高边坡挂网喷混凝土施工技术应用研究

钟仕林，陈 亮，刘继康，何彦廷

(四川蜀渝石油建筑安装工程有限责任公司,四川 成都 610080)

0 引言

边坡是自然或人工形成的斜坡,在建筑工程建设中是常见的类型。边坡失稳塌滑是三大地质灾害(洪水、地震、崩塌滑坡泥石流)中较严重的灾害,它不仅会导致财产损失,还会威胁到人们的生命安全。随着中国经济基础快速增长,许多行业如水利、交通、矿山等工程项目都需要考虑边坡的安全性。为了减少由于边坡不稳定导致的损失,必须正确地了解和处理这些问题。当前,边坡治理的主要手段包括:抗滑桩、锚杆、预应力锚索、土钉支撑、挂网喷混凝土等技术。本文结合现场工程实际情况着重对挂网喷混凝土法进行分析研究[1]。

1 工程概况

四川盆地铁山坡气田飞仙关组气藏的开发和利用,是一个重要的工程,它的规模为400×104m3/d,设有6座井场(包含3座与集气站合建)、1座集气站、10口开采井、1套集气装置、1座监控阀室和1座进厂截断阀室,旨在为四川省万源市的气田提供更多的可用气源,从而实现气田的可持续利用。设2列200×104m3/d主体装置脱水、脱硫、硫黄回收、尾气处理工艺装置对来自内部集输系统的原料天然气进行处理,以及配套的公用工程和辅助生产设施。

老路为混凝土路面,混凝土面层厚度为20 cm,路基宽4.0 m～4.5 m,老路弯多坡陡,局部路段排水不畅,存在沉陷病害。不能满足天然气净化厂建设及运营需要,急需进行平纵线型优化及拓宽改造。改扩建道路总长6.426 km,其中进厂道路一长5.906 km,进厂道路二0.52 km。局部道路斜坡较陡,岩体和土体松散,施工时容易诱发斜坡失稳;部分地段边坡内侧多为基岩出露,局部见危岩体,可能造成崩塌地质灾害等。高边坡指土质边坡高度大于20 m、小于100 m或者岩质边坡高度大于30 m、小于100 m。为加强现场施工安全管理,将10 m以上的边坡施工设为高边坡施工来进行管理。

2 施工要点

2.1 施工部署原则

道路工程所涉及的高边坡土石方施工段有难易之分,有的安全隐患较大,应根据各施工段实际情况按以下五项原则灵活制定施工部署原则[2-3]。

1)高边坡分段开挖,从上而下分层开挖,每层开挖深度控制在2.5 m～3 m。2)先做好安全防护措施,再进行施工。3)先做好保证道路通畅措施,再进行施工。4)在开挖高边坡时,为了满足操作工艺的要求,需要将坡面纵向放坡成台阶形,并先采用机械修坡,然后再进行人工修坡,以确保坡面线不超挖。5)在施工过程中,应该充分利用“时空效应”来提高土体的稳定性。

2.2 道路保通措施

在施工段所涉道路两端适当位置设置错车道,便于放行车队错车。为保证车辆通行顺畅,应该计划在标段范围内设置错车道。参考错车道计划每300 m设置一个,错车道宽3.5 m。

2.3 安全防护措施

在施工段所涉道路两端错车道处,安排交通指挥员进行值守,防止行人车辆闯入施工区域。待施工暂停、边坡稳定、现场施工员允许放行后,对行人车辆有序放行。

在高边坡开挖段下方的滚石区域周边设置3个观察点,每个观察点派驻一个观察人员,防止有群众误入滚石区域内。

2.4 边坡开挖施工措施

在进行土石方开挖时,为减小边坡垮塌风险,可以采用两种形式进行解决:一是针对边坡高度小于20 m,将采取放缓边坡上部坡度,修建机械作业平台供挖掘机行走的方式解决。二是针对边坡高度大于20 m,挖掘机无法对高处土石方进行开挖的情况,应该在该坡段侧面修筑一条施工便道,使挖掘机能够上到坡顶进行开挖,如图1所示。

其中针对边坡高度大于20 m的高边坡段采用以下措施:由挖掘机在征地红线内侧开辟一条机械施工便道通往山体顶部,并在山体顶部修建一处作业平台。在机械施工便道内侧开挖一条沟槽,作为土石方通道用。使用机械作业平台往下开挖,安排另一台挖掘机将开挖出的土石方沿土石方通道往下输送。土石方尽量不经过待开挖面滚落。开挖中如遇大块石料,使用挖掘机进行破碎后,经由土石方通道往下输送。待机械施工便道内侧边坡开挖到约2 m高后,由人工配合机械对边坡进行修整。重复上述步骤,直至该处土石方开挖完毕[4]。

