巖質(zhì)滑坡矩形抗滑樁成孔技術及施工效率影響因素

張 敏,周 靈,陳中偉

(四川省地質(zhì)工程勘察院集團有限公司,四川 成都 610072)

0 引 言

滑坡是山區(qū)最常見、危害最嚴重的地質(zhì)災害之一。矩形抗滑樁因其抗滑能力大、支檔效果好、對坡體擾動小、能及時增加抗滑力等優(yōu)點,是目前滑坡治理中最常用、最成熟的工程措施[1-3]。目前,關于抗滑樁受力分析、理論計算的研究較多,但對于應急技術、施工工藝的研究較少[4-6]。姜清輝等[7]總結(jié)了重大滑坡災害全過程調(diào)控減災技術,對滑坡處置新技術進行了分析;裴振偉等[8]對滑坡應急處置技術的研究現(xiàn)狀進行系統(tǒng)總結(jié),指出當前存在的主要問題和進一步發(fā)展方向;程盛[9]分析了大斷面矩形截面抗滑樁水鉆法成孔工藝;張敏等[10]分析了風鎬水磨鉆成孔工藝在山區(qū)管道工程滑坡中的應用特征;趙建兵等[11]研制出樁孔旋挖鉆孔后用成槽機刻槽成方形的成孔方法;秦亮等[12]研制出適用于黃土的矩形抗滑樁,其過程為“小鉆頭周邊取土+大鉆頭中部取土+矩形修邊器修邊+鋼筋籠整體調(diào)裝+導管法灌筑”施工工藝;張家偉等[13]研究出矩形樁旋挖鉆孔兩側(cè)方形切割的方形旋挖鉆頭施工工藝;張智斌[14]提出了旋挖鉆機引孔、成槽機整修孔壁的成孔方法;賴曉燕等[15]發(fā)明了一種軟質(zhì)巖層矩形抗滑樁施工方法和矩形開挖鉆頭;陳建楓等[16]提出了效率較高的“旋挖+沖擊”組合成孔工藝;顏濤等[17]分析了復雜地質(zhì)條件下大直徑旋挖抗滑樁成樁護壁方式和樁底清孔工藝。上述類型工藝在特定條件和一定范圍內(nèi)起到較好的作用,但對于西南地區(qū)復雜地質(zhì)條件并不十分適用。

抗滑樁成樁效率是滑坡應急治理的關鍵,成孔效率因素研究對于滑坡治理技術有重要意義[18-20]?；谝陨涎芯砍晒?本文通過采用現(xiàn)場調(diào)查、帕累托圖、工程試驗等方法,分析了影響抗滑樁成樁的關鍵因素,提出控制成孔效率的主要因素。在雷打石滑坡應急治理工程中成功試驗了“旋挖+人工清邊”新工藝,達到日進尺2.0 m以上的高效率,可為此類滑坡應急治理提供借鑒。

1 研究區(qū)概況及治理方案

1.1 滑坡概況

本文研究對象為成都平原東部一紅層滑坡。該滑坡平面呈“長舌狀”,剖面呈折線形,滑坡后緣頂部高程577 m,前緣高程461 m,相對高差約116 m,平均坡度約15°～20°。滑坡縱長690 m,橫向前緣寬450 m,分布面積11.61萬m2,平均厚度18.93 m,體積219.82萬m3,主滑方向91°,為大型推移式巖質(zhì)滑坡。在主滑坡北側(cè)發(fā)育一次級滑坡,面積約1.07萬m2,平均厚度13.10 m,體積14.02萬m3,滑動方向65°,為在主滑坡的側(cè)向滑動力推擠作用下發(fā)育的中型巖質(zhì)滑坡。

該滑坡為典型的單斜地層結(jié)構(gòu),滑體厚度在 3.0～30.0 m?；w上部主要為基巖滑塌堆積體大塊石,塊石母巖成分為砂巖、泥巖、頁巖。滑帶主要物質(zhì)為青灰色、紫紅色、黃褐色含角礫粉質(zhì)黏土、含角礫黏土、粉質(zhì)黏土、黏土,母巖成分主要為強至全風化的頁巖、泥巖和砂巖?；矠橘_系蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)青灰色砂巖與紫紅色泥巖互層,局部夾青灰至灰黑色頁巖。

