仁遵團(tuán)結(jié)特大橋拱座基坑邊坡變形機(jī)制與施工方案研究

彭小勇，蘇曉亮，陳芳平，楊瑞娟，鄒啟民

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550001)

0 引 言

成都至遵義國(guó)家高速公路(貴州境)仁懷至遵義段是《國(guó)家公路網(wǎng)規(guī)劃》(2013年-2030年)中滬蓉高速G42的聯(lián)絡(luò)線G4215成都—遵義聯(lián)絡(luò)線的重要組成部分。團(tuán)結(jié)特大橋采用410 m鋼管混凝土拱橋+預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，橫跨V型觀音寺河河谷，遵義岸拱座開(kāi)挖山體腰部坡體。原設(shè)計(jì)方案為拱座處基坑開(kāi)挖形成3級(jí)邊坡，邊坡最大高度約30 m，開(kāi)挖坡率按1∶0.3，第一級(jí)坡面采取錨桿掛網(wǎng)噴混凝土，第二級(jí)、第三級(jí)坡面先采用錨桿掛網(wǎng)噴混凝土防護(hù)，然后再進(jìn)行框架錨索防護(hù)(見(jiàn)圖1、圖2)。因連續(xù)降雨， 邊坡在開(kāi)挖臨空過(guò)程中，雨水下滲軟化軟弱夾層，致使夾層及層間膠結(jié)物軟化，基坑邊坡開(kāi)挖防護(hù)過(guò)程中發(fā)生了沿巖層層面蠕滑，山體頂部開(kāi)裂等情況，為了確保邊坡穩(wěn)定和遵義岸拱座以及23#和24#墩的安全，進(jìn)行防護(hù)工程方案研究。

圖1 原方案拱座基坑邊坡防護(hù)布置圖

圖2 原方案拱座基坑邊坡開(kāi)挖防護(hù)斷面圖

本文以仁遵高速團(tuán)結(jié)特大橋拱座基坑邊坡為例，在現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，分析其變形破壞機(jī)制，并對(duì)施工方案進(jìn)行研究，可為工程建設(shè)的順利進(jìn)行和降雨工況下可能的局部加固處理提供合理的依據(jù)，同時(shí)，也可為同類順層巖質(zhì)高邊坡加固方案設(shè)計(jì)提供參考。

1 拱座邊坡基本特征

團(tuán)結(jié)特大橋遵義岸坡體北東向?yàn)橛^音寺河，該河谷為典型的“V”形谷，底寬約40～70 m。岸坡整體較陡，自然坡度角在40°～50°。橋區(qū)大部基巖裸露，植被發(fā)育，主要為樹(shù)林及灌木叢，整個(gè)坡體軸線地面高程在953.4～649.6 m之間，相對(duì)高差303.8 m。

圖3 孔內(nèi)電視成像圖

團(tuán)結(jié)拱座區(qū)域覆蓋層為粘土(Qel+dl)，呈黃褐色，可塑狀，局部含少量灰?guī)r碎石，厚0～2 m，場(chǎng)區(qū)零星分布。基巖為三疊系下統(tǒng)茅草鋪組(T1 m)，薄～中厚層狀灰?guī)r夾薄層泥膜、泥質(zhì)白云巖夾層。灰?guī)r強(qiáng)風(fēng)化層呈灰色，薄～中厚層狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖石較軟，巖芯呈柱狀、塊狀，鉆進(jìn)平穩(wěn)、較快。臨河一側(cè)表層巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，完整性系數(shù)Kv<0.50，巖體基本質(zhì)量級(jí)別為Ⅳ級(jí)；中～微風(fēng)化層呈淺灰色、灰白色，薄～中厚層狀，節(jié)理不發(fā)育，巖體較完整，巖石較硬，巖芯以柱狀為主、少量短柱狀，鉆進(jìn)平穩(wěn)、較慢。巖體較完整，完整性系數(shù)Kv=0.74，巖體基本質(zhì)量級(jí)別為Ⅲ級(jí)。同時(shí)，根據(jù)孔內(nèi)電視成像資料，灰?guī)r層間泥質(zhì)薄膜，發(fā)育間距為10～50 cm，層厚為0.5～8 mm，吸水后易軟化，淺部結(jié)合程度差，深部呈閉合狀(見(jiàn)圖3)。角礫狀泥質(zhì)白云巖夾層的強(qiáng)風(fēng)化層呈灰色，薄～中厚層狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖芯呈柱狀、塊狀，鉆進(jìn)平穩(wěn)、較快。完整性系數(shù)Kv<0.50，巖體基本質(zhì)量級(jí)別為Ⅳ級(jí)；中～微風(fēng)化層呈淺灰色、灰白色，薄～中厚層狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石較硬，巖芯以柱狀為主、少量短柱狀，鉆進(jìn)平穩(wěn)、較慢。巖體較完整，完整性系數(shù)Kv=0.74，巖體基本質(zhì)量級(jí)別為Ⅲ級(jí)。

