喀斯特地貌地区大体积拱座基础开挖及基坑处理施工技术

杨 虎

(中铁二局第五工程有限公司, 甘肃兰州 730000)

喀斯特地貌地区大体积拱座基础开挖及基坑处理施工技术

杨 虎

(中铁二局第五工程有限公司, 甘肃兰州 730000)

随着科学技术和社会生产力的飞速发展，拱桥在跨径不断增大的同时，它的结构形式也在不断变化与翻新，出现了许多造型奇异的钢拱桥结构。大部分钢桁拱桥或钢管混凝土拱桥均是通过拱座进行传力，而拱座结构和受力状况均十分复杂，如何保证拱座施工质量和施工安全至关重要。文章结合新建铁路林歹南至织金纳界河特大桥实践，针对喀斯特地貌地区的特殊地质，通过深基坑开挖控制爆破分层开挖技术解决拱座的超欠挖，确保悬崖条件下的开挖安全,保证了工程质量和施工安全。

喀斯特地貌; 控制爆破; 岩溶整治； 施工技术

1 工程概况

1.1 桥梁总体布置

纳界河特大桥位于新建铁路林歹南至织金(新店)段，为跨纳界河山谷而设，桥梁轨顶标高与河流水面标高相差320 m。引桥及拱上梁跨布置为3×24 m简支梁+1×32 m简支梁+2×48 m T构+11×24.7 m钢混结合梁+2×48 m T构+7×32 m简支梁，全长810.10 m。主桥采用1-352 m上承提篮式钢桁拱，是目前世界同类桥梁跨度之最。拱座基础采用台阶式明挖基础，其上设墩高为56.05 m的混凝土空心交界墩。主桥立面及平面布置见图1。

1.2 地形地貌概述

纳界河特大桥拱座地处属溶蚀、侵蚀中心深切河谷地貌，地形起伏大，靠河侧为绝壁，两岸地形高陡，岸坡近于直立，局部岸坡坡度50°～60°。山体上植被发育，沟岸陡峭，地表多为灌木丛或旱地。谷底推测标高为912 m左右，水面实测标高932.86 m，两边坡岸标高约1 165 m。段内上覆第四系全新坡残积(Q4dl+el)黏土及崩坡积(Q4dl+col)碎石土，下伏基岩为三叠系下统茅草铺组(T1m)灰岩。两拱座区段地质简单，无大的褶曲构造形迹，下游约240 m处发育一正断层，走向N60°E，与线路大致平行，倾角约69°倾南，错距30～60 m，破碎到宽度20～50 m。桥址内岩层单斜，层理面凹凸不平，倾角平缓，层理产状N63°E /8°N，垂直裂隙发育，代表性走向为N14°E，N57°W。

1.3 拱座设计概况

该桥拱座及基础采用台阶式扩大基础，整个基础分为三部分，左、右幅拱脚基础及交界墩拱座。左右幅部分分别承担左右主拱肋传递荷载，设计为明挖基础，外轮廓尺寸为28 m×10 m×20 m(长×宽×高)，与地基接触的底面和后背设计为阶梯状，分三级台阶，一、二级高7 m，三级高6 m。左、右幅拱脚基础通过交界墩基础进行连接，交界墩基础尺寸为15 m×15.5 m×6 m。拱座及基础采用C35混凝土，方量为17 755.8 m3(图2)。

2 总体施工方案

本桥拱座及基础除少量覆盖层外均为坚石和次坚石，为减少开挖对拱座基底围岩扰动，拟采用控制爆破分层开挖，每层开挖厚度不大于2 m。为保证安全和减少对周围环境破坏，爆破区采用安全网覆盖减少飞石。

拱座及交界墩基础为整体，施工时拱座及交界墩基础同时施工,拱脚预埋段采取预留杯口的方法进行，即在拱座施工时将预埋段位置留出，待预埋段运至现场后进行安装。

由于基础范围内存在岩溶，因此，拱座开挖完成后先对岩溶进行注浆处理并进行基坑承载力检测，检测合格后进行钢筋混凝土施工。

混凝土采取拌合站集中拌合，混凝土运输车运至现场，混凝土输送泵泵送入模，分层浇筑。钢筋在加工场集中下料加工，汽车运至现场进行安装，钢筋连接采用机械连接。主拱拱脚预埋段采取先预留孔洞后安装的方法进行。

