臨近構(gòu)筑物危巖體處置設(shè)計(jì)及施工關(guān)鍵技術(shù)

李志成，陳誠(chéng)，徐海云，龔文惠

（1援中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430000；2.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430000）

0 引言

隨著大批山區(qū)公路、鐵路以及水利樞紐工程的興建，危巖體災(zāi)害發(fā)生的頻次越來(lái)越高，對(duì)危巖體變形破壞模式、穩(wěn)定性判定與防治措施已經(jīng)成為現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)[1]。危巖是指由多組巖體結(jié)構(gòu)面切割并位于陡坡或陡崖上的不穩(wěn)定巖體，在巖質(zhì)邊坡和高陡邊坡處最為常見(jiàn)，具有泛生性、突發(fā)性、隱蔽性以及致災(zāi)嚴(yán)重性等特征，按失穩(wěn)模式將危巖分為滑塌式、傾倒式和墜落式危巖[2]。

危巖體處置設(shè)計(jì)及施工一直是工程界的難題，常結(jié)合其特征采用相應(yīng)的加固體系以增加抗滑性、強(qiáng)度、穩(wěn)定性。對(duì)于具體的危巖體災(zāi)害，由于賦存的地質(zhì)環(huán)境差異和威脅對(duì)象的不同，防治等級(jí)和技術(shù)方法也不相同[3]。

建始至恩施高速公路K105+480—K105+600段路基邊坡存在崩塌危巖體，溶孔溶隙發(fā)育，且緊鄰既有構(gòu)筑物，成為該邊坡重大潛在安全隱患之一。本文從安全性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面，對(duì)危巖體加固處置設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行分析研究。

1 工程概況

建恩高速公路項(xiàng)目起于建始隴里，經(jīng)金銀店、白楊坪、龍鳳壩、虎岔口、松樹(shù)坪至恩施羅針田，與恩施至來(lái)鳳高速公路對(duì)接，路線全長(zhǎng)74.211 km，以路基、橋梁為主。其中K105+480—K105+600路基段主線左側(cè)存在一處崩塌危巖體，巖體整體高約30 m，其中上部被節(jié)理面分割的巖體高度約15 m，危巖體前緣因當(dāng)?shù)厝斯と∈纬啥秆拢露燃s80毅，總體坡向120毅，方量約15 000 m3。

危巖體附近現(xiàn)存一座商品混凝土攪拌站，場(chǎng)內(nèi)主要設(shè)施分布在危巖體滑動(dòng)面傾向正下方，滑坡面與攪拌站場(chǎng)地高差約15 m，拌合站主機(jī)及水泥罐距危巖體水平距離約8 m，拌合站砂石料倉(cāng)棚直接沿陡崖面搭建，其他生產(chǎn)、生活設(shè)施均分布在危巖體周邊90 m范圍，對(duì)危巖體施工干擾極大。如圖1所示。

2 危巖體工程地質(zhì)特性及穩(wěn)定性分析

2.1 工程地質(zhì)特性

危巖體自上而下分為3層，第1層為碎石，分布于坡面及溶溝、溶槽內(nèi)，厚度約0.4 m，呈松散狀。第2層為人工填土，主要分布于商品混凝土攪拌站場(chǎng)區(qū)，厚度1.1耀4.2 m，淺灰色，成分主要為白云巖碎石，屬于商品混凝土攪拌站開(kāi)挖填筑物。第3層為微風(fēng)化白云巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。受卸荷及滑動(dòng)影響，巖體內(nèi)裂隙呈張開(kāi)狀，張開(kāi)度20耀40 cm，隙間黏性土充填。

1）危巖體成因

根據(jù)調(diào)研及現(xiàn)場(chǎng)勘查，該處曾發(fā)生巖體滑動(dòng)，滑動(dòng)巖體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到前方山體的阻擋，發(fā)生碰撞后停止。由于碰撞作用，前方危巖體沿豎向裂隙張開(kāi)，分割為6個(gè)塊體。同時(shí)，巖體沿層面貫通，貫通后的層面可見(jiàn)水流流出浸染的痕跡，破壞模式為滑動(dòng)型，滑動(dòng)面含泥質(zhì)，在降雨條件下易發(fā)生泥質(zhì)軟化。

