巖質深大基坑永久護坡施工技術

楊紅波

中鐵建工集團有限公司 山東 青島 266061

面對復雜的基坑邊坡，目前人們尚未能完全正確地認識巖體內部的破壞機理、力學參數和穩定性特征等，對基坑邊坡開挖過程中損傷的積累擴展和漸進破壞的理解也較為模糊，僅通過傳統的施工方法和施工監測手段不能從根源上預測和避免安全質量事故的發生[1-2]。因此，通過改變傳統施工方法，并創新引入了微震監測技術、三維激光掃描等新技術，對傳統監測手段進行補充，同時，施工過程中的科學組織、動態設計、密切監測，對深基坑施工的安全質量把控也是十分必要的。

1 永久護坡前期策劃（設計、施工）

永久護坡的前期策劃主要包括設計方案的優化調整和施工方案的策劃，具體應包含以下內容。

1.1 紅線意識

仔細核對永久護坡設計和附屬設施（截排水溝等）是否超出用地紅線，是否有足夠的施工空間。及時提出問題和解決方案，如修改護坡坡度、放坡改垂直和壓縮附屬設施空間等，確保永久護坡及其附屬構筑物不超紅線，同時盡可能地爭取施工空間，避免施工對紅線外林地、樹木等造成破壞，產生額外的費用。

1.2 陽角處理

由于用地的限制，支護結構往往緊貼建筑紅線，導致坡頂邊界不規則，甚至“九曲回腸”，進而造成支護結構出現難以避免的陽角。支護陽角受空間效應的影響，受力情況復雜，是深基坑設計上的薄弱點，也是施工中重要的風險控制點。建議在情況允許的條件下，與設計單位溝通，盡可能地將護坡邊線取直或者將陽角鈍化處理，最大程度地降低風險。

1.3 預應力錨索加長

永久護坡預應力錨索設計計算應充分考慮安全余量，錨索長度應達到基坑深度的1倍以上，且錨固區應位于穩定的巖層。以案例工程為例，永久護坡（最高17 m）＋臨時基坑（深度約31 m），總深度約48 m（圖1）。錨桿深度范圍內巖脈的寬度變化，脈巖的產狀、長度及巖性接觸帶的界線等存在不確定性。

圖1 代表性剖面示意

因此，為進一步確保施工過程安全、增加永久護坡的可靠性和耐久性，通過方案評審，提出進一步加長錨索的建議，最終通過2次加長，將預應力錨索加長至40 m。

2 施工方案的綜合比選

以案例工程為例，本工程北側1—7單元，絕對標高52.00 m以上設計為永久性支護，結構使用年限50 a。

根據設計文件，北側主要采用錨桿擋墻支護形式（即鋼管樁＋預應力錨索＋格構梁＋格構板）。首先，施工完畢鋼管樁，然后開挖第1層土石方，之后施工第1層預應力錨索、格構梁和格構板，待混凝土達到設計強度后，張拉鎖定。進入下一層施工，重復以上工序施工。

因本項目的設計方案沒有考慮臨時支護結構，豎向格構梁和格構板只能采用逆作法施工。但是，逆作法施工豎向格構梁和格構板存在著以下的質量問題和質量通病：

1）逆作法施工混凝土格構板，易導致上下層格構板在接槎處澆筑不密實，支護巖（土）體內的水會從接槎處滲出，長期滲漏，會出現浸蝕狀和苔蘚，使得格構板的美觀度大大降低。

2）混凝土接槎不密實，無法形成有效的保護層，大量的地下水和空氣不斷滲入，共同作用腐蝕鋼筋，造成鋼筋力學性能降低，進而影響格構板的安全性和耐久性。在冬期，地下水反復凍融，造成混凝土反復地膨脹收縮，同樣也會影響格構板的安全性和耐久性。

