淺談軟巖地區水工建筑物基坑開挖與支護技術

譙天翔

寧夏環保集團有限責任公司 寧夏 銀川 750000

在水利水電工程施工過程中，深基坑以地下水發育的地層邊坡開挖與支護應尤為關注施工作業地段的工程地質情況，探明作業區內地層巖性、產狀，不良地質構造的發育以及地表徑流及地下徑流的分部，對選擇事宜的開挖支護方法顯得尤為重要。寧夏中南部城鄉飲水安全水源工程中莊水庫輸水塔工程場坪分一次開挖及輸水塔下部豎井深基坑二次開挖[1]。根據前期鉆孔巖性及探坑地層揭露顯示，輸水塔主要布置于中莊水庫大壩左岸II級階地之上，依據報告試驗結果，自重濕陷量為270mm至326.4mm，濕陷量為351mm至408mm，根據《濕陷性黃土地區建筑設計標準》，輸水塔區域1832.00m至1835.00m高程范圍內分部的Q41apl壤土具有II級中等自重濕陷性，施工過程中進行了挖除。本文著重對松散沖積層下部風化較強的泥質砂巖地層圍巖開挖與支護方案及施工方法進行探討。

1 中莊水庫輸水塔深基坑開挖與支護工程地質評價

中莊水庫工程作為寧夏中南部城鄉飲水安全水源工程新建主調水水庫。水庫輸水塔是水庫引水隧洞、輸水隧洞及泄水隧洞的主要控制建筑物，輸水塔布置于河道左岸階地附近，階地上部多分布第四系全新統沖積（Q41apl）壤土、角礫及含礫壤土和粘土。輸水塔北側為黃土山體，山坡沖溝較為發育。沖積物的形成與河流地質作用密不可分，流水將碎屑物質搬運并逐步堆積在它侵蝕成的河谷中，最后形成沖積物。沖積土體主要發育在河谷內和山區外的沖積平原中。河床相主要分布在河床地帶，沖積土一般為砂土及礫石類土，有時也夾有粘土透鏡體，在垂直剖面上土粒由下到上，由粗到細，成分較復雜，但磨圓度較好。中莊水庫所在山區河床沖積土厚度較平原地區較小，一般為10m左右，主要表現為河床相。

參建各方對開挖新鮮圍巖斷面進行現場踏勘，巖性基本與前期地勘成果接近。輸水塔基坑開挖線1849.00m至基底1827.80m地層巖性為第三系深棕黃色砂質泥巖，呈泥質膠結外觀，構造為中至厚層狀，為典型的沉積構造，巖層為近水平層理，具有成層性，巖層表現為顏色的層次差異，主要是由于造巖礦物成分、沉積顆粒物及碎屑、結構的不同造成，推斷出該地層為河流地質作用沉積作用而形成，成巖環境介于穩定水動力作用與不穩定水動力作用之間。基坑中上部圍巖為強風化，圍巖表現為粉質壤土狀，圍巖整體含水量較大，尤其靠北面山體一側含水量大，呈硬塑狀，層間有微小裂隙發育。基坑下部圍巖較為穩定，上段圍巖強度稍低，現場踏勘巖土稍濕說明該圍巖自排水能力差。次生結構也比較發育，多出現豎狀節理，推測在外力作用下，如外力擾動、雨水沖刷、循環凍融等作用下容易發生剝落式坍塌[2]。

2 砂質泥巖風化地層深基坑開挖及支護技術

由于中莊水庫輸水塔施工條件所限，基坑邊坡極陡，圍巖軟弱。宜采取分層開挖，先開挖后及時初噴封閉圍巖，再進行錨桿施工加固圍巖穩定圍巖應力，最后掛鋼筋網片復噴混凝土加固的施工順序[3]。

2.1 輸水塔砂質泥巖風化地層邊坡開挖

基坑開挖前為保證坡面穩定，地層應先澆筑完鎖口板，鎖扣應設置為倒臺階形狀。為保證邊坡安全應優化開挖方式，結合邊坡設計坡度宜減少基坑開挖深度，分多次開挖。由于輸水塔基坑落差較大，平臺下部基坑高程范圍為 1849.00m至1827.80m，高差為21.20m，將基坑豎向劃分為若干層段，分層開挖，確定為每層平均層厚2m，合計11 層。為保證開挖減少巖層擾動，宜采用挖掘機從輸水塔基坑中心向四周逐層開挖，開挖至設計邊界附近采用人工開挖可減少超挖及對圍巖擾動。同時開挖邊坡應盡量平整方便緊后初噴作業。自卸車從基坑頂部將渣土運出，同時應注意已開挖邊坡穩定性，運輸機械應與邊坡保持安全距離，防止動荷載擾動已開挖邊坡。基坑深度超過5m，高程1844.00m 至 1835.10m，在基坑中心處開挖豎井，做運渣導孔。采用小型挖掘機開挖，為防止超挖及擾動圍巖采用人工修坡，棄渣通過豎井導至三洞交匯處，然后扒渣機裝渣，使用機械運輸出洞。高程1835.10至1831.00m為引水洞、輸泄水洞交匯段，前期引水洞及輸泄洞已完成初期支護，在開挖至高程 1835.10m 時，在向下開挖的同時將前期隧洞部分圍巖支護進行拆除，繼續向基坑基底1831.00m開挖。開挖至1831.00m高程后使用小型挖掘機完成引水洞及輸泄水洞交匯范圍內土方開挖，同時進行支護作業。最后挖掘基1828.00m 高程，為防止擾動底部圍巖剩余厚度采用人工開挖清底。