2 拱座邊坡變形破壞機(jī)制

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖揭露情況，施工便道開(kāi)挖已形成高約6 m的薄～中厚層狀灰?guī)r順層邊坡，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖層間分布多層泥質(zhì)薄膜，其中基坑第三級(jí)臺(tái)階位置存在泥質(zhì)白云巖軟弱夾層，巖層強(qiáng)風(fēng)化層厚度約2～5 m，巖層產(chǎn)狀265°～267°∠45°～48°。一組平行于臨空面的節(jié)理J1，產(chǎn)狀為193°∠76°，性質(zhì)為強(qiáng)風(fēng)化卸荷裂隙。根據(jù)鉆孔電視資料，中風(fēng)化層巖層較完整，節(jié)理裂隙不發(fā)育，主要結(jié)構(gòu)面為巖層層面，層間夾泥質(zhì)薄膜。層間泥質(zhì)薄膜在巖層淺部結(jié)合程度差，深部呈閉合狀，發(fā)育間距為10～50 cm，層厚為0.5～8 mm，吸水后易軟化。拱座基坑邊坡巖體結(jié)構(gòu)為硬質(zhì)巖夾軟質(zhì)巖，工程地質(zhì)條件較差。同時(shí)，調(diào)查期間，巖層層間一直存在地下水滲出。

該邊坡巖體結(jié)構(gòu)為硬質(zhì)巖夾多層泥質(zhì)薄膜和軟質(zhì)巖的陡傾角順層邊坡，工程地質(zhì)條件較差。一方面，邊坡在開(kāi)挖過(guò)程中，降雨沿節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面下滲，不斷軟化軟弱夾層，致使夾層及層間膠結(jié)物強(qiáng)度急劇降低。另一方面，基坑開(kāi)挖后，導(dǎo)致邊坡巖層產(chǎn)生順層臨空，在重力作用下沿軟弱層面產(chǎn)生順層蠕滑變形，坡頂產(chǎn)生拉張裂縫。綜合各方面因素來(lái)看，邊坡工程地質(zhì)條件差為基礎(chǔ)因素，降雨和工程活動(dòng)是邊坡順層滑移的誘發(fā)因素，邊坡變形壞模式為蠕滑-拉裂型。同時(shí)，在進(jìn)一步施工開(kāi)挖過(guò)程影響下，邊坡將可能發(fā)生大規(guī)模沿層面順層滑移失穩(wěn)破壞。

