仁遵团结特大桥拱座基坑边坡变形机制与施工方案研究

彭小勇，苏晓亮，陈芳平，杨瑞娟，邹启民

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550001)

0 引 言

成都至遵义国家高速公路(贵州境)仁怀至遵义段是《国家公路网规划》(2013年-2030年)中沪蓉高速G42的联络线G4215成都—遵义联络线的重要组成部分。团结特大桥采用410 m钢管混凝土拱桥+预应力混凝土T梁，横跨V型观音寺河河谷，遵义岸拱座开挖山体腰部坡体。原设计方案为拱座处基坑开挖形成3级边坡，边坡最大高度约30 m，开挖坡率按1∶0.3，第一级坡面采取锚杆挂网喷混凝土，第二级、第三级坡面先采用锚杆挂网喷混凝土防护，然后再进行框架锚索防护(见图1、图2)。因连续降雨， 边坡在开挖临空过程中，雨水下渗软化软弱夹层，致使夹层及层间胶结物软化，基坑边坡开挖防护过程中发生了沿岩层层面蠕滑，山体顶部开裂等情况，为了确保边坡稳定和遵义岸拱座以及23#和24#墩的安全，进行防护工程方案研究。

图1 原方案拱座基坑边坡防护布置图

图2 原方案拱座基坑边坡开挖防护断面图

本文以仁遵高速团结特大桥拱座基坑边坡为例，在现场详细调查的基础上，分析其变形破坏机制，并对施工方案进行研究，可为工程建设的顺利进行和降雨工况下可能的局部加固处理提供合理的依据，同时，也可为同类顺层岩质高边坡加固方案设计提供参考。

1 拱座边坡基本特征

团结特大桥遵义岸坡体北东向为观音寺河，该河谷为典型的“V”形谷，底宽约40～70 m。岸坡整体较陡，自然坡度角在40°～50°。桥区大部基岩裸露，植被发育，主要为树林及灌木丛，整个坡体轴线地面高程在953.4～649.6 m之间，相对高差303.8 m。

图3 孔内电视成像图

团结拱座区域覆盖层为粘土(Qel+dl)，呈黄褐色，可塑状，局部含少量灰岩碎石，厚0～2 m，场区零星分布。基岩为三叠系下统茅草铺组(T1 m)，薄～中厚层状灰岩夹薄层泥膜、泥质白云岩夹层。灰岩强风化层呈灰色，薄～中厚层状，节理裂隙发育，岩体破碎，岩石较软，岩芯呈柱状、块状，钻进平稳、较快。临河一侧表层岩体节理裂隙较发育，岩体较破碎，完整性系数Kv<0.50，岩体基本质量级别为Ⅳ级；中～微风化层呈浅灰色、灰白色，薄～中厚层状，节理不发育，岩体较完整，岩石较硬，岩芯以柱状为主、少量短柱状，钻进平稳、较慢。岩体较完整，完整性系数Kv=0.74，岩体基本质量级别为Ⅲ级。同时，根据孔内电视成像资料，灰岩层间泥质薄膜，发育间距为10～50 cm，层厚为0.5～8 mm，吸水后易软化，浅部结合程度差，深部呈闭合状(见图3)。角砾状泥质白云岩夹层的强风化层呈灰色，薄～中厚层状，节理裂隙发育，岩体破碎，岩芯呈柱状、块状，钻进平稳、较快。完整性系数Kv<0.50，岩体基本质量级别为Ⅳ级；中～微风化层呈浅灰色、灰白色，薄～中厚层状，节理裂隙发育，岩石较硬，岩芯以柱状为主、少量短柱状，钻进平稳、较慢。岩体较完整，完整性系数Kv=0.74，岩体基本质量级别为Ⅲ级。

2 拱座边坡变形破坏机制

根据现场开挖揭露情况，施工便道开挖已形成高约6 m的薄～中厚层状灰岩顺层边坡，岩质坚硬，岩层间分布多层泥质薄膜，其中基坑第三级台阶位置存在泥质白云岩软弱夹层，岩层强风化层厚度约2～5 m，岩层产状265°～267°∠45°～48°。一组平行于临空面的节理J1，产状为193°∠76°，性质为强风化卸荷裂隙。根据钻孔电视资料，中风化层岩层较完整，节理裂隙不发育，主要结构面为岩层层面，层间夹泥质薄膜。层间泥质薄膜在岩层浅部结合程度差，深部呈闭合状，发育间距为10～50 cm，层厚为0.5～8 mm，吸水后易软化。拱座基坑边坡岩体结构为硬质岩夹软质岩，工程地质条件较差。同时，调查期间，岩层层间一直存在地下水渗出。

