砂泥岩互层区超深锚碇基坑施工技术与变形监测*

宋 健，李鸿盛，胡风明，闫 磊，程龙飞

(1.中交一公局重庆万州高速公路有限公司，重庆 404100； 2.重庆三峡学院土木工程学院，重庆 404100)

0 引言

悬索桥重力式锚碇基础埋深较大，施工首先需要进行基坑开挖，形成深达数十米的超深基坑。深基坑开挖过程中，岩土层开挖面重力及对周边岩土的支撑作用持续减少，从而导致基底及周边岩土层应力重分布。若在开挖过程中，基坑边坡及支护结构不能形成新的平衡状态，就会造成基坑边坡失稳坍塌等事故，甚至造成重大的生命财产损失。

我国东部平原地区具有深厚的覆盖层，锚碇基坑常采用沉井[1]、矩形地下连续墙[2]、圆环形地下连续墙[3-5]等支护形式，已经积累了丰富的施工经验。在中西部山岭重丘区，重力式锚碇的基坑边坡常为岩质边坡或土岩混合边坡，可充分发挥岩质边坡的优势，采用放坡开挖[6-7]或者混合支护形式[8-9]。但目前为止，砂泥岩互层地质锚碇基坑的案例仍较为罕见。

背景工程地处三峡库区腹地重庆万州区，该区侏罗系砂岩、泥岩、砂质泥岩、页岩等广泛发育并形成互层结构，并因构造运动形成倾斜产状。砂岩、泥岩、页岩的结合面是相对软弱面，该区域的滑坡大多数与此有关[10]，即使在缓倾角状态下也可能产生顺层滑坡[11]。依托背景工程，本文总结了砂泥岩互层地质超深锚碇基坑的施工技术方案，并对基坑边坡变形监测成果进行了分析，相关经验和数据可为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

新田长江大桥设计为单跨1 020m的钢箱梁悬索桥，在重庆万州城区上游19km处跨越长江，是恩广高速重庆新田至高峰段的控制性工程。桥梁采用双向四车道高速公路标准建设，设计速度80km/h，主桥宽度30.5m(含风嘴)，主梁高度为3m。根据设计，两岸的锚碇均采用重力式锚碇，基坑采用明挖顺作法施工。

1.1 新田岸锚碇区地质条件

桥址区为长江河谷地貌，两岸多浅丘及构造剥蚀低山丘陵。新田岸锚碇区位于山脊顶部较平缓区域，北东侧、南西侧均为斜坡，地面分布高程233.000～238.000m，地表覆盖层为厚度1.1～3m的粉质黏土，局部基岩出露，基岩岩体较完整，为沙溪庙组粗砂岩、砂岩、页岩、砂质泥岩。由于上覆层为相对隔水层，且基岩具有多处临空面，利于基岩裂隙水排出，因此锚碇区基岩裂隙水总体贫乏。自高峰岸向新田岸桥位为西北-东南走向，以新田岸锚碇后方为东，将锚碇基坑边坡区分为东、西、南、北侧。

东侧开挖边坡长度约46.6m，高度约35.7～42.9m，坡向297°，为土岩混合边坡。上部土质边坡厚度约1.5～2.5m，岩性为粉质黏土，下部基岩面较陡，最大约10°，下部岩质边坡部分，东侧开挖岩质边坡为顺向坡，岩层层面向基坑内倾斜。

西侧开挖边坡长度约38.5m，高度约28.9～37.2m，坡向117°，为土岩混合边坡。上部土质边坡厚度约1.2～3.0m，岩性为粉质黏土及素填土，下部岩质边坡为反向坡，基岩裂隙与边坡呈大角度相交。

南侧开挖边坡长度约47.4m，高度约8.7～38.0m，坡向35°，为土岩混合边坡。上部土质边坡厚度约1.5m，岩性为粉质黏土，下部基岩面较缓，仅为2°～8°，下部岩质边坡为切向坡。

北侧开挖边坡长度约47.5m，高度约14.4～38.0m，坡向199°，为土岩混合边坡。上部土质边坡厚度约0～1.6m，岩性为粉质黏土，下部基岩面较缓，仅为2°～5°，下部岩质边坡部分为切向坡。

