淺析復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下高邊坡多級消能技術(shù)

李興江

（中鐵開發(fā)投資集團(tuán)有限公司,云南 昆明 650000）

1 工程概述

1.1 項(xiàng)目概況

貴州金沙經(jīng)仁懷至桐梓高速公路工程桐梓河特大橋是一座全長1 422 m的鋼桁梁懸索橋,主跨965 m,跨越烏江支流桐梓河,連接仁懷市和桐梓縣兩地,也是全線唯一的一座技術(shù)復(fù)雜型特殊橋梁。大橋的橋跨組合為：仁懷岸98.5 m深雙幅隧道式錨碇+ (48+80+48）m連續(xù)剛構(gòu)引橋+仁懷岸208 m 高索塔+ 965 m 單跨鋼桁梁懸索橋+桐梓岸140 m 高索塔+6 孔40 m 預(yù)制簡支T梁引橋+重力式錨碇。

圖1 全橋立面圖

1.2 工程自然環(huán)境條件

桐梓河特大橋項(xiàng)目區(qū)前段屬烏蒙山與婁山山脈的交匯處,橋位區(qū)域地貌類型為主要為中低山峽谷地貌。橋址區(qū)桐梓河呈典型的深切“V”型谷地,河谷切割劇烈,桐梓河兩岸地形陡峭,多形成陡崖,兩岸地表植較發(fā)育,主要以高聳的柏樹和灌木叢為主。仁懷岸山體坡面陡峭,斜坡自然坡角30°～50°,基巖露頭,山體上部可見陡立灰?guī)r、下部可見泥灰?guī)r夾頁巖。桐梓河兩岸岸坡陡峻,上部呈陡崖直立狀,下部為錯落體,卸荷裂隙及其發(fā)育,存在多處危巖體,大部分灰?guī)r裸露,巖溶非常發(fā)育。

仁懷岸岸坡上覆土層為黏土,厚度薄；下伏基巖為泥質(zhì)粉砂巖、灰?guī)r,強(qiáng)風(fēng)化層厚1～3 m,節(jié)理裂隙很發(fā)育,巖體破碎；中風(fēng)化層巖體節(jié)理發(fā)育～不發(fā)育,巖體較破碎～較完整。岸坡主要由強(qiáng)～中、微風(fēng)化巖石組成,為巖質(zhì)邊坡。

1.3 仁懷岸高邊坡設(shè)計概況

桐梓河特大橋仁懷岸墩臺全部處于半山腰地帶,單個索塔承臺尺寸為20.3 m×20.9 m×7 m,承臺底面標(biāo)高為+758 m。整個山體自然坡度40°～70°左右,且多為石方山體。仁懷岸主塔平臺邊坡設(shè)計分六級邊坡,每級邊坡高度不大于10 m,邊坡坡率第一級為1：0.5,第二級為1：0.5,第三級為1：0.5,第四級為1：0.75,第五級為1：0.75,第六級1：0.75 兩種,采用機(jī)械破碎和局部預(yù)裂爆破相結(jié)合的方式進(jìn)行開挖。其中有一條地方道路橫穿主塔平臺,需要將其改移至邊坡第二級平臺上。

平臺及邊坡主要采用以下幾種方式進(jìn)行防護(hù)：

（1） 采用錨索框架梁+植生袋護(hù)坡。

（2） 錨桿框架梁。

（3） 簾式多級消能被動防護(hù)網(wǎng)。

（4） 臨時管棚通道防護(hù)。

（5） 掛網(wǎng)錨噴。

平臺外側(cè)采用輕質(zhì)氣泡混合土擋墻進(jìn)行支擋+鋼管樁平臺相結(jié)合的方式,既保證對主塔部位山體進(jìn)行防護(hù),同時也作為邊坡滾落石的緩沖平臺和后期施工作業(yè)平臺。

圖2 邊坡設(shè)計斷面圖

2 復(fù)雜環(huán)境下高邊開挖防護(hù)措施

本地質(zhì)災(zāi)害區(qū)高邊坡開挖施工采取多級消能防護(hù)技術(shù),其基本原理就是通過“防、控、接、消、擋”的多級立體防護(hù)體系,使整個高邊坡開挖過程不破壞周邊、不被周邊傷害、消除施工全周期的安全隱患,做到安全萬無一失[5]。