暴雨是該滑坡主要觸發(fā)因素,降雨地表徑流入滲到坡體中,不斷軟化、泥化軟弱夾層,最終誘使滑面形成并貫通,滑體加載于滑面使滑坡發(fā)生整體滑移?；略斐蓛蓷l主干道起拱開裂,將原抗滑支檔工程全部剪斷,威脅14戶33人及高速公路高架橋、電力鐵塔等公共設施安全。

1.2 治理方案

滑坡總體治理方案為“錨拉抗滑樁+樁間板+排水+削坡+綠化+道路恢復”。具體包括:① 抗滑支擋工程,設置4排共101根抗滑樁,總進尺3 272 m,樁孔開挖深度20～50 m,屬大截面超深抗滑樁工程。抗滑樁分A型(樁徑2.0 m×3.0 m,護壁厚度0.25 m),B型(樁徑3.0 m×4.0 m,護壁厚度0.30 m)。② 排水工程,設置7條排水系統(tǒng),1～5號截排滑坡體地表水至滑坡右側(cè)沖溝,6號排泄公路內(nèi)側(cè)樁后地下水,通過7號主溝排泄至下游河道。③ 削坡工程,對坡體滑動土石方進行清除,達到設計標高。④ 綠化工程,滑坡治理工程完成后,對場地進行植被恢復。⑤ 道路恢復工程,對損壞的道路進行恢復。

工程備受社會各方關注,其工程進度直接影響到當?shù)厝嗣裆敭a(chǎn)安全和交通運行,抗滑樁是關鍵工程,有效工期不足5個月。按施工圖推薦的風鎬、水磨鉆人工挖孔樁成孔工藝,現(xiàn)場單日平均樁孔開挖進尺僅0.47 m,預計工期達275 d,無法滿足搶險救災工期要求,因此提高成樁效率是該工程研究的重點。

2 抗滑樁成樁關鍵技術

2.1 抗滑樁施工流程分析

根據(jù)抗滑樁工程野外作業(yè)、非標施工、地下暗挖等特點,按作業(yè)流程將抗滑樁施工劃分為準備工作、開孔及鎖口圈梁施工、樁孔開挖成孔、樁芯鋼筋制安、樁身混凝土澆筑、成樁養(yǎng)護6大階段,進一步分解作業(yè)工序詳如圖1所示。

圖1 抗滑樁施工工藝流程

2.2 樁孔開挖技術

風鎬、水磨鉆開挖是人工挖孔樁最常用的工藝。風鎬開挖主要設備為空壓機、風鎬等。單人每天開挖土層效率3.6～4.4 m3,單人每天開挖軟質(zhì)巖石1.8～2.5 m3。該工藝適用于開挖碎石土、強風化巖石和軟質(zhì)巖石。水磨鉆通過電機帶動鉆具旋轉(zhuǎn),鉆具頂部進水潤滑降溫,針對不同巖層采用相應鉆頭,旋轉(zhuǎn)取芯切割。將樁孔巖層分割成“日”型、“目”型、“田”型,再在分塊的巖石上打孔加鋼楔劈裂巖石,最終取出分裂的巖塊。作業(yè)工種主要為孔內(nèi)水磨鉆工、鑿巖裝料工、孔口吊裝機械操作工,主要設備包括水磨鉆、空壓機、風鎬等,單人每天開挖1.8～2.0 m3,效率較低,見圖2。