2.5 边坡开挖防护措施

在工程道路施工中,为扩宽道路,可以设计道路横断面适当的路堑、半堤半堑形式。在进行上述路段的土石方开挖时,为减小边坡垮塌风险,可以采用以下3种方式进行防护:

1)开挖边坡前,须开挖临时截水沟以防止汇水对边坡的侵蚀。2)防护围栏用彩钢瓦、竹跳板或者钢丝网、脚手架钢管搭设,高2.2 m。同时对于高边坡开挖段采取半封闭施工,挖机施工作业时在每个高边坡开挖的施工点、施工段的两端设置警示标志,并安排交通疏导员指挥交通。交通疏导员同现场施工员、安全员充分沟通,待机械暂停工作、坡面稳定安全后,对车辆行人予以有序放行,对因施工导致的路面浮土,要进行清扫、冲洗,防止车辆行人打滑。对于开挖后的松散土及时进行清运,松散土堆放高度不能超过3 m。3)对于有水泥防护墩的道路路段,采用沙袋或者土袋堆满水泥防护墩的缝隙并固定妥当来作为防护措施[5]。

为了确保路堑边坡的稳定性和安全性,必须密切关注其坡顶、坡面以及其他各种情况。将派出专门的人员对高处的边坡进行检查,并密切关注其是否存在明显的滑动或裂缝。在每次开挖之前,都会对其进行坡面和坡顶的检查,以检测它们的稳定性,并尽快采取相应的措施来解决问题,以确保整个项目的顺利完成。

2.6 其他保障措施

1)作业前应进行岗前检查,做好风险识别及措施落实。2)在开挖区域两端设置“注意落石,观察通过”“前方施工,注意安全”等警示牌。3)在开挖区域原有路面两侧设置路锥,标示出道路边线,并每天派人清扫现有道路路面浮土。4)每日施工作业完成都应进行场地清理,把挖出的土石方进行收整,把裸露松散的坡面进行清理,路边设置锥桶或隔离警示带。5)对当前作业面进行雨后巡查,加强排危工作。

2.7 操作手的培训

为了确保安全,将对设备操作人员进行培训,提高他们的安全意识。同时,严格禁止在不符合要求的工作场所进行作业。例如,在桥梁、涵洞、堤坝和其他建筑物上进行作业时,必须确保它们具有足够的承载能力,并且作业通道和工作面的坡度不得超过工程机械的最大限度。

3 施工工艺

高边坡防护的施工主要由以下工序组成:定位放线→树木砍伐→修筑便道→高边坡危石排危→挡墙砌筑→挂网喷混凝土。

3.1 定位放线

现场按需求在空旷的地方架设rtk基准站,由于是道路工程,场地受限,架在两端不能测全段数据,将基站架在营地接口处。设备架设完毕后,只需带着移动站到校准点,对坐标进行校正。

测量点分布在60°的斜坡上面,距离地面高度30 m～60 m,首次只能测量大致位置,待树木砍伐及修筑便道开挖完成后再进行精准测量。

3.2 树木砍伐

伐树范围为放线范围。在伐树之前,应该彻底清除周围的杂草和藤蔓,并仔细检查是否有马蜂窝,如果发现有可疑的危险,应立即采取有效的安全措施。为了确保安全,在树木倒塌的一侧应该安装一根足够长的控制绳,并且在树木下方及其周围设置专人监督,禁止任何人员停留,以免造成人员伤害。

3.3 修筑便道

由于高边坡高度过高,且坡度陡峭,不能进行正常的挖方,需修建一条便道通往山顶,自上而下开挖。挖掘机所需宽度为5 m,直接在山体上开挖5 m便道必定造成超挖,因此,必须断道施工,将挖出的块石堆在原路面,组成便道的一部分,待上方挖方完毕后再清理下方的岩石。

3.4 高边坡危石排危

经过对实际工程的考察后,得知将道路边坡的岩石开挖至设计位置时,其稳定性受到影响,并存在安全隐患,导致部分岩石再次发生塌落,严重威胁到交通的安全。此外,对于垮塌的危石仍需要进行处理,其位于道路的右侧方向,高度为60 m,斜度坡率为1∶0.75,地貌为页岩,土质的特性是松散和薄弱的,且基岩裸露于表层。另外,山体坡面有浮石、孤石,倾于土体表面。

