南門山巖石高切坡工程的設(shè)計(jì)實(shí)踐與體會

趙尚毅,雷用,陳金峰,董彤

（后勤工程學(xué)院軍事建筑工程系，重慶 400041）

重慶市涪陵區(qū)南門金階高切坡工程坡頂有居民建筑，由于新建建筑需要在已有建筑外側(cè)進(jìn)行深切坡，最大高度約26m，切坡不當(dāng)可能引起坡頂建筑物變形，甚至邊坡垮塌造成嚴(yán)重事故，有較大風(fēng)險。該高切坡工程的支護(hù)設(shè)計(jì)采用樁+錨索的支護(hù)方案，設(shè)計(jì)要求逆作法施工。但是實(shí)施過程中部分區(qū)段未按逆作法施工發(fā)生了險情，而嚴(yán)格按逆作法施工的區(qū)段在施工期間以及竣工后2年的位移監(jiān)測結(jié)果表明切坡引起的變形很小，坡頂建筑物安全。對于此類坡頂有重要建筑的高切坡工程，在重慶市經(jīng)常遇到，目前對該類工程的設(shè)計(jì)理論尚不十分完善，稍有不慎，則可能造成嚴(yán)重事故。本文介紹該高切坡工程的設(shè)計(jì)思想以及切坡引起的變形情況，總結(jié)該工程的一些成功經(jīng)驗(yàn)和失敗的教訓(xùn)，為其它同類工程的設(shè)計(jì)施工提供參考。

1 邊坡特征和工程地質(zhì)簡況

工程項(xiàng)目位于重慶市涪陵南門山，為涪陵地區(qū)鬧市區(qū)黃金地段。擬建建筑為2棟30層高樓。按現(xiàn)有地形和建筑總平面布置設(shè)計(jì)要求需要對原有地形進(jìn)行切坡，最大切坡高度20m，由此形成高切坡。邊坡坡頂有多棟老居民建筑，切坡線距離坡頂建筑的水平最近距離只有3m。坡頂建筑為上世紀(jì)70年代修建的多層砌體結(jié)構(gòu)房屋，建筑基礎(chǔ)形式均為條型基礎(chǔ)，基礎(chǔ)置于強(qiáng)風(fēng)化基巖巖體上。

圖1 擬建建筑效果圖

圖2 坡頂需要保護(hù)的居民建筑

圖3 邊坡剖面圖

場地內(nèi)的地層巖性有：人工填土層、泥巖和砂巖。泥巖：中厚層狀構(gòu)造，偶夾薄層狀砂巖及灰綠色團(tuán)塊。砂巖：中厚層狀構(gòu)造，局部含泥質(zhì)較重。中等風(fēng)化層：巖芯較完整，局部呈碎塊狀，裂隙較發(fā)育。上部強(qiáng)風(fēng)化層：巖體破碎，裂隙發(fā)育。

場地位于珍溪向斜南西揚(yáng)起端，巖層傾向35o，傾角21o。場區(qū)內(nèi)基巖主要在場地北西側(cè)出露。場地基巖中主要發(fā)育兩組裂隙：①產(chǎn)狀195o∠63o，長0.5m～1.5m，裂面較平直，呈閉合狀，發(fā)育間距1m～2m；②產(chǎn)狀105o∠79o，延伸長0.5m～1m，呈閉合狀，發(fā)育間距0.6m～1.2m，為硬性結(jié)構(gòu)面，結(jié)合較差。

現(xiàn)場勘查揭示，砂巖和泥巖接觸面存在軟弱夾層，勘察單位提供的此軟弱夾層強(qiáng)度參數(shù)為：粘聚力C=30kPa，內(nèi)摩擦角Φ=12o，巖體層面及裂隙結(jié)構(gòu)面的粘聚力C=50kPa，內(nèi)摩擦角Φ=18o，經(jīng)赤平投影分析，該段邊坡為順向坡，邊坡巖體主要由泥巖組成，邊坡巖體類型為Ⅲ類，主要受層面及其與②號裂隙組合影響，沿層面及其組合交線滑塌的可能性較大。邊坡破裂角取63.3o，等效內(nèi)摩擦角取55o。

