超高天塹崖壁建造及地貌復原治理施工關鍵技術*

孫曉陽

(中建八局文旅博覽投資發展有限公司,江蘇 南京 211100)

1 工程概況

江蘇園博園天塹入口工程,人行通道兩側為泥巖邊坡,最高處與人行通道高差為55m,兩邊坡治理長度為546m,邊坡傾角為77°,開挖巖石為中等風化灰巖,爆破巖石深約35m,總面積3.2萬m2,有約1.2萬m2不穩定滑坡層,天塹入口通道改造施工周期短,生態景觀恢復難度大,如圖1所示。通過泥巖靜態爆破開挖、邊坡支護加固、實時滑坡監測、地貌復原治理等施工技術綜合應用,大幅縮短了施工周期,實現了大型邊坡治理及天塹式景觀改造快速施工,經濟性良好,可為類似工程施工提供借鑒。

圖1 天塹入口Fig.1 Entrance of heavenly cutting

2 技術特點及難點

1)利用削坡后邊坡短期內的自穩定狀態,通過土釘支護與表面旱噴對削坡后邊坡進行快速加固,加強邊坡短期內的自穩性,整體先削坡至底,再自下而上進行逆序加固,保證施工質量,降低作業風險。

2)運用基于北斗衛星的高精度自動監測系統,全過程、全自動監測邊坡安全穩定性,結合全站儀監測密化網格,進行高精度監測,由預警系統建立邊坡滑移數學模型,擬合邊坡實時變形狀態,自動預警預報險情。

3)采用高邊坡靜態爆破,通過靜態破碎劑小口徑大空隙比的切割控爆,靜態整體切割巖石,確保天塹邊坡切割面的平整度,凸顯原地質特色。

4)通過混凝土擋墻與土方回填構建生態恢復基礎,運用骨架造型+塑石咬花、雕刻、噴涂+景觀苗木、砂巖立面垂直景觀覆蓋等方法,實現高邊坡生態恢復和園林造景。

5)采用超重天然砂巖干掛施工法,以機械錨栓固定、砂巖堆疊搭建高邊坡砂巖天塹景觀,砂巖整體色彩合理布局、區塊呼應,實現天塹崖壁自然狀態仿真。

3 關鍵技術及工藝

工藝流程如圖2所示。

圖2 工藝流程Fig.2 Process flow

3.1 靜態爆破

靜態爆破使用的破碎劑屬非爆炸危險品,通過膨脹破碎巖石,無需布設雷管炸藥,無強烈爆炸風險,無需辦理傳統炸藥所需的各種許可證等手續,減少施工前的準備時間,縮短工期。

3.1.1設計布孔

臺階爆破布孔如圖3所示(a=20cm,b=30cm)。采用φ38鉆孔;橫向分布孔距20cm,縱向30cm,鉆孔平排布置,鉆孔深度為1.5 m;沿自由面垂直鉆孔,邊坡部分的邊孔根據邊坡坡度采用傾斜鉆孔,呈梅花形排列。孔深約為爆破實物厚度的 80%～90%, 膨脹劑用量約為15.36kg/m3。采取逐排作業,不同排同時作業,鉆孔內的余水和余渣應用高壓機吹洗干凈,孔口旁應干凈無土石渣。

圖3 臺階爆破布孔Fig.3 Bench blasting hole layout

3.1.2裝藥及反應

根據施工期間的氣溫或工作環境溫度選擇無聲破碎劑型號。無聲破碎劑的密度和每立方米漿體中無聲破碎劑用量K,如表1所示。

表1 無聲破碎劑密度及漿體容量Table 1 Specific gravity and slurry capacity of silent crushing agent

無聲破碎劑用量Q計算如下:

Q=πR2LK

(1)

