土質(zhì)邊坡錨索施工技術(shù)

張 維 春, 張 浩， 梁 小 陽

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

1.1 土料場概況

西地土料場位于兩河口水電站礫石土直心墻壩下游5 km處的雅礱江右岸，前緣為西地村所在地。料場分布高程為2 800～2 950 m，地形上為16°～25°的緩坡，順河最長可達(dá)440 m，料場內(nèi)主要為荒坡地。場地內(nèi)勘探鉆孔、淺井中未見地下水浸出，沖溝未見泉水出露，地下水位埋深大。

料場總面積約15.1萬m2。料場表層耕殖土層厚0.85～1.3 m，為無用層；下部棕黃色砂、板巖風(fēng)化殘積含礫壤土層為有用層，根據(jù)有用層厚度的差異，將料場分為1、2兩區(qū)，1區(qū)分布面積為2.2萬m2，2區(qū)分布面積為12.9萬m2。1區(qū)厚3～10 m，最大達(dá)22 m，平均4.5 m；2區(qū)厚8～15 m，最大達(dá)33 m，平均厚度為10.5 m。1區(qū)為一類土，存儲量約為10萬m3，2區(qū)以接觸性黏土為主，存儲量約為136萬m3?？碧綔\井、鉆孔內(nèi)無地下水

出露。

1.2 支護(hù)的必要性

西地村依山傍河，沿雅礱江自磨子溝至呷拉鄉(xiāng)鎮(zhèn)，與昆地隔河相望，處于土料場前緣，尤其自磨子溝至昆地村上游處地段上方即為土料場，近年來因經(jīng)濟(jì)發(fā)展及從事大壩施工的外來經(jīng)商人員多集中在該地段，加之西地村村民集中居住形成了一個較為繁華的村鎮(zhèn)。目前，西地土料場已開挖至2 923 m高程，形成坡度較陡的土質(zhì)后緣邊坡，在汛期降雨較多時，土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性受到影響，嚴(yán)重威脅到土料場下方人民生命財產(chǎn)的安全，一旦出現(xiàn)任何險情，都可能造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。因此，為保證西地村的安全，必須采取有效的支護(hù)方式保證邊坡穩(wěn)定。

對于西地土料場的土料，先行開采2區(qū)，原開采坡比為1∶1.5，但依此坡比開采土料浪費嚴(yán)重，將有近30萬m3的土料無法利用且同樣存在邊坡的穩(wěn)定問題。后來依據(jù)現(xiàn)場實際情況及“挖干取凈”的原則改為開挖至2 923 m高程，最終形成平均高度為26 m、坡度為1∶1～1∶1.2、東西長274.24 m，面積約1.3萬m2的不規(guī)則邊坡?？紤]到其他料場開采存在較多干擾及不確定因素，為確保料源供應(yīng)及同步開采西地土料場和后期[1]土料的順利開采，必須保證已開挖邊坡的穩(wěn)定性，且支護(hù)范圍基本與開挖范圍一致(圖1)。

1.3 施工難度

圖1 西地土料場支護(hù)范圍

料場已開挖形成的坡面高度大且陡，施工道路受到現(xiàn)場自然環(huán)境的限制，進(jìn)而給錨索造孔、混凝土澆筑、張拉等工序及設(shè)備、材料轉(zhuǎn)場等施工帶來了一定的難度。

依據(jù)場地內(nèi)勘探鉆孔了解到的情況，除表層耕殖土剝離棄用外，在征地開采范圍內(nèi)，本著有用料挖干取凈的原則進(jìn)行開采形成的邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜。上游正坡范圍內(nèi)有含礫壤土殘留，邊坡內(nèi)部風(fēng)化層、軟弱夾層較多，因此，在該邊坡施工錨索存在注漿量大、張拉過程中可能會造成邊坡表層土體沉陷、達(dá)不到錨索的設(shè)計荷載現(xiàn)象。而下游側(cè)坡部分的地質(zhì)條件最差，裸露邊坡坡面主要為碎石土堆積，軟弱夾層多，少部分裸露板巖，同時有強(qiáng)風(fēng)化層、軟弱夾層交互分布，進(jìn)行錨索施工極易發(fā)生塌孔、卡鉆、需延長孔深等現(xiàn)象，且上下游邊坡上均存在較多礫石、滾石，具有較大的安全隱患，在降雨較多時兼有滑坡的風(fēng)險。

