浅析复杂地质环境下高边坡多级消能技术

李兴江

（中铁开发投资集团有限公司,云南 昆明 650000）

1 工程概述

1.1 项目概况

贵州金沙经仁怀至桐梓高速公路工程桐梓河特大桥是一座全长1 422 m的钢桁梁悬索桥,主跨965 m,跨越乌江支流桐梓河,连接仁怀市和桐梓县两地,也是全线唯一的一座技术复杂型特殊桥梁。大桥的桥跨组合为：仁怀岸98.5 m深双幅隧道式锚碇+ (48+80+48）m连续刚构引桥+仁怀岸208 m 高索塔+ 965 m 单跨钢桁梁悬索桥+桐梓岸140 m 高索塔+6 孔40 m 预制简支T梁引桥+重力式锚碇。

图1 全桥立面图

1.2 工程自然环境条件

桐梓河特大桥项目区前段属乌蒙山与娄山山脉的交汇处,桥位区域地貌类型为主要为中低山峡谷地貌。桥址区桐梓河呈典型的深切“V”型谷地,河谷切割剧烈,桐梓河两岸地形陡峭,多形成陡崖,两岸地表植较发育,主要以高耸的柏树和灌木丛为主。仁怀岸山体坡面陡峭,斜坡自然坡角30°～50°,基岩露头,山体上部可见陡立灰岩、下部可见泥灰岩夹页岩。桐梓河两岸岸坡陡峻,上部呈陡崖直立状,下部为错落体,卸荷裂隙及其发育,存在多处危岩体,大部分灰岩裸露,岩溶非常发育。

仁怀岸岸坡上覆土层为黏土,厚度薄；下伏基岩为泥质粉砂岩、灰岩,强风化层厚1～3 m,节理裂隙很发育,岩体破碎；中风化层岩体节理发育～不发育,岩体较破碎～较完整。岸坡主要由强～中、微风化岩石组成,为岩质边坡。

1.3 仁怀岸高边坡设计概况

桐梓河特大桥仁怀岸墩台全部处于半山腰地带,单个索塔承台尺寸为20.3 m×20.9 m×7 m,承台底面标高为+758 m。整个山体自然坡度40°～70°左右,且多为石方山体。仁怀岸主塔平台边坡设计分六级边坡,每级边坡高度不大于10 m,边坡坡率第一级为1：0.5,第二级为1：0.5,第三级为1：0.5,第四级为1：0.75,第五级为1：0.75,第六级1：0.75 两种,采用机械破碎和局部预裂爆破相结合的方式进行开挖。其中有一条地方道路横穿主塔平台,需要将其改移至边坡第二级平台上。

平台及边坡主要采用以下几种方式进行防护：

（1） 采用锚索框架梁+植生袋护坡。

（2） 锚杆框架梁。

（3） 帘式多级消能被动防护网。

（4） 临时管棚通道防护。

（5） 挂网锚喷。

平台外侧采用轻质气泡混合土挡墙进行支挡+钢管桩平台相结合的方式,既保证对主塔部位山体进行防护,同时也作为边坡滚落石的缓冲平台和后期施工作业平台。

图2 边坡设计断面图

2 复杂环境下高边开挖防护措施

本地质灾害区高边坡开挖施工采取多级消能防护技术,其基本原理就是通过“防、控、接、消、挡”的多级立体防护体系,使整个高边坡开挖过程不破坏周边、不被周边伤害、消除施工全周期的安全隐患,做到安全万无一失[5]。

“防”即是通过提前清理施工区域危石孤石,并设置拦石网、截水沟保证施工过程中不被边坡上方周边不稳定体伤害。“控”即是采取多台挖掘机机械破碎、接力转运开挖渣土来控制施工对山体的扰动。“接”即是在开挖区域下方提前设置被动防护网,将挖掘机作业时不可避免滚落的土石颗粒接住,待开挖形成一定平台后再用挖掘机清除。“消”即是通过多重被动防护网、挡墙及防护棚将意外滚落的大块孤石层层消减势能,防止对下方山体环境、道路、人员造成伤害。“挡”是指在高边坡最下方设置轻质气泡混合土挡墙对整个开挖区域形成最后一道支挡,同时也可以防止施工过程中水土流失,成型后作为主塔施工平台使用。