式中:Q為每米鉆孔的無聲破碎劑理論用量(kg/m);R為鉆孔半徑(m);L為鉆孔高度(m);K為每立方米無聲破碎劑漿體中無聲破碎劑用量(kg/m3)。

計算可得,無聲破碎劑Ⅰ,Ⅱ的理論用量Q1=4 838.064R2(kg/m);無聲破碎劑Ⅲ,Ⅳ的理論用量Q2=5 183.64R2(kg/m)。

將藥劑加30%的水充分攪拌成流質狀后,迅速倒入孔內并用略小于鉆孔的捅桿搗實捅緊,特別長的鉆孔,可多分幾段,逐段捅實。如發現巖石裂縫,應立即向裂縫中加水,以支持藥劑持續反應。藥劑反應時間與溫度相關,溫度越高,反應時間越快,通過加入保溫劑和控制拌和水溫度,將反應時間控制在30～60min。連續裝藥結構如圖4所示,淺孔爆破網絡如圖5所示。

圖4 連續裝藥結構Fig.4 Continuous charging structure

圖5 淺孔爆破網絡Fig.5 Shallow hole blasting network

3.1.3土方轉運

靜態爆破后,土方開挖轉運采用橫向分層、縱向分段、階梯掘進方式。每級開挖完成后,對邊坡較高的軟弱、松散巖石邊坡,采用分級開挖、分級支擋、分級防護的坡腳預加固措施。開挖過程中應及時做好排水工作;雨季施工時,應集中施工力量快速施工,工作面應保持大于4%的坡度,邊坡不得受水浸泡、沖刷。靜態爆破及土石方清理完成如圖6所示。

圖6 靜態爆破及土石方清理完成Fig.6 Static blasting and earthwork cleaning completed

3.2 分級綜合支護

3.2.1一級土釘支護

邊坡機械開挖到位后,人工修整坡面達到土釘施工作業面。采用鉆機鉆進成孔,并清除孔內的土渣。鋼管土釘采用熱軋或熱處理焊接鋼管。鋼管端部制成封閉尖錐狀,尖錐頂角取30°～60°,倒刺采用Q235B鋼管,與土釘鋼管夾角取20°～30°(見圖7)。倒刺鋼管直徑宜取20mm,壁厚同釘體鋼管,長30～40mm。土釘安放時要防止鋼管桿體彎曲,頭部距孔底100～200mm,桿體放入角度要與鉆孔角度一致。選用P·O42.5水泥漿,水灰比為0.45～0.50,注漿量不宜少于30L/m。采用孔底反向注漿法,注漿后并應在4h內補漿,注漿要飽滿。

圖7 土釘結構Fig.7 Soil nail structure

3.2.2二級錨桿支護

鉆孔成孔采用MGZ400錨桿鉆機施工。做好孔口鎖口,防止成孔后雜物掉入孔內。成孔后及時進行地質編錄。錨桿安放前應清理孔內余渣,桿體放入角度同鉆孔保持一致,防止桿體扭曲、孔壁受損。桿體平順緩慢推送,安裝好后使桿體始終處于鉆孔中心,桿體末端距孔底50cm。若發現孔壁坍塌,應重新鉆孔、清孔,直至能順利送入錨桿為止。錨桿注水泥漿,采用P·O 42.5級硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥,采用無風化、無雜質、級配良好的砂料,最大粒徑不大于2mm,拌和用水必須潔凈、無污染。注漿管隨錨桿桿體一同放入孔內,管端距孔底50～100mm,依據設計進行灌漿或壓力注漿。錨桿打入崖壁如圖8所示。

圖8 錨桿打入崖壁Fig.8 Anchor rod driven into cliff wall

3.2.3三級框架梁支護

框架-剪力墻式擋墻條基以⑤2層中等風化(泥)灰巖為持力層,基坑開挖至設計標高后,及時進行基底整平和夯實,并隨機對基巖進行取樣,檢測巖石單軸天然抗壓強度,地基承載力特征值應≥500kPa。地梁基礎部分應嵌入巖層內1m,并將坡面鉆進產生的浮土清理干凈,挖出泥漿。