3 邊坡防護(hù)方案施工方案研究

3.1 施工方案選擇

根據(jù)勘察資料中場(chǎng)區(qū)的工程地質(zhì)條件與水文地質(zhì)條件，結(jié)合穩(wěn)定性分析成果以及現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)裂垮塌情況，經(jīng)過(guò)充分技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，提出了抗滑樁、清方減載、錨索防護(hù)組合方案，具體設(shè)計(jì)防護(hù)措施：第一級(jí)邊坡采取錨拉樁，樁截面尺寸2 m×3 m，樁長(zhǎng)30 m，錨索沿樁身從上往下布置3排，抗滑樁樁頂設(shè)置冠梁，樁與拱座基礎(chǔ)間澆筑C30混凝土回填；抗滑樁樁頂以上坡體沿層面進(jìn)行順層清方減載，減載后邊坡坡面采用豎梁錨索和框架錨索加固，錨索排數(shù)為3排；在左24#墩、右23#墩處坡面采用豎梁錨索和框架錨索加固，錨索排數(shù)為3排，并且左幅24#墩、右幅23#墩采用高承臺(tái)設(shè)計(jì)，樁基進(jìn)行加長(zhǎng)。

3.2 邊坡防護(hù)施工方案的實(shí)施

團(tuán)結(jié)特大橋遵義岸拱座基坑開(kāi)挖處于陡傾順層坡體，地面橫坡較陡，為確保施工作業(yè)安全，施工前必須先建立施工單位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和第三方監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

團(tuán)結(jié)特大橋遵義岸拱座基坑邊坡防護(hù)工程分為以下幾個(gè)部分：錨拉樁、豎梁錨索、框架錨索、監(jiān)測(cè)工程，施工期間做好施工地質(zhì)工作。

根據(jù)工程特點(diǎn)，其施工總順序?yàn)椋菏紫冗M(jìn)行邊坡監(jiān)測(cè)及截排水系統(tǒng)，然后進(jìn)行豎梁錨索、框架錨索工程，其次再進(jìn)行錨拉樁工程施工。

具體施工順序：

(1)施工前，按截排水設(shè)計(jì)作好場(chǎng)地內(nèi)的地表排水系統(tǒng)，修筑截排水溝，并減少雨水的下滲；

(2)為加強(qiáng)施工期的邊坡安全穩(wěn)定，邊坡開(kāi)挖及防護(hù)施工過(guò)程中，應(yīng)進(jìn)行變形和穩(wěn)定監(jiān)測(cè)；

(3)施工前，對(duì)坡面張拉裂縫和卸荷裂隙進(jìn)行封填，材料采用C10水泥砂漿以及修筑防落石擋墻；

(4)對(duì)抗滑樁樁頂以上巖層采取沿層面順層清方減載，并及時(shí)采取豎梁錨索、框架錨索防護(hù)；

(5)實(shí)施錨拉樁以及樁頂冠梁；

(6)對(duì)拱座基礎(chǔ)和抗滑樁間澆筑混凝土回填；

(7)拱座基坑邊坡及橋墩防護(hù)完成后，在監(jiān)測(cè)正常穩(wěn)定條件才能繼續(xù)進(jìn)行拱座澆筑和上部橋墩施工。

(1)錨拉樁施工

錨拉樁中抗滑樁沿拱座開(kāi)挖面布置7根抗滑樁，抗滑樁軸向朝巖層傾向，即抗滑樁截面長(zhǎng)邊朝向巖層傾向，抗滑樁布置定位坐標(biāo)見(jiàn)下表，抗滑樁截面尺寸2 m×3 m、中對(duì)中間距6 m，樁長(zhǎng)均為30 m。所有樁的樁身采用C30混凝土，抗滑樁鋼筋采用HRB500、HRB400鋼筋，雙面搭接焊，箍筋為四肢，從樁頂?shù)綐兜祝g距0.3 m。錨拉樁中沿樁身中心線布置從上至下設(shè)置3排錨索，第一排錨索距樁頂距離為1 m，第一排、第二排、第三排間距為2.5 m。施工應(yīng)滿足。

①樁身開(kāi)挖：抗滑樁樁身開(kāi)挖按《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD30-2004)、《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF10-2006)執(zhí)行；抗滑樁施工采用跳樁開(kāi)挖，如先開(kāi)挖1、3、5、7號(hào)樁，樁身混凝土澆注完畢達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再開(kāi)挖2、4、6號(hào)樁；按由淺至深、由兩側(cè)向中間的順序施工。

