超高天堑崖壁建造及地貌复原治理施工关键技术*

孙晓阳

(中建八局文旅博览投资发展有限公司,江苏 南京 211100)

1 工程概况

江苏园博园天堑入口工程,人行通道两侧为泥岩边坡,最高处与人行通道高差为55m,两边坡治理长度为546m,边坡倾角为77°,开挖岩石为中等风化灰岩,爆破岩石深约35m,总面积3.2万m2,有约1.2万m2不稳定滑坡层,天堑入口通道改造施工周期短,生态景观恢复难度大,如图1所示。通过泥岩静态爆破开挖、边坡支护加固、实时滑坡监测、地貌复原治理等施工技术综合应用,大幅缩短了施工周期,实现了大型边坡治理及天堑式景观改造快速施工,经济性良好,可为类似工程施工提供借鉴。

图1 天堑入口Fig.1 Entrance of heavenly cutting

2 技术特点及难点

1)利用削坡后边坡短期内的自稳定状态,通过土钉支护与表面旱喷对削坡后边坡进行快速加固,加强边坡短期内的自稳性,整体先削坡至底,再自下而上进行逆序加固,保证施工质量,降低作业风险。

2)运用基于北斗卫星的高精度自动监测系统,全过程、全自动监测边坡安全稳定性,结合全站仪监测密化网格,进行高精度监测,由预警系统建立边坡滑移数学模型,拟合边坡实时变形状态,自动预警预报险情。

3)采用高边坡静态爆破,通过静态破碎剂小口径大空隙比的切割控爆,静态整体切割岩石,确保天堑边坡切割面的平整度,凸显原地质特色。

4)通过混凝土挡墙与土方回填构建生态恢复基础,运用骨架造型+塑石咬花、雕刻、喷涂+景观苗木、砂岩立面垂直景观覆盖等方法,实现高边坡生态恢复和园林造景。

5)采用超重天然砂岩干挂施工法,以机械锚栓固定、砂岩堆叠搭建高边坡砂岩天堑景观,砂岩整体色彩合理布局、区块呼应,实现天堑崖壁自然状态仿真。

3 关键技术及工艺

工艺流程如图2所示。

图2 工艺流程Fig.2 Process flow

3.1 静态爆破

静态爆破使用的破碎剂属非爆炸危险品,通过膨胀破碎岩石,无需布设雷管炸药,无强烈爆炸风险,无需办理传统炸药所需的各种许可证等手续,减少施工前的准备时间,缩短工期。

3.1.1设计布孔

台阶爆破布孔如图3所示(a=20cm,b=30cm)。采用φ38钻孔;横向分布孔距20cm,纵向30cm,钻孔平排布置,钻孔深度为1.5 m;沿自由面垂直钻孔,边坡部分的边孔根据边坡坡度采用倾斜钻孔,呈梅花形排列。孔深约为爆破实物厚度的 80%～90%, 膨胀剂用量约为15.36kg/m3。采取逐排作业,不同排同时作业,钻孔内的余水和余渣应用高压机吹洗干净,孔口旁应干净无土石渣。

图3 台阶爆破布孔Fig.3 Bench blasting hole layout

3.1.2装药及反应

根据施工期间的气温或工作环境温度选择无声破碎剂型号。无声破碎剂的密度和每立方米浆体中无声破碎剂用量K,如表1所示。

表1 无声破碎剂密度及浆体容量Table 1 Specific gravity and slurry capacity of silent crushing agent

无声破碎剂用量Q计算如下:

Q=πR2LK

(1)

式中:Q为每米钻孔的无声破碎剂理论用量(kg/m);R为钻孔半径(m);L为钻孔高度(m);K为每立方米无声破碎剂浆体中无声破碎剂用量(kg/m3)。

计算可得,无声破碎剂Ⅰ,Ⅱ的理论用量Q1=4 838.064R2(kg/m);无声破碎剂Ⅲ,Ⅳ的理论用量Q2=5 183.64R2(kg/m)。

将药剂加30%的水充分搅拌成流质状后,迅速倒入孔内并用略小于钻孔的捅杆捣实捅紧,特别长的钻孔,可多分几段,逐段捅实。如发现岩石裂缝,应立即向裂缝中加水,以支持药剂持续反应。药剂反应时间与温度相关,温度越高,反应时间越快,通过加入保温剂和控制拌和水温度,将反应时间控制在30～60min。连续装药结构如图4所示,浅孔爆破网络如图5所示。

图4 连续装药结构Fig.4 Continuous charging structure

图5 浅孔爆破网络Fig.5 Shallow hole blasting network

3.1.3土方转运

静态爆破后,土方开挖转运采用横向分层、纵向分段、阶梯掘进方式。每级开挖完成后,对边坡较高的软弱、松散岩石边坡,采用分级开挖、分级支挡、分级防护的坡脚预加固措施。开挖过程中应及时做好排水工作;雨季施工时,应集中施工力量快速施工,工作面应保持大于4%的坡度,边坡不得受水浸泡、冲刷。静态爆破及土石方清理完成如图6所示。