框架梁模板采用15mm厚竹夾板模板,模板支撐系統由方木、鋼架管、絲桿、托撐、鐵絲等組成。模板的次龍骨采用30mm×50mm木方,方木每200mm鋪設1道,主龍骨采用φ48鋼管。每700mm設1道鋼架管插入坡面巖土體內作為橫梁的下部支撐,使用扣件與大橫桿或立桿垂直連接。側模采用對拉桿每700mm拉設1道,壓頂模采用φ48鋼管,每700mm設置1道并支撐于架體上。當完成下部梁澆筑后,下部橫梁作為上部橫梁承重平臺。外架搭設如圖9所示。

圖9 外架搭設示意Fig.9 External frame installation

豎梁采用三面支設模板,每70cm設置1道鋼架管,側模板采用對拉桿加固鎖緊。對拉螺栓布置φ12@450(橫向、縱向間距均為450mm);擋墻靠巖側斜撐鋼管按450mm×450mm間距布置,長度 ≤2.5m; 豎向木方間距為200mm。

框架梁采用C30混凝土,分級澆筑,每級高度≤4m。 主要使用車載地泵接泵管及汽車泵進行澆筑,部分使用汽車式起重機吊料斗澆筑或溜槽輸送至框架梁澆筑部位。養護達7d后,應及時進行預應力錨索張拉。

3.3 地貌復原施工

在擋土墻內側回填碎石及種植土,為植物綠化創造地形條件。在山體邊坡區坡腳附近種植生態風景林,形成優美的綠化景觀。通過喬灌木、地被植物的布局、搭配和組景打造形態、色彩不同的四季景觀,使邊坡及山體綠化效果豐富多彩。

3.3.1塑石景觀

采用[12鍍鋅槽鋼制作懸挑施工馬道,通過化學錨栓錨固于原框架梁上。以6號鍍鋅角鋼焊接鋪設馬道層面及馬道護欄。馬道施工完成后,以井字梁為依托,選用12,6號鍍鋅角鋼搭建山體造型。鋼骨架主體結構采用滿焊,完成后進行防銹處理。

以鍍鋅鋼絲網為基層,噴射GRC塑石混凝土找型,采用人工切縫與著色工藝,使石頭肌理與原山體融為一體,塑造與自然山體融合的景觀。

3.3.2崖壁還原

天塹外立面采用大面積天然砂巖塑造崖壁景觀,單塊天然砂巖平均面積為1.2m2,重1.3t,通過使用機械錨栓+堆疊方法,依靠天然砂巖自身強度及骨架錨栓連接,解決了14m天塹通道區高邊坡砂巖立面景觀的干掛施工難題;通過選用大面積天然砂巖及整體色彩配合、區塊呼應的方式,解決了天塹崖壁顏色還原、地質景觀藝術構造難題。采用8.8級M12機械錨栓植入墻體100mm,配合L形鍍鋅鋼板掛件,完成石材干掛,干掛節點構造如圖10所示。

圖10 干掛節點構造Fig.10 Structure of dry hanging nodes

3.4 高邊坡滑坡監測預警

高邊坡滑坡監測常規檢測手段測點多、工作量大、人員需求大,易受場地、氣象條件影響,且無法24h實時連續監測,存在礦區山地滑坡風險。采用常規監測與自動監測結合,對重點區域加密監測、配合人工監測,可實現施工全過程的自動化實時監測、安全監測預警,保障工程安全施工,減小或避免邊坡災害損失。

3.4.1定位監測點位布置

天塹入口邊坡長度大,沿邊坡施工區分階段設置監測點位,如圖11所示。施工準備期臨時邊坡監測點14個,施工期邊坡變形監測點54個,巖體穩定性監測點10個,地下水位監測點2個,加固錨索預應力監測點20個,錨桿應力監測點20個。除自動監測系統外,應對監測期間周邊施工工況和監測情況加強巡視。

圖11 開挖、加固期監測點布設Fig.11 Monitoring points layout during excavation and reinforcement period