2.2 圍巖支護方案及施工情況

本次基坑支護采用濕拌法噴射混凝土采，其是將拌合完成的混凝土使用壓漿泵送至噴射嘴，使用高壓空氣將拌合物噴出。為保證拌合物和易性，確保拌合物流動性、粘聚性及保水性滿足施工要求，防止拌合物沉淀，應采取即拌即用的方法[4]。輸水塔基坑開挖線1849.00m至基底1827.80m地層巖性為第三系砂質泥巖，地下水來源主要為上部覆蓋層松散堆積物中的孔隙水和砂質泥巖中的裂隙水，經過水質取樣檢測結果顯示地下水中主要酸性離子SO42-含量較低，對混凝土及鋼筋無腐蝕作用，且本基坑支護為久性結構，噴射混凝土的水泥強度等級不應低于42.5級。水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，噴射混凝土標號強度為C25，拌合用水氯離子含量符合《混凝土用水標準》要求不得超過500mg/L，本次施工主要選用飲用水自來水拌合。粗骨料應選用級配良好的碎石或者卵石，規定粒徑不得大于12mm，片狀及針狀顆粒含量不得高于12%，含泥量不得高于1%。細骨料宜選用Ⅱ區砂，細度模數宜為2.5至3.2，含泥量不得高于3%。應該注意的是在濕拌法噴射混凝土施工過程中為保證混凝土質量嚴禁在作用中途加水。噴射設備的選擇應能滿足連續均勻輸料能力，水平輸料距離及豎向輸料距離需要滿足現場施工要求。且噴射設備輸料管道不得小于15mm，同時輸料管質地應耐磨。

若噴射厚度過大則需分層噴射，按照設計文件現場試噴后確定初噴5cm混凝土可以滿足封閉圍巖需要。噴射應從底部自下而上分區域依次進行。需要注意的是為保證噴射混凝土質量，在噴射作業前已經拌合的混凝土放置超過2小時的不得使用。完成初噴后，需進行錨桿施工。根據輸水塔在整個水庫工程中的重要地位及該基坑邊坡破壞后對其他建筑物的影響程度，以及需要支護的圍巖巖性及地質情況，結合規范要求，將輸水塔基坑支護安全等級劃分為Ⅰ級，可選用錨拉式結構支護[5]。通常通過所需支護的邊坡穩定分析后確定對應設計錨固力，再根據設計錨固力確定錨桿使用數量、錨桿布置的形式、桿體尺寸。錨桿軸向抗拉力計算公式可按照Nak=e’ahSxjSYJ/cosα計算，Nak為錨桿所受軸向拉力（kN），SxjSYJ錨桿水平及垂直間距（m），e’ah為標準組合側向巖石壓力水平分力修正值（kN/m），α為錨桿的傾角（。）。根據設計方案，1849.0m至1831.0m平臺下部基坑采用掛網、錨噴進行支護。初步噴射混凝土固結圍巖后進行錨桿施工，輸水塔深基坑邊坡支護錨桿選用普通M20砂漿錨桿，錨桿縱橫間距選定為2m，圍巖面錨桿布置成梅花型。錨桿孔深為4.35m，孔徑為50mm，使用鑿巖機開孔。錨桿使用25的II級鋼筋，長度4.5m，錨桿的拉拔力為75KN。雙管排氣灌漿法，成孔后用高壓風清孔后，將內徑 5mm，管壁厚度1.5mm 的PVC排氣管連同砂漿錨桿插入孔中直至底部，排氣軟管應至少露出鉆孔半米，配置好漿液后孔口插入注漿管，堵住錨桿孔口，注漿前保證排氣軟管通暢，使用注漿泵開始注漿。注漿在PVC排氣管溢出稀漿或者不排氣是終止，最后撥出排氣管，等待砂漿達到強度后完成錨桿后續安裝。

在砂漿錨桿安裝完成后，進行鋼筋網片掛網作業。應注意鋼筋網在安裝前應進行除銹。鋼筋網片隨混凝土初噴面起伏敷設，并與圍巖壁面接觸緊密，每片鋼筋網搭接長度不得小于鋼筋直徑30d，即0.24m。鋼筋網片應焊接在錨桿端頭。

