微型鋼管樁在軟質巖高邊坡的應用

劉愛環，趙應武，黃 凱，唐洪亮

(1.貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴陽 550002； 2.江口縣水務局，貴州 江口 554400)

1 右岸邊坡概況

某重力壩壩址為不對稱U形河谷，河谷寬緩，壩區右岸地形較陡，坡度為20°～40°，自然邊坡穩定。大壩建基面高程408 m，壩頂高程441.2 m，右岸邊坡開口線高程為503.5 m,永久邊坡高62.3 m，施工期臨時邊坡最高達98.5 m。大壩右岸邊坡覆蓋層厚度0.5～4 m，地層巖性為杷榔組(∈1p)層紋至條紋狀粉砂質黏土巖，地質構造主要為反傾向裂隙，裂隙產狀N80°E/SE∠70°-85°，受壩基底部F1斷層影響，壩肩邊坡巖層產狀變化較大，一般巖層產狀290°-350°∠20°-30°，巖層斜傾下游偏左岸，為斜向坡，邊坡巖體為強風化巖體，強風化巖體結構松散、裂隙發育、巖體極為破碎，多存碎塊狀，強風化上部巖體工程性質類似土的特性，遇水易軟化、強度極低。

高程503.5～465 m(公路兼馬道寬8 m)開挖坡度為1∶1，465～441.2 m(壩頂馬道寬1 m)開挖坡度為1∶0.75，邊坡每15 m高差設一級馬道，馬道寬1 m，采用噴錨支護+格構梁支護措施：錨桿直徑25 mm、長L=9 m、間排距3×3 m、M20水泥砂漿掛網，噴C20混凝土厚度10 cm，C25鋼筋砼格構梁支護斷面尺寸為300 mm×300 mm。

高程441.2～425 m(馬道寬3 m)開挖坡度為1∶0.75,425～415 m(馬道寬10 m)開挖坡度為1∶1,415～405 m(建基面高程)開挖坡度為1∶1，邊坡分為永久邊坡和臨時邊坡。永久邊坡采用噴錨支護：錨桿直徑25 mm、長L=9 m、間排距3×3 m、M20水泥砂漿掛網，噴C20混凝土厚度10 cm；臨時邊坡支護采用素噴支護措施(素噴C20混凝土厚度5 cm)+局部噴錨支護(錨桿直徑25 mm、長L=4.5 m、間排距3×3 m，噴C20混凝土厚度10 cm，Φ6.5@20×20 cm的鋼筋掛網)。

2 施工期間存在的問題

本工程右岸大壩邊坡覆蓋層、強風化發育深度較深，下部為強度較低的軟質巖，開挖邊坡底部受F1斷層破碎帶切割。在開挖過程中，受在建公路施工影響(開挖路面長期積水、排水不暢、重車行駛產生的振動)，加之受長時間降雨影響，2017年12月28日，大壩右壩肩邊坡開挖至高程425.0 m(已支護441.2 m高程以上邊坡)時，大壩右壩肩邊坡高程425.0～441.2 m邊坡強風化線附近出現5條豎向裂縫，根據監測資料，公路上方錨桿應力R7達到120 MPa。見圖1。

圖1 右岸邊坡開挖至425m時剖面圖

3 穩定復核

3.1 邊坡水文地質條件

3.1.1 邊坡區巖溶發育情況

邊坡區主要出露地層為寒武系粑榔組(∈1p)鈣質頁巖夾泥灰巖，∈1p為相對隔水地層，巖溶不發育；清虛洞組(∈1q)白云質灰巖夾薄層灰巖分布于高程500～545 m以上至分水嶺以外黃絲巖地區，∈1q地層巖溶發育，對邊坡無影響。

