淺談軟巖地區(qū)水工建筑物基坑開挖與支護(hù)技術(shù)

譙天翔

寧夏環(huán)保集團(tuán)有限責(zé)任公司 寧夏 銀川 750000

在水利水電工程施工過程中，深基坑以地下水發(fā)育的地層邊坡開挖與支護(hù)應(yīng)尤為關(guān)注施工作業(yè)地段的工程地質(zhì)情況，探明作業(yè)區(qū)內(nèi)地層巖性、產(chǎn)狀，不良地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育以及地表徑流及地下徑流的分部，對選擇事宜的開挖支護(hù)方法顯得尤為重要。寧夏中南部城鄉(xiāng)飲水安全水源工程中莊水庫輸水塔工程場坪分一次開挖及輸水塔下部豎井深基坑二次開挖[1]。根據(jù)前期鉆孔巖性及探坑地層揭露顯示，輸水塔主要布置于中莊水庫大壩左岸II級階地之上，依據(jù)報告試驗結(jié)果，自重濕陷量為270mm至326.4mm，濕陷量為351mm至408mm，根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，輸水塔區(qū)域1832.00m至1835.00m高程范圍內(nèi)分部的Q41apl壤土具有II級中等自重濕陷性，施工過程中進(jìn)行了挖除。本文著重對松散沖積層下部風(fēng)化較強(qiáng)的泥質(zhì)砂巖地層圍巖開挖與支護(hù)方案及施工方法進(jìn)行探討。

1 中莊水庫輸水塔深基坑開挖與支護(hù)工程地質(zhì)評價

中莊水庫工程作為寧夏中南部城鄉(xiāng)飲水安全水源工程新建主調(diào)水水庫。水庫輸水塔是水庫引水隧洞、輸水隧洞及泄水隧洞的主要控制建筑物，輸水塔布置于河道左岸階地附近，階地上部多分布第四系全新統(tǒng)沖積（Q41apl）壤土、角礫及含礫壤土和粘土。輸水塔北側(cè)為黃土山體，山坡沖溝較為發(fā)育。沖積物的形成與河流地質(zhì)作用密不可分，流水將碎屑物質(zhì)搬運(yùn)并逐步堆積在它侵蝕成的河谷中，最后形成沖積物。沖積土體主要發(fā)育在河谷內(nèi)和山區(qū)外的沖積平原中。河床相主要分布在河床地帶，沖積土一般為砂土及礫石類土，有時也夾有粘土透鏡體，在垂直剖面上土粒由下到上，由粗到細(xì)，成分較復(fù)雜，但磨圓度較好。中莊水庫所在山區(qū)河床沖積土厚度較平原地區(qū)較小，一般為10m左右，主要表現(xiàn)為河床相。

參建各方對開挖新鮮圍巖斷面進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，巖性基本與前期地勘成果接近。輸水塔基坑開挖線1849.00m至基底1827.80m地層巖性為第三系深棕黃色砂質(zhì)泥巖，呈泥質(zhì)膠結(jié)外觀，構(gòu)造為中至厚層狀，為典型的沉積構(gòu)造，巖層為近水平層理，具有成層性，巖層表現(xiàn)為顏色的層次差異，主要是由于造巖礦物成分、沉積顆粒物及碎屑、結(jié)構(gòu)的不同造成，推斷出該地層為河流地質(zhì)作用沉積作用而形成，成巖環(huán)境介于穩(wěn)定水動力作用與不穩(wěn)定水動力作用之間?；又猩喜繃鷰r為強(qiáng)風(fēng)化，圍巖表現(xiàn)為粉質(zhì)壤土狀，圍巖整體含水量較大，尤其靠北面山體一側(cè)含水量大，呈硬塑狀，層間有微小裂隙發(fā)育?；酉虏繃鷰r較為穩(wěn)定，上段圍巖強(qiáng)度稍低，現(xiàn)場踏勘巖土稍濕說明該圍巖自排水能力差。次生結(jié)構(gòu)也比較發(fā)育，多出現(xiàn)豎狀節(jié)理，推測在外力作用下，如外力擾動、雨水沖刷、循環(huán)凍融等作用下容易發(fā)生剝落式坍塌[2]。

2 砂質(zhì)泥巖風(fēng)化地層深基坑開挖及支護(hù)技術(shù)

由于中莊水庫輸水塔施工條件所限，基坑邊坡極陡，圍巖軟弱。宜采取分層開挖，先開挖后及時初噴封閉圍巖，再進(jìn)行錨桿施工加固圍巖穩(wěn)定圍巖應(yīng)力，最后掛鋼筋網(wǎng)片復(fù)噴混凝土加固的施工順序[3]。