“防”即是通過提前清理施工區(qū)域危石孤石,并設(shè)置攔石網(wǎng)、截水溝保證施工過程中不被邊坡上方周邊不穩(wěn)定體傷害?！翱亍奔词遣扇《嗯_挖掘機(jī)機(jī)械破碎、接力轉(zhuǎn)運(yùn)開挖渣土來控制施工對山體的擾動?！敖印奔词窃陂_挖區(qū)域下方提前設(shè)置被動防護(hù)網(wǎng),將挖掘機(jī)作業(yè)時不可避免滾落的土石顆粒接住,待開挖形成一定平臺后再用挖掘機(jī)清除?！跋奔词峭ㄟ^多重被動防護(hù)網(wǎng)、擋墻及防護(hù)棚將意外滾落的大塊孤石層層消減勢能,防止對下方山體環(huán)境、道路、人員造成傷害?！皳酢笔侵冈诟哌吰伦钕路皆O(shè)置輕質(zhì)氣泡混合土擋墻對整個開挖區(qū)域形成最后一道支擋,同時也可以防止施工過程中水土流失,成型后作為主塔施工平臺使用。

3 總體施工順序

圖3 桐梓河特大橋主墩高邊坡多級防護(hù)完成圖

桐梓河特大橋主塔（仁懷岸）邊坡為六級邊坡,邊坡上覆0～5 m角礫土,其下為泥質(zhì)粉砂巖。仁懷岸主墩邊坡施工總體順序?yàn)椋菏┕?#墩下方3 道被動防護(hù)網(wǎng)和既有路鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)棚→清除坡頂外危巖落石→開挖截水溝→開挖2#墩平臺通道→開挖六級邊坡及第五級平臺并完善邊坡防護(hù)→開挖五級邊坡及第四級平臺并完善邊坡防護(hù)→道路臨時改移至2#墩平臺上→安裝既有路下方2 道被動防護(hù)網(wǎng)→開挖第四級邊坡及第三級平臺→開挖第三級邊坡及第二級平臺（永久改路）開挖→施工永久改路防護(hù)管棚→安裝主塔下方2 道被動防護(hù)網(wǎng)→開挖第二級邊坡和第一級平臺→開挖第一級邊坡及主墩平臺兩側(cè)通道、同時施作氣泡土擋墻與路肩擋墻→道路改移至第二級平臺上→施工各級平臺排水溝及主墩平臺大里程側(cè)鋼平臺。每級邊坡開挖完成后及時進(jìn)行掛網(wǎng)錨噴,并按設(shè)計圖紙要求施作錨桿錨索框架梁。

圖4 被動防護(hù)網(wǎng)及改路防護(hù)棚架

圖5 跨路道路防護(hù)棚圖

4 柔性被動防護(hù)網(wǎng)安裝及開挖邊坡

為降低施工過程隱患,須結(jié)合地質(zhì)資料先進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查,采取網(wǎng)蓋、砌石、撬挖、錨固防護(hù)等措施清除原邊坡上的危石和不穩(wěn)定體。先施工完成坡頂外截水溝、被動防護(hù)網(wǎng)做好施工區(qū)外圍防護(hù)。邊坡開挖完成一級及時進(jìn)行平臺排水溝等排水系統(tǒng)施工,并與截水溝聯(lián)通防止雨水沖刷破壞已開挖的坡面。柔性被動防護(hù)網(wǎng)的施工工序如下：測量放樣→錨桿及基座定位→基座及錨桿安裝→預(yù)應(yīng)力鋼柱拉錨繩安裝與調(diào)試→支撐繩安裝與調(diào)試→圓環(huán)網(wǎng)的鋪掛與連接。

4.1 測量放樣

測量組根據(jù)施工設(shè)計圖測放出立柱基座及拉錨的位置,做上標(biāo)記。

4.2 安裝基座和錨桿

（1） 在設(shè)計位置澆筑基礎(chǔ)混凝土,其頂面應(yīng)平整且高出地面不應(yīng)超過10 cm,使下支撐繩盡可能緊貼地面；同時也不能被埋置太深,以免造成防護(hù)高度降低且基座處容易積水。掛座朝向坡下來安裝基座。

（2） 安裝錨桿。錨桿應(yīng)平直,使用前先除油、除銹。錨桿安裝時應(yīng)使其位于孔眼中部,錨桿外露環(huán)套不高出地面。安裝完成后及時注漿,且不得隨意敲擊,注漿后3天內(nèi)不得在端部懸掛重物或進(jìn)行易使其受載的下道工序施工,防止松動變形。

