砂泥巖互層區超深錨碇基坑施工技術與變形監測*

宋 健，李鴻盛，胡風明，閆 磊，程龍飛

(1.中交一公局重慶萬州高速公路有限公司，重慶 404100； 2.重慶三峽學院土木工程學院，重慶 404100)

0 引言

懸索橋重力式錨碇基礎埋深較大，施工首先需要進行基坑開挖，形成深達數十米的超深基坑。深基坑開挖過程中，巖土層開挖面重力及對周邊巖土的支撐作用持續減少，從而導致基底及周邊巖土層應力重分布。若在開挖過程中，基坑邊坡及支護結構不能形成新的平衡狀態，就會造成基坑邊坡失穩坍塌等事故，甚至造成重大的生命財產損失。

我國東部平原地區具有深厚的覆蓋層，錨碇基坑常采用沉井[1]、矩形地下連續墻[2]、圓環形地下連續墻[3-5]等支護形式，已經積累了豐富的施工經驗。在中西部山嶺重丘區，重力式錨碇的基坑邊坡常為巖質邊坡或土巖混合邊坡，可充分發揮巖質邊坡的優勢，采用放坡開挖[6-7]或者混合支護形式[8-9]。但目前為止，砂泥巖互層地質錨碇基坑的案例仍較為罕見。

背景工程地處三峽庫區腹地重慶萬州區，該區侏羅系砂巖、泥巖、砂質泥巖、頁巖等廣泛發育并形成互層結構，并因構造運動形成傾斜產狀。砂巖、泥巖、頁巖的結合面是相對軟弱面，該區域的滑坡大多數與此有關[10]，即使在緩傾角狀態下也可能產生順層滑坡[11]。依托背景工程，本文總結了砂泥巖互層地質超深錨碇基坑的施工技術方案，并對基坑邊坡變形監測成果進行了分析，相關經驗和數據可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

新田長江大橋設計為單跨1 020m的鋼箱梁懸索橋，在重慶萬州城區上游19km處跨越長江，是恩廣高速重慶新田至高峰段的控制性工程。橋梁采用雙向四車道高速公路標準建設，設計速度80km/h，主橋寬度30.5m(含風嘴)，主梁高度為3m。根據設計，兩岸的錨碇均采用重力式錨碇，基坑采用明挖順作法施工。

1.1 新田岸錨碇區地質條件

橋址區為長江河谷地貌，兩岸多淺丘及構造剝蝕低山丘陵。新田岸錨碇區位于山脊頂部較平緩區域，北東側、南西側均為斜坡，地面分布高程233.000～238.000m，地表覆蓋層為厚度1.1～3m的粉質黏土，局部基巖出露，基巖巖體較完整，為沙溪廟組粗砂巖、砂巖、頁巖、砂質泥巖。由于上覆層為相對隔水層，且基巖具有多處臨空面，利于基巖裂隙水排出，因此錨碇區基巖裂隙水總體貧乏。自高峰岸向新田岸橋位為西北-東南走向，以新田岸錨碇后方為東，將錨碇基坑邊坡區分為東、西、南、北側。

東側開挖邊坡長度約46.6m，高度約35.7～42.9m，坡向297°，為土巖混合邊坡。上部土質邊坡厚度約1.5～2.5m，巖性為粉質黏土，下部基巖面較陡，最大約10°，下部巖質邊坡部分，東側開挖巖質邊坡為順向坡，巖層層面向基坑內傾斜。

西側開挖邊坡長度約38.5m，高度約28.9～37.2m，坡向117°，為土巖混合邊坡。上部土質邊坡厚度約1.2～3.0m，巖性為粉質黏土及素填土，下部巖質邊坡為反向坡，基巖裂隙與邊坡呈大角度相交。

南側開挖邊坡長度約47.4m，高度約8.7～38.0m，坡向35°，為土巖混合邊坡。上部土質邊坡厚度約1.5m，巖性為粉質黏土，下部基巖面較緩，僅為2°～8°，下部巖質邊坡為切向坡。

北側開挖邊坡長度約47.5m，高度約14.4～38.0m，坡向199°，為土巖混合邊坡。上部土質邊坡厚度約0～1.6m，巖性為粉質黏土，下部基巖面較緩，僅為2°～5°，下部巖質邊坡部分為切向坡。

