南門山巖石高切坡工程的設計實踐與體會

趙尚毅,雷用,陳金峰,董彤

（后勤工程學院軍事建筑工程系，重慶 400041）

重慶市涪陵區南門金階高切坡工程坡頂有居民建筑，由于新建建筑需要在已有建筑外側進行深切坡，最大高度約26m，切坡不當可能引起坡頂建筑物變形，甚至邊坡垮塌造成嚴重事故，有較大風險。該高切坡工程的支護設計采用樁+錨索的支護方案，設計要求逆作法施工。但是實施過程中部分區段未按逆作法施工發生了險情，而嚴格按逆作法施工的區段在施工期間以及竣工后2年的位移監測結果表明切坡引起的變形很小，坡頂建筑物安全。對于此類坡頂有重要建筑的高切坡工程，在重慶市經常遇到，目前對該類工程的設計理論尚不十分完善，稍有不慎，則可能造成嚴重事故。本文介紹該高切坡工程的設計思想以及切坡引起的變形情況，總結該工程的一些成功經驗和失敗的教訓，為其它同類工程的設計施工提供參考。

1 邊坡特征和工程地質簡況

工程項目位于重慶市涪陵南門山，為涪陵地區鬧市區黃金地段。擬建建筑為2棟30層高樓。按現有地形和建筑總平面布置設計要求需要對原有地形進行切坡，最大切坡高度20m，由此形成高切坡。邊坡坡頂有多棟老居民建筑，切坡線距離坡頂建筑的水平最近距離只有3m。坡頂建筑為上世紀70年代修建的多層砌體結構房屋，建筑基礎形式均為條型基礎，基礎置于強風化基巖巖體上。

圖1 擬建建筑效果圖

圖2 坡頂需要保護的居民建筑

圖3 邊坡剖面圖

場地內的地層巖性有：人工填土層、泥巖和砂巖。泥巖：中厚層狀構造，偶夾薄層狀砂巖及灰綠色團塊。砂巖：中厚層狀構造，局部含泥質較重。中等風化層：巖芯較完整，局部呈碎塊狀，裂隙較發育。上部強風化層：巖體破碎，裂隙發育。

場地位于珍溪向斜南西揚起端，巖層傾向35o，傾角21o。場區內基巖主要在場地北西側出露。場地基巖中主要發育兩組裂隙：①產狀195o∠63o，長0.5m～1.5m，裂面較平直，呈閉合狀，發育間距1m～2m；②產狀105o∠79o，延伸長0.5m～1m，呈閉合狀，發育間距0.6m～1.2m，為硬性結構面，結合較差。

現場勘查揭示，砂巖和泥巖接觸面存在軟弱夾層，勘察單位提供的此軟弱夾層強度參數為：粘聚力C=30kPa，內摩擦角Φ=12o，巖體層面及裂隙結構面的粘聚力C=50kPa，內摩擦角Φ=18o，經赤平投影分析，該段邊坡為順向坡，邊坡巖體主要由泥巖組成，邊坡巖體類型為Ⅲ類，主要受層面及其與②號裂隙組合影響，沿層面及其組合交線滑塌的可能性較大。邊坡破裂角取63.3o，等效內摩擦角取55o。