该边坡岩体结构为硬质岩夹多层泥质薄膜和软质岩的陡倾角顺层边坡，工程地质条件较差。一方面，边坡在开挖过程中，降雨沿节理裂隙等结构面下渗，不断软化软弱夹层，致使夹层及层间胶结物强度急剧降低。另一方面，基坑开挖后，导致边坡岩层产生顺层临空，在重力作用下沿软弱层面产生顺层蠕滑变形，坡顶产生拉张裂缝。综合各方面因素来看，边坡工程地质条件差为基础因素，降雨和工程活动是边坡顺层滑移的诱发因素，边坡变形坏模式为蠕滑-拉裂型。同时，在进一步施工开挖过程影响下，边坡将可能发生大规模沿层面顺层滑移失稳破坏。

3 边坡防护方案施工方案研究

3.1 施工方案选择

根据勘察资料中场区的工程地质条件与水文地质条件，结合稳定性分析成果以及现场开裂垮塌情况，经过充分技术经济论证，提出了抗滑桩、清方减载、锚索防护组合方案，具体设计防护措施：第一级边坡采取锚拉桩，桩截面尺寸2 m×3 m，桩长30 m，锚索沿桩身从上往下布置3排，抗滑桩桩顶设置冠梁，桩与拱座基础间浇筑C30混凝土回填；抗滑桩桩顶以上坡体沿层面进行顺层清方减载，减载后边坡坡面采用竖梁锚索和框架锚索加固，锚索排数为3排；在左24#墩、右23#墩处坡面采用竖梁锚索和框架锚索加固，锚索排数为3排，并且左幅24#墩、右幅23#墩采用高承台设计，桩基进行加长。

3.2 边坡防护施工方案的实施

团结特大桥遵义岸拱座基坑开挖处于陡倾顺层坡体，地面横坡较陡，为确保施工作业安全，施工前必须先建立施工单位监测系统和第三方监测系统。

团结特大桥遵义岸拱座基坑边坡防护工程分为以下几个部分：锚拉桩、竖梁锚索、框架锚索、监测工程，施工期间做好施工地质工作。

根据工程特点，其施工总顺序为：首先进行边坡监测及截排水系统，然后进行竖梁锚索、框架锚索工程，其次再进行锚拉桩工程施工。

具体施工顺序：

(1)施工前，按截排水设计作好场地内的地表排水系统，修筑截排水沟，并减少雨水的下渗；

(2)为加强施工期的边坡安全稳定，边坡开挖及防护施工过程中，应进行变形和稳定监测；

(3)施工前，对坡面张拉裂缝和卸荷裂隙进行封填，材料采用C10水泥砂浆以及修筑防落石挡墙；

(4)对抗滑桩桩顶以上岩层采取沿层面顺层清方减载，并及时采取竖梁锚索、框架锚索防护；

(5)实施锚拉桩以及桩顶冠梁；

(6)对拱座基础和抗滑桩间浇筑混凝土回填；

(7)拱座基坑边坡及桥墩防护完成后，在监测正常稳定条件才能继续进行拱座浇筑和上部桥墩施工。

(1)锚拉桩施工

锚拉桩中抗滑桩沿拱座开挖面布置7根抗滑桩，抗滑桩轴向朝岩层倾向，即抗滑桩截面长边朝向岩层倾向，抗滑桩布置定位坐标见下表，抗滑桩截面尺寸2 m×3 m、中对中间距6 m，桩长均为30 m。所有桩的桩身采用C30混凝土，抗滑桩钢筋采用HRB500、HRB400钢筋，双面搭接焊，箍筋为四肢，从桩顶到桩底，间距0.3 m。锚拉桩中沿桩身中心线布置从上至下设置3排锚索，第一排锚索距桩顶距离为1 m，第一排、第二排、第三排间距为2.5 m。施工应满足。

①桩身开挖：抗滑桩桩身开挖按《公路路基设计规范》(JTGD30-2004)、《公路路基施工技术规范》(JTGF10-2006)执行；抗滑桩施工采用跳桩开挖，如先开挖1、3、5、7号桩，桩身混凝土浇注完毕达到设计强度后，再开挖2、4、6号桩；按由浅至深、由两侧向中间的顺序施工。

②锁口与护壁：为保证施工安全，每根桩口部均施作锁口，锁口设计为C20钢筋混凝土，锁口浇注完毕后开始桩身开挖，处于土层及破碎岩层中的桩身开挖面须施作护壁，桩护壁施工从地面到桩底，厚30 cm，护臂采用C30号混凝土现浇，一次现浇深度不得大于100 cm。

③2.0 m×3.0 m、3.0 m×4.0 m抗滑桩4个角各埋一根声测管；因各地质检部门对声测管的检测设备不同，因此，在埋置声测管之前，请咨询当地质检部门，遵循当地习惯，以方便检测。

