宋 健,李鴻盛,胡風(fēng)明,閆 磊,程龍飛
(1.中交一公局重慶萬(wàn)州高速公路有限公司,重慶 404100; 2.重慶三峽學(xué)院土木工程學(xué)院,重慶 404100)
懸索橋重力式錨碇基礎(chǔ)埋深較大,施工首先需要進(jìn)行基坑開(kāi)挖,形成深達(dá)數(shù)十米的超深基坑。深基坑開(kāi)挖過(guò)程中,巖土層開(kāi)挖面重力及對(duì)周邊巖土的支撐作用持續(xù)減少,從而導(dǎo)致基底及周邊巖土層應(yīng)力重分布。若在開(kāi)挖過(guò)程中,基坑邊坡及支護(hù)結(jié)構(gòu)不能形成新的平衡狀態(tài),就會(huì)造成基坑邊坡失穩(wěn)坍塌等事故,甚至造成重大的生命財(cái)產(chǎn)損失。
我國(guó)東部平原地區(qū)具有深厚的覆蓋層,錨碇基坑常采用沉井[1]、矩形地下連續(xù)墻[2]、圓環(huán)形地下連續(xù)墻[3-5]等支護(hù)形式,已經(jīng)積累了豐富的施工經(jīng)驗(yàn)。在中西部山嶺重丘區(qū),重力式錨碇的基坑邊坡常為巖質(zhì)邊坡或土巖混合邊坡,可充分發(fā)揮巖質(zhì)邊坡的優(yōu)勢(shì),采用放坡開(kāi)挖[6-7]或者混合支護(hù)形式[8-9]。但目前為止,砂泥巖互層地質(zhì)錨碇基坑的案例仍較為罕見(jiàn)。
背景工程地處三峽庫(kù)區(qū)腹地重慶萬(wàn)州區(qū),該區(qū)侏羅系砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、頁(yè)巖等廣泛發(fā)育并形成互層結(jié)構(gòu),并因構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成傾斜產(chǎn)狀。砂巖、泥巖、頁(yè)巖的結(jié)合面是相對(duì)軟弱面,該區(qū)域的滑坡大多數(shù)與此有關(guān)[10],即使在緩傾角狀態(tài)下也可能產(chǎn)生順層滑坡[11]。依托背景工程,本文總結(jié)了砂泥巖互層地質(zhì)超深錨碇基坑的施工技術(shù)方案,并對(duì)基坑邊坡變形監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行了分析,相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)可為類(lèi)似工程提供借鑒。
新田長(zhǎng)江大橋設(shè)計(jì)為單跨1 020m的鋼箱梁懸索橋,在重慶萬(wàn)州城區(qū)上游19km處跨越長(zhǎng)江,是恩廣高速重慶新田至高峰段的控制性工程。橋梁采用雙向四車(chē)道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),設(shè)計(jì)速度80km/h,主橋?qū)挾?0.5m(含風(fēng)嘴),主梁高度為3m。根據(jù)設(shè)計(jì),兩岸的錨碇均采用重力式錨碇,基坑采用明挖順作法施工。
橋址區(qū)為長(zhǎng)江河谷地貌,兩岸多淺丘及構(gòu)造剝蝕低山丘陵。新田岸錨碇區(qū)位于山脊頂部較平緩區(qū)域,北東側(cè)、南西側(cè)均為斜坡,地面分布高程233.000~238.000m,地表覆蓋層為厚度1.1~3m的粉質(zhì)黏土,局部基巖出露,基巖巖體較完整,為沙溪廟組粗砂巖、砂巖、頁(yè)巖、砂質(zhì)泥巖。由于上覆層為相對(duì)隔水層,且基巖具有多處臨空面,利于基巖裂隙水排出,因此錨碇區(qū)基巖裂隙水總體貧乏。自高峰岸向新田岸橋位為西北-東南走向,以新田岸錨碇后方為東,將錨碇基坑邊坡區(qū)分為東、西、南、北側(cè)。
