淺析復雜地質環境下高邊坡多級消能技術

李興江

（中鐵開發投資集團有限公司,云南 昆明 650000）

1 工程概述

1.1 項目概況

貴州金沙經仁懷至桐梓高速公路工程桐梓河特大橋是一座全長1 422 m的鋼桁梁懸索橋,主跨965 m,跨越烏江支流桐梓河,連接仁懷市和桐梓縣兩地,也是全線唯一的一座技術復雜型特殊橋梁。大橋的橋跨組合為：仁懷岸98.5 m深雙幅隧道式錨碇+ (48+80+48）m連續剛構引橋+仁懷岸208 m 高索塔+ 965 m 單跨鋼桁梁懸索橋+桐梓岸140 m 高索塔+6 孔40 m 預制簡支T梁引橋+重力式錨碇。

圖1 全橋立面圖

1.2 工程自然環境條件

桐梓河特大橋項目區前段屬烏蒙山與婁山山脈的交匯處,橋位區域地貌類型為主要為中低山峽谷地貌。橋址區桐梓河呈典型的深切“V”型谷地,河谷切割劇烈,桐梓河兩岸地形陡峭,多形成陡崖,兩岸地表植較發育,主要以高聳的柏樹和灌木叢為主。仁懷岸山體坡面陡峭,斜坡自然坡角30°～50°,基巖露頭,山體上部可見陡立灰巖、下部可見泥灰巖夾頁巖。桐梓河兩岸岸坡陡峻,上部呈陡崖直立狀,下部為錯落體,卸荷裂隙及其發育,存在多處危巖體,大部分灰巖裸露,巖溶非常發育。

仁懷岸岸坡上覆土層為黏土,厚度薄；下伏基巖為泥質粉砂巖、灰巖,強風化層厚1～3 m,節理裂隙很發育,巖體破碎；中風化層巖體節理發育～不發育,巖體較破碎～較完整。岸坡主要由強～中、微風化巖石組成,為巖質邊坡。

1.3 仁懷岸高邊坡設計概況

桐梓河特大橋仁懷岸墩臺全部處于半山腰地帶,單個索塔承臺尺寸為20.3 m×20.9 m×7 m,承臺底面標高為+758 m。整個山體自然坡度40°～70°左右,且多為石方山體。仁懷岸主塔平臺邊坡設計分六級邊坡,每級邊坡高度不大于10 m,邊坡坡率第一級為1：0.5,第二級為1：0.5,第三級為1：0.5,第四級為1：0.75,第五級為1：0.75,第六級1：0.75 兩種,采用機械破碎和局部預裂爆破相結合的方式進行開挖。其中有一條地方道路橫穿主塔平臺,需要將其改移至邊坡第二級平臺上。

平臺及邊坡主要采用以下幾種方式進行防護：

（1） 采用錨索框架梁+植生袋護坡。

（2） 錨桿框架梁。

（3） 簾式多級消能被動防護網。

（4） 臨時管棚通道防護。

（5） 掛網錨噴。

平臺外側采用輕質氣泡混合土擋墻進行支擋+鋼管樁平臺相結合的方式,既保證對主塔部位山體進行防護,同時也作為邊坡滾落石的緩沖平臺和后期施工作業平臺。

圖2 邊坡設計斷面圖

2 復雜環境下高邊開挖防護措施

本地質災害區高邊坡開挖施工采取多級消能防護技術,其基本原理就是通過“防、控、接、消、擋”的多級立體防護體系,使整個高邊坡開挖過程不破壞周邊、不被周邊傷害、消除施工全周期的安全隱患,做到安全萬無一失[5]。

“防”即是通過提前清理施工區域危石孤石,并設置攔石網、截水溝保證施工過程中不被邊坡上方周邊不穩定體傷害。“控”即是采取多臺挖掘機機械破碎、接力轉運開挖渣土來控制施工對山體的擾動。“接”即是在開挖區域下方提前設置被動防護網,將挖掘機作業時不可避免滾落的土石顆粒接住,待開挖形成一定平臺后再用挖掘機清除。“消”即是通過多重被動防護網、擋墻及防護棚將意外滾落的大塊孤石層層消減勢能,防止對下方山體環境、道路、人員造成傷害。“擋”是指在高邊坡最下方設置輕質氣泡混合土擋墻對整個開挖區域形成最后一道支擋,同時也可以防止施工過程中水土流失,成型后作為主塔施工平臺使用。