3）隨著開挖深度的不斷加深，逆作法格構板層數不斷增多，格構板自重不斷加大，有下墜的隱患。同時，錨索的預應力豎向分力也會加劇格構板的下墜，主要表現在冠梁后側出現較寬的裂縫和格構梁剪切錨頭部位鋼絞線，存在錨索預應力失效的隱患，進而造成邊坡安全問題。

鑒于以上的質量問題和質量通病，建議永久性支護通過設計單位變更方式，增加臨時支護結構，通過改變施工方法，變永久格構梁板分層逆作為臨時支護逆作和永久格構梁板順作施工，接縫可明顯改善，表觀較好，可以較好地解決以上問題。在工期方面，以5單元作為關鍵線路，5單元永久性支護錨索共計9層，逆作法施工每層支護工期約25 d，順作法施工每層支護工期約15 d，順作法相比逆作法施工節省工期約90 d。

綜上所述，逆作法變更為順作法后，雖然在臨時支護措施的費用上會略有增加，但是工程的關鍵部分（質量和工期）都能夠得到保障。因此，我們就設計方案進行了針對性的探討和優化，對永久護坡部分的設計進行變更，增加了順作法施工所需的臨時支護措施，包括臨時鎖定槽鋼腰梁、錨具以及坡面網噴混凝土等（圖2）。

圖2 增加臨時支護措施后的做法

3 施工注意事項

施工范圍內的地質情況可以通過地質勘察報告來了解，但是地質勘察的鉆探范圍存在局限性，不能覆蓋較長的預應力錨索穿越范圍。

一般情況下，永久護坡由于靠近山體，周邊環境相對比較簡單，很少受到各類構筑物、管線的影響。但是，施工前和施工過程中仍不能疏忽大意，要做好調查和相關資料的搜集，避免因盲目施工而對周邊可能存在的軍事設施（包括地道、碉堡、軍用光纜等）造成損壞，導致不可挽回的后果。因此，永久護坡施工過程中，應特別注意以下事項：

1）在有條件的情況下，應要求建設單位協調勘察單位對紅線以外預應力錨索穿越范圍內的地質情況進行補勘，以了解預應力錨索穿越范圍內的地質情況，看是否存在不良地質。

2）分層開挖支護過程中，對開挖暴露出來的巖層情況進行檢查，并與地勘報告進行對比，若存在較大差異和不良地質（青島地區煌斑巖、破碎帶等）情況，及時向勘察單位、設計單位以及相關專家進行反饋，對設計和施工方案進行有針對性的調整，采取一定范圍內錨桿加長的加強措施。

3）詳細調查周邊有無各類軍事設施。可以通過建設單位、周邊常住居民、政府或軍隊部門了解情況。初步了解到存在軍事設施后，對大體的位置和走勢進行測量定位。采用小型機械配合人工開挖，將其口部或端部進行暴露和保護，根據暴露的實際情況推斷其準確的走勢和標高，將獲得的數據反饋至設計單位，通過調整支護樁參數、調整錨桿放線和角度等方法，從根本上保證既有軍事構筑物、管線的安全。

4）雨季施工時，山坡水量較大，永久護坡頂部要做好截排水措施，對排水去向和排水能力進行詳細策劃，確保地表水可以順利排出。同時，應嚴格按要求預留坡面泄水孔，確保土體（風化巖體）內的水可以順利排出，以防止因土體壓力增大使坡頂或坡面出現變形。

5）爆破施工時，臨近永久護坡6 m范圍內采用靜態爆破技術，減少一般爆破震動對永久護坡結構造成的損傷。

4 微震監測等創新監測手段

4.1 微震監測系統的組成

微震監測系統由傳感器、信號采集儀、數據分析系統三大部分構成，配合基于MMS-View的可視化系統，可實現巖體工程施工過程微破裂全過程監測。監控覆蓋區域廣，數據采集可實現24 h不間斷地自動采集，數據處理基于特定算法更加智能精準，支持信息遠程或無線傳輸，傳感器可根據地質資料和經驗布置在巖體相對較穩定的部位，以保證監測系統的穩定運行。