圖4 巖體結構面赤平面分析圖

2 設計參數

根據勘察報告，設計采用的力學參數如表1。

表1 巖土參數

3 邊坡變形破壞模式

根據邊坡巖性、構造及結構面產狀，邊坡切坡后有以下幾種可能破壞模式。

（1）沿著外傾結構面產生破壞。一是巖體層面間破壞，二是砂巖和泥巖接觸面的軟弱夾層結構面破壞，三是層面和②號裂隙組合面破壞。

（2）沿著45o+Φ/2=63o的庫倫破裂面破壞。

（3）由于坡頂有居民建筑，切坡后邊坡巖體產生卸荷側向變形，即使邊坡沒有發生垮塌，但也可能引起坡頂建筑結構開裂。

4 側向巖石壓力計算

設計對于以上三種情況分別進行穩定性計算，并計算對應的巖石側壓力，按最不利情況進行支護結構設計。設計對每個區段選取最不利的剖面進行計算，以11-11剖面為例。

(1)按照軟弱夾層的順層滑動，軟弱夾層傾角21o，C=30kPa,φ=12o。按極限平衡法[1]計算得到側向巖土壓力計算結果為Ea=1267.8kN/m。

(2)按照均質巖體，采用庫倫土壓力公式計算得到的側向巖石壓力為Ea=669.2kN/m.（巖體C=0kPa,φ=55o）。

(3)靜止巖石側壓力

坡頂建筑荷載按每層樓15kPa的超載考慮，采用《建筑邊坡支護技術規范》建議的側向靜止巖石壓力公式計算得到此剖面的側向靜止巖石壓力為E0=2928.3kN/m。

《建筑邊坡支護技術規范》第6.4條規定對支護結構變形控制要求嚴格的巖石邊坡靜止巖石壓力需要修正[2]，理由是由實驗室測得的巖塊泊松比是巖石的泊松比，而不是巖體的泊松比，因而由此算得的靜止巖石側壓力系數。因此對巖石靜止側壓力系數必須依據經驗進行修正。

修正靜止巖石壓力Eo’=β1Eo

β1為靜止巖石壓力折減系數，根據邊坡巖體類別確定，對Ⅰ類取0.3~0.45，對Ⅱ類取0.4~0.55，對Ⅲ類取0.5~0.65，對Ⅳ類取0.6~0.75；裂隙發育時取大值，裂隙不發育時取小值。修正后還要求Eo’≥(1.3~1.4)Ea。

修正后的靜止巖石壓力為Eo’=1903.4 kN/m＞1.4 Ea。可見，修正后的側向靜止巖石壓力數值明顯比庫倫主動側巖石壓力大。因此，本高切坡支護結構設計由側向靜止巖石壓力控制。

5 邊坡支護方案

根據邊坡破壞模式分析及側向巖石壓力計算，邊坡切坡后如不支護則邊坡不穩定，邊坡最大巖石側壓力為靜止巖石壓力，邊坡開挖過程中需要采取措施限制邊坡巖體切坡后的側向變形。由此，設計采用錨索+樁的支護結構型式。

如果采用普通板肋式錨索支護，那么施工時需要先開挖出一個臺階的工作面，然后再鉆孔施工錨索。在錨索還沒有發揮作用前，邊坡就可能產生變形甚至垮塌，由此可能帶來風險，給坡頂建筑物安全造成影響。因此，設計要求先施工樁，然后逆作法施工錨索，開挖一級便立即支護一級。樁+錨索支護示意圖如圖5。

圖5 支護方案示意圖

6 施工順序要求

設計要求先施工樁，然后逆作法施工錨索。開挖一級后立即施工一級錨索，必須等到上一級錨索發揮作用后才能進行下一級巖體的開挖。樁上混凝土墊墩強度及錨索錨固段砂漿強度達到設計強度90%時，才能進行錨索張拉鎖定。

按照規范要求，混凝土和水泥砂漿標準養護齡期為28d。如果豎向每排錨索鉆孔灌漿后都需要等待28d的養護期，會造成工期較長，建設方難以接受如此長的工期。為縮短工期，設計采用C30外錨墩，錨固段采用M40水泥砂漿，并在注漿液以及外錨墩的混凝土中摻入適量的早強劑，要求澆筑外錨墩混凝土后要精心養護。注漿的同時，取不同齡期的力學試樣，具體張拉時間根據試塊強度試驗結果確定。

