宋 健，李鴻盛，胡風明，閆 磊，程龍飛

(1.中交一公局重慶萬州高速公路有限公司，重慶 404100； 2.重慶三峽學院土木工程學院，重慶 404100)

0 引言

懸索橋重力式錨碇基礎埋深較大，施工首先需要進行基坑開挖，形成深達數(shù)十米的超深基坑。深基坑開挖過程中，巖土層開挖面重力及對周邊巖土的支撐作用持續(xù)減少，從而導致基底及周邊巖土層應力重分布。若在開挖過程中，基坑邊坡及支護結構不能形成新的平衡狀態(tài)，就會造成基坑邊坡失穩(wěn)坍塌等事故，甚至造成重大的生命財產(chǎn)損失。

我國東部平原地區(qū)具有深厚的覆蓋層，錨碇基坑常采用沉井[1]、矩形地下連續(xù)墻[2]、圓環(huán)形地下連續(xù)墻[3-5]等支護形式，已經(jīng)積累了豐富的施工經(jīng)驗。在中西部山嶺重丘區(qū)，重力式錨碇的基坑邊坡常為巖質邊坡或土巖混合邊坡，可充分發(fā)揮巖質邊坡的優(yōu)勢，采用放坡開挖[6-7]或者混合支護形式[8-9]。但目前為止，砂泥巖互層地質錨碇基坑的案例仍較為罕見。

背景工程地處三峽庫區(qū)腹地重慶萬州區(qū)，該區(qū)侏羅系砂巖、泥巖、砂質泥巖、頁巖等廣泛發(fā)育并形成互層結構，并因構造運動形成傾斜產(chǎn)狀。砂巖、泥巖、頁巖的結合面是相對軟弱面，該區(qū)域的滑坡大多數(shù)與此有關[10]，即使在緩傾角狀態(tài)下也可能產(chǎn)生順層滑坡[11]。依托背景工程，本文總結了砂泥巖互層地質超深錨碇基坑的施工技術方案，并對基坑邊坡變形監(jiān)測成果進行了分析，相關經(jīng)驗和數(shù)據(jù)可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

新田長江大橋設計為單跨1 020m的鋼箱梁懸索橋，在重慶萬州城區(qū)上游19km處跨越長江，是恩廣高速重慶新田至高峰段的控制性工程。橋梁采用雙向四車道高速公路標準建設，設計速度80km/h，主橋寬度30.5m(含風嘴)，主梁高度為3m。根據(jù)設計，兩岸的錨碇均采用重力式錨碇，基坑采用明挖順作法施工。

1.1 新田岸錨碇區(qū)地質條件

橋址區(qū)為長江河谷地貌，兩岸多淺丘及構造剝蝕低山丘陵。新田岸錨碇區(qū)位于山脊頂部較平緩區(qū)域，北東側、南西側均為斜坡，地面分布高程233.000～238.000m，地表覆蓋層為厚度1.1～3m的粉質黏土，局部基巖出露，基巖巖體較完整，為沙溪廟組粗砂巖、砂巖、頁巖、砂質泥巖。由于上覆層為相對隔水層，且基巖具有多處臨空面，利于基巖裂隙水排出，因此錨碇區(qū)基巖裂隙水總體貧乏。自高峰岸向新田岸橋位為西北-東南走向，以新田岸錨碇后方為東，將錨碇基坑邊坡區(qū)分為東、西、南、北側。

東側開挖邊坡長度約46.6m，高度約35.7～42.9m，坡向297°，為土巖混合邊坡。上部土質邊坡厚度約1.5～2.5m，巖性為粉質黏土，下部基巖面較陡，最大約10°，下部巖質邊坡部分，東側開挖巖質邊坡為順向坡，巖層層面向基坑內傾斜。

西側開挖邊坡長度約38.5m，高度約28.9～37.2m，坡向117°，為土巖混合邊坡。上部土質邊坡厚度約1.2～3.0m，巖性為粉質黏土及素填土，下部巖質邊坡為反向坡，基巖裂隙與邊坡呈大角度相交。

南側開挖邊坡長度約47.4m，高度約8.7～38.0m，坡向35°，為土巖混合邊坡。上部土質邊坡厚度約1.5m，巖性為粉質黏土，下部基巖面較緩，僅為2°～8°，下部巖質邊坡為切向坡。

北側開挖邊坡長度約47.5m，高度約14.4～38.0m，坡向199°，為土巖混合邊坡。上部土質邊坡厚度約0～1.6m，巖性為粉質黏土，下部基巖面較緩，僅為2°～5°，下部巖質邊坡部分為切向坡。