图6 静态爆破及土石方清理完成Fig.6 Static blasting and earthwork cleaning completed

3.2 分级综合支护

3.2.1一级土钉支护

边坡机械开挖到位后,人工修整坡面达到土钉施工作业面。采用钻机钻进成孔,并清除孔内的土渣。钢管土钉采用热轧或热处理焊接钢管。钢管端部制成封闭尖锥状,尖锥顶角取30°～60°,倒刺采用Q235B钢管,与土钉钢管夹角取20°～30°(见图7)。倒刺钢管直径宜取20mm,壁厚同钉体钢管,长30～40mm。土钉安放时要防止钢管杆体弯曲,头部距孔底100～200mm,杆体放入角度要与钻孔角度一致。选用P·O42.5水泥浆,水灰比为0.45～0.50,注浆量不宜少于30L/m。采用孔底反向注浆法,注浆后并应在4h内补浆,注浆要饱满。

图7 土钉结构Fig.7 Soil nail structure

3.2.2二级锚杆支护

钻孔成孔采用MGZ400锚杆钻机施工。做好孔口锁口,防止成孔后杂物掉入孔内。成孔后及时进行地质编录。锚杆安放前应清理孔内余渣,杆体放入角度同钻孔保持一致,防止杆体扭曲、孔壁受损。杆体平顺缓慢推送,安装好后使杆体始终处于钻孔中心,杆体末端距孔底50cm。若发现孔壁坍塌,应重新钻孔、清孔,直至能顺利送入锚杆为止。锚杆注水泥浆,采用P·O 42.5级硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥,采用无风化、无杂质、级配良好的砂料,最大粒径不大于2mm,拌和用水必须洁净、无污染。注浆管随锚杆杆体一同放入孔内,管端距孔底50～100mm,依据设计进行灌浆或压力注浆。锚杆打入崖壁如图8所示。

图8 锚杆打入崖壁Fig.8 Anchor rod driven into cliff wall

3.2.3三级框架梁支护

框架-剪力墙式挡墙条基以⑤2层中等风化(泥)灰岩为持力层,基坑开挖至设计标高后,及时进行基底整平和夯实,并随机对基岩进行取样,检测岩石单轴天然抗压强度,地基承载力特征值应≥500kPa。地梁基础部分应嵌入岩层内1m,并将坡面钻进产生的浮土清理干净,挖出泥浆。

框架梁模板采用15mm厚竹夹板模板,模板支撑系统由方木、钢架管、丝杆、托撑、铁丝等组成。模板的次龙骨采用30mm×50mm木方,方木每200mm铺设1道,主龙骨采用φ48钢管。每700mm设1道钢架管插入坡面岩土体内作为横梁的下部支撑,使用扣件与大横杆或立杆垂直连接。侧模采用对拉杆每700mm拉设1道,压顶模采用φ48钢管,每700mm设置1道并支撑于架体上。当完成下部梁浇筑后,下部横梁作为上部横梁承重平台。外架搭设如图9所示。

图9 外架搭设示意Fig.9 External frame installation

竖梁采用三面支设模板,每70cm设置1道钢架管,侧模板采用对拉杆加固锁紧。对拉螺栓布置φ12@450(横向、纵向间距均为450mm);挡墙靠岩侧斜撑钢管按450mm×450mm间距布置,长度 ≤2.5m; 竖向木方间距为200mm。

框架梁采用C30混凝土,分级浇筑,每级高度≤4m。 主要使用车载地泵接泵管及汽车泵进行浇筑,部分使用汽车式起重机吊料斗浇筑或溜槽输送至框架梁浇筑部位。养护达7d后,应及时进行预应力锚索张拉。

3.3 地貌复原施工

在挡土墙内侧回填碎石及种植土,为植物绿化创造地形条件。在山体边坡区坡脚附近种植生态风景林,形成优美的绿化景观。通过乔灌木、地被植物的布局、搭配和组景打造形态、色彩不同的四季景观,使边坡及山体绿化效果丰富多彩。

3.3.1塑石景观

采用[12镀锌槽钢制作悬挑施工马道,通过化学锚栓锚固于原框架梁上。以6号镀锌角钢焊接铺设马道层面及马道护栏。马道施工完成后,以井字梁为依托,选用12,6号镀锌角钢搭建山体造型。钢骨架主体结构采用满焊,完成后进行防锈处理。

以镀锌钢丝网为基层,喷射GRC塑石混凝土找型,采用人工切缝与着色工艺,使石头肌理与原山体融为一体,塑造与自然山体融合的景观。

3.3.2崖壁还原

天堑外立面采用大面积天然砂岩塑造崖壁景观,单块天然砂岩平均面积为1.2m2,重1.3t,通过使用机械锚栓+堆叠方法,依靠天然砂岩自身强度及骨架锚栓连接,解决了14m天堑通道区高边坡砂岩立面景观的干挂施工难题;通过选用大面积天然砂岩及整体色彩配合、区块呼应的方式,解决了天堑崖壁颜色还原、地质景观艺术构造难题。采用8.8级M12机械锚栓植入墙体100mm,配合L形镀锌钢板挂件,完成石材干挂,干挂节点构造如图10所示。

