喀斯特地貌地區(qū)大體積拱座基礎開挖及基坑處理施工技術

楊 虎

(中鐵二局第五工程有限公司, 甘肅蘭州 730000)

喀斯特地貌地區(qū)大體積拱座基礎開挖及基坑處理施工技術

楊 虎

(中鐵二局第五工程有限公司, 甘肅蘭州 730000)

隨著科學技術和社會生產力的飛速發(fā)展，拱橋在跨徑不斷增大的同時，它的結構形式也在不斷變化與翻新，出現(xiàn)了許多造型奇異的鋼拱橋結構。大部分鋼桁拱橋或鋼管混凝土拱橋均是通過拱座進行傳力，而拱座結構和受力狀況均十分復雜，如何保證拱座施工質量和施工安全至關重要。文章結合新建鐵路林歹南至織金納界河特大橋實踐，針對喀斯特地貌地區(qū)的特殊地質，通過深基坑開挖控制爆破分層開挖技術解決拱座的超欠挖，確保懸崖條件下的開挖安全,保證了工程質量和施工安全。

喀斯特地貌; 控制爆破; 巖溶整治； 施工技術

1 工程概況

1.1 橋梁總體布置

納界河特大橋位于新建鐵路林歹南至織金(新店)段，為跨納界河山谷而設，橋梁軌頂標高與河流水面標高相差320 m。引橋及拱上梁跨布置為3×24 m簡支梁+1×32 m簡支梁+2×48 m T構+11×24.7 m鋼混結合梁+2×48 m T構+7×32 m簡支梁，全長810.10 m。主橋采用1-352 m上承提籃式鋼桁拱，是目前世界同類橋梁跨度之最。拱座基礎采用臺階式明挖基礎，其上設墩高為56.05 m的混凝土空心交界墩。主橋立面及平面布置見圖1。

1.2 地形地貌概述

納界河特大橋拱座地處屬溶蝕、侵蝕中心深切河谷地貌，地形起伏大，靠河側為絕壁，兩岸地形高陡，岸坡近于直立，局部岸坡坡度50°～60°。山體上植被發(fā)育，溝岸陡峭，地表多為灌木叢或旱地。谷底推測標高為912 m左右，水面實測標高932.86 m，兩邊坡岸標高約1 165 m。段內上覆第四系全新坡殘積(Q4dl+el)黏土及崩坡積(Q4dl+col)碎石土，下伏基巖為三疊系下統(tǒng)茅草鋪組(T1m)灰?guī)r。兩拱座區(qū)段地質簡單，無大的褶曲構造形跡，下游約240 m處發(fā)育一正斷層，走向N60°E，與線路大致平行，傾角約69°傾南，錯距30～60 m，破碎到寬度20～50 m。橋址內巖層單斜，層理面凹凸不平，傾角平緩，層理產狀N63°E /8°N，垂直裂隙發(fā)育，代表性走向為N14°E，N57°W。

1.3 拱座設計概況

該橋拱座及基礎采用臺階式擴大基礎，整個基礎分為三部分，左、右幅拱腳基礎及交界墩拱座。左右幅部分分別承擔左右主拱肋傳遞荷載，設計為明挖基礎，外輪廓尺寸為28 m×10 m×20 m(長×寬×高)，與地基接觸的底面和后背設計為階梯狀，分三級臺階，一、二級高7 m，三級高6 m。左、右幅拱腳基礎通過交界墩基礎進行連接，交界墩基礎尺寸為15 m×15.5 m×6 m。拱座及基礎采用C35混凝土，方量為17 755.8 m3(圖2)。

2 總體施工方案

本橋拱座及基礎除少量覆蓋層外均為堅石和次堅石，為減少開挖對拱座基底圍巖擾動，擬采用控制爆破分層開挖，每層開挖厚度不大于2 m。為保證安全和減少對周圍環(huán)境破壞，爆破區(qū)采用安全網覆蓋減少飛石。

拱座及交界墩基礎為整體，施工時拱座及交界墩基礎同時施工,拱腳預埋段采取預留杯口的方法進行，即在拱座施工時將預埋段位置留出，待預埋段運至現(xiàn)場后進行安裝。