圖4 巖體結(jié)構(gòu)面赤平面分析圖

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)勘察報告，設(shè)計(jì)采用的力學(xué)參數(shù)如表1。

表1 巖土參數(shù)

3 邊坡變形破壞模式

根據(jù)邊坡巖性、構(gòu)造及結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，邊坡切坡后有以下幾種可能破壞模式。

（1）沿著外傾結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生破壞。一是巖體層面間破壞，二是砂巖和泥巖接觸面的軟弱夾層結(jié)構(gòu)面破壞，三是層面和②號裂隙組合面破壞。

（2）沿著45o+Φ/2=63o的庫倫破裂面破壞。

（3）由于坡頂有居民建筑，切坡后邊坡巖體產(chǎn)生卸荷側(cè)向變形，即使邊坡沒有發(fā)生垮塌，但也可能引起坡頂建筑結(jié)構(gòu)開裂。

4 側(cè)向巖石壓力計(jì)算

設(shè)計(jì)對于以上三種情況分別進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，并計(jì)算對應(yīng)的巖石側(cè)壓力，按最不利情況進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)對每個區(qū)段選取最不利的剖面進(jìn)行計(jì)算，以11-11剖面為例。

(1)按照軟弱夾層的順層滑動，軟弱夾層傾角21o，C=30kPa,φ=12o。按極限平衡法[1]計(jì)算得到側(cè)向巖土壓力計(jì)算結(jié)果為Ea=1267.8kN/m。

(2)按照均質(zhì)巖體，采用庫倫土壓力公式計(jì)算得到的側(cè)向巖石壓力為Ea=669.2kN/m.（巖體C=0kPa,φ=55o）。

(3)靜止巖石側(cè)壓力

坡頂建筑荷載按每層樓15kPa的超載考慮，采用《建筑邊坡支護(hù)技術(shù)規(guī)范》建議的側(cè)向靜止巖石壓力公式計(jì)算得到此剖面的側(cè)向靜止巖石壓力為E0=2928.3kN/m。

《建筑邊坡支護(hù)技術(shù)規(guī)范》第6.4條規(guī)定對支護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制要求嚴(yán)格的巖石邊坡靜止巖石壓力需要修正[2]，理由是由實(shí)驗(yàn)室測得的巖塊泊松比是巖石的泊松比，而不是巖體的泊松比，因而由此算得的靜止巖石側(cè)壓力系數(shù)。因此對巖石靜止側(cè)壓力系數(shù)必須依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正。

修正靜止巖石壓力Eo’=β1Eo

β1為靜止巖石壓力折減系數(shù)，根據(jù)邊坡巖體類別確定，對Ⅰ類取0.3~0.45，對Ⅱ類取0.4~0.55，對Ⅲ類取0.5~0.65，對Ⅳ類取0.6~0.75；裂隙發(fā)育時取大值，裂隙不發(fā)育時取小值。修正后還要求Eo’≥(1.3~1.4)Ea。

修正后的靜止巖石壓力為Eo’=1903.4 kN/m＞1.4 Ea。可見，修正后的側(cè)向靜止巖石壓力數(shù)值明顯比庫倫主動側(cè)巖石壓力大。因此，本高切坡支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由側(cè)向靜止巖石壓力控制。

5 邊坡支護(hù)方案

根據(jù)邊坡破壞模式分析及側(cè)向巖石壓力計(jì)算，邊坡切坡后如不支護(hù)則邊坡不穩(wěn)定，邊坡最大巖石側(cè)壓力為靜止巖石壓力，邊坡開挖過程中需要采取措施限制邊坡巖體切坡后的側(cè)向變形。由此，設(shè)計(jì)采用錨索+樁的支護(hù)結(jié)構(gòu)型式。