②鎖口與護(hù)壁：為保證施工安全，每根樁口部均施作鎖口，鎖口設(shè)計(jì)為C20鋼筋混凝土，鎖口澆注完畢后開(kāi)始樁身開(kāi)挖，處于土層及破碎巖層中的樁身開(kāi)挖面須施作護(hù)壁，樁護(hù)壁施工從地面到樁底，厚30 cm，護(hù)臂采用C30號(hào)混凝土現(xiàn)澆，一次現(xiàn)澆深度不得大于100 cm。

③2.0 m×3.0 m、3.0 m×4.0 m抗滑樁4個(gè)角各埋一根聲測(cè)管；因各地質(zhì)檢部門(mén)對(duì)聲測(cè)管的檢測(cè)設(shè)備不同，因此，在埋置聲測(cè)管之前，請(qǐng)咨詢當(dāng)?shù)刭|(zhì)檢部門(mén)，遵循當(dāng)?shù)亓?xí)慣，以方便檢測(cè)。

(2)錨索施工

豎梁和框架梁截面尺寸采用0.5 m×0.6 m矩形梁，梁嵌入坡面30 cm，梁均采用C30混凝土現(xiàn)澆，錨索選用高強(qiáng)度、低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為270級(jí)，采用6股φ15.24 mm鋼絞線，鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度不小于1 860 MPa，每孔設(shè)計(jì)噸位750 KN，對(duì)應(yīng)錨具采用性能和規(guī)格滿足設(shè)計(jì)要求的。錨固段長(zhǎng)度8 m，鉆孔孔徑φ130 mm，錨索自由段采用防護(hù)油及塑料管隔離。施工應(yīng)滿足。

①豎梁錨索和框架錨索的施工包括施工準(zhǔn)備、測(cè)量放樣、豎梁或框架梁鑿槽、豎梁或框架梁鋼筋制作安裝、豎梁或框架梁澆筑、成孔、錨索制作與安裝、注漿、張拉鎖定和封錨頭等主要工序。

②錨索須按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行基本試驗(yàn)和驗(yàn)收試驗(yàn)，基本試驗(yàn)為破壞性試驗(yàn)，確定錨索可承受的最大張拉力和錨固工程的安全度，檢驗(yàn)錨索設(shè)計(jì)能否滿足工程要求，基本數(shù)量不少于3根。驗(yàn)收試驗(yàn)在錨索施工后做，選擇有代表性的工作錨索進(jìn)行非破壞性試驗(yàn)。

③錨索鉆孔：應(yīng)根據(jù)錨固地層的類型、鉆孔直徑、鉆孔工地的場(chǎng)地條件等來(lái)選取鉆孔設(shè)備，在巖層破碎或松軟等易于塌縮孔地層中應(yīng)采用跟套管的鉆進(jìn)技術(shù)。采用無(wú)水鉆進(jìn)，禁止開(kāi)水鉆，以確保錨索施工不致于惡化邊坡巖體的工程地質(zhì)條件和保證孔壁的粘結(jié)性能。鉆孔方向與水平面和豎直面的夾角不得與設(shè)計(jì)角度偏差±1°，鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)對(duì)每個(gè)孔的地層變化、鉆進(jìn)狀態(tài)(鉆壓、鉆速)、地下水及一些特殊情況做現(xiàn)場(chǎng)記錄。鉆孔孔壁不得有粘士或粉砂滯留，必須清洗干凈，清洗方法采用高壓空氣吹干，以免降低水泥砂漿與巖體的粘結(jié)強(qiáng)度，防止錨索不能下到預(yù)定深度。

④錨索體的材料必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求的材料選用，所采用的材料必須要有國(guó)家法定單位或部門(mén)的合格證書(shū)及試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告。

⑤錨索體的制作：鋼絞線必須從盤(pán)絲上按計(jì)算長(zhǎng)度采用機(jī)械切割，嚴(yán)禁電弧切割，不得采用焊接，不能有銹蝕、損壞的現(xiàn)象。將鋼絞線在編索平臺(tái)上拉直，每根錨索的鋼絞線數(shù)目不得少于設(shè)計(jì)要求。