因拱座及基础结构尺寸较大、钢筋较多，为方便基础钢筋施工同时保证施工安全，钢筋施工采用型钢劲性骨架作为支撑。

拱座混凝土为大体积混凝土，根据设计及施工工艺要求，采取分块、分层方法进行浇筑,单层高度不大于4 m。

3 关键施工技术

3.1 拱座深基坑控制爆破开挖技术

3.1.1 拱座控制爆破分层开挖

拱座基坑开挖前先人工砍出开挖范围内灌木丛，再采用机械清除表面松碴，然后在距基坑开挖线5 m处设置截水沟。截水沟采用梯形截面，用M10浆砌片石修建，厚度30 cm，深40 cm，顶宽80 cm，底宽40 cm。测量组现场根据实测标高测放开挖线，测放开挖线要总体考虑，除靠河侧设置6 m宽出碴通道，同时也要考虑主拱安装操作空间。

拱座基坑平均开挖深度30 m左右，开挖时拱座基坑沿铅垂方向分为四部分，拱座顶以上为第一部分，拱座一级台阶6 m为第二部分，拱座二级台阶7 m为第三部分，拱座第三级台阶7 m为第四部分。各部分基坑均分层开挖，每层开挖深度不大于2 m。因第一、二部分开挖面较大，基坑开挖时采取分区爆破，每个区面积不大于400 m2，每个区分别设置掏槽眼、辅助眼、周边眼。为保证坑壁平面效果，第一、二级基坑靠近坑壁2～3 m部分，采用光面爆破单独进行开挖；为减小对拱座靠山侧和基底岩石爆破扰动，同时保证受力基岩整体性,基坑第三、四级采用光面爆破原理进行开挖，开挖严格按照多打眼少装药的原则进行爆破。周边眼炮眼间距不大于50 cm，普通炮眼间距1.0 m。若遇破碎边坡就直接采用油炮进行凿出，避免扰动基坑边的岩体。

根据现场地貌同时兼顾交界墩基础施工，拱座第一级及以上部分基坑采用整个基坑满挖，开挖面与拱座一级台阶底高差11 m，爆破推进方向，由无障碍一侧向基坑边缘推进，在接近坑边缘是炮眼采用周边眼,除周边眼间距0.5 m外，其余炮眼间距均为1 m。为体现光面爆破效果，所有爆破单区必须采取分节段爆破，在分节段爆破时，根据雷管节段号进行安装。1～8区参照A单区炮眼分布图布置，9～10区参照B单区炮眼分布图布置(图3)。

拱座第二、三级采用左、右侧单独开挖，由于基坑较深，二、三级开挖采用放坡开挖，放坡坡度为1∶0.3。第二部分开挖面与拱座二级台阶底高差7 m，爆破推进方向由无障碍一侧向基坑边缘推进，在接近坑边缘是炮眼采用周边眼，除周边眼间距0.5 m外，其余炮眼间距均为1 m。为体现光面爆破效果，所有爆破单区必须采取分节段爆破，在分节段爆破时，根据雷管节段号进行安装。1区、2区、3区、5区、6区可参照A单区炮眼分布图布置，4区、7区、8区、9区、10区可参照B单区炮眼分布图布置(图4)。

第四部分开挖面与拱三级台阶底高差7 m，爆破推进方向由无障碍一侧向基坑边缘推进，在接近坑边缘是炮眼采用周边眼，除周边眼间距0.5 m外，其余炮眼间距均为1 m。为体现光面爆破效果，所有爆破单区必须采取分节段爆破，在分节段爆破时，根据雷管节段号进行安装。2区、3区、5区、6区可参照A单区炮眼分布图布置，7区、8区可参照B单区炮眼分布图布置，1区可参照C单区炮眼分布图布置，4区可参照D单区炮眼布置图(图5)。

3.1.2 拱座基坑出碴

拱座基坑开挖采用挖掘机配合自卸汽车出碴，由于基坑较深出碴通道由侧面拖槽形成。根据现场实际情况，5#拱座从线路左侧拖槽，6#拱座从线路右侧拖槽。拖槽长度要根据基坑总深度整体考虑，出碴通道随基坑层层开挖而逐层降低，出碴通道最终坡度不能大于15 %。根据现场实际测量资料，东、西岸出碴拖槽深度约25 m，长度约300 m。基坑第三部分和第四部分左、右侧分别开挖，两岸出碴通道均为单侧拉槽，为方便出碴和机械设备进出，在基坑靠河侧设置一条宽6 m的通道。

3.1.3 拱座基坑防护

拱座基坑平均开挖深度在25 m左右，为保证基坑稳定拟采用喷锚防护对坑壁软弱部分进行防护。锚杆采用φ25砂浆锚杆，锚杆垂直于坡面，间距1 m梅花形布置，根据坑壁岩面情况决定锚杆长度，原则上锚杆长度3～6 m。钢筋网采用φ10钢筋，网格间距20 cm，喷射C20混凝土支护，厚度为20 cm。