3.1.2 邊坡區地下水類型

邊坡區主要為碎屑巖，地下水以基巖裂隙水為主，500～545 m以上以碳酸鹽巖裂隙溶洞水為主。河床一帶以松散巖類孔隙水為主。

3.1.3 邊坡區巖體透水性

根據前期勘察成果，∈1p強弱風化巖體透水性較大，一般大于10 Lu，微風化～新鮮巖體透水性小，一般小于5 Lu；∈1q巖體為強透水層。

3.1.4 地下水位特征

邊坡區分布地層為寒武系清虛洞組(∈1q)白云質灰巖夾薄層灰巖、粑榔組(∈1p)鈣質頁巖夾泥灰巖， 根據各地層巖性的特性，∈1q地層地下水埋藏相對較深，多沿最低排泄基準面及隔水層附近分布；∈1p 相對隔水層地下水賦存于地表覆蓋層及基巖節理裂隙中，在弱風化上帶附近形成自由潛水面，據鉆孔資料，岸坡平均水力坡度20%。天然河床水位約417.0 m，正常蓄水位438.2 m，抬高水頭約21 m，蓄水后邊坡水位主要在近壩庫岸抬高水位，遠端抬高水位不大，水位抬高水平范圍為0～120 m左右，因岸坡為相對隔水層，地下水活動較弱；降雨后地下水位較天然地下水位高，略抬高5～15 m。

3.2 巖土體物理力學參數

本邊坡為散體結構，類似土質邊坡，滑動面為圓弧。

計算參數主要是在土工試驗的基礎上，根據巖土體的物理力學性質，結合壩區內地質環境條件、坡體結構特征、性狀及其空間變化情況，與有關工程經驗綜合確定。考慮到庫水位上漲引起的巖土體軟化，巖土體水下參數按水上參數的80%進行取值。巖土體的物理力學參數取值見表1。

表1 邊坡地質參數

3.3 邊坡穩定計算

3.3.1 建模說明

采用GeoStudio 2007軟件進行有限元模擬仿真。GeoStudio 2007主要包括滲流、邊坡、應力變形、地震響應、地熱、地下污染物傳輸分析、空氣流動及綜合滲流蒸發與土壤表層分析等仿真模塊，各模塊之間能夠相互耦合分析。本次邊坡仿真模擬采用滲流與邊坡分析兩模塊進行耦合分析。

3.3.2 車輛荷載

縣級公路從右壩肩通過，路面寬6.5 m，為三級公路，采用雙車道。本工程邊坡計算采用車輛荷載，車輛重力標準值為550 kN。橫向布置車道數為2個，橫向車道分布車輛數為2。

橫向分布車輛輪胎外緣之間的距離：B=1.8+1.3+1.8+0.6=5.4 m

前后軸距加輪胎著地長度：L=3+1.4+7+1.4+0.2=13 m

車輛均布靜荷載：Po=NQ/LB=(2×550)/(13×5.4)=15.7 kPa

考慮車輛荷載的沖擊系數為1.3，則：P=1.3Po=1.3×15.7=20.4 kPa

即將車輛荷載換算為均布荷載20.4 kPa。

3.3.3 計算工況

見表2。

表2 計算工況

3.3.4 計算結果

見圖2-圖5。

圖2 正常蓄水位工況下斷面滑動模式(穩定系數1.143)

圖3 正常蓄水位降落至死水位工況下斷面滑動模式(穩定系數1.143)

圖4 施工期工況下斷面滑動模式(穩定系數1.143)

圖5 施工期暴雨工況下斷面滑動模式(穩定系數1.090)

根據《水利水電工程邊坡設計規范》(SL 386-2007)第3.2.3、第3.2.5條的規定，邊坡失穩對水工建筑物的危害程度按“較嚴重”考慮，右岸永久邊坡級別為5級，邊坡抗滑穩定安全系數見表3。

表3 邊坡抗滑穩定安全系數

各工況下，右壩肩邊坡最小的安全系數K為1.090，大于規范要求的1.05，邊坡整體穩定滿足規范要求。

3.4 穩定狀態評價

右岸岸坡植被發育，山頂高程682 m，地形凹凸起伏，河床至山頂總體地形坡度30°～45°，局部大于50°，上游發育淺切沖溝，下游為山脊，局部呈臺階式起伏，自然邊坡是穩定的。

右岸壩肩邊坡覆蓋層按1∶1～1∶1.25開挖，強風化按1∶0.75～1∶1開挖后，邊坡多以強風化及覆蓋層邊坡為主，覆蓋層邊坡多為黏土夾碎石，強風化巖體多為黃色泥頁巖，裂隙發育，結構松散，因受F1斷層影響，巖體有被擠壓拖拉撓曲現象，邊坡巖層產狀變化較大，多為斜-順向坡，但邊坡整體是穩定的。在特殊工況下，如突發暴雨或加載的情況下，邊坡有局部變形或滑塌的可能。