3 总体施工顺序

图3 桐梓河特大桥主墩高边坡多级防护完成图

桐梓河特大桥主塔（仁怀岸）边坡为六级边坡,边坡上覆0～5 m角砾土,其下为泥质粉砂岩。仁怀岸主墩边坡施工总体顺序为：施工2#墩下方3 道被动防护网和既有路钢结构防护棚→清除坡顶外危岩落石→开挖截水沟→开挖2#墩平台通道→开挖六级边坡及第五级平台并完善边坡防护→开挖五级边坡及第四级平台并完善边坡防护→道路临时改移至2#墩平台上→安装既有路下方2 道被动防护网→开挖第四级边坡及第三级平台→开挖第三级边坡及第二级平台（永久改路）开挖→施工永久改路防护管棚→安装主塔下方2 道被动防护网→开挖第二级边坡和第一级平台→开挖第一级边坡及主墩平台两侧通道、同时施作气泡土挡墙与路肩挡墙→道路改移至第二级平台上→施工各级平台排水沟及主墩平台大里程侧钢平台。每级边坡开挖完成后及时进行挂网锚喷,并按设计图纸要求施作锚杆锚索框架梁。

图4 被动防护网及改路防护棚架

图5 跨路道路防护棚图

4 柔性被动防护网安装及开挖边坡

为降低施工过程隐患,须结合地质资料先进行地质调查,采取网盖、砌石、撬挖、锚固防护等措施清除原边坡上的危石和不稳定体。先施工完成坡顶外截水沟、被动防护网做好施工区外围防护。边坡开挖完成一级及时进行平台排水沟等排水系统施工,并与截水沟联通防止雨水冲刷破坏已开挖的坡面。柔性被动防护网的施工工序如下：测量放样→锚杆及基座定位→基座及锚杆安装→预应力钢柱拉锚绳安装与调试→支撑绳安装与调试→圆环网的铺挂与连接。

4.1 测量放样

测量组根据施工设计图测放出立柱基座及拉锚的位置,做上标记。

4.2 安装基座和锚杆

（1） 在设计位置浇筑基础混凝土,其顶面应平整且高出地面不应超过10 cm,使下支撑绳尽可能紧贴地面；同时也不能被埋置太深,以免造成防护高度降低且基座处容易积水。挂座朝向坡下来安装基座。

（2） 安装锚杆。锚杆应平直,使用前先除油、除锈。锚杆安装时应使其位于孔眼中部,锚杆外露环套不高出地面。安装完成后及时注浆,且不得随意敲击,注浆后3天内不得在端部悬挂重物或进行易使其受载的下道工序施工,防止松动变形。

（3） 安装预应力拉锚绳与调试。先将工钢立柱逐根搬运至基座处,将其底端摆放在基座上,然后把上拉锚绳的挂环分别挂于锚杆和钢柱顶端挂座上,再调整钢柱的方位后与基座固定,钢柱安装误差小于5°。最后拉紧上下拉锚绳固定。

（4） 安装、调试支撑绳。上、下支撑绳全部采用双绳,安装顺序为：先上支撑绳、再下支撑绳,第二根下支撑绳安装时与第一根反向,最后用一个绳卡在靠近减压环约40 cm处将2 个底部支撑绳联结,形成相互交错的双支撑绳稳定结构。

（5） 铺挂圆环网。采用紧线器将放在两根钢柱之间的圆环网拉起来,将其上缘拉到与上支撑绳齐平；采用缝合绳从中点开始向两侧将圆环网和支撑绳缝合在一起,缝合绳的中点固定在每一张网的上缘中央[6]。

4.3 防护网安装完成后,边坡采取自上而下分级开挖分级防护,每一级开挖防护完成并报验合格后进行下一层开挖。为保证边坡稳定、限制施工过程中的卸荷松弛,开挖工作面与安全支护的高差不大于15 m且不大于一层开挖梯段高度,上层的支护系统应保证下一层的开挖安全顺利进行。