3 總體施工順序

圖3 桐梓河特大橋主墩高邊坡多級防護完成圖

桐梓河特大橋主塔（仁懷岸）邊坡為六級邊坡,邊坡上覆0～5 m角礫土,其下為泥質粉砂巖。仁懷岸主墩邊坡施工總體順序為：施工2#墩下方3 道被動防護網和既有路鋼結構防護棚→清除坡頂外危巖落石→開挖截水溝→開挖2#墩平臺通道→開挖六級邊坡及第五級平臺并完善邊坡防護→開挖五級邊坡及第四級平臺并完善邊坡防護→道路臨時改移至2#墩平臺上→安裝既有路下方2 道被動防護網→開挖第四級邊坡及第三級平臺→開挖第三級邊坡及第二級平臺（永久改路）開挖→施工永久改路防護管棚→安裝主塔下方2 道被動防護網→開挖第二級邊坡和第一級平臺→開挖第一級邊坡及主墩平臺兩側通道、同時施作氣泡土擋墻與路肩擋墻→道路改移至第二級平臺上→施工各級平臺排水溝及主墩平臺大里程側鋼平臺。每級邊坡開挖完成后及時進行掛網錨噴,并按設計圖紙要求施作錨桿錨索框架梁。

圖4 被動防護網及改路防護棚架

圖5 跨路道路防護棚圖

4 柔性被動防護網安裝及開挖邊坡

為降低施工過程隱患,須結合地質資料先進行地質調查,采取網蓋、砌石、撬挖、錨固防護等措施清除原邊坡上的危石和不穩定體。先施工完成坡頂外截水溝、被動防護網做好施工區外圍防護。邊坡開挖完成一級及時進行平臺排水溝等排水系統施工,并與截水溝聯通防止雨水沖刷破壞已開挖的坡面。柔性被動防護網的施工工序如下：測量放樣→錨桿及基座定位→基座及錨桿安裝→預應力鋼柱拉錨繩安裝與調試→支撐繩安裝與調試→圓環網的鋪掛與連接。

4.1 測量放樣

測量組根據施工設計圖測放出立柱基座及拉錨的位置,做上標記。

4.2 安裝基座和錨桿

（1） 在設計位置澆筑基礎混凝土,其頂面應平整且高出地面不應超過10 cm,使下支撐繩盡可能緊貼地面；同時也不能被埋置太深,以免造成防護高度降低且基座處容易積水。掛座朝向坡下來安裝基座。

（2） 安裝錨桿。錨桿應平直,使用前先除油、除銹。錨桿安裝時應使其位于孔眼中部,錨桿外露環套不高出地面。安裝完成后及時注漿,且不得隨意敲擊,注漿后3天內不得在端部懸掛重物或進行易使其受載的下道工序施工,防止松動變形。

（3） 安裝預應力拉錨繩與調試。先將工鋼立柱逐根搬運至基座處,將其底端擺放在基座上,然后把上拉錨繩的掛環分別掛于錨桿和鋼柱頂端掛座上,再調整鋼柱的方位后與基座固定,鋼柱安裝誤差小于5°。最后拉緊上下拉錨繩固定。

（4） 安裝、調試支撐繩。上、下支撐繩全部采用雙繩,安裝順序為：先上支撐繩、再下支撐繩,第二根下支撐繩安裝時與第一根反向,最后用一個繩卡在靠近減壓環約40 cm處將2 個底部支撐繩聯結,形成相互交錯的雙支撐繩穩定結構。

（5） 鋪掛圓環網。采用緊線器將放在兩根鋼柱之間的圓環網拉起來,將其上緣拉到與上支撐繩齊平；采用縫合繩從中點開始向兩側將圓環網和支撐繩縫合在一起,縫合繩的中點固定在每一張網的上緣中央[6]。

4.3 防護網安裝完成后,邊坡采取自上而下分級開挖分級防護,每一級開挖防護完成并報驗合格后進行下一層開挖。為保證邊坡穩定、限制施工過程中的卸荷松弛,開挖工作面與安全支護的高差不大于15 m且不大于一層開挖梯段高度,上層的支護系統應保證下一層的開挖安全順利進行。