由于入口道路右侧上方的危石(次坚石)具有极高的安全风险,为了确保施工人员、行人和车辆的安全,必须采取有效的措施,包括但不限于对危石的彻底检查、彻底清理和采取有效的安全防护措施。采取有效措施来减少不必要的损失,并且要对高边坡悬石进行全面检查、清理和预防,以确保安全。

根据边坡坡面倾角度数,对危石处理施工拟采用人工悬吊对危石进行破碎的作业方式进行。在坡面上方寻找胸径大于15 cm的树木作为安全绳挂点,并做好标记。作为挂点的树木须有两排,系挂安全绳时,一根安全绳串联系挂在前后两排的挂点树木上。如坡面上方没有适合树木的,在坡面上方距离大于5 m位置安装锚杆。锚杆为φ22 mm钢钎,反斜打入岩土中,钎杆必须稳定牢固。每个锚点最多只能系挂一根安全绳。吊绳采用φ18 mm尼龙材质多层编制登山绳,长度必须覆盖整个坡面。人员穿戴悬吊专用安全带,采用自锁缓降器固定在吊绳上。每人必须固定在2根吊绳上(1根工作绳、1根安全绳)。

作业前进行人员入场安全教育培训、安全交底、工艺工种技术交底,让作业人员明确本岗位的危险因素、控制措施以及质量保障方法。

对危石进行破碎前,将双绞六边形网(GA/2.0/50×60/2.25×9.2)和脚手架管通过吊绳运到指定位置,采用人工进行安装被动防护网防护预计100 m2,以防破碎危石时大量石屑掉落。确保登高人员都正确佩戴了安全带,所有安全绳都固定到安全位置。作业人员利用吊绳到达安全防护设置位置安装被动防护网,移动到危石位置,然后用电镐对危石进行破碎作业。对危石进行破碎时,将机具固定在吊绳上,每台机具配1根吊绳。其他施工机具或者材料通过吊绳从坡底上提至施工点。施工前,再次现场踏勘,了解现场是否已具备作业面,作业面是否具备操作条件,专人进行观察,是否对未开挖的坡面有所扰动。破碎出来的次坚石采取人工背运的方式,运送至指定地点,运距100 m。

3.5 矮墙砌筑

矮墙基础基于岩石地基上,确定定位位置。根据实际情况,将矮墙的高度调整到3 m,埋深调整到1.25 m,使用C20混凝土浇筑。每隔10 m～15 m处安装一道变形缝,将沥青混凝土覆盖到建筑的内、顶、外3个方向,覆盖的厚度调整到10 cm～20 cm。另外,每隔2 m～3 m处安装一道排水口,如图2所示。

3.6 挂网喷混凝土

在进行土方开挖的过程中,钢筋作业班组开始锚杆、钢筋网的制作,锚杆的材料应为φ18的螺纹钢筋,并且不允许焊接,以防止锈蚀和损坏现象产生[6]。

1)打孔锚杆。锚杆用于固定钢筋网,纵横间距为2 m,锚固长度2 m和5 m。边坡坡面修整完以后布置普通锚杆孔位进行钻孔。为更好地控制钻井过程,其选择50 mm的普通锚杆,并采用斜孔的形式。使用气腿式风钻,这样可以避开岩石的裂缝和脆弱的地面,更加顺利地完成钻井。另外选择了无水干钻的技术,这样可以避免对周围的钻井工作造成影响。为提高灌浆的效果,需要对钻孔的精度进行严格的管理,要求每个钻孔的尺寸都要小于20 mm,并且要求每个钻孔的直径都要不小于设计直径的101%,以确保灌浆充分。此外,还要求每个钻孔的方向与设计角度偏差精度都要达到1°以内,并且每个钻孔的速度都要低于2%,且匀速钻进,以防止出现弯曲或变形,造成下锚困难。钻孔深度应高于相应的设计深度,其预应力锚索钻孔应高于钻孔深度,应达到30 cm～50 cm以上。钻进达到设计深度后,不能立即停钻,必须在停止进尺的情况下,稳钻1 min～2 min,防止孔底端部尖灭,以达到设计锚固直径。

孔壁不得有黏土或粉砂滞留,必须清洗干净,成孔用压缩空气清渣,以保证注浆和锚杆能下到预定深度。将锚杆平顺、缓缓推送至孔底,注浆管距孔底距离一般为10 cm,注浆材料为M30水泥砂浆,水灰质量比0.4～0.5。注浆采用孔底压力注浆,压力在0.2 MPa～0.4 MPa,随砂浆的注入匀速爬出注浆管,注浆完后静置待凝,要求单根锚杆注浆由孔底至孔口一次完成,不得间断,注浆必须饱满、充分,注浆浆液初凝前用完,孔口浆液初凝后须补浆[7-8]。