⑥注漿材料：一般為水泥砂漿或純水泥漿，水灰比為0.4～0.45，灰砂比為1∶1，漿體強(qiáng)度≥35 MPa。水泥砂漿中水泥采用425#以上普通硅酸鹽水泥，砂用平均粒徑0.3～0.5 mm中砂，含泥量不大于3%。錨索孔內(nèi)自孔底一次性壓滿M35水泥砂漿，注漿壓力0.5～0.8 MPa，砂漿灌注必須飽滿密實(shí)。

⑦張拉：待錨索錨固段的漿體強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，方可進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉。錨具底座頂面與鉆孔軸線應(yīng)垂直，確保錨索張拉時(shí)千斤頂張拉力與錨索在同一軸線上。正式張拉前必須進(jìn)行預(yù)張拉，使錨索體完全平直。在施加預(yù)應(yīng)力完畢后，錨索最后鎖定施加預(yù)應(yīng)力為設(shè)計(jì)拉力的110%，穩(wěn)定時(shí)間不少于5 min。預(yù)應(yīng)力錨索張拉鎖定后，錨頭部分應(yīng)涂防腐劑，再用C30混凝土封閉。

(3)清方減載

清方區(qū)域巖體采用控制爆破，邊坡開(kāi)挖爆破施工前，應(yīng)做好爆破設(shè)計(jì)，減少爆破開(kāi)挖對(duì)清方區(qū)域以外巖體的擾動(dòng)。清方完成后及時(shí)進(jìn)行坡面豎梁錨索和錨桿框架防護(hù)。

(4)防落石擋墻

防落石擋墻作為臨時(shí)性防治清方過(guò)程中落石滾落進(jìn)入下方的觀音寺河，防落石擋墻采用M7.5漿砌片石，墻高3 m。施工應(yīng)滿足：

①擋墻施工前應(yīng)在順層清方減載之前完成。

②采用的石料、砂漿材料必須復(fù)核施工規(guī)范規(guī)定，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求的材料選用。

③擋墻基槽開(kāi)挖施工宜采取先兩端后中間、分段、跳槽、馬口開(kāi)挖，跳槽開(kāi)挖的長(zhǎng)度8～12 m，開(kāi)挖作業(yè)嚴(yán)禁爆破開(kāi)挖。開(kāi)挖一段后，應(yīng)及時(shí)修筑和回填一段，不應(yīng)冒進(jìn)或中途停止施工。開(kāi)挖施工期間應(yīng)對(duì)坡體進(jìn)行監(jiān)測(cè)。基礎(chǔ)底面嚴(yán)禁做成順坡，其反坡應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求施工。擋墻基槽達(dá)到設(shè)計(jì)要求后應(yīng)清除基礎(chǔ)表面的雜物，排干積水，及時(shí)驗(yàn)槽。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)仁遵團(tuán)結(jié)特大橋遵義岸拱座所在山體地形較陡，地面高差大，覆蓋層為粘土，下伏基巖為薄～中厚層狀灰?guī)r夾薄層泥膜、泥質(zhì)白云巖夾層。該邊坡巖體結(jié)構(gòu)為硬質(zhì)巖夾多層泥質(zhì)薄膜和軟質(zhì)巖的陡傾角順層邊坡。

(2)仁遵團(tuán)結(jié)特大橋拱座基坑邊坡工程地質(zhì)條件差為基礎(chǔ)因素，降雨和工程活動(dòng)是邊坡順層滑移的誘發(fā)因素，邊坡變形壞模式為蠕滑-拉裂型。

(3)仁遵團(tuán)結(jié)特大橋拱座基坑邊坡防護(hù)采取開(kāi)挖減載、錨拉樁、坡面豎梁錨索、獨(dú)立錨索防護(hù)等綜合治理措施。