4 加固措施

經復核，右岸邊坡整體是穩定的。考慮到公路雖然在建，但仍是通行要道。為保證公路通行安全和大壩施工安全，結合現場施工條件，采用以下加固措施：①采用承載力高、邊坡擾動小、施工速度快、安全有保障的鋼管樁方案進行加固。②壩基高程425.0～441.2 m，已具備澆筑條件，可提前澆筑壩基C15砼墊層(厚1.0 m)壓坡。③對右壩肩公路段(高程465 m，長76 m)先行實施基層和面層硬化。

鋼管樁沿公路內側布置，共31根，單排布置，間距1 m，樁身穿過強風化巖體深入弱風化層8 m，總樁深30 m。鋼管內設3根20 mm鋼筋束，灌注M20砂漿。鋼管采用Φ108的熱軋無縫鋼管,管壁上開出漿孔，呈螺旋式布置，同截面上布置1孔，孔徑15 mm，沿軸線間距為30 cm，端部采用6 mm鋼板封閉。鋼管連接采用套筒焊接，套筒高度不小于鋼管直徑3倍，套筒壁厚不小于鋼管壁厚，在套筒周邊焊接，焊縫須飽滿，鋼管連接接頭相互錯開，1 m的連接區段范圍內接頭率≤50%。見圖6-圖8。

圖6 鋼管樁剖面示意圖

圖7 鋼管樁橫斷面圖

圖8 鋼管管壁出漿孔布置圖

5 鋼管樁施工情況

施工順序：平整清理場地→注漿鋼管制作→測量放線→孔距定位→鉆孔機就位鉆孔(每2 m接鉆桿一次)→注漿機安裝→安裝下放鋼管樁→安裝、焊接3根20 mm鋼筋束→安裝注漿管→拌制水泥砂漿—次性加壓注漿，直至上口翻漿，注漿壓力為0.3 MPa。具體施工如下：

1) 人工平整清理場地。根據設計要求放出基礎邊線及定出樁位，安裝鉆機進行成孔作業；成孔工程產生的泥漿收集到泥漿池中，待施工完畢后泥漿外運至施工區域外，檢查并保護成樁。

2) 注漿鋼管安裝，連接采用套管連接。

3) 測量放線。根據設計要求的間距、排距及設計提供的標高進行測量放線。

4) 孔距定位。根據設計的孔洞直徑、間距、排距使用鋼筋頭打入地下進行定位。

5) 微型樁定位。本工藝采用干成孔方式鉆孔，根據微型樁定位，在成孔位置上進行汽車載運螺旋鉆準確定位，汽車支撐腳腿下進行夯實后墊方木，確保其穩定。

6) 成孔順序。先Ⅰ序再Ⅱ序。

7) 就位鉆孔。將汽車載運螺旋鉆機安放在指定位置，安放水平，防止傾斜；將鉆桿抬至鉆機旁，啟動鉆機，慢慢鉆進；每進深2 m，需要接一次鉆桿，直至達到設計有效深度。鋼管接長時，上下兩段鋼管之間采用套管連接。

8) 清孔。濕作業時采用泥漿泵進行循環水清孔，干作業時無需清孔。

9) 管內3根20 mm鋼筋束安裝焊接。3根φ20鋼筋為HRB400，鋼筋錨固長度為40 d。鋼筋接頭宜采用焊接，當采用雙面焊接時，搭接長度不小于5d；當采用單面焊接，搭接長度不小于10d，且鋼筋的焊接接頭相互錯開。

10) 注漿機安裝。在現場指定位置固定注漿機，電源由指定的配電箱接入，采用6平方三相五線制電纜，把拌制的水泥砂漿(強度為M20)放入6 mm鋼板焊接制成的1 m×1 m×1 m灰槽內，然后由注漿機注漿。注漿管需裝設壓力表，注漿壓力為0.3 MPa，水灰比不大于0.5，注漿采用一次性注漿，直至孔口冒出純漿為止。