2）巖體特征

危巖體前緣與滑床之間裂隙較小，后緣裂縫較寬（20耀100 cm），前后緣之間由于拉裂、擠壓、翻轉(zhuǎn)錯(cuò)動(dòng)，形成了多條貫穿性縱向、橫向裂縫及空腔，局部可見(jiàn)松動(dòng)巖塊堆積形成的空腔，空腔最大高度達(dá)4 m?？傮w來(lái)看，該危巖體錯(cuò)落分布、空腔裂縫密布、凹凸不平，表面經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)化、剝蝕作用，形成大量的溶蝕凹槽、溶蝕裂隙、小石芽。

3）工程地質(zhì)分區(qū)

根據(jù)工程地質(zhì)巖組、巖石的完整程度等，將危巖體分為5個(gè)區(qū)，如圖2所示。

圖2 危巖體分區(qū)圖Fig.2 Dangerous rock mass partition map

各區(qū)內(nèi)巖體特征、工程地質(zhì)問(wèn)題見(jiàn)表1。

表1 危巖體各分區(qū)工程地質(zhì)問(wèn)題Table 1 Engineering geological problems in various divisions of Dangerous rock mass

2.2 穩(wěn)定性分析

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，危巖穩(wěn)定性分析常用的方法有4種：基于有限元的靜力穩(wěn)定分析法、可靠度分析法、基于監(jiān)測(cè)資料的比較辨識(shí)法和靜力解析法。其中，靜力解析法是工程實(shí)際中最常用的穩(wěn)定性分析方法[4]。

2.2.1 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型

該危巖體邊坡工程安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防烈度屬遇度區(qū)，根據(jù)GB 50011—2011《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]，在穩(wěn)定性計(jì)算工況中不考慮地震荷載，破壞模式主要為滑移式破壞，穩(wěn)定性計(jì)算公式如下：

式中：W為危巖體自重，kN/m；Q為水平方向振動(dòng)荷載，kN/m；V為結(jié)構(gòu)面內(nèi)孔隙靜水壓力，kN/m；L為滑動(dòng)面長(zhǎng)度，m；琢為危巖體滑動(dòng)面傾角，外傾時(shí)取正值，內(nèi)傾時(shí)取負(fù)值；c為滑動(dòng)面處黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；漬為滑動(dòng)面處裂隙內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值。

2.2.2 力學(xué)參數(shù)分析

該滑坡前期已向下滑移，原始位置滑動(dòng)面傾角約為33毅，當(dāng)前位置滑動(dòng)面傾角約為27毅，在降雨條件下危巖體的綜合摩擦角應(yīng)該處于27毅耀33毅。

2.2.3 計(jì)算工況分析

根據(jù)滑坡在施工和長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)條件下的環(huán)境特征，計(jì)算工況如下：

1）工況1：自重+施工期間振動(dòng)荷載。

2）工況2：自重+暴雨。

2.2.4 穩(wěn)定性分析及評(píng)價(jià)

根據(jù)對(duì)危巖體的分區(qū)部署，不同工況下玉區(qū)耀吁區(qū)穩(wěn)定性系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 危巖體各分區(qū)穩(wěn)定性系數(shù)Table 2 Stability coefficient of each section of dangerous rock mass

依照GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[6]，對(duì)于平面滑動(dòng)安全系數(shù)取1.3，由此可知：

1）上部潛在滑動(dòng)面，在工況一施工振動(dòng)荷載作用下穩(wěn)定系數(shù)為1.12，在工況二暴雨裂隙充水條件下穩(wěn)定性系數(shù)為1.00，其穩(wěn)定性系數(shù)均小于安全系數(shù)1.30，需要進(jìn)行治理。