1.2 新田岸錨碇基坑設計

錨碇基坑坑底平面為以橋軸線對稱的不規(guī)則六邊形，長36～40.41m，寬16m，坑底高程為193.600m，錨碇最大開挖深度為49.2m，開挖最大邊坡級數(shù)為6級，開挖總方量約18萬m3。以坑底平面為基礎擴展，各級邊坡均呈六邊形態(tài)，基坑平面布置如圖1所示。

圖1 基坑平面布置

東側邊坡(1—1剖面)為順巖層且高度大，邊坡坡率自上至下分別為1∶1.5，1∶1.5，1∶1.5，1∶0.5，1∶0.5，1∶0.5。南側邊坡(2—2,3—3剖面)受產(chǎn)業(yè)園便道控制，不具備1～3級按1∶1.5放坡的條件，因此，邊坡坡率采用1∶1.5，1∶0.75，1∶0.75，1∶0.5，1∶0.5，1∶0.5。北側，西側邊坡(4—4，5—5剖面)最大邊坡級數(shù)為5級，且?guī)r層外傾，邊坡坡率采用1∶0.75，1∶0.75，1∶0.5，1∶0.5，1∶0.5。其中西側2級邊坡底部設14.2m寬平臺，為錨碇支墩底部。除第1級邊坡為適應地形變化高度不等外，其余邊坡高度均為8m，兩級邊坡間設1.5m寬碎落平臺。施工時在6—6剖面設置2號出渣通道，自上至下的邊坡坡率與5—5剖面相同。

邊坡防護采用鋼筋錨桿掛網(wǎng)噴射C20混凝土護面。錨桿采用HRB400鋼筋，直徑22mm，長4m，布置間距2m×2m；鋼筋網(wǎng)直徑為6mm，間距為0.2m×0.2m；邊坡坡面上設泄水管，布置間距2m×2m；坡頂周邊設護欄，護欄外側挖截水溝，將坡頂水匯流排入附近水塘，坑底周邊設匯水溝和集水井，便于基坑排水。

2 基坑開挖技術

新田岸錨碇基坑采用放坡開挖，依據(jù)巖層產(chǎn)狀和邊坡高度采用不同的邊坡坡率，具有基坑深度大、邊坡坡率大、開挖方量大、邊坡防護面積大的特點?；邮┕すて跒?43d，因此，錨碇基坑施工時間緊、任務重，且面臨施工期降雨量大、基坑防排水困難、基坑出渣困難等難點，選擇合適的基坑開挖方式是關鍵。基坑開挖根據(jù)不同的土質、巖石風化程度和開挖深度選擇不同的方法。

1)上層覆土和強風化巖層開挖采用反鏟挖掘機分區(qū)分段開挖，采用放坡挖土法，先沿基坑周圍開挖，開挖1段防護1段，控制每段開挖長度不超過30m，以保證中部預留核心土的穩(wěn)定。挖至邊坡設計線附近時采用挖掘機刷坡，并及時進行邊坡防護。待基坑周圍所有邊坡支護完成后再大規(guī)模挖除基坑中部核心土，同樣采取從四周往中間開挖的方式進行?；娱_挖過程中需在基坑內設置臨時排水溝，基坑較低位置設置一定數(shù)量的集水井，用于收集基坑內降雨，并使用潛水泵抽排出基坑。

2)中風化巖土體開挖采用盆式挖土法，自中心部位向周邊分區(qū)分層開挖。周邊預留的土坡對邊坡有內支撐反壓作用，有利于控制邊坡變形，確保邊坡的穩(wěn)定性。同時，由于邊坡掛網(wǎng)噴漿防護工作量大，在上層邊坡防護仍在進行的情況下，即可開展下層中間部分的基坑開挖，交叉施工，有利于縮短工期。單純采用機械開挖對中風化巖石效率較低，工期難以保證。因此，采用大直徑深孔爆破及邊坡預裂爆破相結合的方式，具體采用毫秒微差定向控制爆破法，控制爆破沖擊波、振動、噪聲和飛石，避免對山體造成破壞。

3)深孔爆破 深孔臺階爆破是巖石爆破開挖的主要方式。本工程的炮孔采用潛孔鉆成孔，直徑90mm，炮孔間距3.2～3.5m，排距2.6～2.8m。爆破孔裝藥采用藥卷直徑70mm的2號巖石乳化炸藥，線裝藥密度按5～7kg/m控制。爆破設計參數(shù)如表1所示。

表1 深孔爆破設計參數(shù)