圖2 水磨鉆開挖成孔技術

2.3 護壁施工技術

常見的護壁結(jié)構(gòu)包括現(xiàn)澆鋼筋混凝土護壁、噴射混凝土護壁、掛網(wǎng)錨噴護壁?，F(xiàn)澆鋼筋混凝護壁結(jié)構(gòu)受力好,在破碎、軟弱、流沙、富水等不良條件下均可適用,是目前最常用的護壁結(jié)構(gòu)。形式有“直線型”“八字內(nèi)齒型”?！爸本€型”護壁操作簡單,但混凝土澆筑時需要將上下兩節(jié)連接處預留后澆,存在上下節(jié)交接點薄弱易滲水、受力不好、質(zhì)量難以控制等缺點;“八字內(nèi)齒型”上下兩節(jié)護壁連接牢固,施工灌入混凝土較為方便,整體性較好。噴射混凝土護壁是樁孔開挖完成后在井壁上噴射一層混凝土,封閉樁孔圍巖,防止巖石風化和巖塊掉落。掛網(wǎng)錨噴護壁是先在樁孔圍巖四周施打錨桿,然后掛網(wǎng)噴混凝土,錨桿一般采用φ22螺紋鋼筋,呈梅花形布置,單根長度1.5～2.0 m。錨桿施打后,在孔壁上掛設一層鋼筋網(wǎng)片,然后噴射混凝土。

3 成孔效率及控制因素分析

3.1 樁孔施工效率分析

對該工程31根B型抗滑樁(樁芯截面3.0 m×4.0 m、護壁0.25 m)各工序用時進行計時統(tǒng)計,見表1,并繪制排列圖見圖3。數(shù)據(jù)表明,樁孔開挖占據(jù)成樁總時間的76.67%,是影響成樁效率最關鍵的因素。

圖3 抗滑樁成樁各工序用時排列

進一步分析,成孔步驟為:樁孔土石開挖→吊桶出渣→護壁鋼筋綁扎→護壁支?！o壁混凝土澆筑。以下將重點對成孔各步驟詳細分析,尋找控制成孔的關鍵因素。

3.2 成孔效率控制影響因素

采用質(zhì)量控制QC頭腦風暴法,從“人、機、料、法、環(huán)、測”(5M1E)6個方面,分析可能造成抗滑樁成孔效率低的原因,編制了開挖效率影響因素統(tǒng)計表(見表2)。由表2可知,決定成孔效率的影響效率有20條。針對這20條因素,逐一進行分析,確定了4條主要因素,分別是:樁孔開挖工藝、護壁鋼筋安裝工藝、護壁混凝土模板、混凝土澆筑工藝及作業(yè)安全環(huán)境?？偠灾?控制抗滑樁成孔最關鍵的因素主要為3個:樁孔開挖技術,護壁施工效率,作業(yè)安全保障措施。

3.2.1樁孔開挖效率控制因素

除風鎬水磨鉆開挖工藝外,常用的開挖技術包括:孔內(nèi)巖石爆破成孔工藝;基于水磨鉆改進的“水磨鉆環(huán)向切割+中部劈裂棒鑿巖”工藝;一些基于其它工藝的改進,例如文獻[13-16]介紹的“方形鉆頭機械設備開挖技術”。巖石爆破開挖的效率最高,但爆破屬于特種作業(yè),審批和使用十分嚴格,實際使用概率很低。“水磨鉆環(huán)向切割+中部劈裂棒鑿巖”工藝由于液壓劈裂棒的劈裂力和液壓管傳輸有限,對深孔開挖及高強度巖石開挖并不適用,且操作較為繁瑣?！胺叫毋@頭機械設備開挖技術”適合在較穩(wěn)定的土層中施工,對于巖層成槽機無法作業(yè),且需要不斷切換設備,無法進行護壁施工,在破碎地層、地下水豐富地區(qū)使用此工藝,有很大的塌孔風險。不同樁孔開挖工藝比較見表3。

該工程樁孔具有“數(shù)量多、截面大、深度深、巖石硬度高、地層復雜、地下水豐富”等特征,通過理論設計及現(xiàn)場試驗,研制出“樁周旋挖引孔+樁芯旋挖+人工輔助清邊”工藝技術。該工藝借鑒樁基工程旋挖技術,先沿護壁邊界采用旋挖鉆孔至設計樁底,將較完整的樁周護壁巖體分解,形成松散的巖土體,降低人工鑿巖難度,然后在樁芯分節(jié)旋挖鉆進(見圖4)。