（3） 安裝預(yù)應(yīng)力拉錨繩與調(diào)試。先將工鋼立柱逐根搬運(yùn)至基座處,將其底端擺放在基座上,然后把上拉錨繩的掛環(huán)分別掛于錨桿和鋼柱頂端掛座上,再調(diào)整鋼柱的方位后與基座固定,鋼柱安裝誤差小于5°。最后拉緊上下拉錨繩固定。

（4） 安裝、調(diào)試支撐繩。上、下支撐繩全部采用雙繩,安裝順序?yàn)椋合壬现卫K、再下支撐繩,第二根下支撐繩安裝時與第一根反向,最后用一個繩卡在靠近減壓環(huán)約40 cm處將2 個底部支撐繩聯(lián)結(jié),形成相互交錯的雙支撐繩穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

（5） 鋪掛圓環(huán)網(wǎng)。采用緊線器將放在兩根鋼柱之間的圓環(huán)網(wǎng)拉起來,將其上緣拉到與上支撐繩齊平；采用縫合繩從中點(diǎn)開始向兩側(cè)將圓環(huán)網(wǎng)和支撐繩縫合在一起,縫合繩的中點(diǎn)固定在每一張網(wǎng)的上緣中央[6]。

4.3 防護(hù)網(wǎng)安裝完成后,邊坡采取自上而下分級開挖分級防護(hù),每一級開挖防護(hù)完成并報驗(yàn)合格后進(jìn)行下一層開挖。為保證邊坡穩(wěn)定、限制施工過程中的卸荷松弛,開挖工作面與安全支護(hù)的高差不大于15 m且不大于一層開挖梯段高度,上層的支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)保證下一層的開挖安全順利進(jìn)行。

4.4 項(xiàng)目總體按“平面多工序、立體多層次”的原則組織施工橫向分段進(jìn)行多工序平行作業(yè),減小邊坡揭露面積和暴露時間,揭露面應(yīng)2 天內(nèi)完成掛網(wǎng)錨噴快速支護(hù)；每一級由外向內(nèi)開挖,需爆破的部位每次爆破前均對臨空面進(jìn)行整形,減小梯段爆破底盤抵抗線,減少爆破震動后沖,影響邊坡穩(wěn)定。豎向按平臺或爆破梯段自下而上進(jìn)行覆蓋層剝離和梯段整形、梯段鉆爆及出渣、錨桿和錨索框架梁施工、系統(tǒng)排水等多層次的流水作業(yè),確保邊坡開挖與支護(hù)協(xié)調(diào)推進(jìn)。

4.5 邊坡開挖過程中對邊坡設(shè)計控制點(diǎn)隨時進(jìn)行復(fù)測,并對邊坡變形進(jìn)行監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)異常立即向監(jiān)理和業(yè)主報告并采取應(yīng)急處理措施。

4.6 不良地質(zhì)地段用人工輔助開挖。人工撬挖清除石渣、夾泥等填充物至設(shè)計要求,并按要求回填砼、及時支護(hù)封閉。為保證安全,在開挖過程中安排專人看守,對過往車輛進(jìn)行控制放行。

5 主動防護(hù)及加固工程

仁懷岸邊坡支護(hù)方式主要為掛網(wǎng)錨噴、被動防護(hù)網(wǎng)、錨索框架梁內(nèi)植生袋護(hù)坡、錨桿預(yù)加固。在坡面開挖過程中,當(dāng)挖至某一層錨桿、錨索標(biāo)高后,對錨桿、錨索附近危石加以清除,邊坡坡頂范圍內(nèi)清除危巖落石,清理范圍為縱向開挖邊坡坡頂至自然坡頂,橫向?yàn)殚_挖邊坡范圍至兩側(cè)各50 m范圍內(nèi)[2]。開挖的坡面及時進(jìn)行掛網(wǎng)錨噴和錨桿、錨索施工,邊坡土石方開挖與錨桿、錨索施工要相互協(xié)調(diào)配合,嚴(yán)禁在邊坡全部形成后才進(jìn)行錨桿、錨索施工,在開挖至接近設(shè)計邊坡線2 m 范圍內(nèi)應(yīng)采用預(yù)裂爆破,嚴(yán)禁大爆破[3]。錨桿施工工序：開挖結(jié)束→清理邊坡→錨桿孔放樣→錨桿鉆孔→清孔→放入錨桿→注漿→澆筑框架梁→安裝錨頭鋼墊板、封錨。錨索框架梁內(nèi)植生袋護(hù)坡施工工序：邊坡清理→錨孔放樣→鉆孔、清孔→錨索安裝→注漿→框架梁施工→錨索張拉→鎖定→封錨→植生袋碼砌→掛鐵絲網(wǎng)封閉[1]。