2 施工技術(shù)與措施

2.1 施工排架

上游支護(hù)施工先進(jìn)行開口線附近的鎖口錨索施工。在如此高的邊坡上進(jìn)行錨索施工必須搭設(shè)滿坡排架。為保證排架的穩(wěn)定，在高程2 923～2 925 m坡腳施工交通路內(nèi)側(cè)、以分區(qū)分塊的方式先澆筑厚度為0.5 m，寬2 m的C25素混凝土排架基礎(chǔ)并打入長度為75 cm，Φ28的插筋，在此基礎(chǔ)上，逐層向上搭設(shè)立桿橫距為1.5 m，縱距為1.7 m，步距為1.7 m的排架，同時，在搭設(shè)過程中，及時設(shè)置自進(jìn)式錨桿連墻件和斜撐。在錨索層搭設(shè)錨索施工平臺以及在排架分塊間隔區(qū)搭設(shè)物料轉(zhuǎn)移系統(tǒng)排架，在排架頂部搭設(shè)材料運輸通道，在下游側(cè)坡完成貼坡混凝土板后于混凝土坡面上搭設(shè)排架，同樣，在基礎(chǔ)及坡面上設(shè)置連墻件和斜撐以使排架更為穩(wěn)定、安全，施工排架搭設(shè)情況見圖2。

鉆機(jī)的固定、錨索的編制、注漿管路的鋪設(shè)、澆筑和張拉作業(yè)等錨索施工均利用已搭設(shè)好的排架進(jìn)行。在施工過程中，因造孔或張拉等工序需拆除部分架管，待相應(yīng)工序完成而整體還在施工時要及時恢復(fù)并加固排架，及時排除安全隱患。

錨墩及附屬部位混凝土澆筑受場地環(huán)境影響較大。上游正坡坡面由于開采土料形成的邊坡較高、坡度較陡且上游正坡面的施工道路僅在邊坡坡腳，故對上游正坡部位的澆筑采用單一的泵送混凝土，而對下游側(cè)坡除坡腳道路外還可使用邊坡頂部的當(dāng)?shù)亟煌?，項目部依?jù)現(xiàn)場實際情況采用泵送混凝土與溜槽輸送混凝土相結(jié)合的方式進(jìn)行澆筑施工。

2.2 造孔施工

在錨索施工時，為保證鉆孔后孔壁穩(wěn)固、提高鉆進(jìn)效率，造孔時避免塌孔卡鉆，上下游坡面統(tǒng)一采用沖擊偏芯鉆具帶動套管鉆進(jìn)，即在偏芯鉆具與風(fēng)動潛孔錘聯(lián)接好、管靴與套管聯(lián)接好后，套管在風(fēng)動潛孔錘和鉆機(jī)軸壓力作用下隨鉆進(jìn)隨跟進(jìn)，同時進(jìn)入孔內(nèi)，從而達(dá)到在鉆進(jìn)過程中護(hù)壁成孔的目的。套管采用5 mm厚無縫鋼管，每節(jié)長度為1.5 m，分節(jié)跟進(jìn)，以進(jìn)入基巖段長度1 m或以穿過覆蓋層及巖石破碎段為原則。為方便跟進(jìn)，鋼管外徑比錨索孔徑小1～2個規(guī)格，錨索造孔及下索完成后，應(yīng)及時把跟進(jìn)孔內(nèi)的套管用拔管機(jī)拔出[2]。

圖2 施工排架簡圖

由于土質(zhì)邊坡松散，孔內(nèi)套管受到的摩擦力大，拔管過程中出現(xiàn)了套管斷裂和拔不出的現(xiàn)象，僅在上游正坡面錨索根管總長度達(dá)2 592.5 m，其中未拔出的根管長度為444 m，占錨索根管總長度的17.13%。同時，施工方案中指出：在必要時采取固結(jié)灌漿的方式以提高邊坡巖體的整體性，但因工期緊張、根管鉆進(jìn)對該處邊坡錨索施工有效且比固結(jié)灌漿較為經(jīng)濟(jì)，因此未采取固結(jié)灌漿的施工措施。