图10 干挂节点构造Fig.10 Structure of dry hanging nodes

3.4 高边坡滑坡监测预警

高边坡滑坡监测常规检测手段测点多、工作量大、人员需求大,易受场地、气象条件影响,且无法24h实时连续监测,存在矿区山地滑坡风险。采用常规监测与自动监测结合,对重点区域加密监测、配合人工监测,可实现施工全过程的自动化实时监测、安全监测预警,保障工程安全施工,减小或避免边坡灾害损失。

3.4.1定位监测点位布置

天堑入口边坡长度大,沿边坡施工区分阶段设置监测点位,如图11所示。施工准备期临时边坡监测点14个,施工期边坡变形监测点54个,岩体稳定性监测点10个,地下水位监测点2个,加固锚索预应力监测点20个,锚杆应力监测点20个。除自动监测系统外,应对监测期间周边施工工况和监测情况加强巡视。

图11 开挖、加固期监测点布设Fig.11 Monitoring points layout during excavation and reinforcement period

全站仪监测点在施工边坡布网设立,标识明显,中心定位准确,满足棱镜多次复位的要求,测点与工作站全站仪直线视通,共计布设监测点73个,基准点5个。

北斗卫星定位监测桩由混凝土浇筑,桩顶中心埋设接收机定位底座,位置选择在卫星遮挡最小、远离高压线、磁场较小处。共计布设北斗卫星定位监测站10个。

搭建基于北斗卫星的监测测量数据、实时传输、实时分析的北斗监测云平台,配套制作北斗监测手机终端APP,提供手机端数据实时查看,日报表、周报、月报及动态信息查看,全程掌握监测点变形数据,并提高异常数据报警功能。北斗监测云平台和手机终端如图12所示。

图12 北斗监测云平台和手机终端Fig.12 Beidou monitoring cloud platform and mobile terminals

3.4.2实时监测预警

基于岩土稳定性数学模型,拟合出滑坡运动理论下流变萌发、稳态蠕变、失稳剧滑3个阶段曲线,依据连续性原理,求解失稳点和剧滑时间,提取稳态蠕变特征和失稳突变特征,实现蠕变时效下的滑坡有效预报、预测。滑坡运动理论模型如图13所示。

图13 滑坡运动理论模型Fig.13 Theoretical model of landslide movement

报警分为蓝色报警和红色报警:当被监测体进入局部流变或蠕滑时段,给出蓝色预警,预示不会发生危险;当被测体进入时效蠕变时段,给出红色预警,预示潜在危险,应密切跟踪并预测预报。

4 质量控制要点

1)静态爆破开挖施工,应加强对开挖标高的控制,开挖接近设计标高时,预留10cm厚土层,由人工辅助小型机械进行清底,严禁超挖。截水沟应沿开挖范围之外开挖,拦截地表水流入工作面。

2)锚索的保护层厚度应严格按照设计要求。锚孔成孔后,用挡板遮盖孔口,以免杂物落入空内。单个锚索施工结束后应覆盖锚索头,以免污染。

3)土钉与锚杆施工时,成孔遇到不明障碍物时,应立即停止,确认无害时,再继续施工。

4)当地质出现变化迹象时,须用地质雷达等方法先探明工程地质和水文地质情况,才能进行开挖。

5)种植土回填应选用排水透气,有较好的保水保肥能力的种植土。不应选用建筑垃圾土、盐碱土、受重金属污染或其他有害成分的土壤、河道污泥淤泥、种植酸性作物的土壤(pH值应控制在5.0～6.5)。

6)塑石景观喷射砂浆强度满足M15,厚度满足120mm;塑石采用洒水保湿养护;所有钢结构配件、构件,都需做好防腐防锈蚀处理,达到设计要求。

7)天然砂岩幕墙需要求规格、尺寸、含水量、强度等满足设计指标,做好成品保护。

8)临时施工措施,脚手架搭设等应符合设计要求,编制实施方案,使用前复检合格,现场做好检查记录。

5 结语

江苏省园博园项目天堑入口工程针对超长超高边坡加固及地貌复原治理,采用静态爆破开挖、高陡边坡综合支挡技术,灵活应对地形、地况复杂的泥岩高边坡加固治理,以北斗卫星定位监测实时预测预警,在边坡发生失稳时能及时、有效地做出应急响应,及时快速对失稳现状做出评价并预测预报,将可能发生的地质灾害造成的影响降到最低限度,确保工程施工安全,以景观挡土墙作骨架,搭配乔木地被组景、塑石景观、天然砂岩幕墙景观,建造天堑崖壁景观,旅游景区边坡改造利用提供新思路,建筑与园林价值较高,施工速度快,安全性高,满足了大型旅游景区入口天堑景观快速建造,经济效益明显,可为类此工程提供借鉴与参考。