由于基礎范圍內存在巖溶，因此，拱座開挖完成后先對巖溶進行注漿處理并進行基坑承載力檢測，檢測合格后進行鋼筋混凝土施工。

混凝土采取拌合站集中拌合，混凝土運輸車運至現(xiàn)場，混凝土輸送泵泵送入模，分層澆筑。鋼筋在加工場集中下料加工，汽車運至現(xiàn)場進行安裝，鋼筋連接采用機械連接。主拱拱腳預埋段采取先預留孔洞后安裝的方法進行。

因拱座及基礎結構尺寸較大、鋼筋較多，為方便基礎鋼筋施工同時保證施工安全，鋼筋施工采用型鋼勁性骨架作為支撐。

拱座混凝土為大體積混凝土，根據(jù)設計及施工工藝要求，采取分塊、分層方法進行澆筑,單層高度不大于4 m。

3 關鍵施工技術

3.1 拱座深基坑控制爆破開挖技術

3.1.1 拱座控制爆破分層開挖

拱座基坑開挖前先人工砍出開挖范圍內灌木叢，再采用機械清除表面松碴，然后在距基坑開挖線5 m處設置截水溝。截水溝采用梯形截面，用M10漿砌片石修建，厚度30 cm，深40 cm，頂寬80 cm，底寬40 cm。測量組現(xiàn)場根據(jù)實測標高測放開挖線，測放開挖線要總體考慮，除靠河側設置6 m寬出碴通道，同時也要考慮主拱安裝操作空間。

拱座基坑平均開挖深度30 m左右，開挖時拱座基坑沿鉛垂方向分為四部分，拱座頂以上為第一部分，拱座一級臺階6 m為第二部分，拱座二級臺階7 m為第三部分，拱座第三級臺階7 m為第四部分。各部分基坑均分層開挖，每層開挖深度不大于2 m。因第一、二部分開挖面較大，基坑開挖時采取分區(qū)爆破，每個區(qū)面積不大于400 m2，每個區(qū)分別設置掏槽眼、輔助眼、周邊眼。為保證坑壁平面效果，第一、二級基坑靠近坑壁2～3 m部分，采用光面爆破單獨進行開挖；為減小對拱座靠山側和基底巖石爆破擾動，同時保證受力基巖整體性,基坑第三、四級采用光面爆破原理進行開挖，開挖嚴格按照多打眼少裝藥的原則進行爆破。周邊眼炮眼間距不大于50 cm，普通炮眼間距1.0 m。若遇破碎邊坡就直接采用油炮進行鑿出，避免擾動基坑邊的巖體。

根據(jù)現(xiàn)場地貌同時兼顧交界墩基礎施工，拱座第一級及以上部分基坑采用整個基坑滿挖，開挖面與拱座一級臺階底高差11 m，爆破推進方向，由無障礙一側向基坑邊緣推進，在接近坑邊緣是炮眼采用周邊眼,除周邊眼間距0.5 m外，其余炮眼間距均為1 m。為體現(xiàn)光面爆破效果，所有爆破單區(qū)必須采取分節(jié)段爆破，在分節(jié)段爆破時，根據(jù)雷管節(jié)段號進行安裝。1～8區(qū)參照A單區(qū)炮眼分布圖布置，9～10區(qū)參照B單區(qū)炮眼分布圖布置(圖3)。

拱座第二、三級采用左、右側單獨開挖，由于基坑較深，二、三級開挖采用放坡開挖，放坡坡度為1∶0.3。第二部分開挖面與拱座二級臺階底高差7 m，爆破推進方向由無障礙一側向基坑邊緣推進，在接近坑邊緣是炮眼采用周邊眼，除周邊眼間距0.5 m外，其余炮眼間距均為1 m。為體現(xiàn)光面爆破效果，所有爆破單區(qū)必須采取分節(jié)段爆破，在分節(jié)段爆破時，根據(jù)雷管節(jié)段號進行安裝。1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)、5區(qū)、6區(qū)可參照A單區(qū)炮眼分布圖布置，4區(qū)、7區(qū)、8區(qū)、9區(qū)、10區(qū)可參照B單區(qū)炮眼分布圖布置(圖4)。