4.4 項目總體按“平面多工序、立體多層次”的原則組織施工橫向分段進行多工序平行作業,減小邊坡揭露面積和暴露時間,揭露面應2 天內完成掛網錨噴快速支護；每一級由外向內開挖,需爆破的部位每次爆破前均對臨空面進行整形,減小梯段爆破底盤抵抗線,減少爆破震動后沖,影響邊坡穩定。豎向按平臺或爆破梯段自下而上進行覆蓋層剝離和梯段整形、梯段鉆爆及出渣、錨桿和錨索框架梁施工、系統排水等多層次的流水作業,確保邊坡開挖與支護協調推進。

4.5 邊坡開挖過程中對邊坡設計控制點隨時進行復測,并對邊坡變形進行監測,發現異常立即向監理和業主報告并采取應急處理措施。

4.6 不良地質地段用人工輔助開挖。人工撬挖清除石渣、夾泥等填充物至設計要求,并按要求回填砼、及時支護封閉。為保證安全,在開挖過程中安排專人看守,對過往車輛進行控制放行。

5 主動防護及加固工程

仁懷岸邊坡支護方式主要為掛網錨噴、被動防護網、錨索框架梁內植生袋護坡、錨桿預加固。在坡面開挖過程中,當挖至某一層錨桿、錨索標高后,對錨桿、錨索附近危石加以清除,邊坡坡頂范圍內清除危巖落石,清理范圍為縱向開挖邊坡坡頂至自然坡頂,橫向為開挖邊坡范圍至兩側各50 m范圍內[2]。開挖的坡面及時進行掛網錨噴和錨桿、錨索施工,邊坡土石方開挖與錨桿、錨索施工要相互協調配合,嚴禁在邊坡全部形成后才進行錨桿、錨索施工,在開挖至接近設計邊坡線2 m 范圍內應采用預裂爆破,嚴禁大爆破[3]。錨桿施工工序：開挖結束→清理邊坡→錨桿孔放樣→錨桿鉆孔→清孔→放入錨桿→注漿→澆筑框架梁→安裝錨頭鋼墊板、封錨。錨索框架梁內植生袋護坡施工工序：邊坡清理→錨孔放樣→鉆孔、清孔→錨索安裝→注漿→框架梁施工→錨索張拉→鎖定→封錨→植生袋碼砌→掛鐵絲網封閉[1]。

6 排水措施

平臺設置平臺排水溝,坡頂外設置截水溝。邊坡開挖后視地下水情況設置仰斜式排水孔,斜孔6°～10°向外斜率,仰斜孔長20 m,間距6 m。孔口位于坡腳或邊坡平臺以上1.0 m以內。

7 輕質氣泡混合土擋墻施工

仁懷岸主墩平臺開挖至設計標高,由于靠河道側地勢較低,承臺處于半懸空狀態,無可用施工平臺。為保證后期主體結構施工時能安全、高效的運輸材料、起吊安裝、滿足工期要求,在主塔前端設置一處不小于8 m 的施工平臺,平臺采用氣泡混合輕質土回填。氣泡混合輕質土容重等級為W15,抗壓強度等級為CF2.5。施工主要工序：施工準備→測量放樣→基礎開挖及承載力檢驗→立柱基礎砼澆筑及立柱安裝→面板預制、安裝→輕質氣泡混合土制作及澆筑。

7.1 廠內面板預制

輕質氣泡混合土面板采用90*30*4 cm的標準C20砼板塊,小型構件廠內集中預制,在距面板底2 cm 處設置間距為@20*20 cm 的Φ2 mm 粗鐵絲網,并在鐵絲網上埋設四個預埋筋,邊板和頂板為異形塊,安裝時可由標準塊通過鋼鋸切割而成。

7.2 施工放樣

測量組根據輕質氣泡混合土設計圖,測放出氣泡土擋墻面板外輪廓線,作好放線記錄,并報請監理復測,確定擋墻面板位置及基礎開挖深度,現場交底后實施。

7.3 基礎開挖及承載力檢驗

嚴格按照施工圖紙要求分臺階分級開挖,基礎各臺階的地基承載力不得小于圖紙規定的數值。

圖6 輕質氣泡混合土擋墻平臺標準斷面圖

7.4 立柱基礎砼澆筑及立柱安裝

在地基檢測合格后滿鋪30 cm 厚碎石墊層壓實整平,并在其上澆筑50 cm 厚*90 cm 寬的C20 混凝土基礎,基礎底部預留直徑7.5 cm 泄水管,間距15 m 每道布置。基礎澆筑時頂面預留7*6 cm面板安裝槽,再安裝∠70 mm*70 mm*6 mm角鋼立柱。