東側(cè)開(kāi)挖邊坡長(zhǎng)度約46.6m,高度約35.7~42.9m,坡向297°,為土巖混合邊坡。上部土質(zhì)邊坡厚度約1.5~2.5m,巖性為粉質(zhì)黏土,下部基巖面較陡,最大約10°,下部巖質(zhì)邊坡部分,東側(cè)開(kāi)挖巖質(zhì)邊坡為順向坡,巖層層面向基坑內(nèi)傾斜。
西側(cè)開(kāi)挖邊坡長(zhǎng)度約38.5m,高度約28.9~37.2m,坡向117°,為土巖混合邊坡。上部土質(zhì)邊坡厚度約1.2~3.0m,巖性為粉質(zhì)黏土及素填土,下部巖質(zhì)邊坡為反向坡,基巖裂隙與邊坡呈大角度相交。
南側(cè)開(kāi)挖邊坡長(zhǎng)度約47.4m,高度約8.7~38.0m,坡向35°,為土巖混合邊坡。上部土質(zhì)邊坡厚度約1.5m,巖性為粉質(zhì)黏土,下部基巖面較緩,僅為2°~8°,下部巖質(zhì)邊坡為切向坡。
北側(cè)開(kāi)挖邊坡長(zhǎng)度約47.5m,高度約14.4~38.0m,坡向199°,為土巖混合邊坡。上部土質(zhì)邊坡厚度約0~1.6m,巖性為粉質(zhì)黏土,下部基巖面較緩,僅為2°~5°,下部巖質(zhì)邊坡部分為切向坡。
錨碇基坑坑底平面為以橋軸線(xiàn)對(duì)稱(chēng)的不規(guī)則六邊形,長(zhǎng)36~40.41m,寬16m,坑底高程為193.600m,錨碇最大開(kāi)挖深度為49.2m,開(kāi)挖最大邊坡級(jí)數(shù)為6級(jí),開(kāi)挖總方量約18萬(wàn)m3。以坑底平面為基礎(chǔ)擴(kuò)展,各級(jí)邊坡均呈六邊形態(tài),基坑平面布置如圖1所示。

圖1 基坑平面布置
東側(cè)邊坡(1—1剖面)為順巖層且高度大,邊坡坡率自上至下分別為1∶1.5,1∶1.5,1∶1.5,1∶0.5,1∶0.5,1∶0.5。南側(cè)邊坡(2—2,3—3剖面)受產(chǎn)業(yè)園便道控制,不具備1~3級(jí)按1∶1.5放坡的條件,因此,邊坡坡率采用1∶1.5,1∶0.75,1∶0.75,1∶0.5,1∶0.5,1∶0.5。北側(cè),西側(cè)邊坡(4—4,5—5剖面)最大邊坡級(jí)數(shù)為5級(jí),且?guī)r層外傾,邊坡坡率采用1∶0.75,1∶0.75,1∶0.5,1∶0.5,1∶0.5。其中西側(cè)2級(jí)邊坡底部設(shè)14.2m寬平臺(tái),為錨碇支墩底部。除第1級(jí)邊坡為適應(yīng)地形變化高度不等外,其余邊坡高度均為8m,兩級(jí)邊坡間設(shè)1.5m寬碎落平臺(tái)。施工時(shí)在6—6剖面設(shè)置2號(hào)出渣通道,自上至下的邊坡坡率與5—5剖面相同。
邊坡防護(hù)采用鋼筋錨桿掛網(wǎng)噴射C20混凝土護(hù)面。錨桿采用HRB400鋼筋,直徑22mm,長(zhǎng)4m,布置間距2m×2m;鋼筋網(wǎng)直徑為6mm,間距為0.2m×0.2m;邊坡坡面上設(shè)泄水管,布置間距2m×2m;坡頂周邊設(shè)護(hù)欄,護(hù)欄外側(cè)挖截水溝,將坡頂水匯流排入附近水塘,坑底周邊設(shè)匯水溝和集水井,便于基坑排水。
新田岸錨碇基坑采用放坡開(kāi)挖,依據(jù)巖層產(chǎn)狀和邊坡高度采用不同的邊坡坡率,具有基坑深度大、邊坡坡率大、開(kāi)挖方量大、邊坡防護(hù)面積大的特點(diǎn)。基坑施工工期為243d,因此,錨碇基坑施工時(shí)間緊、任務(wù)重,且面臨施工期降雨量大、基坑防排水困難、基坑出渣困難等難點(diǎn),選擇合適的基坑開(kāi)挖方式是關(guān)鍵。基坑開(kāi)挖根據(jù)不同的土質(zhì)、巖石風(fēng)化程度和開(kāi)挖深度選擇不同的方法。