锚杆采用风动凿岩机钻孔，使用高压风吹净钻孔，将锚头与锚杆端头组合，戴上垫片与螺母，把组装好的锚杆打入钻孔，锚杆要尽量打在钻孔的中央位置，将止浆塞穿入锚杆末端与孔口齐平并与杆体固紧，锚杆末端戴上垫板，然后拧紧螺母，再采用注浆机进行注浆。组合中空锚杆应沿杆体全长设置内径小于φ6 mm的排气管，锚杆砂浆必须自下而上充盈。

钢筋网的铺设在锚杆安装好后进行。钢筋网使用前清除锈蚀，钢筋网随受喷面的起伏铺设，钢筋网连接采用弯钩连接，钢筋网的喷混凝土保护层厚度不小于2 cm。钢筋网与锚杆或其他固定装置连接牢固，在喷射混凝土时钢筋不晃动。

基坑喷混凝土采用湿喷技术施工，分二次喷够设计厚度，初喷厚度不小于5 cm，采用混凝土喷射机喷射5～15 m3/h。严格湿喷工艺作业：严格控制混凝土配合比，在拌和站集中拌制混凝土，混凝土罐车运到现场，喷射混凝土先供风后供料，喷射时喷嘴垂直于受喷岩面，保持1 m左右距离，分片作螺旋往复运动，直到达到规定厚度。

基坑的临边防护采用φ48钢管，间距2 m,埋深大于0.5 m，断面上布置3根，其中扫地杆距地面为0.2 m，栏杆高度为1.5 m，挂设双层安全网。临河防护采用型钢制作，立杆采用120 mm工字钢，护栏高度1.5 m，纵向上采用L50角钢，间距2.0 m，布置4根，扫地杆距地面0.2 m,挂设双层铁丝网。基础采用C20混凝土，长0.5 m,宽0.5 m,深度不小于0.5 m。

3.2 拱座岩溶整治施工技术

拱座及交界墩基础结构开挖到位后，采用探地雷达(简称GPR)方法利用天线向地下发射电磁脉冲，并接收由地下不同介质界面的反射波，根据接收到的回波时间、幅度和波形等信息，判定地下介质的结构与埋藏体的位置与形态。根据测得的情况对岩溶进行处理，开挖部分采用C20混凝土回填，未开挖部分采取注浆进行处理(图6)。

3.2.1 施工准备

拱座基坑岩溶整治施工前做好“通水、通电、通路”工作，其中“通路”尽量做到利用既有施工便道及出碴通道，避免增加临时用地。岩溶整治施工前进行场地清理，清除表层的泥土腐土等。完善临时防、排水设施，防止在施工期间因地表水及地下水的侵入造成对注浆质量的影响。对影响基坑稳定的地下水，予以截断、疏干、降低水位，并引排到基坑范围以外。在施工期间，及时维修和清理排水通道，保障排水畅通、有效。

施工前安排专人对施工机械进行安全及性能检查，防止在注浆过程中发生机械故障,影响注浆的连续性，防止在注浆过程中注浆管破裂造成浆液喷射伤人等现象。各类设备就近安装，注浆管线固定，不宜过长，以减小压力损失。

3.2.2 钻孔、冲洗与封孔

(2)钻孔位置根据施工图施放，孔位偏差不大于5 cm；注浆孔位标定后，移动钻机至钻孔位置，完成钻机就位； 钻机就位后，用倾斜尺、水平尺等工具调整钻机角度，安装牢固，定位稳妥。

(3)所有I序孔均按勘探钻孔技术要求施钻，进行岩芯鉴定和编录，勘探成果形成记录表格，上报监理，逐孔验收。Ⅰ序孔完成后，及时封孔。

(4)易塌陷区、极易塌陷区施做Ⅱ序孔前，先由建设、设计、监理、施工四方根据现场先导孔揭示岩溶发育情况，共同确定是否实施Ⅱ序孔及施做Ⅱ序孔长度和段落。在确定最终设计方案后方可进行下一步施工。

(5)将钻杆对准所标孔位，用φ128 mm钻头开孔钻进，保证开孔直径不小于130 mm。开孔时要轻加压、慢速、大水量，防止将孔开斜。钻进过程中应注意观察地层变化，详细作好钻孔记录。岩溶注浆孔间距宜为3～10 m。

(6)注浆前进行成孔冲洗。对冲洗时返水的钻孔，以冲洗液变清为结束条件。对溶洞、溶蚀破碎带发育、冲洗时不返水的钻孔，要求流量不小于泵送额定流量的80 %，冲洗时间不少于10 min。对地质条件复杂地段，现场试验确定成孔冲洗方法和结束条件。