設計要求墊墩強度及砂漿強度達80%后，開始用輕型千斤頂對鋼絞線逐一張拉，張拉力控制在10～20kPa，使鋼絞線逐根順直，然后進行整束整體初次張拉。整體張拉采用兩次多級，第一次張拉用20%設計拉力預張拉，以便索體各部位接觸緊密，索體完全順直。第二次張拉按五級張拉，即預應力的25%，50%，75%，100%，110%， 除第一級需要穩定20～30min外，其余每一級需要穩定5min，并分別記錄每一級鋼鉸線的伸長量。當墊墩和孔內砂漿強度達設計強度時，進行末次張拉。各錨索施工完且鎖定后48h內發現預應力損失值大于設計荷載的10%時，應分析原因并對其補償張拉。

7 現場施工期間出現的險情

如前所述，設計要求先施工樁，再施工錨索，錨索鎖定后才能逆作法進行下一級巖體的開挖。但是建設方急迫要求快速施工，希望最快的時間進行基坑巖體開挖，開挖出建筑基礎的施工作業面，在最快的時間里完成工程建設。由此建設方在某位建筑結構專家的建議下，認為該邊坡為巖質邊坡，在距離切坡位置水平距離15m處進行基坑開挖不會引起邊坡失穩。建設方采用了此意見，在上部抗滑樁還未挖到位的情況下，下部基坑就進行了開挖，由此造成坡頂建筑物開裂。尤其是幼兒園房屋的墻體、樓板嚴重開裂，嚴重威脅幼兒園人員的生命安全，不得已對幼兒園進行搬遷和經濟賠償（如圖6、圖7）。

圖6 現場施工照片

圖7 坡頂房屋墻體、樓板開裂

造成此事故的原因就是建設方為了縮短工期，沒有按設計要求的逆作法施工，在上部支護結構未完成的情況下進行下部基坑開挖造成巖體變形。事故發生后，在政府部門的監督下，立即停工，并對已經開挖的基坑臨空面巖體采取應急加固措施，設計采用錨桿掛網噴射混凝土的支護措施。每孔錨桿采用1Ф32精軋螺紋鋼，錨頭采用錨墩形式，400x400x200mm。鋼墊板尺寸300x300x20mm。這種方案加快了施工速度。施工后的位移監測數據表明，坡頂巖體的變形停止，應急加固措施效果明顯。

建設方想加快工期，但不按科學規律進行反而拖延了工期，并造成經濟損失，好在沒有造成人員傷亡。遺憾的是建設方并沒有從此事故中吸取教訓，在CD區段第二階錨桿擋墻的施工過程中又沒有按逆作法施工，按90°的坡度一坡到底開挖，且未支護。邊坡巖體在暴露了約15d后，出現垮塌，架設的腳手架和鉆機被打翻。幸好垮塌發生在夜間，未造成人員傷亡。如圖8。

圖8 施工垮塌現場

邊坡支護的逆作法施工技術是自上而下分階開挖與支護的一種重要施工方法，是巖土工程界用血的代價總結出來的一條寶貴施工經驗?！督ㄖ吰轮ёo技術規范》中明確要求對土石方開挖后不穩定或欠穩定的邊坡應根據邊坡的地質特征和可能發生的破壞等情況采取自上而下分段跳槽及時支護的逆作法或部分逆作法施工，嚴禁無序大開挖作業。對于Ⅲ類巖體邊坡應采用逆作法進行施工，Ⅱ類巖體邊坡可部分采用逆作法施工。但是實際施工中許多單位為了縮短工期，圖方便而采取一挖到底再支護。由此造成了邊坡垮塌事故，得不償失。此類工程事例在重慶地區還較多，比如重慶南坪某工地巖質邊坡未按逆作法要求施工，一坡到底后裸露半個月后垮塌（圖9）。

圖9 南坪某高邊坡工地垮塌現場

8 樁錨結構體系支護效果

在邊坡高度較高的AB區段，施工單位嚴格按照設計要求的施工順序進行，即先施工樁，然后施工錨索，自上而下分階開挖一級立即支護一級。

施工單位對錨索錨固段M40水泥砂漿試塊取不同齡期進行試驗，測試結果見表2。

表2 不同齡期砂漿試塊試驗結果表

根據水泥砂漿試塊試驗結果，M40水泥砂漿摻入適量的早強劑后，15d的強度達到37.5MPa,達到M30砂漿強度。施工單位按此結果進行錨索張拉鎖定后再開挖下一級巖體。按此方法進行，在施工期間和施工完畢后邊坡未出現變形，坡頂居民建筑也未出現裂縫，治理效果非常理想（圖10）。