4)預裂爆破 預裂爆破適用于巖質邊坡開挖，使邊坡巖石沿預定邊坡面爆落，留下光滑平整的開挖面，并盡量避免邊坡圍巖受到破壞。施工時，主炮孔垂直鉆孔，預裂孔和緩沖孔炮孔按邊坡傾角鉆孔，炮孔間距為0.8～1.5m，線裝藥密度0.3～0.6kg/m，在孔底段適當加大。炮孔直徑為90mm，采用藥卷直徑70mm的2號巖石乳化炸藥。為解決炸藥臨界直徑的限制和改裝藥卷的困難，采用體積不耦合多段空氣柱間隔裝藥法。事先使用毛竹片綁扎藥卷及導爆索，放入孔中，然后進行堵塞，堵塞長度約為2m。在主炮孔與預裂孔之間增設與預裂面平行的緩沖孔，主要起到緩沖邊坡能量對邊坡的破壞，與預裂孔的排距為主炮孔排距的0.7倍，藥量為主炮孔的0.5倍，起爆時間比預裂孔延遲150～200ms。

在距基底1m以內禁止采用爆破開挖，以免影響地基強度。宜采用機械開挖和人工修整，保證錨碇地基的強度和平整度?；灼秸雀卟顟刂圃?20～150mm；開挖坡度平整度應≤100mm；邊坡防護施加后，不得侵入錨碇范圍。在設計底標高基面上進行地基原位承載力試驗及摩擦系數(shù)試驗，以驗證錨碇整體穩(wěn)定性及結構安全度。要求在開挖到距基面1m時，先局部快速開挖幾處試驗坑，并立即進行地基原位承載力試驗及摩擦系數(shù)試驗，以縮短基底的暴露時間。

截至2019年12月10日，南岸錨碇基坑開挖工作全部結束，實際開挖用時僅130d，在實際開工日期較晚的情況下，比計劃節(jié)點提前4d完成了基坑開挖、防護施工任務，取得了良好的施工效果。

3 變形監(jiān)測

基坑開挖期間，隨著巖土體的逐漸卸荷，未開挖部分的圍巖會產(chǎn)生應力重分布，引起基坑圍巖的變形，并且由于泥巖具有蠕變性特征以及受地下水、降雨等的影響，這種基坑的變形具有長期發(fā)展的趨勢。通過對基坑圍巖變形進行監(jiān)測[12]，可以掌握各種因素作用下的圍巖變形發(fā)展情況，從而判斷邊坡圍巖的穩(wěn)定性，確保施工期間的安全。積累邊坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，掌握邊坡圍巖的變形規(guī)律也有助于提高對不同種類巖土體力學特性的認識，彌補理論分析方法的不足，指導后續(xù)工程的開展。

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)設計

新田岸錨碇基坑監(jiān)測的主要內容包括邊坡水平和豎向位移監(jiān)測、邊坡裂縫開展情況監(jiān)測。本項目監(jiān)測等級定為二等監(jiān)測，精度要求水平位移觀測點坐標中誤差±3.0mm，豎直位移觀測點高差中誤差±0.5mm。

邊坡變形測量的基準點設置在變形區(qū)域以外、位置穩(wěn)定、不受施工干擾且視線良好的地方，并應定期復測。平面坐標系采用獨立坐標系，以高峰至新田橋軸線方向為y軸方向，以南向北垂直于橋軸線為x軸方向。本工程西側邊坡開挖區(qū)域以外對稱橋軸線選擇兩處位置開挖基坑，澆筑底座和混凝土方墩，并在混凝土墩上埋設特制標芯作為基準點?？刂凭W(wǎng)測量按二等三角網(wǎng)要求施測。

水準基準點均勻分布在整個監(jiān)測區(qū)域的四周，并選在變形區(qū)以外。水準基準點采用預制或現(xiàn)澆混凝土標識埋設在基巖或原狀土層中，其埋設要求保證在整個觀測期間堅固穩(wěn)定。當豎向位移點出現(xiàn)異常情況，首先應檢測水準基準點。高程系統(tǒng)采用獨立高程系統(tǒng)。水準基準網(wǎng)觀測按照二等水準測量的要求執(zhí)行。

坡頂水平位移和豎向位移監(jiān)測點的布設應能全面反映邊坡變形特征，并顧及地質情況及圍護結構特點。錨碇基坑邊坡水平位移和豎向位移監(jiān)測點的布設沿邊坡碎落平臺周邊布置，邊坡中部、拐點處應布置監(jiān)測點。基坑開挖深度每增加8m沿基坑周邊增設一圈測點。實際布設位置及點數(shù)在布設時根據(jù)現(xiàn)場的具體情況確定，其位置要能最大程度反映基坑的變形狀況?；铀轿灰坪拓Q向位移監(jiān)測點的布置如圖1所示。

根據(jù)GB50497—2009《建筑基坑工程監(jiān)測技術規(guī)范》并結合本錨碇基坑工程的特點確定變形監(jiān)測的預警值和控制值，如表2所示。