鋼筋網片安裝完畢后進行混凝土復噴，保證噴射后混凝土護坡結構厚度為10cm。噴射施工過程中噴頭與受噴面的距離應保持在1m左右，應正對邊坡噴射，作業人員應手持碰頭正時針或逆時針旋轉噴射，并且遵循由低部到高處的原則。

2.3 輸水塔基坑滑塌原因及加固方案

輸水塔基坑開挖至設計底高程，施工單位按照設計要求對1849m至1827.80m平臺下部基坑采取以上掛網、錨噴支護方式后，基坑北側面出現圍巖小范圍滑塌。滑塌的原因一是該基坑垂直深度大，由于施工邊界問題，邊坡放坡為1:0.1，加上基坑上部邊坡周邊有施工機械人員等荷載疊加，邊坡穩定性較差。二是淺層砂質泥巖已遭受嚴重風化。三是圍巖施工開挖過程中圍巖已遭受施工擾動，且受當地降水影響，圍巖已形成軟弱結構面。圍巖發生緩慢、勻速、持續的微量變形，直至拉張剪切破壞最終發生滑塌。在原支護基礎上，選用型鋼內支撐及張拉錨復合進行支護，基坑周壁采用型鋼支護。基坑北側坍塌面坡面修整平整后初噴混凝土30至40mm厚，后做6m長直徑25mm的普通注漿錨桿，掛網，復噴混凝土，后塌落面用型鋼支撐，穩固后用預應力錨桿加固，如圖1所示。

圖1 砂漿錨桿加密布置圖

2.4 輸水塔基坑滑塌施工工藝

施工加固工藝分為施工內支撐、基坑坡頂以外的錨桿、修復滑塌面施工其它部位支錨、錨桿施工、型鋼焊接、張拉錨。為確保噴射面層的平整，采用人工清理邊坡層面，噴射混凝土前應在坡面定入上一定距離垂直短鋼筋段作為厚度標志。錨桿孔定位需要嚴格按照施工圖紙要求，測量放線，做到分部均勻。錨孔采用洛陽鏟或機械干作業成孔，錨桿與坡面的水平夾角按照設計要求控制在10至5度之間。成孔后進行清孔檢查及時安設錨索并及時注漿。鋼筋網與坡面應留有一定保護層，水平內支撐槽鋼與支護面接觸緊密，縫隙過大時應使用現場制作的鋼構件焊接，保證接觸良好。槽鋼邊安裝邊應在槽中噴射混凝土，支撐完畢后便可拉錨施工。通過以上方案施工后效果良好，如圖2所示[4]。

圖2 基坑滑塌面支護剖面圖

3 影響開挖及支護技術方案選擇的因素

在水利水電工程施工過程中如何選擇恰當的邊坡開挖和支護方式，其關鍵點在于對施工現場工程地質條件的準確掌握。邊坡支護主要是為了防止邊坡失穩，即巖石土方邊坡在一定范圍內整體沿某一滑動面向下或向外移動而喪失其穩定性。就土體而言，主要原因是土體下滑力超過抗滑力，此時邊坡就會失去穩定而發生滑動。邊坡發生滑坡其滑坡面與土質與土層結構有關。如果邊坡土層中有軟弱黏土夾層，遇水后將沿夾層發生滑動。軟弱巖層的失穩多由自重及外界因素的作用下，剪切破壞而形成。土體抗剪能力的大小與土體的內摩擦系數與內聚力有直接關系。因此在考慮邊坡支護方案時，除了要考慮實驗得到的內摩擦系數和內聚力的參數之外，還應該考慮施工現場排水及振動對邊坡支護的影響。支護施工過程中要禁止外來水進入支護面，做好工作面排水工作，注意邊坡頂部荷載對開挖支護過程的影響，施工中要嚴格遵循分層分段、逐層施工、限時封閉、禁止超挖原則。

4 結束語

總而言之，在國內的水利水電項目的施工環節中，相關人員需要按照深基坑施工的相關標準和要求，完成開挖或者是支護工作，并制定出切實可行的施工方案，以便于增強水利水電項目的穩定性，讓最終的施工效果和施工質量獲得提升，為國內水利項目后續階段的發展創造良好條件，確保水利項目能夠更加順利的運行。但若是想達成上述目標，就應該借助輸水塔砂質泥巖風化地層邊坡開挖、圍巖支護方案及施工情況、輸水塔基坑滑塌原因及加固方案、輸水塔基坑滑塌施工工藝等諸多方式和手段，增強實際的施工效果，保障水利項目有著良好的質量，增加其原本的應用年限，為水利項目更加穩定運行帶來巨大的幫助。這才是相關負責人應該給予高度注重的問題，確實需要在開展施工工作的時候，對各種先進的技術和設備進行充分的應用。