2.1 輸水塔砂質(zhì)泥巖風(fēng)化地層邊坡開挖

基坑開挖前為保證坡面穩(wěn)定，地層應(yīng)先澆筑完鎖口板，鎖扣應(yīng)設(shè)置為倒臺階形狀。為保證邊坡安全應(yīng)優(yōu)化開挖方式，結(jié)合邊坡設(shè)計坡度宜減少基坑開挖深度，分多次開挖。由于輸水塔基坑落差較大，平臺下部基坑高程范圍為 1849.00m至1827.80m，高差為21.20m，將基坑豎向劃分為若干層段，分層開挖，確定為每層平均層厚2m，合計11 層。為保證開挖減少巖層擾動，宜采用挖掘機(jī)從輸水塔基坑中心向四周逐層開挖，開挖至設(shè)計邊界附近采用人工開挖可減少超挖及對圍巖擾動。同時開挖邊坡應(yīng)盡量平整方便緊后初噴作業(yè)。自卸車從基坑頂部將渣土運(yùn)出，同時應(yīng)注意已開挖邊坡穩(wěn)定性，運(yùn)輸機(jī)械應(yīng)與邊坡保持安全距離，防止動荷載擾動已開挖邊坡?；由疃瘸^5m，高程1844.00m 至 1835.10m，在基坑中心處開挖豎井，做運(yùn)渣導(dǎo)孔。采用小型挖掘機(jī)開挖，為防止超挖及擾動圍巖采用人工修坡，棄渣通過豎井導(dǎo)至三洞交匯處，然后扒渣機(jī)裝渣，使用機(jī)械運(yùn)輸出洞。高程1835.10至1831.00m為引水洞、輸泄水洞交匯段，前期引水洞及輸泄洞已完成初期支護(hù)，在開挖至高程 1835.10m 時，在向下開挖的同時將前期隧洞部分圍巖支護(hù)進(jìn)行拆除，繼續(xù)向基坑基底1831.00m開挖。開挖至1831.00m高程后使用小型挖掘機(jī)完成引水洞及輸泄水洞交匯范圍內(nèi)土方開挖，同時進(jìn)行支護(hù)作業(yè)。最后挖掘基1828.00m 高程，為防止擾動底部圍巖剩余厚度采用人工開挖清底。

2.2 圍巖支護(hù)方案及施工情況

本次基坑支護(hù)采用濕拌法噴射混凝土采，其是將拌合完成的混凝土使用壓漿泵送至噴射嘴，使用高壓空氣將拌合物噴出。為保證拌合物和易性，確保拌合物流動性、粘聚性及保水性滿足施工要求，防止拌合物沉淀，應(yīng)采取即拌即用的方法[4]。輸水塔基坑開挖線1849.00m至基底1827.80m地層巖性為第三系砂質(zhì)泥巖，地下水來源主要為上部覆蓋層松散堆積物中的孔隙水和砂質(zhì)泥巖中的裂隙水，經(jīng)過水質(zhì)取樣檢測結(jié)果顯示地下水中主要酸性離子SO42-含量較低，對混凝土及鋼筋無腐蝕作用，且本基坑支護(hù)為久性結(jié)構(gòu)，噴射混凝土的水泥強(qiáng)度等級不應(yīng)低于42.5級。水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，噴射混凝土標(biāo)號強(qiáng)度為C25，拌合用水氯離子含量符合《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》要求不得超過500mg/L，本次施工主要選用飲用水自來水拌合。粗骨料應(yīng)選用級配良好的碎石或者卵石，規(guī)定粒徑不得大于12mm，片狀及針狀顆粒含量不得高于12%，含泥量不得高于1%。細(xì)骨料宜選用Ⅱ區(qū)砂，細(xì)度模數(shù)宜為2.5至3.2，含泥量不得高于3%。應(yīng)該注意的是在濕拌法噴射混凝土施工過程中為保證混凝土質(zhì)量嚴(yán)禁在作用中途加水。噴射設(shè)備的選擇應(yīng)能滿足連續(xù)均勻輸料能力，水平輸料距離及豎向輸料距離需要滿足現(xiàn)場施工要求。且噴射設(shè)備輸料管道不得小于15mm，同時輸料管質(zhì)地應(yīng)耐磨。