4.4 项目总体按“平面多工序、立体多层次”的原则组织施工横向分段进行多工序平行作业,减小边坡揭露面积和暴露时间,揭露面应2 天内完成挂网锚喷快速支护；每一级由外向内开挖,需爆破的部位每次爆破前均对临空面进行整形,减小梯段爆破底盘抵抗线,减少爆破震动后冲,影响边坡稳定。竖向按平台或爆破梯段自下而上进行覆盖层剥离和梯段整形、梯段钻爆及出渣、锚杆和锚索框架梁施工、系统排水等多层次的流水作业,确保边坡开挖与支护协调推进。

4.5 边坡开挖过程中对边坡设计控制点随时进行复测,并对边坡变形进行监测,发现异常立即向监理和业主报告并采取应急处理措施。

4.6 不良地质地段用人工辅助开挖。人工撬挖清除石渣、夹泥等填充物至设计要求,并按要求回填砼、及时支护封闭。为保证安全,在开挖过程中安排专人看守,对过往车辆进行控制放行。

5 主动防护及加固工程

仁怀岸边坡支护方式主要为挂网锚喷、被动防护网、锚索框架梁内植生袋护坡、锚杆预加固。在坡面开挖过程中,当挖至某一层锚杆、锚索标高后,对锚杆、锚索附近危石加以清除,边坡坡顶范围内清除危岩落石,清理范围为纵向开挖边坡坡顶至自然坡顶,横向为开挖边坡范围至两侧各50 m范围内[2]。开挖的坡面及时进行挂网锚喷和锚杆、锚索施工,边坡土石方开挖与锚杆、锚索施工要相互协调配合,严禁在边坡全部形成后才进行锚杆、锚索施工,在开挖至接近设计边坡线2 m 范围内应采用预裂爆破,严禁大爆破[3]。锚杆施工工序：开挖结束→清理边坡→锚杆孔放样→锚杆钻孔→清孔→放入锚杆→注浆→浇筑框架梁→安装锚头钢垫板、封锚。锚索框架梁内植生袋护坡施工工序：边坡清理→锚孔放样→钻孔、清孔→锚索安装→注浆→框架梁施工→锚索张拉→锁定→封锚→植生袋码砌→挂铁丝网封闭[1]。

6 排水措施

平台设置平台排水沟,坡顶外设置截水沟。边坡开挖后视地下水情况设置仰斜式排水孔,斜孔6°～10°向外斜率,仰斜孔长20 m,间距6 m。孔口位于坡脚或边坡平台以上1.0 m以内。

7 轻质气泡混合土挡墙施工

仁怀岸主墩平台开挖至设计标高,由于靠河道侧地势较低,承台处于半悬空状态,无可用施工平台。为保证后期主体结构施工时能安全、高效的运输材料、起吊安装、满足工期要求,在主塔前端设置一处不小于8 m 的施工平台,平台采用气泡混合轻质土回填。气泡混合轻质土容重等级为W15,抗压强度等级为CF2.5。施工主要工序：施工准备→测量放样→基础开挖及承载力检验→立柱基础砼浇筑及立柱安装→面板预制、安装→轻质气泡混合土制作及浇筑。

7.1 厂内面板预制

轻质气泡混合土面板采用90*30*4 cm的标准C20砼板块,小型构件厂内集中预制,在距面板底2 cm 处设置间距为@20*20 cm 的Φ2 mm 粗铁丝网,并在铁丝网上埋设四个预埋筋,边板和顶板为异形块,安装时可由标准块通过钢锯切割而成。

7.2 施工放样

测量组根据轻质气泡混合土设计图,测放出气泡土挡墙面板外轮廓线,作好放线记录,并报请监理复测,确定挡墙面板位置及基础开挖深度,现场交底后实施。

7.3 基础开挖及承载力检验

严格按照施工图纸要求分台阶分级开挖,基础各台阶的地基承载力不得小于图纸规定的数值。

图6 轻质气泡混合土挡墙平台标准断面图

7.4 立柱基础砼浇筑及立柱安装

在地基检测合格后满铺30 cm 厚碎石垫层压实整平,并在其上浇筑50 cm 厚*90 cm 宽的C20 混凝土基础,基础底部预留直径7.5 cm 泄水管,间距15 m 每道布置。基础浇筑时顶面预留7*6 cm面板安装槽,再安装∠70 mm*70 mm*6 mm角钢立柱。