1.2 新田岸锚碇基坑设计

锚碇基坑坑底平面为以桥轴线对称的不规则六边形，长36～40.41m，宽16m，坑底高程为193.600m，锚碇最大开挖深度为49.2m，开挖最大边坡级数为6级，开挖总方量约18万m3。以坑底平面为基础扩展，各级边坡均呈六边形态，基坑平面布置如图1所示。

图1 基坑平面布置

东侧边坡(1—1剖面)为顺岩层且高度大，边坡坡率自上至下分别为1∶1.5，1∶1.5，1∶1.5，1∶0.5，1∶0.5，1∶0.5。南侧边坡(2—2,3—3剖面)受产业园便道控制，不具备1～3级按1∶1.5放坡的条件，因此，边坡坡率采用1∶1.5，1∶0.75，1∶0.75，1∶0.5，1∶0.5，1∶0.5。北侧，西侧边坡(4—4，5—5剖面)最大边坡级数为5级，且岩层外倾，边坡坡率采用1∶0.75，1∶0.75，1∶0.5，1∶0.5，1∶0.5。其中西侧2级边坡底部设14.2m宽平台，为锚碇支墩底部。除第1级边坡为适应地形变化高度不等外，其余边坡高度均为8m，两级边坡间设1.5m宽碎落平台。施工时在6—6剖面设置2号出渣通道，自上至下的边坡坡率与5—5剖面相同。

边坡防护采用钢筋锚杆挂网喷射C20混凝土护面。锚杆采用HRB400钢筋，直径22mm，长4m，布置间距2m×2m；钢筋网直径为6mm，间距为0.2m×0.2m；边坡坡面上设泄水管，布置间距2m×2m；坡顶周边设护栏，护栏外侧挖截水沟，将坡顶水汇流排入附近水塘，坑底周边设汇水沟和集水井，便于基坑排水。

2 基坑开挖技术

新田岸锚碇基坑采用放坡开挖，依据岩层产状和边坡高度采用不同的边坡坡率，具有基坑深度大、边坡坡率大、开挖方量大、边坡防护面积大的特点。基坑施工工期为243d，因此，锚碇基坑施工时间紧、任务重，且面临施工期降雨量大、基坑防排水困难、基坑出渣困难等难点，选择合适的基坑开挖方式是关键。基坑开挖根据不同的土质、岩石风化程度和开挖深度选择不同的方法。

1)上层覆土和强风化岩层开挖采用反铲挖掘机分区分段开挖，采用放坡挖土法，先沿基坑周围开挖，开挖1段防护1段，控制每段开挖长度不超过30m，以保证中部预留核心土的稳定。挖至边坡设计线附近时采用挖掘机刷坡，并及时进行边坡防护。待基坑周围所有边坡支护完成后再大规模挖除基坑中部核心土，同样采取从四周往中间开挖的方式进行。基坑开挖过程中需在基坑内设置临时排水沟，基坑较低位置设置一定数量的集水井，用于收集基坑内降雨，并使用潜水泵抽排出基坑。

2)中风化岩土体开挖采用盆式挖土法，自中心部位向周边分区分层开挖。周边预留的土坡对边坡有内支撑反压作用，有利于控制边坡变形，确保边坡的稳定性。同时，由于边坡挂网喷浆防护工作量大，在上层边坡防护仍在进行的情况下，即可开展下层中间部分的基坑开挖，交叉施工，有利于缩短工期。单纯采用机械开挖对中风化岩石效率较低，工期难以保证。因此，采用大直径深孔爆破及边坡预裂爆破相结合的方式，具体采用毫秒微差定向控制爆破法，控制爆破冲击波、振动、噪声和飞石，避免对山体造成破坏。

3)深孔爆破 深孔台阶爆破是岩石爆破开挖的主要方式。本工程的炮孔采用潜孔钻成孔，直径90mm，炮孔间距3.2～3.5m，排距2.6～2.8m。爆破孔装药采用药卷直径70mm的2号岩石乳化炸药，线装药密度按5～7kg/m控制。爆破设计参数如表1所示。