(2)锚索施工

竖梁和框架梁截面尺寸采用0.5 m×0.6 m矩形梁，梁嵌入坡面30 cm，梁均采用C30混凝土现浇，锚索选用高强度、低松弛预应力钢绞线，其技术标准为270级，采用6股φ15.24 mm钢绞线，钢绞线标准强度不小于1 860 MPa，每孔设计吨位750 KN，对应锚具采用性能和规格满足设计要求的。锚固段长度8 m，钻孔孔径φ130 mm，锚索自由段采用防护油及塑料管隔离。施工应满足。

①竖梁锚索和框架锚索的施工包括施工准备、测量放样、竖梁或框架梁凿槽、竖梁或框架梁钢筋制作安装、竖梁或框架梁浇筑、成孔、锚索制作与安装、注浆、张拉锁定和封锚头等主要工序。

②锚索须按照设计要求进行基本试验和验收试验，基本试验为破坏性试验，确定锚索可承受的最大张拉力和锚固工程的安全度，检验锚索设计能否满足工程要求，基本数量不少于3根。验收试验在锚索施工后做，选择有代表性的工作锚索进行非破坏性试验。

③锚索钻孔：应根据锚固地层的类型、钻孔直径、钻孔工地的场地条件等来选取钻孔设备，在岩层破碎或松软等易于塌缩孔地层中应采用跟套管的钻进技术。采用无水钻进，禁止开水钻，以确保锚索施工不致于恶化边坡岩体的工程地质条件和保证孔壁的粘结性能。钻孔方向与水平面和竖直面的夹角不得与设计角度偏差±1°，钻进过程中应对每个孔的地层变化、钻进状态(钻压、钻速)、地下水及一些特殊情况做现场记录。钻孔孔壁不得有粘士或粉砂滞留，必须清洗干净，清洗方法采用高压空气吹干，以免降低水泥砂浆与岩体的粘结强度，防止锚索不能下到预定深度。

④锚索体的材料必须严格按照设计要求的材料选用，所采用的材料必须要有国家法定单位或部门的合格证书及试验检测报告。

⑤锚索体的制作：钢绞线必须从盘丝上按计算长度采用机械切割，严禁电弧切割，不得采用焊接，不能有锈蚀、损坏的现象。将钢绞线在编索平台上拉直，每根锚索的钢绞线数目不得少于设计要求。

⑥注浆材料：一般为水泥砂浆或纯水泥浆，水灰比为0.4～0.45，灰砂比为1∶1，浆体强度≥35 MPa。水泥砂浆中水泥采用425#以上普通硅酸盐水泥，砂用平均粒径0.3～0.5 mm中砂，含泥量不大于3%。锚索孔内自孔底一次性压满M35水泥砂浆，注浆压力0.5～0.8 MPa，砂浆灌注必须饱满密实。

⑦张拉：待锚索锚固段的浆体强度达到设计要求后，方可进行预应力张拉。锚具底座顶面与钻孔轴线应垂直，确保锚索张拉时千斤顶张拉力与锚索在同一轴线上。正式张拉前必须进行预张拉，使锚索体完全平直。在施加预应力完毕后，锚索最后锁定施加预应力为设计拉力的110%，稳定时间不少于5 min。预应力锚索张拉锁定后，锚头部分应涂防腐剂，再用C30混凝土封闭。

(3)清方减载

清方区域岩体采用控制爆破，边坡开挖爆破施工前，应做好爆破设计，减少爆破开挖对清方区域以外岩体的扰动。清方完成后及时进行坡面竖梁锚索和锚杆框架防护。

(4)防落石挡墙

防落石挡墙作为临时性防治清方过程中落石滚落进入下方的观音寺河，防落石挡墙采用M7.5浆砌片石，墙高3 m。施工应满足：

①挡墙施工前应在顺层清方减载之前完成。

②采用的石料、砂浆材料必须复核施工规范规定，严格按照设计要求的材料选用。

③挡墙基槽开挖施工宜采取先两端后中间、分段、跳槽、马口开挖，跳槽开挖的长度8～12 m，开挖作业严禁爆破开挖。开挖一段后，应及时修筑和回填一段，不应冒进或中途停止施工。开挖施工期间应对坡体进行监测。基础底面严禁做成顺坡，其反坡应严格按设计要求施工。挡墙基槽达到设计要求后应清除基础表面的杂物，排干积水，及时验槽。

4 结 语

(1)仁遵团结特大桥遵义岸拱座所在山体地形较陡，地面高差大，覆盖层为粘土，下伏基岩为薄～中厚层状灰岩夹薄层泥膜、泥质白云岩夹层。该边坡岩体结构为硬质岩夹多层泥质薄膜和软质岩的陡倾角顺层边坡。

(2)仁遵团结特大桥拱座基坑边坡工程地质条件差为基础因素，降雨和工程活动是边坡顺层滑移的诱发因素，边坡变形坏模式为蠕滑-拉裂型。

(3)仁遵团结特大桥拱座基坑边坡防护采取开挖减载、锚拉桩、坡面竖梁锚索、独立锚索防护等综合治理措施。