如果采用普通板肋式錨索支護(hù)，那么施工時需要先開挖出一個臺階的工作面，然后再鉆孔施工錨索。在錨索還沒有發(fā)揮作用前，邊坡就可能產(chǎn)生變形甚至垮塌，由此可能帶來風(fēng)險，給坡頂建筑物安全造成影響。因此，設(shè)計(jì)要求先施工樁，然后逆作法施工錨索，開挖一級便立即支護(hù)一級。樁+錨索支護(hù)示意圖如圖5。

圖5 支護(hù)方案示意圖

6 施工順序要求

設(shè)計(jì)要求先施工樁，然后逆作法施工錨索。開挖一級后立即施工一級錨索，必須等到上一級錨索發(fā)揮作用后才能進(jìn)行下一級巖體的開挖。樁上混凝土墊墩強(qiáng)度及錨索錨固段砂漿強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度90%時，才能進(jìn)行錨索張拉鎖定。

按照規(guī)范要求，混凝土和水泥砂漿標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期為28d。如果豎向每排錨索鉆孔灌漿后都需要等待28d的養(yǎng)護(hù)期，會造成工期較長，建設(shè)方難以接受如此長的工期。為縮短工期，設(shè)計(jì)采用C30外錨墩，錨固段采用M40水泥砂漿，并在注漿液以及外錨墩的混凝土中摻入適量的早強(qiáng)劑，要求澆筑外錨墩混凝土后要精心養(yǎng)護(hù)。注漿的同時，取不同齡期的力學(xué)試樣，具體張拉時間根據(jù)試塊強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果確定。

設(shè)計(jì)要求墊墩強(qiáng)度及砂漿強(qiáng)度達(dá)80%后，開始用輕型千斤頂對鋼絞線逐一張拉，張拉力控制在10～20kPa，使鋼絞線逐根順直，然后進(jìn)行整束整體初次張拉。整體張拉采用兩次多級，第一次張拉用20%設(shè)計(jì)拉力預(yù)張拉，以便索體各部位接觸緊密，索體完全順直。第二次張拉按五級張拉，即預(yù)應(yīng)力的25%，50%，75%，100%，110%， 除第一級需要穩(wěn)定20～30min外，其余每一級需要穩(wěn)定5min，并分別記錄每一級鋼鉸線的伸長量。當(dāng)墊墩和孔內(nèi)砂漿強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度時，進(jìn)行末次張拉。各錨索施工完且鎖定后48h內(nèi)發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力損失值大于設(shè)計(jì)荷載的10%時，應(yīng)分析原因并對其補(bǔ)償張拉。

7 現(xiàn)場施工期間出現(xiàn)的險情

如前所述，設(shè)計(jì)要求先施工樁，再施工錨索，錨索鎖定后才能逆作法進(jìn)行下一級巖體的開挖。但是建設(shè)方急迫要求快速施工，希望最快的時間進(jìn)行基坑巖體開挖，開挖出建筑基礎(chǔ)的施工作業(yè)面，在最快的時間里完成工程建設(shè)。由此建設(shè)方在某位建筑結(jié)構(gòu)專家的建議下，認(rèn)為該邊坡為巖質(zhì)邊坡，在距離切坡位置水平距離15m處進(jìn)行基坑開挖不會引起邊坡失穩(wěn)。建設(shè)方采用了此意見，在上部抗滑樁還未挖到位的情況下，下部基坑就進(jìn)行了開挖，由此造成坡頂建筑物開裂。尤其是幼兒園房屋的墻體、樓板嚴(yán)重開裂，嚴(yán)重威脅幼兒園人員的生命安全，不得已對幼兒園進(jìn)行搬遷和經(jīng)濟(jì)賠償（如圖6、圖7）。