第四部分開挖面與拱三級臺階底高差7 m，爆破推進方向由無障礙一側向基坑邊緣推進，在接近坑邊緣是炮眼采用周邊眼，除周邊眼間距0.5 m外，其余炮眼間距均為1 m。為體現(xiàn)光面爆破效果，所有爆破單區(qū)必須采取分節(jié)段爆破，在分節(jié)段爆破時，根據(jù)雷管節(jié)段號進行安裝。2區(qū)、3區(qū)、5區(qū)、6區(qū)可參照A單區(qū)炮眼分布圖布置，7區(qū)、8區(qū)可參照B單區(qū)炮眼分布圖布置，1區(qū)可參照C單區(qū)炮眼分布圖布置，4區(qū)可參照D單區(qū)炮眼布置圖(圖5)。

3.1.2 拱座基坑出碴

拱座基坑開挖采用挖掘機配合自卸汽車出碴，由于基坑較深出碴通道由側面拖槽形成。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，5#拱座從線路左側拖槽，6#拱座從線路右側拖槽。拖槽長度要根據(jù)基坑總深度整體考慮，出碴通道隨基坑層層開挖而逐層降低，出碴通道最終坡度不能大于15 %。根據(jù)現(xiàn)場實際測量資料，東、西岸出碴拖槽深度約25 m，長度約300 m?；拥谌糠趾偷谒牟糠肿?、右側分別開挖，兩岸出碴通道均為單側拉槽，為方便出碴和機械設備進出，在基坑靠河側設置一條寬6 m的通道。

3.1.3 拱座基坑防護

拱座基坑平均開挖深度在25 m左右，為保證基坑穩(wěn)定擬采用噴錨防護對坑壁軟弱部分進行防護。錨桿采用φ25砂漿錨桿，錨桿垂直于坡面，間距1 m梅花形布置，根據(jù)坑壁巖面情況決定錨桿長度，原則上錨桿長度3～6 m。鋼筋網采用φ10鋼筋，網格間距20 cm，噴射C20混凝土支護，厚度為20 cm。

錨桿采用風動鑿巖機鉆孔，使用高壓風吹凈鉆孔，將錨頭與錨桿端頭組合，戴上墊片與螺母，把組裝好的錨桿打入鉆孔，錨桿要盡量打在鉆孔的中央位置，將止?jié){塞穿入錨桿末端與孔口齊平并與桿體固緊，錨桿末端戴上墊板，然后擰緊螺母，再采用注漿機進行注漿。組合中空錨桿應沿桿體全長設置內徑小于φ6 mm的排氣管，錨桿砂漿必須自下而上充盈。

鋼筋網的鋪設在錨桿安裝好后進行。鋼筋網使用前清除銹蝕，鋼筋網隨受噴面的起伏鋪設，鋼筋網連接采用彎鉤連接，鋼筋網的噴混凝土保護層厚度不小于2 cm。鋼筋網與錨桿或其他固定裝置連接牢固，在噴射混凝土時鋼筋不晃動。

基坑噴混凝土采用濕噴技術施工，分二次噴夠設計厚度，初噴厚度不小于5 cm，采用混凝土噴射機噴射5～15 m3/h。嚴格濕噴工藝作業(yè)：嚴格控制混凝土配合比，在拌和站集中拌制混凝土，混凝土罐車運到現(xiàn)場，噴射混凝土先供風后供料，噴射時噴嘴垂直于受噴巖面，保持1 m左右距離，分片作螺旋往復運動，直到達到規(guī)定厚度。

基坑的臨邊防護采用φ48鋼管，間距2 m,埋深大于0.5 m，斷面上布置3根，其中掃地桿距地面為0.2 m，欄桿高度為1.5 m，掛設雙層安全網。臨河防護采用型鋼制作，立桿采用120 mm工字鋼，護欄高度1.5 m，縱向上采用L50角鋼，間距2.0 m，布置4根，掃地桿距地面0.2 m,掛設雙層鐵絲網。基礎采用C20混凝土，長0.5 m,寬0.5 m,深度不小于0.5 m。

