南门山岩石高切坡工程的设计实践与体会

赵尚毅,雷用,陈金峰,董彤

（后勤工程学院军事建筑工程系，重庆 400041）

重庆市涪陵区南门金阶高切坡工程坡顶有居民建筑，由于新建建筑需要在已有建筑外侧进行深切坡，最大高度约26m，切坡不当可能引起坡顶建筑物变形，甚至边坡垮塌造成严重事故，有较大风险。该高切坡工程的支护设计采用桩+锚索的支护方案，设计要求逆作法施工。但是实施过程中部分区段未按逆作法施工发生了险情，而严格按逆作法施工的区段在施工期间以及竣工后2年的位移监测结果表明切坡引起的变形很小，坡顶建筑物安全。对于此类坡顶有重要建筑的高切坡工程，在重庆市经常遇到，目前对该类工程的设计理论尚不十分完善，稍有不慎，则可能造成严重事故。本文介绍该高切坡工程的设计思想以及切坡引起的变形情况，总结该工程的一些成功经验和失败的教训，为其它同类工程的设计施工提供参考。

1 边坡特征和工程地质简况

工程项目位于重庆市涪陵南门山，为涪陵地区闹市区黄金地段。拟建建筑为2栋30层高楼。按现有地形和建筑总平面布置设计要求需要对原有地形进行切坡，最大切坡高度20m，由此形成高切坡。边坡坡顶有多栋老居民建筑，切坡线距离坡顶建筑的水平最近距离只有3m。坡顶建筑为上世纪70年代修建的多层砌体结构房屋，建筑基础形式均为条型基础，基础置于强风化基岩岩体上。

图1 拟建建筑效果图

图2 坡顶需要保护的居民建筑

图3 边坡剖面图

场地内的地层岩性有：人工填土层、泥岩和砂岩。泥岩：中厚层状构造，偶夹薄层状砂岩及灰绿色团块。砂岩：中厚层状构造，局部含泥质较重。中等风化层：岩芯较完整，局部呈碎块状，裂隙较发育。上部强风化层：岩体破碎，裂隙发育。

场地位于珍溪向斜南西扬起端，岩层倾向35o，倾角21o。场区内基岩主要在场地北西侧出露。场地基岩中主要发育两组裂隙：①产状195o∠63o，长0.5m～1.5m，裂面较平直，呈闭合状，发育间距1m～2m；②产状105o∠79o，延伸长0.5m～1m，呈闭合状，发育间距0.6m～1.2m，为硬性结构面，结合较差。

现场勘查揭示，砂岩和泥岩接触面存在软弱夹层，勘察单位提供的此软弱夹层强度参数为：粘聚力C=30kPa，内摩擦角Φ=12o，岩体层面及裂隙结构面的粘聚力C=50kPa，内摩擦角Φ=18o，经赤平投影分析，该段边坡为顺向坡，边坡岩体主要由泥岩组成，边坡岩体类型为Ⅲ类，主要受层面及其与②号裂隙组合影响，沿层面及其组合交线滑塌的可能性较大。边坡破裂角取63.3o，等效内摩擦角取55o。

图4 岩体结构面赤平面分析图

2 设计参数

根据勘察报告，设计采用的力学参数如表1。

表1 岩土参数

3 边坡变形破坏模式

根据边坡岩性、构造及结构面产状，边坡切坡后有以下几种可能破坏模式。

（1）沿着外倾结构面产生破坏。一是岩体层面间破坏，二是砂岩和泥岩接触面的软弱夹层结构面破坏，三是层面和②号裂隙组合面破坏。

（2）沿着45o+Φ/2=63o的库伦破裂面破坏。

（3）由于坡顶有居民建筑，切坡后边坡岩体产生卸荷侧向变形，即使边坡没有发生垮塌，但也可能引起坡顶建筑结构开裂。

4 侧向岩石压力计算

设计对于以上三种情况分别进行稳定性计算，并计算对应的岩石侧压力，按最不利情况进行支护结构设计。设计对每个区段选取最不利的剖面进行计算，以11-11剖面为例。

(1)按照软弱夹层的顺层滑动，软弱夹层倾角21o，C=30kPa,φ=12o。按极限平衡法[1]计算得到侧向岩土压力计算结果为Ea=1267.8kN/m。

(2)按照均质岩体，采用库伦土压力公式计算得到的侧向岩石压力为Ea=669.2kN/m.（岩体C=0kPa,φ=55o）。

(3)静止岩石侧压力

坡顶建筑荷载按每层楼15kPa的超载考虑，采用《建筑边坡支护技术规范》建议的侧向静止岩石压力公式计算得到此剖面的侧向静止岩石压力为E0=2928.3kN/m。

《建筑边坡支护技术规范》第6.4条规定对支护结构变形控制要求严格的岩石边坡静止岩石压力需要修正[2]，理由是由实验室测得的岩块泊松比是岩石的泊松比，而不是岩体的泊松比，因而由此算得的静止岩石侧压力系数。因此对岩石静止侧压力系数必须依据经验进行修正。