圖10 工程完工后的現場照片

建設方委托重慶巖土工程檢測中心對該邊坡進行監測。先后建立變形監測點共27個。2年內總共進行了140輪次沉降、位移監測。監測結果表明，嚴格按照逆作法施工的區段坡頂特征監測點的位移非常小，總的水平位移量值小于5mm。而未按逆作法進行的坡頂特征監測點得到的累計位移最大達到33mm，豎直沉降位移累計達25mm。但自從采取應急加固措施，后續施工嚴格按逆作法施工后，特征點位移累計變化均小于5mm，所有監測點變形速度均未超過臨界變形速度值1～1.5mm/d。且隨著時間推移趨于穩定。

圖11 特征點位移監測結果

以上情況充分說明，只要嚴格按照逆作法施工，就能有效控制高邊坡的變形量，確保坡頂建筑的安全。同時也說明采用樁+錨索的支護方案按靜止巖石壓力進行支護結構設計是成功的。

9 幾點體會

(1）對于坡頂有重要建筑物的高切坡工程，樁+錨索（桿）的聯合支護型式是一種安全可靠的支護方案。尤其適用于土質切坡或Ⅲ、Ⅳ類巖石高邊坡工程。對于Ⅱ類巖石高切坡，可根據切坡線到坡頂建筑基礎邊線的水平距離、邊坡高度、工程風險程度等酌情考慮支護方案。

(2）對于坡頂有重要建筑物的高切坡工程，采用靜止巖石側壓力公式計算得到的巖石側壓力往往比主動巖石壓力大很多。國標《建筑邊坡支護技術規范》給出的巖石側壓力修正系數具有一定經驗性。對于完整性較好的Ⅱ類巖石高切坡工程，切坡后是否有較大的靜止巖石壓力，需要進一步研究。

(3）邊坡切坡引起的水平和豎向變形影響范圍有多大，目前尚不十分清楚。目前的高切坡靜止巖石側壓力計算范圍是整個邊坡高度范圍內。錨索長度按主動巖石壓力確定的破裂面確定。筆者曾采用限元數值軟件模擬某巖石基坑開挖引起的卸荷變形范圍。基坑邊坡沒有外傾結構面，巖體完整性較好，邊坡的穩定安全系數為2.3。從主動巖石破壞模式分析，該邊坡不必支護即很穩定。但按靜止巖石壓力理論計算，該邊坡需要采取錨索強力支護。

圖12為基坑開挖引起的巖石側向水平位移大于2mm的分布云圖。結果表明，基坑開挖引起的巖石邊坡的水平變形范圍并不呈直線形式，而且卸荷變形范圍較大。那么究竟多大的側向變形值對坡頂建筑安全有影響呢？是不是所有坡頂有建筑物的巖石邊坡都要按靜止巖石壓力計算呢？按此設計會造成相對較高的工程造價和較長的施工工期，這個問題有待于進一步研究。

圖12 某深基坑開挖后引起的卸荷范圍分布

(4）涪陵南門山高切坡的施工經驗和教訓再一次告訴我們，邊坡施工的逆作法是巖土工程界用血的代價總結出來的一種安全可靠的施工方法，必須堅持。有高切坡的建筑工程施工必須堅持先治坡后建房的基本原則。

[1]趙尚毅，鄭穎人，王建華，等.基于強度折減安全系數的邊坡巖土側壓力計算方法探討 [J].巖石力學與工程學報，2010，29(9)：1760－1764.

[2]中華人民共和國國家標準編寫組.GB50330-2003建筑邊坡支護技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2002.