圖6 現(xiàn)場施工照片

圖7 坡頂房屋墻體、樓板開裂

造成此事故的原因就是建設(shè)方為了縮短工期，沒有按設(shè)計(jì)要求的逆作法施工，在上部支護(hù)結(jié)構(gòu)未完成的情況下進(jìn)行下部基坑開挖造成巖體變形。事故發(fā)生后，在政府部門的監(jiān)督下，立即停工，并對已經(jīng)開挖的基坑臨空面巖體采取應(yīng)急加固措施，設(shè)計(jì)采用錨桿掛網(wǎng)噴射混凝土的支護(hù)措施。每孔錨桿采用1Ф32精軋螺紋鋼，錨頭采用錨墩形式，400x400x200mm。鋼墊板尺寸300x300x20mm。這種方案加快了施工速度。施工后的位移監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，坡頂巖體的變形停止，應(yīng)急加固措施效果明顯。

建設(shè)方想加快工期，但不按科學(xué)規(guī)律進(jìn)行反而拖延了工期，并造成經(jīng)濟(jì)損失，好在沒有造成人員傷亡。遺憾的是建設(shè)方并沒有從此事故中吸取教訓(xùn)，在CD區(qū)段第二階錨桿擋墻的施工過程中又沒有按逆作法施工，按90°的坡度一坡到底開挖，且未支護(hù)。邊坡巖體在暴露了約15d后，出現(xiàn)垮塌，架設(shè)的腳手架和鉆機(jī)被打翻。幸好垮塌發(fā)生在夜間，未造成人員傷亡。如圖8。

圖8 施工垮塌現(xiàn)場

邊坡支護(hù)的逆作法施工技術(shù)是自上而下分階開挖與支護(hù)的一種重要施工方法，是巖土工程界用血的代價總結(jié)出來的一條寶貴施工經(jīng)驗(yàn)。《建筑邊坡支護(hù)技術(shù)規(guī)范》中明確要求對土石方開挖后不穩(wěn)定或欠穩(wěn)定的邊坡應(yīng)根據(jù)邊坡的地質(zhì)特征和可能發(fā)生的破壞等情況采取自上而下分段跳槽及時支護(hù)的逆作法或部分逆作法施工，嚴(yán)禁無序大開挖作業(yè)。對于Ⅲ類巖體邊坡應(yīng)采用逆作法進(jìn)行施工，Ⅱ類巖體邊坡可部分采用逆作法施工。但是實(shí)際施工中許多單位為了縮短工期，圖方便而采取一挖到底再支護(hù)。由此造成了邊坡垮塌事故，得不償失。此類工程事例在重慶地區(qū)還較多，比如重慶南坪某工地巖質(zhì)邊坡未按逆作法要求施工，一坡到底后裸露半個月后垮塌（圖9）。

圖9 南坪某高邊坡工地垮塌現(xiàn)場

8 樁錨結(jié)構(gòu)體系支護(hù)效果

在邊坡高度較高的AB區(qū)段，施工單位嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求的施工順序進(jìn)行，即先施工樁，然后施工錨索，自上而下分階開挖一級立即支護(hù)一級。

施工單位對錨索錨固段M40水泥砂漿試塊取不同齡期進(jìn)行試驗(yàn)，測試結(jié)果見表2。

表2 不同齡期砂漿試塊試驗(yàn)結(jié)果表

根據(jù)水泥砂漿試塊試驗(yàn)結(jié)果，M40水泥砂漿摻入適量的早強(qiáng)劑后，15d的強(qiáng)度達(dá)到37.5MPa,達(dá)到M30砂漿強(qiáng)度。施工單位按此結(jié)果進(jìn)行錨索張拉鎖定后再開挖下一級巖體。按此方法進(jìn)行，在施工期間和施工完畢后邊坡未出現(xiàn)變形，坡頂居民建筑也未出現(xiàn)裂縫，治理效果非常理想（圖10）。