1.2 新田岸錨碇基坑設計

錨碇基坑坑底平面為以橋軸線對稱的不規則六邊形，長36～40.41m，寬16m，坑底高程為193.600m，錨碇最大開挖深度為49.2m，開挖最大邊坡級數為6級，開挖總方量約18萬m3。以坑底平面為基礎擴展，各級邊坡均呈六邊形態，基坑平面布置如圖1所示。

圖1 基坑平面布置

東側邊坡(1—1剖面)為順巖層且高度大，邊坡坡率自上至下分別為1∶1.5，1∶1.5，1∶1.5，1∶0.5，1∶0.5，1∶0.5。南側邊坡(2—2,3—3剖面)受產業園便道控制，不具備1～3級按1∶1.5放坡的條件，因此，邊坡坡率采用1∶1.5，1∶0.75，1∶0.75，1∶0.5，1∶0.5，1∶0.5。北側，西側邊坡(4—4，5—5剖面)最大邊坡級數為5級，且巖層外傾，邊坡坡率采用1∶0.75，1∶0.75，1∶0.5，1∶0.5，1∶0.5。其中西側2級邊坡底部設14.2m寬平臺，為錨碇支墩底部。除第1級邊坡為適應地形變化高度不等外，其余邊坡高度均為8m，兩級邊坡間設1.5m寬碎落平臺。施工時在6—6剖面設置2號出渣通道，自上至下的邊坡坡率與5—5剖面相同。

邊坡防護采用鋼筋錨桿掛網噴射C20混凝土護面。錨桿采用HRB400鋼筋，直徑22mm，長4m，布置間距2m×2m；鋼筋網直徑為6mm，間距為0.2m×0.2m；邊坡坡面上設泄水管，布置間距2m×2m；坡頂周邊設護欄，護欄外側挖截水溝，將坡頂水匯流排入附近水塘，坑底周邊設匯水溝和集水井，便于基坑排水。

2 基坑開挖技術

新田岸錨碇基坑采用放坡開挖，依據巖層產狀和邊坡高度采用不同的邊坡坡率，具有基坑深度大、邊坡坡率大、開挖方量大、邊坡防護面積大的特點。基坑施工工期為243d，因此，錨碇基坑施工時間緊、任務重，且面臨施工期降雨量大、基坑防排水困難、基坑出渣困難等難點，選擇合適的基坑開挖方式是關鍵。基坑開挖根據不同的土質、巖石風化程度和開挖深度選擇不同的方法。

1)上層覆土和強風化巖層開挖采用反鏟挖掘機分區分段開挖，采用放坡挖土法，先沿基坑周圍開挖，開挖1段防護1段，控制每段開挖長度不超過30m，以保證中部預留核心土的穩定。挖至邊坡設計線附近時采用挖掘機刷坡，并及時進行邊坡防護。待基坑周圍所有邊坡支護完成后再大規模挖除基坑中部核心土，同樣采取從四周往中間開挖的方式進行。基坑開挖過程中需在基坑內設置臨時排水溝，基坑較低位置設置一定數量的集水井，用于收集基坑內降雨，并使用潛水泵抽排出基坑。

2)中風化巖土體開挖采用盆式挖土法，自中心部位向周邊分區分層開挖。周邊預留的土坡對邊坡有內支撐反壓作用，有利于控制邊坡變形，確保邊坡的穩定性。同時，由于邊坡掛網噴漿防護工作量大，在上層邊坡防護仍在進行的情況下，即可開展下層中間部分的基坑開挖，交叉施工，有利于縮短工期。單純采用機械開挖對中風化巖石效率較低，工期難以保證。因此，采用大直徑深孔爆破及邊坡預裂爆破相結合的方式，具體采用毫秒微差定向控制爆破法，控制爆破沖擊波、振動、噪聲和飛石，避免對山體造成破壞。

3)深孔爆破 深孔臺階爆破是巖石爆破開挖的主要方式。本工程的炮孔采用潛孔鉆成孔，直徑90mm，炮孔間距3.2～3.5m，排距2.6～2.8m。爆破孔裝藥采用藥卷直徑70mm的2號巖石乳化炸藥，線裝藥密度按5～7kg/m控制。爆破設計參數如表1所示。