(7)封孔。

① 在满足设计注浆压力条件下，根据现场地质情况可采用浓水泥浆(水泥砂浆)一次性封闭或孔口管动态阻塞法封孔，封孔深度最小不少于2 m。

② 对未遇溶洞的钻孔采用一次性封闭法封孔，管径30 mm；当钻探揭示有溶洞、漏水严重情况时，为满足冲填粗骨料需要，采用孔口管动态阻塞法封孔，护孔管管径为110 mm；对于路基已经填筑地段的钻孔，为避免影响路基，必须采用孔口管动态阻塞法封孔，封孔深度位于地面以下1 m(图8)。

③ 孔口管动态阻塞法封孔技术要求。封孔流程为：钻孔→冲洗→在预定深度设置φ110 mmPVC孔口管，孔口管外侧底部20 cm用粘土堵截层→在封孔段灌注浓水泥浆→终凝后用止浆阀动态封闭注浆。采用孔口管动态阻塞法封孔时，封孔段钻孔直径不小于110 mm。孔口管直径为110 mm。为避免影响注浆效果，要求孔口管下部位于土石界面0.5 m以上，不得进入基岩。当覆盖层较厚时，可将起护孔作用的孔口管设置为花管。

3.2.3 试验与注浆

3.2.3.1 试验

按照施工单元划分，每个施工单元(每个基坑)选取一个试验点，进行现场压水(注水)试验、注浆试验，确定合理的注浆参数和施工工艺。根据设计院划分的工点，每个工点不少于三个试验点。对试验段的施工过程形成记录表格，请监理现场签认。试验结束后将试验成果上报设计、监理、建指，共同确认注浆施工注浆参数和施工工艺。

3.2.3.2 注浆

开泵前先将三通转芯阀调到回浆位置，待泵吸水正常时，将三通回浆口慢慢调小，泵压徐徐上升，当泵压达到预定注浆压力时，持续2～3 min不出故障，即可结束。

钻孔完毕，进行清孔检查，在确认没有坍孔和探头石的情况下，方可下管。注浆管距孔底不小于1 m，并在注浆孔上部设置止浆装置。否则，必须用钻机进行扫孔。在确定注浆管内无阻塞物后，即可进行注浆管安装。为减少拔管时的阻力，在注浆管上可上防水板。用沾有CS胶泥的麻丝绳绕成不小于钻孔直径的纺锤形柱塞，把管子插入孔内，再用台车将管顶入孔内到要求深度，使麻丝栓塞与孔壁充分挤压紧实，然后在麻丝与孔口空余部分，填充CS塑胶泥，使注浆管和止浆塞固定。注浆管外露的长度不小于30～40 cm，以便连接孔口阀门和管路。注浆管安放好后，在注浆管管口加上孔口盖，以防止杂物进入。

压水压力由小逐渐增大到预定注浆压力，并持续15 min。浆液配合比按实际情况进行调整，遵循先稀后浓的原则，依吸浆情况逐步加浓浆液。

帷幕孔须在浆液中掺入水泥重量2 %的速凝剂，使注入岩溶的浆液尽快凝结，以形成帷幕，防止浆液体溜走。

注浆管路系统的试运转：用1.5～2倍于注浆终压对系统进行吸水试验检查，并接好水、电；检查管路系统能否耐压，有无漏水；检查管路连接是否正确；检查设备机况是否正常；使设备充分热身。试运转时间为20 min。注浆顺序为防止临孔串浆冒出地面,增加处理难度,拱座钻孔及注浆顺序原则为:采用先外后内，由下至上，跳孔钻进，边钻边灌 ，以保证注浆质量。注浆压力控制：灰岩中为0.2～0.5 MPa，岩土界面附近逐步加大至0.3～0.5 MPa。

当注浆达到下列标准之一时，可结束该孔注浆：①注浆段注浆压力大于等于0.5 MPa。②10 min维持注浆量不大于5 L/min。

注浆完成后应立即拔管，若拔管不及时，浆液会把注浆管凝固住而造成拔管困难。拔管时使用拔管机，每次上拔高度为500 mm。拔出管后，及时刷洗注浆管，以便保持清洁、通畅。

4 结束语

针对钢桁拱桥拱座基础施工，结合本项目工程实际，选择了合理的爆破方案控制了超欠挖，实现了光面爆破的良好效果，节约了材料，通过基底的岩溶整治保证了基础的质量。

[1] TZ 203-2008 客货共线铁路桥涵工程施工技术指南[S].北京：中国铁道出版社，2008.

杨虎(1980～)，男，本科，工程师，从事现场施工管理工作。

U443.23

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[定稿日期]2017-03-22