采用φ2.5普通镀锌铁丝网在φ6.5的圆钢框条架上编制好200 cm×200 cm的钢筋网。依托锚杆头挂焊φ2.5预制钢筋网逐点焊牢,同时边敲击筋条提盒岩棉凹凸起伏,保持平顺。

2)混凝土准备。按照当地质量监督机构的要求配合比进行,同时应满足下列要求:必须保证混凝土向上喷射到指定的厚度,并且回弹最少,从而确保建筑物的质量;在4 h～8 h的强度内,应使其具有能控制变形的能力;使用适宜的速凝剂满足其可喷性和早期强度,从而使建筑物的早期强度达到28 d强度、有良好的耐久性、回弹量少、不发生堵管。

水灰比的选择和使用对于提升浇筑水泥的性能有着极其重要的意义,所以,在施工时,必须确保其符合规定的标准,以避免发生任何不良后果。通常,当喷射混凝土表层发生流淌、滑移、拉裂等状态时,表明水灰比过大;而当喷射混凝土表层发生干斑、灰尘较多、反应较快时,表明水灰比过小。通过改善混凝土表面的平整度和光泽,减少粉尘和回弹量,从而避免喷射混凝土强度的下降,并增加回弹量。

3)挂网喷浆混凝土。现场混凝土标号为C25,喷射厚度为0.1 m。针对不同的地质环境、墙体的厚薄以及断层的特征,应该在挂网喷浆混凝土表层之间,以10 m的间距设置一道伸缩缝,其缝宽的间距一般介于20 mm～30 mm之间,而且要将沥青麻絮填入其间。

2 d之内,锚杆应该安装完毕,可以按照图3的方式进行安装。当安装钢筋结构时,首先要确保它们与锚杆保持垂直,并使它们牢固地固定,钢筋接头为搭接焊。安装钢筋结构的步骤是:首先从一侧的顶部开始,按照施工顺序安装,从拱脚一端到达另一端,采用直钩连接的方式,来提高挂设效率。

喷射混凝土是借助喷射机械,采用空气压缩方式,包括水泥、砂、碎石和其他外掺剂按一定配合比拌合。再通过管道输送,并以高速喷射到受喷面上凝结硬化成一层混凝土,现场作业如图4所示。本加固工程使用干喷法(将干料拌合后送至喷头与水混合,再喷到受喷面上的一种方法),具有适应性强、场地需求小、操作方便等优势。

通过实验发现,当喷嘴处的风压保持在0.1 MPa～0.2 MPa的范围内,可以有效地控制回弹量。然而,在施工过程中,由于压送距离的变化,需要根据喷射的情况和易粘附性来进行调整,以确保最佳的施工效果[9-10]。当风力变化时,无论是过强还是过弱,都会使回弹量显著提高。

要想达到理想的喷射混凝土质量,喷水嘴的水压应当处于0.1 MPa～0.15 MPa的适宜范围,同时,喷射作业区的系统水压也应当高于0.4 MPa,这样喷射混凝土效果最好。若水压不足,则可能造成干燥物质的不均匀渗透,从而使表层产生粗糙的砂粒,并伴随着较多的粉尘,其回弹量增加、强度降低;当水压超出正常范围时,喷射混凝土将无法完全凝结,可能出现“淌流”现象,从而导致其出现下垂甚至脱落。

喷射的距离对混凝土的性能和弹性有着至关重要的作用。若距离过远,则会导致混凝土的回弹量增加,从而密实度降低,其结构的强度也会减小;反之,若距离过近,则会使回弹率上升,甚至可能伤害喷射人员。当风力适宜时,喷嘴与被喷物之间的最佳距离一般在0.8 m～1.5 m之间,以获得最佳的效果。

当使用喷枪来处理光滑的表面时,喷枪的口径必须保持和表面的水平。如果表面上覆盖着钢筋,那么喷枪的口径就需要尽量接近表面,并且要略微倾斜一些,这样才能达到良好的抓取和抛弃的效果。

4 结语

随着全国建筑业的快速发展,质量水平的不断提升以及环境保护意识的日益增强,挂网喷混凝土技术因其经济、可靠、施工方便、变形小等显著优势,已被广泛应用于岩土工程领域。因此,施工过程中必须将理论与实践相结合,严格控制每一个工序,确保质量,以期达到施工顺利进行、效益持续提升的目标。