修正静止岩石压力Eo’=β1Eo

β1为静止岩石压力折减系数，根据边坡岩体类别确定，对Ⅰ类取0.3~0.45，对Ⅱ类取0.4~0.55，对Ⅲ类取0.5~0.65，对Ⅳ类取0.6~0.75；裂隙发育时取大值，裂隙不发育时取小值。修正后还要求Eo’≥(1.3~1.4)Ea。

修正后的静止岩石压力为Eo’=1903.4 kN/m＞1.4 Ea。可见，修正后的侧向静止岩石压力数值明显比库伦主动侧岩石压力大。因此，本高切坡支护结构设计由侧向静止岩石压力控制。

5 边坡支护方案

根据边坡破坏模式分析及侧向岩石压力计算，边坡切坡后如不支护则边坡不稳定，边坡最大岩石侧压力为静止岩石压力，边坡开挖过程中需要采取措施限制边坡岩体切坡后的侧向变形。由此，设计采用锚索+桩的支护结构型式。

如果采用普通板肋式锚索支护，那么施工时需要先开挖出一个台阶的工作面，然后再钻孔施工锚索。在锚索还没有发挥作用前，边坡就可能产生变形甚至垮塌，由此可能带来风险，给坡顶建筑物安全造成影响。因此，设计要求先施工桩，然后逆作法施工锚索，开挖一级便立即支护一级。桩+锚索支护示意图如图5。

图5 支护方案示意图

6 施工顺序要求

设计要求先施工桩，然后逆作法施工锚索。开挖一级后立即施工一级锚索，必须等到上一级锚索发挥作用后才能进行下一级岩体的开挖。桩上混凝土垫墩强度及锚索锚固段砂浆强度达到设计强度90%时，才能进行锚索张拉锁定。

按照规范要求，混凝土和水泥砂浆标准养护龄期为28d。如果竖向每排锚索钻孔灌浆后都需要等待28d的养护期，会造成工期较长，建设方难以接受如此长的工期。为缩短工期，设计采用C30外锚墩，锚固段采用M40水泥砂浆，并在注浆液以及外锚墩的混凝土中掺入适量的早强剂，要求浇筑外锚墩混凝土后要精心养护。注浆的同时，取不同龄期的力学试样，具体张拉时间根据试块强度试验结果确定。

设计要求垫墩强度及砂浆强度达80%后，开始用轻型千斤顶对钢绞线逐一张拉，张拉力控制在10～20kPa，使钢绞线逐根顺直，然后进行整束整体初次张拉。整体张拉采用两次多级，第一次张拉用20%设计拉力预张拉，以便索体各部位接触紧密，索体完全顺直。第二次张拉按五级张拉，即预应力的25%，50%，75%，100%，110%， 除第一级需要稳定20～30min外，其余每一级需要稳定5min，并分别记录每一级钢铰线的伸长量。当垫墩和孔内砂浆强度达设计强度时，进行末次张拉。各锚索施工完且锁定后48h内发现预应力损失值大于设计荷载的10%时，应分析原因并对其补偿张拉。

7 现场施工期间出现的险情

如前所述，设计要求先施工桩，再施工锚索，锚索锁定后才能逆作法进行下一级岩体的开挖。但是建设方急迫要求快速施工，希望最快的时间进行基坑岩体开挖，开挖出建筑基础的施工作业面，在最快的时间里完成工程建设。由此建设方在某位建筑结构专家的建议下，认为该边坡为岩质边坡，在距离切坡位置水平距离15m处进行基坑开挖不会引起边坡失稳。建设方采用了此意见，在上部抗滑桩还未挖到位的情况下，下部基坑就进行了开挖，由此造成坡顶建筑物开裂。尤其是幼儿园房屋的墙体、楼板严重开裂，严重威胁幼儿园人员的生命安全，不得已对幼儿园进行搬迁和经济赔偿（如图6、图7）。

图6 现场施工照片

图7 坡顶房屋墙体、楼板开裂

造成此事故的原因就是建设方为了缩短工期，没有按设计要求的逆作法施工，在上部支护结构未完成的情况下进行下部基坑开挖造成岩体变形。事故发生后，在政府部门的监督下，立即停工，并对已经开挖的基坑临空面岩体采取应急加固措施，设计采用锚杆挂网喷射混凝土的支护措施。每孔锚杆采用1Ф32精轧螺纹钢，锚头采用锚墩形式，400x400x200mm。钢垫板尺寸300x300x20mm。这种方案加快了施工速度。施工后的位移监测数据表明，坡顶岩体的变形停止，应急加固措施效果明显。

建设方想加快工期，但不按科学规律进行反而拖延了工期，并造成经济损失，好在没有造成人员伤亡。遗憾的是建设方并没有从此事故中吸取教训，在CD区段第二阶锚杆挡墙的施工过程中又没有按逆作法施工，按90°的坡度一坡到底开挖，且未支护。边坡岩体在暴露了约15d后，出现垮塌，架设的脚手架和钻机被打翻。幸好垮塌发生在夜间，未造成人员伤亡。如图8。