3.2 拱座巖溶整治施工技術

拱座及交界墩基礎結構開挖到位后，采用探地雷達(簡稱GPR)方法利用天線向地下發(fā)射電磁脈沖，并接收由地下不同介質界面的反射波，根據(jù)接收到的回波時間、幅度和波形等信息，判定地下介質的結構與埋藏體的位置與形態(tài)。根據(jù)測得的情況對巖溶進行處理，開挖部分采用C20混凝土回填，未開挖部分采取注漿進行處理(圖6)。

3.2.1 施工準備

拱座基坑巖溶整治施工前做好“通水、通電、通路”工作，其中“通路”盡量做到利用既有施工便道及出碴通道，避免增加臨時用地。巖溶整治施工前進行場地清理，清除表層的泥土腐土等。完善臨時防、排水設施，防止在施工期間因地表水及地下水的侵入造成對注漿質量的影響。對影響基坑穩(wěn)定的地下水，予以截斷、疏干、降低水位，并引排到基坑范圍以外。在施工期間，及時維修和清理排水通道，保障排水暢通、有效。

施工前安排專人對施工機械進行安全及性能檢查，防止在注漿過程中發(fā)生機械故障,影響注漿的連續(xù)性，防止在注漿過程中注漿管破裂造成漿液噴射傷人等現(xiàn)象。各類設備就近安裝，注漿管線固定，不宜過長，以減小壓力損失。

3.2.2 鉆孔、沖洗與封孔

(2)鉆孔位置根據(jù)施工圖施放，孔位偏差不大于5 cm；注漿孔位標定后，移動鉆機至鉆孔位置，完成鉆機就位； 鉆機就位后，用傾斜尺、水平尺等工具調整鉆機角度，安裝牢固，定位穩(wěn)妥。

(3)所有I序孔均按勘探鉆孔技術要求施鉆，進行巖芯鑒定和編錄，勘探成果形成記錄表格，上報監(jiān)理，逐孔驗收。Ⅰ序孔完成后，及時封孔。

(4)易塌陷區(qū)、極易塌陷區(qū)施做Ⅱ序孔前，先由建設、設計、監(jiān)理、施工四方根據(jù)現(xiàn)場先導孔揭示巖溶發(fā)育情況，共同確定是否實施Ⅱ序孔及施做Ⅱ序孔長度和段落。在確定最終設計方案后方可進行下一步施工。

(5)將鉆桿對準所標孔位，用φ128 mm鉆頭開孔鉆進，保證開孔直徑不小于130 mm。開孔時要輕加壓、慢速、大水量，防止將孔開斜。鉆進過程中應注意觀察地層變化，詳細作好鉆孔記錄。巖溶注漿孔間距宜為3～10 m。

(6)注漿前進行成孔沖洗。對沖洗時返水的鉆孔，以沖洗液變清為結束條件。對溶洞、溶蝕破碎帶發(fā)育、沖洗時不返水的鉆孔，要求流量不小于泵送額定流量的80 %，沖洗時間不少于10 min。對地質條件復雜地段，現(xiàn)場試驗確定成孔沖洗方法和結束條件。

(7)封孔。

① 在滿足設計注漿壓力條件下，根據(jù)現(xiàn)場地質情況可采用濃水泥漿(水泥砂漿)一次性封閉或孔口管動態(tài)阻塞法封孔，封孔深度最小不少于2 m。

② 對未遇溶洞的鉆孔采用一次性封閉法封孔，管徑30 mm；當鉆探揭示有溶洞、漏水嚴重情況時，為滿足沖填粗骨料需要，采用孔口管動態(tài)阻塞法封孔，護孔管管徑為110 mm；對于路基已經填筑地段的鉆孔，為避免影響路基，必須采用孔口管動態(tài)阻塞法封孔，封孔深度位于地面以下1 m(圖8)。