3）下部潛在滑動(dòng)面，在工況一施工振動(dòng)荷載作用下穩(wěn)定性系數(shù)為1.65耀1.80，在工況二暴雨裂隙充水條件下，穩(wěn)定性系數(shù)為1.35耀1.42，處于安全狀態(tài)。

3 危巖體處理方案研究

危巖體主要的治理技術(shù)可以分為主動(dòng)防治技術(shù)和被動(dòng)防治技術(shù)[7]。主動(dòng)防治的理念在于增強(qiáng)危巖體的穩(wěn)定性，阻止其發(fā)生崩落，常用的方式有清除、支撐、錨固、注漿等。而被動(dòng)防治技術(shù)的理念在于假設(shè)發(fā)生了崩塌，但通過(guò)阻止落石到達(dá)威脅對(duì)象范圍而提供的防護(hù)功能，常用的方式有攔石網(wǎng)、攔石墻[8]。

3.1 危巖體清除設(shè)計(jì)方案

考慮到危巖體坡下為商品混凝土攪拌站與國(guó)道線路，上方為設(shè)計(jì)道路路堤，下伏存在潛在滑動(dòng)面，若整體爆破清除，勢(shì)必威脅下部商品混凝土攪拌站，甚至牽動(dòng)下伏潛在巖體，使其滑動(dòng)面變形加劇，影響未來(lái)路基的穩(wěn)定性。為此，危巖體清除可采用淺孔分層爆破和靜態(tài)爆破相結(jié)合的方式。

3.1.1 淺孔分層爆破

淺孔分層爆破主要針對(duì)歷史上滑動(dòng)的松動(dòng)危巖體、后緣的危巖體，自上而下分層松動(dòng)爆破，爆破方向以垂直于邊坡方向?yàn)橹?。巖石爆破最大塊度控制在50 cm以內(nèi)，單位炸藥消耗量控制在150 g/m3以內(nèi)，采用齊發(fā)爆破或短延時(shí)毫秒爆破。

3.1.2 靜態(tài)爆破

靜態(tài)爆破主要針對(duì)商品混凝土攪拌站未拆除條件下邊坡臨空面附近的危巖體，在鉆孔中灌裝靜力膨脹劑，依靠化學(xué)膨脹力使巖石產(chǎn)生裂隙或裂縫，從而達(dá)到巖體破碎的目的。設(shè)計(jì)孔距25耀30 cm，破碎劑用水稀釋后灌注炮孔，離孔口20 cm停止并堵塞，常溫下24 h即可裂開(kāi)。

3.1.3 危巖體崩塌運(yùn)動(dòng)路徑分析

為了確定危巖體發(fā)生崩塌的影響范圍和時(shí)空分布規(guī)律，采用落石分析軟件RocFall分析危巖體潛在落石的運(yùn)行軌跡、不同位置的運(yùn)行速度、以及最大落石落點(diǎn)集中區(qū)。

1）坡面計(jì)算

計(jì)算坡面選用商品混凝土攪拌站正對(duì)的道路斷面，如圖3所示。

圖3 Roc Fall軟件計(jì)算坡面Fig.3 Roc Fall software calculation slope

2）模擬參數(shù)

考慮到危巖體歷史上曾發(fā)生滑動(dòng)，彈性能已釋放，再次失穩(wěn)時(shí)初始速度一般很小，軟件模擬中定義為0.01 m/s。邊坡底部有少許石塊堆積，路面為水泥面，其力學(xué)參數(shù)與基巖類(lèi)似。根據(jù)法向彈性系數(shù)Rn和切面摩擦系數(shù)Rt確定巖坡和坡面碰撞后速度衰減，Rn、Rt參照TB 10035—2018《鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范》分別取值0.4、0.8。