表1 深孔爆破设计参数

4)预裂爆破 预裂爆破适用于岩质边坡开挖，使边坡岩石沿预定边坡面爆落，留下光滑平整的开挖面，并尽量避免边坡围岩受到破坏。施工时，主炮孔垂直钻孔，预裂孔和缓冲孔炮孔按边坡倾角钻孔，炮孔间距为0.8～1.5m，线装药密度0.3～0.6kg/m，在孔底段适当加大。炮孔直径为90mm，采用药卷直径70mm的2号岩石乳化炸药。为解决炸药临界直径的限制和改装药卷的困难，采用体积不耦合多段空气柱间隔装药法。事先使用毛竹片绑扎药卷及导爆索，放入孔中，然后进行堵塞，堵塞长度约为2m。在主炮孔与预裂孔之间增设与预裂面平行的缓冲孔，主要起到缓冲边坡能量对边坡的破坏，与预裂孔的排距为主炮孔排距的0.7倍，药量为主炮孔的0.5倍，起爆时间比预裂孔延迟150～200ms。

在距基底1m以内禁止采用爆破开挖，以免影响地基强度。宜采用机械开挖和人工修整，保证锚碇地基的强度和平整度。基底平整度高差应控制在+20～150mm；开挖坡度平整度应≤100mm；边坡防护施加后，不得侵入锚碇范围。在设计底标高基面上进行地基原位承载力试验及摩擦系数试验，以验证锚碇整体稳定性及结构安全度。要求在开挖到距基面1m时，先局部快速开挖几处试验坑，并立即进行地基原位承载力试验及摩擦系数试验，以缩短基底的暴露时间。

截至2019年12月10日，南岸锚碇基坑开挖工作全部结束，实际开挖用时仅130d，在实际开工日期较晚的情况下，比计划节点提前4d完成了基坑开挖、防护施工任务，取得了良好的施工效果。

3 变形监测

基坑开挖期间，随着岩土体的逐渐卸荷，未开挖部分的围岩会产生应力重分布，引起基坑围岩的变形，并且由于泥岩具有蠕变性特征以及受地下水、降雨等的影响，这种基坑的变形具有长期发展的趋势。通过对基坑围岩变形进行监测[12]，可以掌握各种因素作用下的围岩变形发展情况，从而判断边坡围岩的稳定性，确保施工期间的安全。积累边坡变形监测数据，掌握边坡围岩的变形规律也有助于提高对不同种类岩土体力学特性的认识，弥补理论分析方法的不足，指导后续工程的开展。

3.1 监测系统设计

新田岸锚碇基坑监测的主要内容包括边坡水平和竖向位移监测、边坡裂缝开展情况监测。本项目监测等级定为二等监测，精度要求水平位移观测点坐标中误差±3.0mm，竖直位移观测点高差中误差±0.5mm。

边坡变形测量的基准点设置在变形区域以外、位置稳定、不受施工干扰且视线良好的地方，并应定期复测。平面坐标系采用独立坐标系，以高峰至新田桥轴线方向为y轴方向，以南向北垂直于桥轴线为x轴方向。本工程西侧边坡开挖区域以外对称桥轴线选择两处位置开挖基坑，浇筑底座和混凝土方墩，并在混凝土墩上埋设特制标芯作为基准点。控制网测量按二等三角网要求施测。

水准基准点均匀分布在整个监测区域的四周，并选在变形区以外。水准基准点采用预制或现浇混凝土标识埋设在基岩或原状土层中，其埋设要求保证在整个观测期间坚固稳定。当竖向位移点出现异常情况，首先应检测水准基准点。高程系统采用独立高程系统。水准基准网观测按照二等水准测量的要求执行。

坡顶水平位移和竖向位移监测点的布设应能全面反映边坡变形特征，并顾及地质情况及围护结构特点。锚碇基坑边坡水平位移和竖向位移监测点的布设沿边坡碎落平台周边布置，边坡中部、拐点处应布置监测点。基坑开挖深度每增加8m沿基坑周边增设一圈测点。实际布设位置及点数在布设时根据现场的具体情况确定，其位置要能最大程度反映基坑的变形状况。基坑水平位移和竖向位移监测点的布置如图1所示。