1)上層覆土和強(qiáng)風(fēng)化巖層開(kāi)挖采用反鏟挖掘機(jī)分區(qū)分段開(kāi)挖,采用放坡挖土法,先沿基坑周?chē)_(kāi)挖,開(kāi)挖1段防護(hù)1段,控制每段開(kāi)挖長(zhǎng)度不超過(guò)30m,以保證中部預(yù)留核心土的穩(wěn)定。挖至邊坡設(shè)計(jì)線(xiàn)附近時(shí)采用挖掘機(jī)刷坡,并及時(shí)進(jìn)行邊坡防護(hù)。待基坑周?chē)羞吰轮ёo(hù)完成后再大規(guī)模挖除基坑中部核心土,同樣采取從四周往中間開(kāi)挖的方式進(jìn)行。基坑開(kāi)挖過(guò)程中需在基坑內(nèi)設(shè)置臨時(shí)排水溝,基坑較低位置設(shè)置一定數(shù)量的集水井,用于收集基坑內(nèi)降雨,并使用潛水泵抽排出基坑。
2)中風(fēng)化巖土體開(kāi)挖采用盆式挖土法,自中心部位向周邊分區(qū)分層開(kāi)挖。周邊預(yù)留的土坡對(duì)邊坡有內(nèi)支撐反壓作用,有利于控制邊坡變形,確保邊坡的穩(wěn)定性。同時(shí),由于邊坡掛網(wǎng)噴漿防護(hù)工作量大,在上層邊坡防護(hù)仍在進(jìn)行的情況下,即可開(kāi)展下層中間部分的基坑開(kāi)挖,交叉施工,有利于縮短工期。單純采用機(jī)械開(kāi)挖對(duì)中風(fēng)化巖石效率較低,工期難以保證。因此,采用大直徑深孔爆破及邊坡預(yù)裂爆破相結(jié)合的方式,具體采用毫秒微差定向控制爆破法,控制爆破沖擊波、振動(dòng)、噪聲和飛石,避免對(duì)山體造成破壞。
3)深孔爆破 深孔臺(tái)階爆破是巖石爆破開(kāi)挖的主要方式。本工程的炮孔采用潛孔鉆成孔,直徑90mm,炮孔間距3.2~3.5m,排距2.6~2.8m。爆破孔裝藥采用藥卷直徑70mm的2號(hào)巖石乳化炸藥,線(xiàn)裝藥密度按5~7kg/m控制。爆破設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 深孔爆破設(shè)計(jì)參數(shù)
4)預(yù)裂爆破 預(yù)裂爆破適用于巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖,使邊坡巖石沿預(yù)定邊坡面爆落,留下光滑平整的開(kāi)挖面,并盡量避免邊坡圍巖受到破壞。施工時(shí),主炮孔垂直鉆孔,預(yù)裂孔和緩沖孔炮孔按邊坡傾角鉆孔,炮孔間距為0.8~1.5m,線(xiàn)裝藥密度0.3~0.6kg/m,在孔底段適當(dāng)加大。炮孔直徑為90mm,采用藥卷直徑70mm的2號(hào)巖石乳化炸藥。為解決炸藥臨界直徑的限制和改裝藥卷的困難,采用體積不耦合多段空氣柱間隔裝藥法。事先使用毛竹片綁扎藥卷及導(dǎo)爆索,放入孔中,然后進(jìn)行堵塞,堵塞長(zhǎng)度約為2m。在主炮孔與預(yù)裂孔之間增設(shè)與預(yù)裂面平行的緩沖孔,主要起到緩沖邊坡能量對(duì)邊坡的破壞,與預(yù)裂孔的排距為主炮孔排距的0.7倍,藥量為主炮孔的0.5倍,起爆時(shí)間比預(yù)裂孔延遲150~200ms。
在距基底1m以?xún)?nèi)禁止采用爆破開(kāi)挖,以免影響地基強(qiáng)度。宜采用機(jī)械開(kāi)挖和人工修整,保證錨碇地基的強(qiáng)度和平整度。基底平整度高差應(yīng)控制在+20~150mm;開(kāi)挖坡度平整度應(yīng)≤100mm;邊坡防護(hù)施加后,不得侵入錨碇范圍。在設(shè)計(jì)底標(biāo)高基面上進(jìn)行地基原位承載力試驗(yàn)及摩擦系數(shù)試驗(yàn),以驗(yàn)證錨碇整體穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)安全度。要求在開(kāi)挖到距基面1m時(shí),先局部快速開(kāi)挖幾處試驗(yàn)坑,并立即進(jìn)行地基原位承載力試驗(yàn)及摩擦系數(shù)試驗(yàn),以縮短基底的暴露時(shí)間。