3）模擬結(jié)果

根據(jù)建立的地面模型，計(jì)算模擬出落石的滾動(dòng)路線。其中坡底水平坐標(biāo)為x=1 893，商品混凝土攪拌站距離坡底9 m，推算其水平坐標(biāo)為x=1 902。

根據(jù)模擬結(jié)果得出：危巖體發(fā)生崩塌，其堆積區(qū)范圍位于1 910耀1 920區(qū)域，必然經(jīng)過(guò)商品混凝土站（x=1 902）。同時(shí)，落石彈起平均高度在2 m左右，仍然具有較高的動(dòng)能，破壞力極強(qiáng)，商品混凝土攪拌站處于危險(xiǎn)地帶。

3.1.4 清除設(shè)計(jì)方案建議

根據(jù)滾石模擬結(jié)果，采用清除方案時(shí)，臨近的商品混凝土攪拌站存在影響，待商品混凝土攪拌站搬遷至安全位置后，整個(gè)危巖體可采用淺孔分層爆破進(jìn)行清除。

3.2 錨索加固設(shè)計(jì)方案

根據(jù)GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行錨索加固設(shè)計(jì)計(jì)算，考慮到邊坡穩(wěn)定性較差，在危巖體中上部范圍布設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索加固。

危巖體各區(qū)錨索均采用1 860 MPa高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，1伊7標(biāo)準(zhǔn)型結(jié)構(gòu)，錨索與水平面的傾角30毅，相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 錨索設(shè)計(jì)參數(shù)Table 3 Anchor cable design parameters

3.3 鋼軌樁加固設(shè)計(jì)方案

在危巖體上部范圍布設(shè)樁徑30 cm鋼軌抗滑樁進(jìn)行加固，鋼軌樁貫穿潛在滑動(dòng)面。鋼軌軌體型號(hào)選用43號(hào)重軌，單軌抗滑力計(jì)算如下：

式中：P為抗滑力，kN；[滓]為鋼軌允許應(yīng)力值，取值615.4 MPa；W為鋼軌截面抗彎模量，取值208.3 cm3；d為鋼軌截面最大尺寸，取值18 cm。

計(jì)算可得單軌提供抗滑力P=355 kN。

鋼軌樁布置如圖4所示，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表4。

圖4 鋼軌樁布置示意圖Fig.4 Rail pile arrangement

表4 鋼軌樁設(shè)計(jì)參數(shù)Table 4 Rail pile design parameters

3.4 設(shè)計(jì)方案比選

危巖體清除、錨索加固、鋼軌樁加固3個(gè)設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析見(jiàn)表5。

表5 設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析表Table 5 Design comparison table

通過(guò)綜合比選，鋼軌樁加固方案經(jīng)濟(jì)性最好，施工工期最短，且施工風(fēng)險(xiǎn)可控、施工質(zhì)量可靠，作為危巖體處置的實(shí)施方案。

4 危巖體加固施工

4.1 臨時(shí)防護(hù)施工

危巖體正面坡面溶孔、裂隙發(fā)育，部分區(qū)域零散分布?jí)K狀孤石，加固施工前需對(duì)孤石進(jìn)行臨時(shí)防護(hù)。塊狀孤石采用臨空面鋼絲網(wǎng)包裹+插打鋼棒錨固的臨時(shí)防護(hù)方式，確保孤石穩(wěn)定。

4.2 裂隙封堵施工

危巖體錯(cuò)落分布、空腔裂縫密布、凹凸不平，表面經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)化、剝蝕作用，形成大量的溶蝕凹槽、溶蝕裂隙、小石芽，裂隙封堵可提高危巖體的整體穩(wěn)定性。

1）危巖體與滑床之間水平裂縫及空腔填充

清除地表雜物，確定危巖體與滑床間水平裂縫及空腔位置，再將縫隙中的堆積物清出。然后從危巖體上方便道沿坡面搭設(shè)溜槽至澆筑區(qū)，分批次、分區(qū)間隔澆筑填充混凝土。