圖4 旋挖鉆孔布置(尺寸單位:mm)

“樁周旋挖引孔+樁芯旋挖+人工輔助清邊”工藝步驟分解見圖5。主要技術要點包括:平整場地→制作鎖口→樁芯旋挖→人工清邊→旋挖機出渣→綁扎護壁鋼筋、支模板澆筑護壁混凝土→單節(jié)作業(yè)完成→循環(huán)下一節(jié)。該工藝已在該滑坡應急搶險工程中試驗成功,并推廣應用完成101根抗滑樁,達到平均日進尺2.0 m以上的效率。

圖5 “樁周旋挖引孔+樁芯旋挖+人工輔助清邊”工藝分解

根據(jù)滑坡所處的交通情況、規(guī)模大小、地質(zhì)條件情況等選擇合適的工藝,是保證抗滑樁成孔效率的關鍵因素。對于交通條件差、作業(yè)受限的小型滑坡治理工程,特別是線路工程偏遠山區(qū)的滑坡治理工程,建議采用風鎬開挖土體、“水磨鉆+劈裂棒”工藝開挖巖石;對于穩(wěn)定性較好、無地下水的黃土滑坡采用方形切割鉆頭機械開挖;對于交通條件好、工期要求高的大型滑坡治理工程,考慮“旋挖鉆孔+人工輔助清邊”工藝。

3.2.2護壁施工效率控制因素

樁孔滑體為解體基巖,巖體結(jié)構(gòu)破碎成塊石,樁孔開挖截面較大,護壁受側(cè)壓力較大,因此需要在孔壁設置抗側(cè)壓力較大的鋼筋混凝土護壁,護壁厚度30 cm(截面3.0 m×4.0 m),雙層鋼筋?；矠樯澳鄮r互層基巖,巖石軟化系數(shù)為0.03～0.68,泥巖、粉砂質(zhì)泥巖遇水極容易導致軟化崩解,因此根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)特征,選擇采用掛網(wǎng)噴射混凝土或噴射混凝土。根據(jù)滑坡體巖土體條件,該工程優(yōu)化護壁結(jié)構(gòu),采用了樁孔組合護壁結(jié)構(gòu)型式,即抗滑樁上部采用滑體、滑帶松散破碎巖體現(xiàn)澆“八字形”鋼筋混凝土護壁結(jié)構(gòu),下部滑床穩(wěn)定巖層采用噴射混凝土護壁或掛網(wǎng)噴射混凝土護壁,施工安全和效率得到有效保證。分析3種護壁結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點和適用性,見表4。

表4 不同護壁結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點及適用性分析

3.2.3樁孔安全效率控制因素

該項目樁孔數(shù)101根,最深達50 m,截面達到3.6 m×4.6 m,屬于超規(guī)模、超大型危大工程。在滑坡體上作業(yè),滑坡隨時可能再次啟動,局部變形特征嚴重。作業(yè)人員受高空墜落、物體打擊、機械傷害、觸電等危險可能性較多,人員墜井、井壁坍塌、觸電等安全事故多發(fā)。安全風險是影響作業(yè)人員施工效率的主要因素之一,建立完善的抗滑樁安全體系,做好安全技術措施,是保證工人作業(yè)效率的基本前提。該工程考慮人的不安全行為(井下密閉高空作業(yè)、臨時用電等)、物的不安全因素(井壁坍塌、物體墜落)、環(huán)境的不確定因素(滑坡體隨時可能再次滑動),建立了滑坡治理安全保障系統(tǒng),即滑坡體環(huán)境安全控制系統(tǒng)和樁孔安全防護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