6 排水措施

平臺設(shè)置平臺排水溝,坡頂外設(shè)置截水溝。邊坡開挖后視地下水情況設(shè)置仰斜式排水孔,斜孔6°～10°向外斜率,仰斜孔長20 m,間距6 m?？卓谖挥谄履_或邊坡平臺以上1.0 m以內(nèi)。

7 輕質(zhì)氣泡混合土擋墻施工

仁懷岸主墩平臺開挖至設(shè)計標(biāo)高,由于靠河道側(cè)地勢較低,承臺處于半懸空狀態(tài),無可用施工平臺。為保證后期主體結(jié)構(gòu)施工時能安全、高效的運(yùn)輸材料、起吊安裝、滿足工期要求,在主塔前端設(shè)置一處不小于8 m 的施工平臺,平臺采用氣泡混合輕質(zhì)土回填。氣泡混合輕質(zhì)土容重等級為W15,抗壓強(qiáng)度等級為CF2.5。施工主要工序：施工準(zhǔn)備→測量放樣→基礎(chǔ)開挖及承載力檢驗(yàn)→立柱基礎(chǔ)砼澆筑及立柱安裝→面板預(yù)制、安裝→輕質(zhì)氣泡混合土制作及澆筑。

7.1 廠內(nèi)面板預(yù)制

輕質(zhì)氣泡混合土面板采用90*30*4 cm的標(biāo)準(zhǔn)C20砼板塊,小型構(gòu)件廠內(nèi)集中預(yù)制,在距面板底2 cm 處設(shè)置間距為@20*20 cm 的Φ2 mm 粗鐵絲網(wǎng),并在鐵絲網(wǎng)上埋設(shè)四個預(yù)埋筋,邊板和頂板為異形塊,安裝時可由標(biāo)準(zhǔn)塊通過鋼鋸切割而成。

7.2 施工放樣

測量組根據(jù)輕質(zhì)氣泡混合土設(shè)計圖,測放出氣泡土擋墻面板外輪廓線,作好放線記錄,并報請監(jiān)理復(fù)測,確定擋墻面板位置及基礎(chǔ)開挖深度,現(xiàn)場交底后實(shí)施。

7.3 基礎(chǔ)開挖及承載力檢驗(yàn)

嚴(yán)格按照施工圖紙要求分臺階分級開挖,基礎(chǔ)各臺階的地基承載力不得小于圖紙規(guī)定的數(shù)值。

圖6 輕質(zhì)氣泡混合土擋墻平臺標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

7.4 立柱基礎(chǔ)砼澆筑及立柱安裝

在地基檢測合格后滿鋪30 cm 厚碎石墊層壓實(shí)整平,并在其上澆筑50 cm 厚*90 cm 寬的C20 混凝土基礎(chǔ),基礎(chǔ)底部預(yù)留直徑7.5 cm 泄水管,間距15 m 每道布置?；A(chǔ)澆筑時頂面預(yù)留7*6 cm面板安裝槽,再安裝∠70 mm*70 mm*6 mm角鋼立柱。

7.5 安裝面板

將面板從基礎(chǔ)預(yù)留槽處從下至上逐層錯縫安裝,面板接縫緊密、外露面需平整、美觀,對拉桿及立柱均需進(jìn)行防銹、防腐處理。端部和轉(zhuǎn)角處的異形面板在預(yù)制時需適當(dāng)調(diào)整預(yù)埋筋的位置,并采取可靠措施固定好異形面板。面板外露面之間按照設(shè)計要求采用砂漿勾縫,勾縫應(yīng)圓順、美觀。

