences Press,1994.(in Chinese)10 范家暖.塑料土工格栅用聚丙烯改性研究 D.济南:山东大学,2016.Fan Jianuan.Modification of polypropylene using in plastic geogrid D.Jinan:Shandong University,2016.(in Chinese)11 宋立彬,郑超,王征等.土工格栅用聚丙烯原料的高温拉伸特性 J.理化检验(物理分册),2015,51(10):688692.Song Libin,Zheng Chao,Wang Zheng et al.High-temperature tensile characteristics of polypropylene for plastic geogrid J.Physical Testing and Chemical Analysis(Part A:Physical Testing),2015,51(10):688692.(in Chinese)12 刘杰.塑料土工格栅拉伸性能及工艺研究 D.济南:山东大学,2015.Liu Jie.The tensile property and technology research of plastic geogrid D.Jinan:Shandong University,2015.(in Chinese)13 中华人民共和国行业标准.公路路基设计规范(JTG D30-2015)S.北京:人民交通出版社,2015.The Professional Standards of the Peoples Republic of China.Specifications for design of highway subgrades(JTG D30-2015)S.Beijng:China Communication Press,2015.(in Chinese)14 中华人民共和国行业标准.公路路基施工技术规范(JTG/T 3610-2019)S.北京:人民交通出版社,2019.The Professional Standards of the Peoples Republic of China.Technical specifications for construction of highway subgrades(JTG/T 3610-2019)S.Beijng:China Communication Press,2019.(in Chinese)15 中华人民共和国行业标准.铁路路基设计规范(TB 10001-2016)S.北京:中国铁道出版社,2017.The Professional Standards of the Peoples Republic of China.Code for design of railway earth structure(TB 10001-2016)S.Beijing:China Railway Publishing House,2017.(in Chinese)16 中华人民共和国国家标准.土方与爆破工程施工及验收规范(GB 50201-2012)S.北京:中国建筑工业出版社,2012.The State Standards of the Peoples Republic of China.Code for construction and acceptance of earthwork and blasting engineering(GB 50201-2012)S.Beijing:China Architecture&Building Press,2012.(in Chinese)17 中华人民共和国国家标准.混凝土结构设计规范(2015 年版)(GB 50010-2010)S.北京:中国建筑工业出版社,2015.The State Standards of the Peoples Republic of China.Code for design of concrete structures(The 2015 Edition)(GB 50010-2010)S.Beijing:China Architecture&Building Press,2015.(in Chinese)