表1 深孔爆破設計參數

4)預裂爆破 預裂爆破適用于巖質邊坡開挖，使邊坡巖石沿預定邊坡面爆落，留下光滑平整的開挖面，并盡量避免邊坡圍巖受到破壞。施工時，主炮孔垂直鉆孔，預裂孔和緩沖孔炮孔按邊坡傾角鉆孔，炮孔間距為0.8～1.5m，線裝藥密度0.3～0.6kg/m，在孔底段適當加大。炮孔直徑為90mm，采用藥卷直徑70mm的2號巖石乳化炸藥。為解決炸藥臨界直徑的限制和改裝藥卷的困難，采用體積不耦合多段空氣柱間隔裝藥法。事先使用毛竹片綁扎藥卷及導爆索，放入孔中，然后進行堵塞，堵塞長度約為2m。在主炮孔與預裂孔之間增設與預裂面平行的緩沖孔，主要起到緩沖邊坡能量對邊坡的破壞，與預裂孔的排距為主炮孔排距的0.7倍，藥量為主炮孔的0.5倍，起爆時間比預裂孔延遲150～200ms。

在距基底1m以內禁止采用爆破開挖，以免影響地基強度。宜采用機械開挖和人工修整，保證錨碇地基的強度和平整度。基底平整度高差應控制在+20～150mm；開挖坡度平整度應≤100mm；邊坡防護施加后，不得侵入錨碇范圍。在設計底標高基面上進行地基原位承載力試驗及摩擦系數試驗，以驗證錨碇整體穩定性及結構安全度。要求在開挖到距基面1m時，先局部快速開挖幾處試驗坑，并立即進行地基原位承載力試驗及摩擦系數試驗，以縮短基底的暴露時間。

截至2019年12月10日，南岸錨碇基坑開挖工作全部結束，實際開挖用時僅130d，在實際開工日期較晚的情況下，比計劃節點提前4d完成了基坑開挖、防護施工任務，取得了良好的施工效果。

3 變形監測

基坑開挖期間，隨著巖土體的逐漸卸荷，未開挖部分的圍巖會產生應力重分布，引起基坑圍巖的變形，并且由于泥巖具有蠕變性特征以及受地下水、降雨等的影響，這種基坑的變形具有長期發展的趨勢。通過對基坑圍巖變形進行監測[12]，可以掌握各種因素作用下的圍巖變形發展情況，從而判斷邊坡圍巖的穩定性，確保施工期間的安全。積累邊坡變形監測數據，掌握邊坡圍巖的變形規律也有助于提高對不同種類巖土體力學特性的認識，彌補理論分析方法的不足，指導后續工程的開展。

3.1 監測系統設計

新田岸錨碇基坑監測的主要內容包括邊坡水平和豎向位移監測、邊坡裂縫開展情況監測。本項目監測等級定為二等監測，精度要求水平位移觀測點坐標中誤差±3.0mm，豎直位移觀測點高差中誤差±0.5mm。

邊坡變形測量的基準點設置在變形區域以外、位置穩定、不受施工干擾且視線良好的地方，并應定期復測。平面坐標系采用獨立坐標系，以高峰至新田橋軸線方向為y軸方向，以南向北垂直于橋軸線為x軸方向。本工程西側邊坡開挖區域以外對稱橋軸線選擇兩處位置開挖基坑，澆筑底座和混凝土方墩，并在混凝土墩上埋設特制標芯作為基準點。控制網測量按二等三角網要求施測。

水準基準點均勻分布在整個監測區域的四周，并選在變形區以外。水準基準點采用預制或現澆混凝土標識埋設在基巖或原狀土層中，其埋設要求保證在整個觀測期間堅固穩定。當豎向位移點出現異常情況，首先應檢測水準基準點。高程系統采用獨立高程系統。水準基準網觀測按照二等水準測量的要求執行。

坡頂水平位移和豎向位移監測點的布設應能全面反映邊坡變形特征，并顧及地質情況及圍護結構特點。錨碇基坑邊坡水平位移和豎向位移監測點的布設沿邊坡碎落平臺周邊布置，邊坡中部、拐點處應布置監測點。基坑開挖深度每增加8m沿基坑周邊增設一圈測點。實際布設位置及點數在布設時根據現場的具體情況確定，其位置要能最大程度反映基坑的變形狀況。基坑水平位移和豎向位移監測點的布置如圖1所示。