7.6 輕質(zhì)氣泡混合土澆筑

采用專用的氣泡土拌和設(shè)備將水泥、水充分混合成漿狀之后,再通過發(fā)泡裝置產(chǎn)生的氣泡加入其中行程氣泡混合土。直接采用輸送軟管進(jìn)行泵送,泵送的最大高度不超過30 m,最大水平距離不超過200 m。輕質(zhì)氣泡混合土擋墻澆筑時每隔10～15 m 設(shè)置一道沉降縫,縫內(nèi)填塞聚苯乙烯或夾板。輕質(zhì)氣泡混合土中氣泡有獨(dú)立細(xì)微和分散性的特點(diǎn)。并且具有良好的流動性和固化后的自立性,澆筑時無需振搗和碾壓。施工過程中控制泵送管出口與澆筑面保持水平,不宜采用噴射方式澆筑,以減少氣泡的消解及材料分離現(xiàn)象,并且需要控制好每次的澆筑厚度,單次澆筑厚度在0.3～0.8 m 之間,在下一層澆筑終凝后方可進(jìn)行上一層澆筑施工,分層澆筑至設(shè)計標(biāo)高。

7.7 養(yǎng)護(hù)

頂層施工完成后,應(yīng)立即對其采取表面覆蓋塑料薄膜或土工布的方式保濕養(yǎng)護(hù),時間不得小于7 d。每班完工后應(yīng)及時清空澆筑設(shè)備、泵送管道中的殘留物。

8 施工關(guān)鍵技術(shù)

8.1 根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,采用控制爆破進(jìn)行桐梓河特大橋仁懷岸艱險環(huán)境下主墩多級高邊坡爆破開挖施工,控制爆破源頭危害,降低對復(fù)雜地理環(huán)境下的道路、房屋、植被的影響。

8.2 參考貴州山區(qū)特殊橋梁基礎(chǔ)及平臺邊坡工程施工經(jīng)驗(yàn),合理制定開挖及防護(hù)方案,有序、快速完成開挖施工,縮短風(fēng)險周期。結(jié)合貴州類似項(xiàng)目生態(tài)保護(hù)區(qū)爆破施工經(jīng)驗(yàn),優(yōu)化施工方案,吸取成功的經(jīng)驗(yàn),改進(jìn)細(xì)微缺陷,使爆破效果達(dá)到更好的程度,提高效能[4],減少飛石滾落石的不良影響。

8.3 采用主動防護(hù)和被動防護(hù)相結(jié)合、臨時防護(hù)和永久防護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方法,強(qiáng)化施工過程中的安全防護(hù)能力。主動防護(hù)采用成熟的錨桿錨索框架梁形式,對地質(zhì)災(zāi)害區(qū)邊坡進(jìn)行永久防護(hù)；被動防護(hù)措施采用沿施工面下方多層布置、多級防護(hù)的大型消能防護(hù)網(wǎng),隨開挖隨防護(hù),減少飛石滾落石的沖擊勢能和滾落范圍,達(dá)到施工安全、結(jié)構(gòu)安全的目的。

8.4 對既有道路進(jìn)行臨時改道,確保道路通行不中斷,同時采用剛性防護(hù)棚架的形式對道路進(jìn)行防護(hù),設(shè)計細(xì)節(jié)上采用斜坡頂面、多層消能等方式逐步消除意外滾落石對道路安全的威脅,保護(hù)既有道路過往行人、車輛的安全。

9 結(jié)論

貴州金沙經(jīng)仁懷至桐梓高速公路工程桐梓河特大橋是全線唯一的一座技術(shù)復(fù)雜型特殊橋梁,大橋仁懷岸主塔高邊坡施工采用項(xiàng)目自創(chuàng)的“生態(tài)保護(hù)區(qū)存在滑坡隱患艱險環(huán)境下主墩多級高邊坡爆破開挖及防護(hù)技術(shù)”,主動防護(hù)采用成熟的錨桿錨索框架梁形式,對地質(zhì)災(zāi)害區(qū)邊坡進(jìn)行永久防護(hù)；被動防護(hù)措施采用沿施工面下方多層布置、多級防護(hù)的大型消能防護(hù)網(wǎng),隨開挖隨防護(hù),減少飛石滾落石的沖擊勢能和滾落范圍,達(dá)到施工安全、結(jié)構(gòu)安全的目的。

生態(tài)保護(hù)區(qū)存在滑坡隱患,艱險環(huán)境下主墩多級高邊坡爆破開挖及防護(hù)技術(shù)適用于社會交通穿插、山體地質(zhì)條件差、周邊林地防護(hù)要求高的復(fù)雜環(huán)境下的邊坡開挖施工,對于山區(qū)高邊坡施工具有借鑒作用和推廣前景。