11) 安裝下放鋼管。及時在孔內安裝預先制作好的鋼管，鋼管上套50 mm PVC管露出地面200 mm，便于接入注漿管。

12) 安裝注漿管。下放鋼管完畢后，要及時進行注漿，注漿管由注漿機直接接入到下入孔內的鋼管上，接口要密封連接，注漿管采用橡膠管輸送。

13) 拌制水泥砂漿。水泥砂漿采用專用機械進行拌制，水灰比控制在不大于0.5，強度等級M20，把拌制的水泥砂漿放入鋼制的1 m×1 m×1 m灰槽內，然后由注漿機注漿。

14) 注水泥漿。注漿管需裝設壓力表，注漿壓力為0.1～0.3 MPa，水灰比控制不大于0.5，采用一次性注漿(先投管后注漿或先注漿后投管均可)。注漿管下至孔底后提起300 mm，進行開放式注漿，直至孔口冒出純漿為止；注漿從孔底開始,邊注邊拔，保證漿體密實。待漿體沉淀初凝，及時對管壁內外作補漿處理，使樁孔完全充盈。

15) 鋼管樁施工中，應仔細測量孔深、鋼管長度、鋼筋束長度及注漿管長度，避免出現假樁斷樁現象，嚴格控制樁頂樁底標高。

6 鋼管樁施工其他注意事項

1) 成孔。先進行孔位放樣，再鉆孔，鉆孔采用機械鉆進成孔，孔徑為φ130 mm，采用無水鉆進，禁止水鉆，避免惡化邊坡巖體的工程地質條件；鉆孔孔深以深入弱風化基巖8 m為準，總長不小于30 m,鉆孔孔位偏差不大于10 cm。

2) 鋼管下孔。鋼管下孔前采用膠帶封管壁出漿孔，加壓后自動開封。

3) 砂漿灌注。注漿采用孔底注漿法，將注漿管插至距孔底5～10 cm的位置，使砂漿至孔底進入，并向上倒注，直到注滿封孔為止。

4) 灌漿壓力。根據地質情況確定，本工程采用0.1～0.3 MPa，具體壓力值現場經灌漿試驗確定；灌漿過程中灌漿壓力應由小到大逐級增加，防止突然升高。

5) 結束的標準：①超過注漿量的10%；②孔口周圍或邊坡地表出現冒漿；③壓力持續過大，注漿量不增加或者增加很少；

6) 邊坡變形監測。邊坡增設三向變形監測計共2套。施工過程中，應加強監測，實時掌握邊坡整體安全狀態，當邊坡存在異常時，封鎖道路，及時采取人員介入，消除安全隱患。

7) 施工安全：①當發現邊坡有坍塌、滑坡等征兆時，立即禁止作業，禁止車輛和人員通行，通知受威脅的人員并將設備立即撤出危險地域。②建立觀測預報制度，設立專門的觀測點，對邊坡的變化情況進行定觀測。③將邊坡的設計、技術規程、安全措施、監測記錄含(表報)、會議記錄完整歸檔，便于獲取和備查。

7 加固效果評價

鋼管樁實施后，提高了邊坡密實性，提高了軟巖的抗剪強度和黏聚，進而增強邊坡的穩定性，裂縫沒有擴散的跡象，錨桿應力降至40 MPa，邊坡基本無位移，整個施工期和后續蓄水后右岸邊坡一直保持穩定運行。右岸錨桿應力和位移過程線見圖9-圖12。

圖9 施工期右岸邊坡錨桿應力R7監測過程線

圖10 蓄水后右岸邊坡錨桿應力R7監測過程線

圖11 施工期右岸邊坡公路內側多點位移計實測過程線(加固后)

圖12 蓄水后右岸邊坡公路內側多點位移計實測過程線

8 結 語

本工程采用的鋼管樁屬于直徑<300 mm的灌注樁，樁徑小，穿透能力強，樁身可以很深，施工時震動、地面擾動和噪音小，能在場地狹窄、出入困難的工作條件下使用，施工簡便，適用范圍廣[1-3]。本工程右岸邊坡屬于典型的軟質巖高邊坡，應用鋼管樁進行加固后取得了較好的效果，為同類工程提供可借鑒的設計和施工經驗。