截至2019年12月10日,南岸錨碇基坑開(kāi)挖工作全部結(jié)束,實(shí)際開(kāi)挖用時(shí)僅130d,在實(shí)際開(kāi)工日期較晚的情況下,比計(jì)劃節(jié)點(diǎn)提前4d完成了基坑開(kāi)挖、防護(hù)施工任務(wù),取得了良好的施工效果。
基坑開(kāi)挖期間,隨著巖土體的逐漸卸荷,未開(kāi)挖部分的圍巖會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力重分布,引起基坑圍巖的變形,并且由于泥巖具有蠕變性特征以及受地下水、降雨等的影響,這種基坑的變形具有長(zhǎng)期發(fā)展的趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)基坑圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)[12],可以掌握各種因素作用下的圍巖變形發(fā)展情況,從而判斷邊坡圍巖的穩(wěn)定性,確保施工期間的安全。積累邊坡變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),掌握邊坡圍巖的變形規(guī)律也有助于提高對(duì)不同種類(lèi)巖土體力學(xué)特性的認(rèn)識(shí),彌補(bǔ)理論分析方法的不足,指導(dǎo)后續(xù)工程的開(kāi)展。
新田岸錨碇基坑監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容包括邊坡水平和豎向位移監(jiān)測(cè)、邊坡裂縫開(kāi)展情況監(jiān)測(cè)。本項(xiàng)目監(jiān)測(cè)等級(jí)定為二等監(jiān)測(cè),精度要求水平位移觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)中誤差±3.0mm,豎直位移觀測(cè)點(diǎn)高差中誤差±0.5mm。
邊坡變形測(cè)量的基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置在變形區(qū)域以外、位置穩(wěn)定、不受施工干擾且視線(xiàn)良好的地方,并應(yīng)定期復(fù)測(cè)。平面坐標(biāo)系采用獨(dú)立坐標(biāo)系,以高峰至新田橋軸線(xiàn)方向?yàn)閥軸方向,以南向北垂直于橋軸線(xiàn)為x軸方向。本工程西側(cè)邊坡開(kāi)挖區(qū)域以外對(duì)稱(chēng)橋軸線(xiàn)選擇兩處位置開(kāi)挖基坑,澆筑底座和混凝土方墩,并在混凝土墩上埋設(shè)特制標(biāo)芯作為基準(zhǔn)點(diǎn)。控制網(wǎng)測(cè)量按二等三角網(wǎng)要求施測(cè)。
水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)均勻分布在整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的四周,并選在變形區(qū)以外。水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)采用預(yù)制或現(xiàn)澆混凝土標(biāo)識(shí)埋設(shè)在基巖或原狀土層中,其埋設(shè)要求保證在整個(gè)觀測(cè)期間堅(jiān)固穩(wěn)定。當(dāng)豎向位移點(diǎn)出現(xiàn)異常情況,首先應(yīng)檢測(cè)水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)。高程系統(tǒng)采用獨(dú)立高程系統(tǒng)。水準(zhǔn)基準(zhǔn)網(wǎng)觀測(cè)按照二等水準(zhǔn)測(cè)量的要求執(zhí)行。