2）危巖體頂部裂縫及凹槽填充

待危巖體與滑床之間水平裂縫及空腔混凝土填充加固后，在危巖體右側(cè)修筑臨時(shí)便道，用于頂部裂縫及凹槽填充施工。先將頂部裂縫及溶蝕凹槽內(nèi)的雜草及覆蓋土清除，再利用汽車(chē)吊+料斗的方式進(jìn)行填充混凝土的澆筑。

4.3 鋼軌樁施工

鋼軌樁設(shè)計(jì)樁徑30 cm，樁長(zhǎng)14耀20.5 m，入堅(jiān)硬的微風(fēng)化白云巖。鉆芯施工時(shí)，每次鉆入1耀2 m，芯渣重達(dá)300 kg以上。由于單次取芯直徑大、重量大，傳統(tǒng)的“投鋼絲卡鉆芯”工藝已無(wú)法適用，通過(guò)對(duì)巖芯管進(jìn)行改良，創(chuàng)新地提出“一種超大直徑鉆芯取渣的方法”。

1）設(shè)備選型

考慮到危巖體穩(wěn)定性處于臨界狀態(tài)，且臨近城區(qū)環(huán)保要求高，采用機(jī)械回轉(zhuǎn)鉆機(jī)取代成孔速度較快的潛孔錘沖擊回轉(zhuǎn)鉆機(jī)。由于危巖體屬于硬質(zhì)灰?guī)r，且鋼軌樁直徑達(dá)到30 cm，采用特制表鑲金剛石鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)取芯。

2）超大直徑鉆芯取渣

鉆芯施工前在大直徑巖芯管底端設(shè)置10 mm圓孔，穿入準(zhǔn)10圓鋼制作的回形卡。待鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)標(biāo)高位置后，鉆機(jī)反轉(zhuǎn)提渣，巖芯管底端的回形卡與提取芯樣已經(jīng)有效結(jié)合，可對(duì)芯樣底部進(jìn)行撐托，防止取芯過(guò)程中芯樣脫落。巖芯管設(shè)置如圖5所示。

圖5 大直徑巖芯管開(kāi)孔Fig.5 Large diameter core tube opening

3）鋼軌樁安裝

鉆孔孔徑30 cm，每個(gè)孔位處需下放2耀3根鋼軌樁，故環(huán)狀間隙較小，為確保鋼軌的順利下放，必須嚴(yán)格按設(shè)計(jì)位置對(duì)每個(gè)孔位處的鋼軌進(jìn)行組合焊接，如圖6所示。

圖6 各孔位鋼軌樁組合布置圖Fig.6 Steel rail pile combination layout of each hole

各孔位鋼軌樁組合焊接完成后，采用25 t汽車(chē)吊吊放軌體，使軌體鉛直并緩緩放入孔中，避免碰壞孔壁。待鋼軌樁安裝就位后，沿鋼軌中間下放壓漿管至孔底，再向孔內(nèi)注入砂漿直至孔口。注漿速度不能過(guò)快，如一次注不滿或注漿后產(chǎn)生沉降，要補(bǔ)充注漿，直至注滿為止，確保鋼軌樁的密實(shí)度。

5 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)危巖體處置設(shè)計(jì)方案的分析比選，采用鋼軌樁加固的處置方式，有效地解決了臨近構(gòu)筑物爆破清除受限條件下危巖體的穩(wěn)定問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)性良好，工期可控。

2）首次提出了30 cm超大直徑鉆芯取渣的施工方法，利用巖芯管底端開(kāi)孔設(shè)置圓鋼回形卡的方式，解決了大直徑芯渣提取易脫落的難題。

3）治理后的危巖體整體穩(wěn)定，處置設(shè)計(jì)及施工達(dá)到預(yù)期，保障了臨近的主線路基施工，確保了周邊構(gòu)筑物的長(zhǎng)期安全，能夠?yàn)槠渌?lèi)似項(xiàng)目危巖體處置提供借鑒。