7.5 安裝面板

將面板從基礎預留槽處從下至上逐層錯縫安裝,面板接縫緊密、外露面需平整、美觀,對拉桿及立柱均需進行防銹、防腐處理。端部和轉角處的異形面板在預制時需適當調整預埋筋的位置,并采取可靠措施固定好異形面板。面板外露面之間按照設計要求采用砂漿勾縫,勾縫應圓順、美觀。

7.6 輕質氣泡混合土澆筑

采用專用的氣泡土拌和設備將水泥、水充分混合成漿狀之后,再通過發泡裝置產生的氣泡加入其中行程氣泡混合土。直接采用輸送軟管進行泵送,泵送的最大高度不超過30 m,最大水平距離不超過200 m。輕質氣泡混合土擋墻澆筑時每隔10～15 m 設置一道沉降縫,縫內填塞聚苯乙烯或夾板。輕質氣泡混合土中氣泡有獨立細微和分散性的特點。并且具有良好的流動性和固化后的自立性,澆筑時無需振搗和碾壓。施工過程中控制泵送管出口與澆筑面保持水平,不宜采用噴射方式澆筑,以減少氣泡的消解及材料分離現象,并且需要控制好每次的澆筑厚度,單次澆筑厚度在0.3～0.8 m 之間,在下一層澆筑終凝后方可進行上一層澆筑施工,分層澆筑至設計標高。

7.7 養護

頂層施工完成后,應立即對其采取表面覆蓋塑料薄膜或土工布的方式保濕養護,時間不得小于7 d。每班完工后應及時清空澆筑設備、泵送管道中的殘留物。

8 施工關鍵技術

8.1 根據現場實際情況,采用控制爆破進行桐梓河特大橋仁懷岸艱險環境下主墩多級高邊坡爆破開挖施工,控制爆破源頭危害,降低對復雜地理環境下的道路、房屋、植被的影響。

8.2 參考貴州山區特殊橋梁基礎及平臺邊坡工程施工經驗,合理制定開挖及防護方案,有序、快速完成開挖施工,縮短風險周期。結合貴州類似項目生態保護區爆破施工經驗,優化施工方案,吸取成功的經驗,改進細微缺陷,使爆破效果達到更好的程度,提高效能[4],減少飛石滾落石的不良影響。

8.3 采用主動防護和被動防護相結合、臨時防護和永久防護結構相結合的方法,強化施工過程中的安全防護能力。主動防護采用成熟的錨桿錨索框架梁形式,對地質災害區邊坡進行永久防護；被動防護措施采用沿施工面下方多層布置、多級防護的大型消能防護網,隨開挖隨防護,減少飛石滾落石的沖擊勢能和滾落范圍,達到施工安全、結構安全的目的。

8.4 對既有道路進行臨時改道,確保道路通行不中斷,同時采用剛性防護棚架的形式對道路進行防護,設計細節上采用斜坡頂面、多層消能等方式逐步消除意外滾落石對道路安全的威脅,保護既有道路過往行人、車輛的安全。

9 結論

貴州金沙經仁懷至桐梓高速公路工程桐梓河特大橋是全線唯一的一座技術復雜型特殊橋梁,大橋仁懷岸主塔高邊坡施工采用項目自創的“生態保護區存在滑坡隱患艱險環境下主墩多級高邊坡爆破開挖及防護技術”,主動防護采用成熟的錨桿錨索框架梁形式,對地質災害區邊坡進行永久防護；被動防護措施采用沿施工面下方多層布置、多級防護的大型消能防護網,隨開挖隨防護,減少飛石滾落石的沖擊勢能和滾落范圍,達到施工安全、結構安全的目的。

生態保護區存在滑坡隱患,艱險環境下主墩多級高邊坡爆破開挖及防護技術適用于社會交通穿插、山體地質條件差、周邊林地防護要求高的復雜環境下的邊坡開挖施工,對于山區高邊坡施工具有借鑒作用和推廣前景。