若噴射厚度過大則需分層噴射，按照設(shè)計文件現(xiàn)場試噴后確定初噴5cm混凝土可以滿足封閉圍巖需要。噴射應(yīng)從底部自下而上分區(qū)域依次進(jìn)行。需要注意的是為保證噴射混凝土質(zhì)量，在噴射作業(yè)前已經(jīng)拌合的混凝土放置超過2小時的不得使用。完成初噴后，需進(jìn)行錨桿施工。根據(jù)輸水塔在整個水庫工程中的重要地位及該基坑邊坡破壞后對其他建筑物的影響程度，以及需要支護(hù)的圍巖巖性及地質(zhì)情況，結(jié)合規(guī)范要求，將輸水塔基坑支護(hù)安全等級劃分為Ⅰ級，可選用錨拉式結(jié)構(gòu)支護(hù)[5]。通常通過所需支護(hù)的邊坡穩(wěn)定分析后確定對應(yīng)設(shè)計錨固力，再根據(jù)設(shè)計錨固力確定錨桿使用數(shù)量、錨桿布置的形式、桿體尺寸。錨桿軸向抗拉力計算公式可按照Nak=e’ahSxjSYJ/cosα計算，Nak為錨桿所受軸向拉力（kN），SxjSYJ錨桿水平及垂直間距（m），e’ah為標(biāo)準(zhǔn)組合側(cè)向巖石壓力水平分力修正值（kN/m），α為錨桿的傾角（。）。根據(jù)設(shè)計方案，1849.0m至1831.0m平臺下部基坑采用掛網(wǎng)、錨噴進(jìn)行支護(hù)。初步噴射混凝土固結(jié)圍巖后進(jìn)行錨桿施工，輸水塔深基坑邊坡支護(hù)錨桿選用普通M20砂漿錨桿，錨桿縱橫間距選定為2m，圍巖面錨桿布置成梅花型。錨桿孔深為4.35m，孔徑為50mm，使用鑿巖機(jī)開孔。錨桿使用25的II級鋼筋，長度4.5m，錨桿的拉拔力為75KN。雙管排氣灌漿法，成孔后用高壓風(fēng)清孔后，將內(nèi)徑 5mm，管壁厚度1.5mm 的PVC排氣管連同砂漿錨桿插入孔中直至底部，排氣軟管應(yīng)至少露出鉆孔半米，配置好漿液后孔口插入注漿管，堵住錨桿孔口，注漿前保證排氣軟管通暢，使用注漿泵開始注漿。注漿在PVC排氣管溢出稀漿或者不排氣是終止，最后撥出排氣管，等待砂漿達(dá)到強(qiáng)度后完成錨桿后續(xù)安裝。

在砂漿錨桿安裝完成后，進(jìn)行鋼筋網(wǎng)片掛網(wǎng)作業(yè)。應(yīng)注意鋼筋網(wǎng)在安裝前應(yīng)進(jìn)行除銹。鋼筋網(wǎng)片隨混凝土初噴面起伏敷設(shè)，并與圍巖壁面接觸緊密，每片鋼筋網(wǎng)搭接長度不得小于鋼筋直徑30d，即0.24m。鋼筋網(wǎng)片應(yīng)焊接在錨桿端頭。

鋼筋網(wǎng)片安裝完畢后進(jìn)行混凝土復(fù)噴，保證噴射后混凝土護(hù)坡結(jié)構(gòu)厚度為10cm。噴射施工過程中噴頭與受噴面的距離應(yīng)保持在1m左右，應(yīng)正對邊坡噴射，作業(yè)人員應(yīng)手持碰頭正時針或逆時針旋轉(zhuǎn)噴射，并且遵循由低部到高處的原則。

2.3 輸水塔基坑滑塌原因及加固方案

輸水塔基坑開挖至設(shè)計底高程，施工單位按照設(shè)計要求對1849m至1827.80m平臺下部基坑采取以上掛網(wǎng)、錨噴支護(hù)方式后，基坑北側(cè)面出現(xiàn)圍巖小范圍滑塌?；脑蛞皇窃摶哟怪鄙疃却?，由于施工邊界問題，邊坡放坡為1:0.1，加上基坑上部邊坡周邊有施工機(jī)械人員等荷載疊加，邊坡穩(wěn)定性較差。二是淺層砂質(zhì)泥巖已遭受嚴(yán)重風(fēng)化。三是圍巖施工開挖過程中圍巖已遭受施工擾動，且受當(dāng)?shù)亟邓绊?，圍巖已形成軟弱結(jié)構(gòu)面。圍巖發(fā)生緩慢、勻速、持續(xù)的微量變形，直至拉張剪切破壞最終發(fā)生滑塌。在原支護(hù)基礎(chǔ)上，選用型鋼內(nèi)支撐及張拉錨復(fù)合進(jìn)行支護(hù)，基坑周壁采用型鋼支護(hù)?；颖眰?cè)坍塌面坡面修整平整后初噴混凝土30至40mm厚，后做6m長直徑25mm的普通注漿錨桿，掛網(wǎng)，復(fù)噴混凝土，后塌落面用型鋼支撐，穩(wěn)固后用預(yù)應(yīng)力錨桿加固，如圖1所示。