同時，為保證錨索孔的完整性以及后續(xù)工序的順利，必須及時進(jìn)行錨索的安裝與注漿。為保證錨索錨固段處于完整巖體內(nèi)且長度符合設(shè)計要求，對相應(yīng)的錨索孔(共選定20個孔位)進(jìn)行了聲波、孔內(nèi)電視等物探檢測，為復(fù)測地質(zhì)條件及對錨固段巖體質(zhì)量評價提供了有效的依據(jù)。在復(fù)測成果與現(xiàn)場地質(zhì)情況差異較大時，及時通知現(xiàn)場地質(zhì)人員進(jìn)行復(fù)核并進(jìn)一步明確施工方案。

在造孔施工過程中，孔深已達(dá)預(yù)定深度、而錨固段仍處于破碎帶或斷層軟巖層時，延長孔深，繼續(xù)鉆進(jìn)，直至監(jiān)理工程師認(rèn)可為止。下游側(cè)坡坡面2 946 m高程處的7#錨索原設(shè)計孔深為40 m，但在鉆機(jī)進(jìn)尺達(dá)到40 m后仍舊處于弱風(fēng)化層，巖層破碎，全孔段均為套管，后經(jīng)監(jiān)理工程師同意后延長孔深至47 m，依據(jù)完成延長孔深后的物探報告顯示，40～47 m仍有裂隙發(fā)育，但沒有破碎帶，基本滿足錨固條件。

對于降雨較多且地質(zhì)條件復(fù)雜、成孔后孔內(nèi)積水、殘渣較多時，需在鉆孔終孔后連續(xù)不斷地用風(fēng)徹底沖洗鉆孔，直至孔口返出之風(fēng)手感無塵屑、水體后延續(xù)5～10 min，使孔內(nèi)殘留的積水和殘渣徹底清除完全。

2.3 錨索安裝與灌漿

由于施工場地的限制，錨索采用人工運輸，錨索的安裝亦采用人工方法。操作人員必需在搬運和裝卸時謹(jǐn)慎操作,避免損傷PE套管。下錨時協(xié)調(diào)一致，用力均勻，只能往里推，不能往外拉，一次性將錨索安放到位，避免在安裝過程中反復(fù)拖動索體并保證錨索體在孔內(nèi)順直不扭曲,不使錨索結(jié)構(gòu)受到損壞。錨索安裝完成后，對外露鋼絞線采用彩條布進(jìn)行臨時覆蓋防護(hù)[2]。

錨索灌漿所灌的漿液為M40凈漿，灌漿方式為排氣法灌漿，灌漿壓力為0.3～0.5 MPa，排氣管回漿濃后即以0.5 MPa的壓力屏漿。邊坡由于存在裂隙，在注漿時錨索吸漿、超灌現(xiàn)象普遍存在。在上游正坡面達(dá)到最大灌漿量的是2 954 m高程處的9#錨索，注灰量達(dá)到22 288.1 kg，是設(shè)計理論孔容(588.015 kg)的37.9倍，是實際理論孔容(976.71 kg)的22.8倍。為保證注漿飽滿并避免材料浪費，在單個錨索注漿超過5 t時采用間歇注漿，直至灌漿量大于理論吸漿量,回漿比重不小于進(jìn)漿比重且穩(wěn)壓、孔內(nèi)不再吸漿為止[3]。

2.4 錨索張拉

錨索的張拉均采用超張拉持荷穩(wěn)定、超載安裝的施工方法。土料場邊坡錨索分兩次進(jìn)行多級張拉，第一次張拉使錨索預(yù)應(yīng)力值達(dá)到設(shè)計值的70%，待邊坡錨索應(yīng)力值穩(wěn)定后再對錨索進(jìn)行第二次張拉，張拉后使錨索預(yù)應(yīng)力值達(dá)到設(shè)計值的115%。

3 針對張拉沉降采取的應(yīng)對措施

因上下游邊坡地質(zhì)條件不同，所采用的支護(hù)方式亦不同：上游正坡多為含礫壤土殘留，支護(hù)方式為：長度為40～55 m，1 000 kN的錨索加框格梁(節(jié)點處加大)與掛網(wǎng)噴射混凝土，下游側(cè)坡采取的支護(hù)方式為長50 m、55 m的2 000 kN的錨索加貼坡混凝土板的支護(hù)形式。