表2 基坑變形監(jiān)測預警值及控制值

3.2 監(jiān)測成果及分析

錨碇基坑監(jiān)測周期從基坑開挖開始至錨碇基坑回填完畢后連續(xù)3d的監(jiān)測數(shù)值穩(wěn)定即可停止監(jiān)測。實際監(jiān)測自2019年8月27日開始，至2020年5月10日結束。此期間涵蓋了基坑開挖和回填，基坑開挖期間每天至少監(jiān)測1次；基坑回填期間，第1個月每周2次，第2個月及之后每周1次。

對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，限于篇幅給出4個方向2級坡頂?shù)湫蜏y點的最大位移量和最大日變化率，如表3所示；以周為單位匯總各監(jiān)測點3個方向位移量，繪制了東側邊坡、南側邊坡典型測點的3個方向的位移變化曲線，如圖2所示。

圖2 位移變化曲線

表3 典型測點累計位移量和最大日變化速率

分析基坑邊坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，錨碇基坑東側邊坡、南側邊坡水平x，y方向的位移較大，多數(shù)測點大幅超過預警值，但仍未超過控制值，豎向也有個別測點的位移超過預警值；西側邊坡和北側邊坡的水平方向和豎向的位移均未超過預警值。基坑的最大變形產(chǎn)生在南側邊坡2級坡頂?shù)?號測點上，該測點位于基坑東南方向，這與現(xiàn)場該處產(chǎn)生邊坡開裂的情況相符，此外在東側邊坡一二、二三級碎落平臺處也產(chǎn)生了開裂現(xiàn)象。由此說明，東側邊坡和南側邊坡比西側和北側邊坡的穩(wěn)定性更為不利，這是由于東側邊坡為順層坡，巖石傾角較大，南側邊坡雖為切向坡但巖層仍有一定的傾斜角度；東側邊坡上三級均采用了1∶1.5的坡率，而南側邊坡2，3級均為1∶0.75坡率，雖然南側邊坡巖層傾角更小，但是由于邊坡坡率更大，因而產(chǎn)生了更大的水平位移和沉降；可以預見東側邊坡若采用同樣的坡率，將會產(chǎn)生更大的位移，甚至產(chǎn)生邊坡失穩(wěn)坍塌事故。錨碇基坑施工期間東側、南側邊坡的變形雖然超過預警值，但位移值未超過控制值，未產(chǎn)生邊坡失穩(wěn)坍塌等更進一步的災害。從這一點上說，本基坑采用的放坡坡率是安全的。

分析圖2東側邊坡、南側邊坡典型測點3個方向的位移變化曲線，自開始監(jiān)測至2019年11月23日，隨著開挖深度的增加，x方向的位移呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢，y方向和豎向的位移變化規(guī)律不明顯；而在第14周，具體為11月23日—11月25日，東、南邊坡測點的三向位移快速增加，多數(shù)測點的日變化速率和累計位移值超過預警值，這與現(xiàn)場巡視發(fā)現(xiàn)的裂縫開展情況基本一致；11月25日以后，邊坡位移變化趨于平緩，位移變化速率未再出現(xiàn)超過預警值情況。對比現(xiàn)場施工進度，11月23日—11月25日為基坑最下一級爆破施工期，基坑土體卸荷接近最大狀態(tài)，基坑邊坡部分巖層由于應力過大產(chǎn)生了斷裂，從而導致了應力重分布和邊坡開裂現(xiàn)象，應力重分布后圍巖達到了新的平衡狀態(tài)。這也說明，在砂泥巖互層地質中，邊坡位移具有突變的特征。

受春節(jié)假期及新冠疫情影響，2020年1月20日—3月15日未開展任何施工活動，對比停工前和復工后監(jiān)測數(shù)據(jù)變化，東側、南側邊坡變形仍呈緩慢發(fā)展趨勢，反映了砂泥巖互層地質，由于泥巖的蠕變特性，導致邊坡變形具有長期發(fā)展的趨勢。

4 結語

砂泥巖互層地質的錨碇基坑采用放坡開挖，針對邊坡巖石產(chǎn)狀，設計采用不同的放坡坡率，并采用錨桿掛網(wǎng)噴漿的方法對坡面進行防護?，F(xiàn)場施工時，制定了針對性的施工技術方案，上層覆土直接采用機械開挖，下層中風化巖石采用深孔爆破和邊坡預裂爆破相結合的開挖技術，并采用盆式挖土法，各工序交叉進行形成流水作業(yè)，減少相互干擾，極大提高了施工效率。

基坑施工期間進行了系統(tǒng)的邊坡變形監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明東側和南側邊坡變形較大，大部分測點的位移值均超過了預警值，但未超過控制值，基坑邊坡整體是穩(wěn)定的，達到了預期設計目標；砂泥巖互層地質基坑邊坡的變形具有突變性和長期蠕變性特征，突變位移是導致邊坡變形的主要因素。