4.2 微震監測系統的應用背景和成果

巖質深大基坑的結構特性和穩定性是巖土工程領域研究的熱點之一。針對巖質基坑裂隙如何分布，基坑開挖過程中巖石應力集中、釋放、轉移有何規律，巖石基坑最不利滑裂面如何確定以及穩定性如何分析等問題，常規的監測手段可能難以分析和解決，為此，創新性地引入了微震監測系統。

微震監測技術目前較多的應用于國內石油頁巖氣、礦山、隧道和大壩等領域，它可以通過接收巖體內部微破裂產生的彈性波，通過多組波形的定位分析，反演微破裂發生的時間、空間及震級。據此，地下工程中的巖質基坑的特征同樣具備使用微震監測的條件，在技術上可行。

我們將微震系統監測裝置布置于基坑工程中多個監測部位，可以實時監測基坑巖體內部微破裂產生的彈性波，通過多點接收到的同一破裂產生的彈性波的時間和監測點的空間位置進行定位計算，準確定位巖體內部產生破裂的部位和震級。通過進一步的數據處理和分析，對巖體破裂的發展以及可能產生的結果進行科學的預測和精準的判斷，實現對基坑安全事故可能發生的位置、時間的預判和預警，以便未雨綢繆，降低損失。

經過大量的實踐和研究，超深巖石基坑工程邊坡穩定性分析預警技術的可靠性得到了實踐的檢驗，可實現基坑災害和事故的科學預警，經總結取得了以下應用成果。

1）從理論上系統地論證了微震監測方法在超深巖石基坑工程邊坡穩定性分析和預警中的可行性。通過巖質邊坡破裂過程中的微震模式以及對災害和事故觸發因素的研究，形成了成套的分析預警理論。

2）巖體基坑微震信息監測技術的成熟應用。通過電腦信息化的手段實現了微震信息的捕捉識別及精確定位，建立了基于微震能量密度的邊坡潛在危險區域識別方法，從而實現了在線遠程智能監測，24 h不間斷預警。

3）基于監測的模擬和基于模擬的監測邊坡穩定性分析方法達到了國際領先水平。構建了新型的分析方法和先進的計算系統，構建了邊坡穩定性模擬和監測一體化解決方案，建立了巖體邊坡微震監測綜合預警系統。

4.3 微震監測系統與三維激光掃描技術、BIM技術的結合

將微震系統與三維激光掃描技術、BIM技術進行融合和互相滲透，實現優勢互補。精確的點云模型為微震損傷區的判斷分析提供極大的便利。

1）通過三維激光掃描獲取整個基坑的點云模型，在點云模型中直觀地展示基坑微震的分布情況。

2）通過對比不同階段的點云模型，全面分析護坡變形情況，變形監測不再局限于某個點，而是由點及面，疏而不漏。

3）BIM作為輔助模型，100%還原設計意圖，輔助傳感器布置與定位，同時作為點云模型的補充，幫助控制施工精度和變形。

通過大膽的創新和實踐，多種新技術的結合應用往往可以取得較好的實際效果。

5 結語

在巖質深大基坑高難度、高危險性的高陡巖質邊坡的施工中，有必要對設計和施工方法進行大膽創新，在不增加或增加較少成本的情況下，大大提高深基坑施工中安全、質量的可靠性。此外，微震監測系統的引入以及其與三維激光掃描技術、BIM技術的結合應用，在理論和實踐中驗證了微震監測技術在超深巖石基坑工程邊坡穩定性分析和預警中的科學性和可行性，在同類地下工程的施工中具有較大的推廣意義和研究價值。在下一步的研究中，建議進一步融合新技術和新手段，建立自動化的實時三維激光掃描數據庫分析系統，并將其納入計算分析系統中。同時，努力實現系統自動提出預防處置措施、自動控制措施等，如錨索、支撐等作用力的聯動，將施工的安全和質量問題推向信息化、自動化和智能化，進一步解放人力。