圖10 工程完工后的現(xiàn)場照片

建設(shè)方委托重慶巖土工程檢測中心對該邊坡進(jìn)行監(jiān)測。先后建立變形監(jiān)測點(diǎn)共27個。2年內(nèi)總共進(jìn)行了140輪次沉降、位移監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明，嚴(yán)格按照逆作法施工的區(qū)段坡頂特征監(jiān)測點(diǎn)的位移非常小，總的水平位移量值小于5mm。而未按逆作法進(jìn)行的坡頂特征監(jiān)測點(diǎn)得到的累計(jì)位移最大達(dá)到33mm，豎直沉降位移累計(jì)達(dá)25mm。但自從采取應(yīng)急加固措施，后續(xù)施工嚴(yán)格按逆作法施工后，特征點(diǎn)位移累計(jì)變化均小于5mm，所有監(jiān)測點(diǎn)變形速度均未超過臨界變形速度值1～1.5mm/d。且隨著時間推移趨于穩(wěn)定。

圖11 特征點(diǎn)位移監(jiān)測結(jié)果

以上情況充分說明，只要嚴(yán)格按照逆作法施工，就能有效控制高邊坡的變形量，確保坡頂建筑的安全。同時也說明采用樁+錨索的支護(hù)方案按靜止巖石壓力進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是成功的。

9 幾點(diǎn)體會

(1）對于坡頂有重要建筑物的高切坡工程，樁+錨索（桿）的聯(lián)合支護(hù)型式是一種安全可靠的支護(hù)方案。尤其適用于土質(zhì)切坡或Ⅲ、Ⅳ類巖石高邊坡工程。對于Ⅱ類巖石高切坡，可根據(jù)切坡線到坡頂建筑基礎(chǔ)邊線的水平距離、邊坡高度、工程風(fēng)險程度等酌情考慮支護(hù)方案。

(2）對于坡頂有重要建筑物的高切坡工程，采用靜止巖石側(cè)壓力公式計(jì)算得到的巖石側(cè)壓力往往比主動巖石壓力大很多。國標(biāo)《建筑邊坡支護(hù)技術(shù)規(guī)范》給出的巖石側(cè)壓力修正系數(shù)具有一定經(jīng)驗(yàn)性。對于完整性較好的Ⅱ類巖石高切坡工程，切坡后是否有較大的靜止巖石壓力，需要進(jìn)一步研究。

(3）邊坡切坡引起的水平和豎向變形影響范圍有多大，目前尚不十分清楚。目前的高切坡靜止巖石側(cè)壓力計(jì)算范圍是整個邊坡高度范圍內(nèi)。錨索長度按主動巖石壓力確定的破裂面確定。筆者曾采用限元數(shù)值軟件模擬某巖石基坑開挖引起的卸荷變形范圍?；舆吰聸]有外傾結(jié)構(gòu)面，巖體完整性較好，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為2.3。從主動巖石破壞模式分析，該邊坡不必支護(hù)即很穩(wěn)定。但按靜止巖石壓力理論計(jì)算，該邊坡需要采取錨索強(qiáng)力支護(hù)。

圖12為基坑開挖引起的巖石側(cè)向水平位移大于2mm的分布云圖。結(jié)果表明，基坑開挖引起的巖石邊坡的水平變形范圍并不呈直線形式，而且卸荷變形范圍較大。那么究竟多大的側(cè)向變形值對坡頂建筑安全有影響呢？是不是所有坡頂有建筑物的巖石邊坡都要按靜止巖石壓力計(jì)算呢？按此設(shè)計(jì)會造成相對較高的工程造價和較長的施工工期，這個問題有待于進(jìn)一步研究。

圖12 某深基坑開挖后引起的卸荷范圍分布

(4）涪陵南門山高切坡的施工經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)再一次告訴我們，邊坡施工的逆作法是巖土工程界用血的代價總結(jié)出來的一種安全可靠的施工方法，必須堅(jiān)持。有高切坡的建筑工程施工必須堅(jiān)持先治坡后建房的基本原則。

[1]趙尚毅，鄭穎人，王建華，等.基于強(qiáng)度折減安全系數(shù)的邊坡巖土側(cè)壓力計(jì)算方法探討 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29(9)：1760－1764.

[2]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)編寫組.GB50330-2003建筑邊坡支護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.