圖1 砂漿錨桿加密布置圖

2.4 輸水塔基坑滑塌施工工藝

施工加固工藝分為施工內(nèi)支撐、基坑坡頂以外的錨桿、修復(fù)滑塌面施工其它部位支錨、錨桿施工、型鋼焊接、張拉錨。為確保噴射面層的平整，采用人工清理邊坡層面，噴射混凝土前應(yīng)在坡面定入上一定距離垂直短鋼筋段作為厚度標(biāo)志。錨桿孔定位需要嚴(yán)格按照施工圖紙要求，測量放線，做到分部均勻。錨孔采用洛陽鏟或機(jī)械干作業(yè)成孔，錨桿與坡面的水平夾角按照設(shè)計要求控制在10至5度之間。成孔后進(jìn)行清孔檢查及時安設(shè)錨索并及時注漿。鋼筋網(wǎng)與坡面應(yīng)留有一定保護(hù)層，水平內(nèi)支撐槽鋼與支護(hù)面接觸緊密，縫隙過大時應(yīng)使用現(xiàn)場制作的鋼構(gòu)件焊接，保證接觸良好。槽鋼邊安裝邊應(yīng)在槽中噴射混凝土，支撐完畢后便可拉錨施工。通過以上方案施工后效果良好，如圖2所示[4]。

圖2 基坑滑塌面支護(hù)剖面圖

3 影響開挖及支護(hù)技術(shù)方案選擇的因素

在水利水電工程施工過程中如何選擇恰當(dāng)?shù)倪吰麻_挖和支護(hù)方式，其關(guān)鍵點在于對施工現(xiàn)場工程地質(zhì)條件的準(zhǔn)確掌握。邊坡支護(hù)主要是為了防止邊坡失穩(wěn)，即巖石土方邊坡在一定范圍內(nèi)整體沿某一滑動面向下或向外移動而喪失其穩(wěn)定性。就土體而言，主要原因是土體下滑力超過抗滑力，此時邊坡就會失去穩(wěn)定而發(fā)生滑動。邊坡發(fā)生滑坡其滑坡面與土質(zhì)與土層結(jié)構(gòu)有關(guān)。如果邊坡土層中有軟弱黏土夾層，遇水后將沿夾層發(fā)生滑動。軟弱巖層的失穩(wěn)多由自重及外界因素的作用下，剪切破壞而形成。土體抗剪能力的大小與土體的內(nèi)摩擦系數(shù)與內(nèi)聚力有直接關(guān)系。因此在考慮邊坡支護(hù)方案時，除了要考慮實驗得到的內(nèi)摩擦系數(shù)和內(nèi)聚力的參數(shù)之外，還應(yīng)該考慮施工現(xiàn)場排水及振動對邊坡支護(hù)的影響。支護(hù)施工過程中要禁止外來水進(jìn)入支護(hù)面，做好工作面排水工作，注意邊坡頂部荷載對開挖支護(hù)過程的影響，施工中要嚴(yán)格遵循分層分段、逐層施工、限時封閉、禁止超挖原則。

4 結(jié)束語

總而言之，在國內(nèi)的水利水電項目的施工環(huán)節(jié)中，相關(guān)人員需要按照深基坑施工的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，完成開挖或者是支護(hù)工作，并制定出切實可行的施工方案，以便于增強(qiáng)水利水電項目的穩(wěn)定性，讓最終的施工效果和施工質(zhì)量獲得提升，為國內(nèi)水利項目后續(xù)階段的發(fā)展創(chuàng)造良好條件，確保水利項目能夠更加順利的運(yùn)行。但若是想達(dá)成上述目標(biāo)，就應(yīng)該借助輸水塔砂質(zhì)泥巖風(fēng)化地層邊坡開挖、圍巖支護(hù)方案及施工情況、輸水塔基坑滑塌原因及加固方案、輸水塔基坑滑塌施工工藝等諸多方式和手段，增強(qiáng)實際的施工效果，保障水利項目有著良好的質(zhì)量，增加其原本的應(yīng)用年限，為水利項目更加穩(wěn)定運(yùn)行帶來巨大的幫助。這才是相關(guān)負(fù)責(zé)人應(yīng)該給予高度注重的問題，確實需要在開展施工工作的時候，對各種先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行充分的應(yīng)用。