图8 施工垮塌现场

边坡支护的逆作法施工技术是自上而下分阶开挖与支护的一种重要施工方法，是岩土工程界用血的代价总结出来的一条宝贵施工经验。《建筑边坡支护技术规范》中明确要求对土石方开挖后不稳定或欠稳定的边坡应根据边坡的地质特征和可能发生的破坏等情况采取自上而下分段跳槽及时支护的逆作法或部分逆作法施工，严禁无序大开挖作业。对于Ⅲ类岩体边坡应采用逆作法进行施工，Ⅱ类岩体边坡可部分采用逆作法施工。但是实际施工中许多单位为了缩短工期，图方便而采取一挖到底再支护。由此造成了边坡垮塌事故，得不偿失。此类工程事例在重庆地区还较多，比如重庆南坪某工地岩质边坡未按逆作法要求施工，一坡到底后裸露半个月后垮塌（图9）。

图9 南坪某高边坡工地垮塌现场

8 桩锚结构体系支护效果

在边坡高度较高的AB区段，施工单位严格按照设计要求的施工顺序进行，即先施工桩，然后施工锚索，自上而下分阶开挖一级立即支护一级。

施工单位对锚索锚固段M40水泥砂浆试块取不同龄期进行试验，测试结果见表2。

表2 不同龄期砂浆试块试验结果表

根据水泥砂浆试块试验结果，M40水泥砂浆掺入适量的早强剂后，15d的强度达到37.5MPa,达到M30砂浆强度。施工单位按此结果进行锚索张拉锁定后再开挖下一级岩体。按此方法进行，在施工期间和施工完毕后边坡未出现变形，坡顶居民建筑也未出现裂缝，治理效果非常理想（图10）。

图10 工程完工后的现场照片

建设方委托重庆岩土工程检测中心对该边坡进行监测。先后建立变形监测点共27个。2年内总共进行了140轮次沉降、位移监测。监测结果表明，严格按照逆作法施工的区段坡顶特征监测点的位移非常小，总的水平位移量值小于5mm。而未按逆作法进行的坡顶特征监测点得到的累计位移最大达到33mm，竖直沉降位移累计达25mm。但自从采取应急加固措施，后续施工严格按逆作法施工后，特征点位移累计变化均小于5mm，所有监测点变形速度均未超过临界变形速度值1～1.5mm/d。且随着时间推移趋于稳定。

图11 特征点位移监测结果

以上情况充分说明，只要严格按照逆作法施工，就能有效控制高边坡的变形量，确保坡顶建筑的安全。同时也说明采用桩+锚索的支护方案按静止岩石压力进行支护结构设计是成功的。

9 几点体会

(1）对于坡顶有重要建筑物的高切坡工程，桩+锚索（杆）的联合支护型式是一种安全可靠的支护方案。尤其适用于土质切坡或Ⅲ、Ⅳ类岩石高边坡工程。对于Ⅱ类岩石高切坡，可根据切坡线到坡顶建筑基础边线的水平距离、边坡高度、工程风险程度等酌情考虑支护方案。

(2）对于坡顶有重要建筑物的高切坡工程，采用静止岩石侧压力公式计算得到的岩石侧压力往往比主动岩石压力大很多。国标《建筑边坡支护技术规范》给出的岩石侧压力修正系数具有一定经验性。对于完整性较好的Ⅱ类岩石高切坡工程，切坡后是否有较大的静止岩石压力，需要进一步研究。

(3）边坡切坡引起的水平和竖向变形影响范围有多大，目前尚不十分清楚。目前的高切坡静止岩石侧压力计算范围是整个边坡高度范围内。锚索长度按主动岩石压力确定的破裂面确定。笔者曾采用限元数值软件模拟某岩石基坑开挖引起的卸荷变形范围。基坑边坡没有外倾结构面，岩体完整性较好，边坡的稳定安全系数为2.3。从主动岩石破坏模式分析，该边坡不必支护即很稳定。但按静止岩石压力理论计算，该边坡需要采取锚索强力支护。

图12为基坑开挖引起的岩石侧向水平位移大于2mm的分布云图。结果表明，基坑开挖引起的岩石边坡的水平变形范围并不呈直线形式，而且卸荷变形范围较大。那么究竟多大的侧向变形值对坡顶建筑安全有影响呢？是不是所有坡顶有建筑物的岩石边坡都要按静止岩石压力计算呢？按此设计会造成相对较高的工程造价和较长的施工工期，这个问题有待于进一步研究。

图12 某深基坑开挖后引起的卸荷范围分布

(4）涪陵南门山高切坡的施工经验和教训再一次告诉我们，边坡施工的逆作法是岩土工程界用血的代价总结出来的一种安全可靠的施工方法，必须坚持。有高切坡的建筑工程施工必须坚持先治坡后建房的基本原则。

[1]赵尚毅，郑颖人，王建华，等.基于强度折减安全系数的边坡岩土侧压力计算方法探讨 [J].岩石力学与工程学报，2010，29(9)：1760－1764.

[2]中华人民共和国国家标准编写组.GB50330-2003建筑边坡支护技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.