③ 孔口管動態(tài)阻塞法封孔技術要求。封孔流程為：鉆孔→沖洗→在預定深度設置φ110 mmPVC孔口管，孔口管外側底部20 cm用粘土堵截層→在封孔段灌注濃水泥漿→終凝后用止?jié){閥動態(tài)封閉注漿。采用孔口管動態(tài)阻塞法封孔時，封孔段鉆孔直徑不小于110 mm?？卓诠苤睆綖?10 mm。為避免影響注漿效果，要求孔口管下部位于土石界面0.5 m以上，不得進入基巖。當覆蓋層較厚時，可將起護孔作用的孔口管設置為花管。

3.2.3 試驗與注漿

3.2.3.1 試驗

按照施工單元劃分，每個施工單元(每個基坑)選取一個試驗點，進行現(xiàn)場壓水(注水)試驗、注漿試驗，確定合理的注漿參數(shù)和施工工藝。根據(jù)設計院劃分的工點，每個工點不少于三個試驗點。對試驗段的施工過程形成記錄表格，請監(jiān)理現(xiàn)場簽認。試驗結束后將試驗成果上報設計、監(jiān)理、建指，共同確認注漿施工注漿參數(shù)和施工工藝。

3.2.3.2 注漿

開泵前先將三通轉芯閥調到回漿位置，待泵吸水正常時，將三通回漿口慢慢調小，泵壓徐徐上升，當泵壓達到預定注漿壓力時，持續(xù)2～3 min不出故障，即可結束。

鉆孔完畢，進行清孔檢查，在確認沒有坍孔和探頭石的情況下，方可下管。注漿管距孔底不小于1 m，并在注漿孔上部設置止?jié){裝置。否則，必須用鉆機進行掃孔。在確定注漿管內無阻塞物后，即可進行注漿管安裝。為減少拔管時的阻力，在注漿管上可上防水板。用沾有CS膠泥的麻絲繩繞成不小于鉆孔直徑的紡錘形柱塞，把管子插入孔內，再用臺車將管頂入孔內到要求深度，使麻絲栓塞與孔壁充分擠壓緊實，然后在麻絲與孔口空余部分，填充CS塑膠泥，使注漿管和止?jié){塞固定。注漿管外露的長度不小于30～40 cm，以便連接孔口閥門和管路。注漿管安放好后，在注漿管管口加上孔口蓋，以防止雜物進入。

壓水壓力由小逐漸增大到預定注漿壓力，并持續(xù)15 min。漿液配合比按實際情況進行調整，遵循先稀后濃的原則，依吸漿情況逐步加濃漿液。

帷幕孔須在漿液中摻入水泥重量2 %的速凝劑，使注入巖溶的漿液盡快凝結，以形成帷幕，防止?jié){液體溜走。

注漿管路系統(tǒng)的試運轉：用1.5～2倍于注漿終壓對系統(tǒng)進行吸水試驗檢查，并接好水、電；檢查管路系統(tǒng)能否耐壓，有無漏水；檢查管路連接是否正確；檢查設備機況是否正常；使設備充分熱身。試運轉時間為20 min。注漿順序為防止臨孔串漿冒出地面,增加處理難度,拱座鉆孔及注漿順序原則為:采用先外后內，由下至上，跳孔鉆進，邊鉆邊灌 ，以保證注漿質量。注漿壓力控制：灰?guī)r中為0.2～0.5 MPa，巖土界面附近逐步加大至0.3～0.5 MPa。

當注漿達到下列標準之一時，可結束該孔注漿：①注漿段注漿壓力大于等于0.5 MPa。②10 min維持注漿量不大于5 L/min。

注漿完成后應立即拔管，若拔管不及時，漿液會把注漿管凝固住而造成拔管困難。拔管時使用拔管機，每次上拔高度為500 mm。拔出管后，及時刷洗注漿管，以便保持清潔、通暢。

4 結束語

針對鋼桁拱橋拱座基礎施工，結合本項目工程實際，選擇了合理的爆破方案控制了超欠挖，實現(xiàn)了光面爆破的良好效果，節(jié)約了材料，通過基底的巖溶整治保證了基礎的質量。

[1] TZ 203-2008 客貨共線鐵路橋涵工程施工技術指南[S].北京：中國鐵道出版社，2008.

楊虎(1980～)，男，本科，工程師，從事現(xiàn)場施工管理工作。

U443.23

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[定稿日期]2017-03-22