坡頂水平位移和豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)能全面反映邊坡變形特征,并顧及地質(zhì)情況及圍護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。錨碇基坑邊坡水平位移和豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)沿邊坡碎落平臺(tái)周邊布置,邊坡中部、拐點(diǎn)處應(yīng)布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。基坑開(kāi)挖深度每增加8m沿基坑周邊增設(shè)一圈測(cè)點(diǎn)。實(shí)際布設(shè)位置及點(diǎn)數(shù)在布設(shè)時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況確定,其位置要能最大程度反映基坑的變形狀況。基坑水平位移和豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置如圖1所示。
根據(jù)GB50497—2009《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》并結(jié)合本錨碇基坑工程的特點(diǎn)確定變形監(jiān)測(cè)的預(yù)警值和控制值,如表2所示。

表2 基坑變形監(jiān)測(cè)預(yù)警值及控制值
錨碇基坑監(jiān)測(cè)周期從基坑開(kāi)挖開(kāi)始至錨碇基坑回填完畢后連續(xù)3d的監(jiān)測(cè)數(shù)值穩(wěn)定即可停止監(jiān)測(cè)。實(shí)際監(jiān)測(cè)自2019年8月27日開(kāi)始,至2020年5月10日結(jié)束。此期間涵蓋了基坑開(kāi)挖和回填,基坑開(kāi)挖期間每天至少監(jiān)測(cè)1次;基坑回填期間,第1個(gè)月每周2次,第2個(gè)月及之后每周1次。
對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,限于篇幅給出4個(gè)方向2級(jí)坡頂?shù)湫蜏y(cè)點(diǎn)的最大位移量和最大日變化率,如表3所示;以周為單位匯總各監(jiān)測(cè)點(diǎn)3個(gè)方向位移量,繪制了東側(cè)邊坡、南側(cè)邊坡典型測(cè)點(diǎn)的3個(gè)方向的位移變化曲線(xiàn),如圖2所示。

圖2 位移變化曲線(xiàn)

表3 典型測(cè)點(diǎn)累計(jì)位移量和最大日變化速率
分析基坑邊坡變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),錨碇基坑?xùn)|側(cè)邊坡、南側(cè)邊坡水平x,y方向的位移較大,多數(shù)測(cè)點(diǎn)大幅超過(guò)預(yù)警值,但仍未超過(guò)控制值,豎向也有個(gè)別測(cè)點(diǎn)的位移超過(guò)預(yù)警值;西側(cè)邊坡和北側(cè)邊坡的水平方向和豎向的位移均未超過(guò)預(yù)警值。基坑的最大變形產(chǎn)生在南側(cè)邊坡2級(jí)坡頂?shù)?號(hào)測(cè)點(diǎn)上,該測(cè)點(diǎn)位于基坑?xùn)|南方向,這與現(xiàn)場(chǎng)該處產(chǎn)生邊坡開(kāi)裂的情況相符,此外在東側(cè)邊坡一二、二三級(jí)碎落平臺(tái)處也產(chǎn)生了開(kāi)裂現(xiàn)象。由此說(shuō)明,東側(cè)邊坡和南側(cè)邊坡比西側(cè)和北側(cè)邊坡的穩(wěn)定性更為不利,這是由于東側(cè)邊坡為順層坡,巖石傾角較大,南側(cè)邊坡雖為切向坡但巖層仍有一定的傾斜角度;東側(cè)邊坡上三級(jí)均采用了1∶1.5的坡率,而南側(cè)邊坡2,3級(jí)均為1∶0.75坡率,雖然南側(cè)邊坡巖層傾角更小,但是由于邊坡坡率更大,因而產(chǎn)生了更大的水平位移和沉降;可以預(yù)見(jiàn)東側(cè)邊坡若采用同樣的坡率,將會(huì)產(chǎn)生更大的位移,甚至產(chǎn)生邊坡失穩(wěn)坍塌事故。錨碇基坑施工期間東側(cè)、南側(cè)邊坡的變形雖然超過(guò)預(yù)警值,但位移值未超過(guò)控制值,未產(chǎn)生邊坡失穩(wěn)坍塌等更進(jìn)一步的災(zāi)害。從這一點(diǎn)上說(shuō),本基坑采用的放坡坡率是安全的。