(1) 滑坡體環(huán)境安全控制系統(tǒng)。施工中對滑坡體進行全過程監(jiān)測,建立滑坡變形地表GNSS監(jiān)測、深部位移監(jiān)測系統(tǒng),安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng),進行動態(tài)可視化管理?？够瑯妒┕で霸诨律喜考皟蓚?cè)建立截排水系統(tǒng),防止雨水進入滑坡引發(fā)進一步滑動。滑坡體建立完善的通行便道、應急通道,保證突發(fā)事件發(fā)生時能及時撤離。地下水豐富的滑坡體設置降水井,抗滑樁施工前先進行降水。建立完善的安全管理體系、應急預案體系。

(2) 樁孔安全技術措施。建立了樁孔安全裝置體系,如圖6所示。

圖6 樁孔安全防護結(jié)構(gòu)布置(尺寸單位:mm)

孔口安全防范措施:① 在樁口頂部設置雨棚,保障雨季施工樁孔內(nèi)作業(yè)不受天氣的影響。② 在鎖口處安裝安全護欄,沿著鎖口內(nèi)外邊緣設置兩層,護欄高度一般為1.2 m,采用鋼管搭設,鋼管護欄使用密目網(wǎng)包裹,防止山體滾石或其他物體進入樁孔內(nèi)。③ 在靠山側(cè)設置施工便道、截水溝和風機。施工便道的主要作用有交通運輸和攔截山體滾石;截水溝將坡體雨水截流后排出施工場地,防止坡體雨水灌入樁孔內(nèi),并且將樁孔內(nèi)抽出的積水排出施工場地;風機向樁孔內(nèi)送風,確保樁孔內(nèi)有流動的新鮮空氣,預防通風不暢導致施工人員窒息中毒的安全風險。④ 背山側(cè)安裝提升裝置。

孔內(nèi)安全防范措施:① 在孔內(nèi)靠山側(cè)布置送風管、抽水管。送風管、抽水管和電線緊貼護壁布置,使用鐵絲固定在護壁上,防止來回晃動磨損。② 背山側(cè)布置照明燈、安全爬梯和防墜器,樁孔內(nèi)照明采用36 V低壓照明燈,防止在潮濕的環(huán)境下發(fā)生觸電事故,護壁澆筑時預埋鋼筋搭設爬梯,便于工人上下樁孔。防墜器是工人上下井、孔口周邊作業(yè)時必須穿戴好的安全措施,可以有效預防升降設備上出現(xiàn)人員高處墜落或地面人員跌落樁孔。③ 孔底設置蓄水槽、鋼板庇護棚?？椎组_挖蓄水坑,采用水泵、抽水管將樁孔內(nèi)的積水排出樁孔外的截水溝內(nèi);在樁孔底部靠山側(cè)搭設鋼管庇護棚,吊裝出渣時,作業(yè)人員進入避護棚,避免高空墜物的安全風險。

4 結(jié) 論

(1) 抗滑樁成樁主要包括準備工作、開孔及鎖口圈梁施工、樁孔開挖成孔、樁芯鋼筋制安、樁身混凝土澆筑、成樁養(yǎng)護6個步驟。通過調(diào)查分析、繪制帕累托圖、因果圖等方法開展施工效率研究。研究表明:樁孔開挖占據(jù)成樁總時間的76.67%,是影響成樁效率最關鍵的因素;影響成孔最主要的因素是樁孔開挖工藝、護壁施工和安全防護措施。

(2) 通過工程現(xiàn)場實踐,分析了6種開挖成孔工藝的優(yōu)缺點及適用條件,表明“旋挖+人工清邊”成孔工藝適用于大截面矩形巖質(zhì)抗滑樁成孔,且已在該工程成功應用,達到日進尺2.0 m以上的高效率。

(3) 巖質(zhì)滑坡上部滑體、滑帶破碎巖層采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土護壁,下部滑床穩(wěn)定巖層采用噴射混凝土護壁結(jié)構(gòu),該組合式護壁結(jié)構(gòu)施工效率高、安全穩(wěn)定性好。巖質(zhì)滑坡根據(jù)樁孔巖層條件選擇合適護壁結(jié)構(gòu)對于成孔效率有重要作用。

(4) 該工程制定了滑坡體安全監(jiān)測體系和樁孔安全技術防護措施,值得在今后抗滑樁施工中借鑒。