7.5 安装面板

将面板从基础预留槽处从下至上逐层错缝安装,面板接缝紧密、外露面需平整、美观,对拉杆及立柱均需进行防锈、防腐处理。端部和转角处的异形面板在预制时需适当调整预埋筋的位置,并采取可靠措施固定好异形面板。面板外露面之间按照设计要求采用砂浆勾缝,勾缝应圆顺、美观。

7.6 轻质气泡混合土浇筑

采用专用的气泡土拌和设备将水泥、水充分混合成浆状之后,再通过发泡装置产生的气泡加入其中行程气泡混合土。直接采用输送软管进行泵送,泵送的最大高度不超过30 m,最大水平距离不超过200 m。轻质气泡混合土挡墙浇筑时每隔10～15 m 设置一道沉降缝,缝内填塞聚苯乙烯或夹板。轻质气泡混合土中气泡有独立细微和分散性的特点。并且具有良好的流动性和固化后的自立性,浇筑时无需振捣和碾压。施工过程中控制泵送管出口与浇筑面保持水平,不宜采用喷射方式浇筑,以减少气泡的消解及材料分离现象,并且需要控制好每次的浇筑厚度,单次浇筑厚度在0.3～0.8 m 之间,在下一层浇筑终凝后方可进行上一层浇筑施工,分层浇筑至设计标高。

7.7 养护

顶层施工完成后,应立即对其采取表面覆盖塑料薄膜或土工布的方式保湿养护,时间不得小于7 d。每班完工后应及时清空浇筑设备、泵送管道中的残留物。

8 施工关键技术

8.1 根据现场实际情况,采用控制爆破进行桐梓河特大桥仁怀岸艰险环境下主墩多级高边坡爆破开挖施工,控制爆破源头危害,降低对复杂地理环境下的道路、房屋、植被的影响。

8.2 参考贵州山区特殊桥梁基础及平台边坡工程施工经验,合理制定开挖及防护方案,有序、快速完成开挖施工,缩短风险周期。结合贵州类似项目生态保护区爆破施工经验,优化施工方案,吸取成功的经验,改进细微缺陷,使爆破效果达到更好的程度,提高效能[4],减少飞石滚落石的不良影响。

8.3 采用主动防护和被动防护相结合、临时防护和永久防护结构相结合的方法,强化施工过程中的安全防护能力。主动防护采用成熟的锚杆锚索框架梁形式,对地质灾害区边坡进行永久防护；被动防护措施采用沿施工面下方多层布置、多级防护的大型消能防护网,随开挖随防护,减少飞石滚落石的冲击势能和滚落范围,达到施工安全、结构安全的目的。

8.4 对既有道路进行临时改道,确保道路通行不中断,同时采用刚性防护棚架的形式对道路进行防护,设计细节上采用斜坡顶面、多层消能等方式逐步消除意外滚落石对道路安全的威胁,保护既有道路过往行人、车辆的安全。

9 结论

贵州金沙经仁怀至桐梓高速公路工程桐梓河特大桥是全线唯一的一座技术复杂型特殊桥梁,大桥仁怀岸主塔高边坡施工采用项目自创的“生态保护区存在滑坡隐患艰险环境下主墩多级高边坡爆破开挖及防护技术”,主动防护采用成熟的锚杆锚索框架梁形式,对地质灾害区边坡进行永久防护；被动防护措施采用沿施工面下方多层布置、多级防护的大型消能防护网,随开挖随防护,减少飞石滚落石的冲击势能和滚落范围,达到施工安全、结构安全的目的。

生态保护区存在滑坡隐患,艰险环境下主墩多级高边坡爆破开挖及防护技术适用于社会交通穿插、山体地质条件差、周边林地防护要求高的复杂环境下的边坡开挖施工,对于山区高边坡施工具有借鉴作用和推广前景。