根据GB50497—2009《建筑基坑工程监测技术规范》并结合本锚碇基坑工程的特点确定变形监测的预警值和控制值，如表2所示。

表2 基坑变形监测预警值及控制值

3.2 监测成果及分析

锚碇基坑监测周期从基坑开挖开始至锚碇基坑回填完毕后连续3d的监测数值稳定即可停止监测。实际监测自2019年8月27日开始，至2020年5月10日结束。此期间涵盖了基坑开挖和回填，基坑开挖期间每天至少监测1次；基坑回填期间，第1个月每周2次，第2个月及之后每周1次。

对监测数据进行处理，限于篇幅给出4个方向2级坡顶典型测点的最大位移量和最大日变化率，如表3所示；以周为单位汇总各监测点3个方向位移量，绘制了东侧边坡、南侧边坡典型测点的3个方向的位移变化曲线，如图2所示。

图2 位移变化曲线

表3 典型测点累计位移量和最大日变化速率

分析基坑边坡变形监测数据，锚碇基坑东侧边坡、南侧边坡水平x，y方向的位移较大，多数测点大幅超过预警值，但仍未超过控制值，竖向也有个别测点的位移超过预警值；西侧边坡和北侧边坡的水平方向和竖向的位移均未超过预警值。基坑的最大变形产生在南侧边坡2级坡顶的7号测点上，该测点位于基坑东南方向，这与现场该处产生边坡开裂的情况相符，此外在东侧边坡一二、二三级碎落平台处也产生了开裂现象。由此说明，东侧边坡和南侧边坡比西侧和北侧边坡的稳定性更为不利，这是由于东侧边坡为顺层坡，岩石倾角较大，南侧边坡虽为切向坡但岩层仍有一定的倾斜角度；东侧边坡上三级均采用了1∶1.5的坡率，而南侧边坡2，3级均为1∶0.75坡率，虽然南侧边坡岩层倾角更小，但是由于边坡坡率更大，因而产生了更大的水平位移和沉降；可以预见东侧边坡若采用同样的坡率，将会产生更大的位移，甚至产生边坡失稳坍塌事故。锚碇基坑施工期间东侧、南侧边坡的变形虽然超过预警值，但位移值未超过控制值，未产生边坡失稳坍塌等更进一步的灾害。从这一点上说，本基坑采用的放坡坡率是安全的。

分析图2东侧边坡、南侧边坡典型测点3个方向的位移变化曲线，自开始监测至2019年11月23日，随着开挖深度的增加，x方向的位移呈现缓慢增加的趋势，y方向和竖向的位移变化规律不明显；而在第14周，具体为11月23日—11月25日，东、南边坡测点的三向位移快速增加，多数测点的日变化速率和累计位移值超过预警值，这与现场巡视发现的裂缝开展情况基本一致；11月25日以后，边坡位移变化趋于平缓，位移变化速率未再出现超过预警值情况。对比现场施工进度，11月23日—11月25日为基坑最下一级爆破施工期，基坑土体卸荷接近最大状态，基坑边坡部分岩层由于应力过大产生了断裂，从而导致了应力重分布和边坡开裂现象，应力重分布后围岩达到了新的平衡状态。这也说明，在砂泥岩互层地质中，边坡位移具有突变的特征。

受春节假期及新冠疫情影响，2020年1月20日—3月15日未开展任何施工活动，对比停工前和复工后监测数据变化，东侧、南侧边坡变形仍呈缓慢发展趋势，反映了砂泥岩互层地质，由于泥岩的蠕变特性，导致边坡变形具有长期发展的趋势。

4 结语

砂泥岩互层地质的锚碇基坑采用放坡开挖，针对边坡岩石产状，设计采用不同的放坡坡率，并采用锚杆挂网喷浆的方法对坡面进行防护。现场施工时，制定了针对性的施工技术方案，上层覆土直接采用机械开挖，下层中风化岩石采用深孔爆破和边坡预裂爆破相结合的开挖技术，并采用盆式挖土法，各工序交叉进行形成流水作业，减少相互干扰，极大提高了施工效率。

基坑施工期间进行了系统的边坡变形监测，监测数据表明东侧和南侧边坡变形较大，大部分测点的位移值均超过了预警值，但未超过控制值，基坑边坡整体是稳定的，达到了预期设计目标；砂泥岩互层地质基坑边坡的变形具有突变性和长期蠕变性特征，突变位移是导致边坡变形的主要因素。