全站儀監測點在施工邊坡布網設立,標識明顯,中心定位準確,滿足棱鏡多次復位的要求,測點與工作站全站儀直線視通,共計布設監測點73個,基準點5個。

北斗衛星定位監測樁由混凝土澆筑,樁頂中心埋設接收機定位底座,位置選擇在衛星遮擋最小、遠離高壓線、磁場較小處。共計布設北斗衛星定位監測站10個。

搭建基于北斗衛星的監測測量數據、實時傳輸、實時分析的北斗監測云平臺,配套制作北斗監測手機終端APP,提供手機端數據實時查看,日報表、周報、月報及動態信息查看,全程掌握監測點變形數據,并提高異常數據報警功能。北斗監測云平臺和手機終端如圖12所示。

圖12 北斗監測云平臺和手機終端Fig.12 Beidou monitoring cloud platform and mobile terminals

3.4.2實時監測預警

基于巖土穩定性數學模型,擬合出滑坡運動理論下流變萌發、穩態蠕變、失穩劇滑3個階段曲線,依據連續性原理,求解失穩點和劇滑時間,提取穩態蠕變特征和失穩突變特征,實現蠕變時效下的滑坡有效預報、預測。滑坡運動理論模型如圖13所示。

圖13 滑坡運動理論模型Fig.13 Theoretical model of landslide movement

報警分為藍色報警和紅色報警:當被監測體進入局部流變或蠕滑時段,給出藍色預警,預示不會發生危險;當被測體進入時效蠕變時段,給出紅色預警,預示潛在危險,應密切跟蹤并預測預報。

4 質量控制要點

1)靜態爆破開挖施工,應加強對開挖標高的控制,開挖接近設計標高時,預留10cm厚土層,由人工輔助小型機械進行清底,嚴禁超挖。截水溝應沿開挖范圍之外開挖,攔截地表水流入工作面。

2)錨索的保護層厚度應嚴格按照設計要求。錨孔成孔后,用擋板遮蓋孔口,以免雜物落入空內。單個錨索施工結束后應覆蓋錨索頭,以免污染。

3)土釘與錨桿施工時,成孔遇到不明障礙物時,應立即停止,確認無害時,再繼續施工。

4)當地質出現變化跡象時,須用地質雷達等方法先探明工程地質和水文地質情況,才能進行開挖。

5)種植土回填應選用排水透氣,有較好的保水保肥能力的種植土。不應選用建筑垃圾土、鹽堿土、受重金屬污染或其他有害成分的土壤、河道污泥淤泥、種植酸性作物的土壤(pH值應控制在5.0～6.5)。

6)塑石景觀噴射砂漿強度滿足M15,厚度滿足120mm;塑石采用灑水保濕養護;所有鋼結構配件、構件,都需做好防腐防銹蝕處理,達到設計要求。

7)天然砂巖幕墻需要求規格、尺寸、含水量、強度等滿足設計指標,做好成品保護。

8)臨時施工措施,腳手架搭設等應符合設計要求,編制實施方案,使用前復檢合格,現場做好檢查記錄。

5 結語

江蘇省園博園項目天塹入口工程針對超長超高邊坡加固及地貌復原治理,采用靜態爆破開挖、高陡邊坡綜合支擋技術,靈活應對地形、地況復雜的泥巖高邊坡加固治理,以北斗衛星定位監測實時預測預警,在邊坡發生失穩時能及時、有效地做出應急響應,及時快速對失穩現狀做出評價并預測預報,將可能發生的地質災害造成的影響降到最低限度,確保工程施工安全,以景觀擋土墻作骨架,搭配喬木地被組景、塑石景觀、天然砂巖幕墻景觀,建造天塹崖壁景觀,旅游景區邊坡改造利用提供新思路,建筑與園林價值較高,施工速度快,安全性高,滿足了大型旅游景區入口天塹景觀快速建造,經濟效益明顯,可為類此工程提供借鑒與參考。