根據GB50497—2009《建筑基坑工程監測技術規范》并結合本錨碇基坑工程的特點確定變形監測的預警值和控制值，如表2所示。

表2 基坑變形監測預警值及控制值

3.2 監測成果及分析

錨碇基坑監測周期從基坑開挖開始至錨碇基坑回填完畢后連續3d的監測數值穩定即可停止監測。實際監測自2019年8月27日開始，至2020年5月10日結束。此期間涵蓋了基坑開挖和回填，基坑開挖期間每天至少監測1次；基坑回填期間，第1個月每周2次，第2個月及之后每周1次。

對監測數據進行處理，限于篇幅給出4個方向2級坡頂典型測點的最大位移量和最大日變化率，如表3所示；以周為單位匯總各監測點3個方向位移量，繪制了東側邊坡、南側邊坡典型測點的3個方向的位移變化曲線，如圖2所示。

圖2 位移變化曲線

表3 典型測點累計位移量和最大日變化速率

分析基坑邊坡變形監測數據，錨碇基坑東側邊坡、南側邊坡水平x，y方向的位移較大，多數測點大幅超過預警值，但仍未超過控制值，豎向也有個別測點的位移超過預警值；西側邊坡和北側邊坡的水平方向和豎向的位移均未超過預警值。基坑的最大變形產生在南側邊坡2級坡頂的7號測點上，該測點位于基坑東南方向，這與現場該處產生邊坡開裂的情況相符，此外在東側邊坡一二、二三級碎落平臺處也產生了開裂現象。由此說明，東側邊坡和南側邊坡比西側和北側邊坡的穩定性更為不利，這是由于東側邊坡為順層坡，巖石傾角較大，南側邊坡雖為切向坡但巖層仍有一定的傾斜角度；東側邊坡上三級均采用了1∶1.5的坡率，而南側邊坡2，3級均為1∶0.75坡率，雖然南側邊坡巖層傾角更小，但是由于邊坡坡率更大，因而產生了更大的水平位移和沉降；可以預見東側邊坡若采用同樣的坡率，將會產生更大的位移，甚至產生邊坡失穩坍塌事故。錨碇基坑施工期間東側、南側邊坡的變形雖然超過預警值，但位移值未超過控制值，未產生邊坡失穩坍塌等更進一步的災害。從這一點上說，本基坑采用的放坡坡率是安全的。

分析圖2東側邊坡、南側邊坡典型測點3個方向的位移變化曲線，自開始監測至2019年11月23日，隨著開挖深度的增加，x方向的位移呈現緩慢增加的趨勢，y方向和豎向的位移變化規律不明顯；而在第14周，具體為11月23日—11月25日，東、南邊坡測點的三向位移快速增加，多數測點的日變化速率和累計位移值超過預警值，這與現場巡視發現的裂縫開展情況基本一致；11月25日以后，邊坡位移變化趨于平緩，位移變化速率未再出現超過預警值情況。對比現場施工進度，11月23日—11月25日為基坑最下一級爆破施工期，基坑土體卸荷接近最大狀態，基坑邊坡部分巖層由于應力過大產生了斷裂，從而導致了應力重分布和邊坡開裂現象，應力重分布后圍巖達到了新的平衡狀態。這也說明，在砂泥巖互層地質中，邊坡位移具有突變的特征。

受春節假期及新冠疫情影響，2020年1月20日—3月15日未開展任何施工活動，對比停工前和復工后監測數據變化，東側、南側邊坡變形仍呈緩慢發展趨勢，反映了砂泥巖互層地質，由于泥巖的蠕變特性，導致邊坡變形具有長期發展的趨勢。

4 結語

砂泥巖互層地質的錨碇基坑采用放坡開挖，針對邊坡巖石產狀，設計采用不同的放坡坡率，并采用錨桿掛網噴漿的方法對坡面進行防護。現場施工時，制定了針對性的施工技術方案，上層覆土直接采用機械開挖，下層中風化巖石采用深孔爆破和邊坡預裂爆破相結合的開挖技術，并采用盆式挖土法，各工序交叉進行形成流水作業，減少相互干擾，極大提高了施工效率。

基坑施工期間進行了系統的邊坡變形監測，監測數據表明東側和南側邊坡變形較大，大部分測點的位移值均超過了預警值，但未超過控制值，基坑邊坡整體是穩定的，達到了預期設計目標；砂泥巖互層地質基坑邊坡的變形具有突變性和長期蠕變性特征，突變位移是導致邊坡變形的主要因素。