分析圖2東側(cè)邊坡、南側(cè)邊坡典型測(cè)點(diǎn)3個(gè)方向的位移變化曲線(xiàn),自開(kāi)始監(jiān)測(cè)至2019年11月23日,隨著開(kāi)挖深度的增加,x方向的位移呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì),y方向和豎向的位移變化規(guī)律不明顯;而在第14周,具體為11月23日—11月25日,東、南邊坡測(cè)點(diǎn)的三向位移快速增加,多數(shù)測(cè)點(diǎn)的日變化速率和累計(jì)位移值超過(guò)預(yù)警值,這與現(xiàn)場(chǎng)巡視發(fā)現(xiàn)的裂縫開(kāi)展情況基本一致;11月25日以后,邊坡位移變化趨于平緩,位移變化速率未再出現(xiàn)超過(guò)預(yù)警值情況。對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度,11月23日—11月25日為基坑最下一級(jí)爆破施工期,基坑土體卸荷接近最大狀態(tài),基坑邊坡部分巖層由于應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生了斷裂,從而導(dǎo)致了應(yīng)力重分布和邊坡開(kāi)裂現(xiàn)象,應(yīng)力重分布后圍巖達(dá)到了新的平衡狀態(tài)。這也說(shuō)明,在砂泥巖互層地質(zhì)中,邊坡位移具有突變的特征。
受春節(jié)假期及新冠疫情影響,2020年1月20日—3月15日未開(kāi)展任何施工活動(dòng),對(duì)比停工前和復(fù)工后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化,東側(cè)、南側(cè)邊坡變形仍呈緩慢發(fā)展趨勢(shì),反映了砂泥巖互層地質(zhì),由于泥巖的蠕變特性,導(dǎo)致邊坡變形具有長(zhǎng)期發(fā)展的趨勢(shì)。
砂泥巖互層地質(zhì)的錨碇基坑采用放坡開(kāi)挖,針對(duì)邊坡巖石產(chǎn)狀,設(shè)計(jì)采用不同的放坡坡率,并采用錨桿掛網(wǎng)噴漿的方法對(duì)坡面進(jìn)行防護(hù)。現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí),制定了針對(duì)性的施工技術(shù)方案,上層覆土直接采用機(jī)械開(kāi)挖,下層中風(fēng)化巖石采用深孔爆破和邊坡預(yù)裂爆破相結(jié)合的開(kāi)挖技術(shù),并采用盆式挖土法,各工序交叉進(jìn)行形成流水作業(yè),減少相互干擾,極大提高了施工效率。
基坑施工期間進(jìn)行了系統(tǒng)的邊坡變形監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明東側(cè)和南側(cè)邊坡變形較大,大部分測(cè)點(diǎn)的位移值均超過(guò)了預(yù)警值,但未超過(guò)控制值,基坑邊坡整體是穩(wěn)定的,達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo);砂泥巖互層地質(zhì)基坑邊坡的變形具有突變性和長(zhǎng)期蠕變性特征,突變位移是導(dǎo)致邊坡變形的主要因素。