3.1 下游側(cè)坡區(qū)域

下游側(cè)坡地質(zhì)條件較為復(fù)雜，其中碎石土堆積、裸露板巖，強(qiáng)風(fēng)化層、軟弱夾層交互分布，故統(tǒng)一采用貼坡混凝土封閉。西地土料場下游側(cè)坡支護(hù)采用的錨索荷載為2 000 kN，荷載較大，對于下游澆筑厚度為0.5 m、1 m的貼坡混凝土板而言，錨索施加的荷載經(jīng)錨墩作用于混凝土板繼而傳遞于坡面，在張拉的整個過程中沉陷不明顯或基本不沉陷且錨索持荷穩(wěn)定。同時，在張拉過程中，現(xiàn)場施工人員密切注視貼坡混凝土板的情況[3]，未發(fā)生混凝土破壞的跡象。

3.2 上游正坡區(qū)域

相較于下游側(cè)坡而言，上游正坡框格梁節(jié)點過小，在尺寸、承荷方面均不滿足錨索施工要求，因此，必須加大框格梁節(jié)點，前期加大尺寸為2 m×2 m，后因在鎖口錨索張拉過程中節(jié)點處沉陷，框格梁斷裂(圖3)，應(yīng)力損失大，無法達(dá)到設(shè)計要求。為減小因張拉施加于邊坡局部土體的力，減小局部土體沉降，決定再次加大節(jié)點尺寸至3 m×3 m。因框格梁在土體沉陷時仍為受彎構(gòu)件，所以其存在剪截面。為減小混凝土錨墊板與框格梁連接處因剪切而產(chǎn)生的應(yīng)力[4]，保證該處節(jié)點與框格梁連接處牢固，防止出現(xiàn)框格梁因張拉而產(chǎn)生斷裂，根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(DL/T5057-2009)， 在后續(xù)錨墊板鋼筋綁扎施工時在墊板兩端增加了2根彎起鋼筋，并對兩端0.5 m范圍內(nèi)的框格梁箍筋進(jìn)行加密，該范圍內(nèi)的箍筋布置間距由原來的20 cm改為10 cm(圖4)。對于已出現(xiàn)應(yīng)力損失的錨索及時進(jìn)行補(bǔ)償張拉。

圖3 框格梁因張拉產(chǎn)生斷裂

圖4 加密箍筋布置形式圖

4 后期監(jiān)測與邊坡穩(wěn)定

根據(jù)西地料場邊坡現(xiàn)場的實際情況，在上游正坡面及下游側(cè)坡面分別布置了5套量程1 000 kN、4套量程2 000 kN及9套量程1 500 kN、精度為0.1%FS的振弦式(四弦)測力計。在施工期間隔7 d進(jìn)行預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測，若低于20%錨索設(shè)計值時應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償張拉，直至長期穩(wěn)定方可封錨。于五個監(jiān)測錨索部位各布置了1個外部變形觀測墩，同時，在開挖邊坡范圍外選擇了2個穩(wěn)定基點作為平面位移工作基點。外觀墩采用在錨墩上安裝插筋、在插筋上安裝固定棱鏡的方式。將錨索測力計電纜沿坡面向下牽引至2 925 m高程平臺臨時集中點進(jìn)行施工期的集中觀測，電纜采用M10砂漿條帶牽引保護(hù)[5]。

鑒于土料場開挖可能引起邊坡變形而導(dǎo)致錨索應(yīng)力損失，在下一級邊坡開挖未完或未開挖情況下不得封錨，以便于進(jìn)行補(bǔ)償張拉。故在張拉工序結(jié)束后沒有封錨并采用彩條布將外露鋼絞線包裹以保護(hù)并防止鋼絞線、錨具生銹。

5 結(jié) 語

2019年7月，土料場錨索測力計變化量成果為：監(jiān)測錨索除MSZ-15外，應(yīng)力損失為6.37%～11.01%，全部監(jiān)測錨索平均應(yīng)力損失為9.33%。由此可見，西地土料場邊坡錨索持荷穩(wěn)定，滿足設(shè)計要求，支護(hù)措施取得了較好的效果。

2019年6月，復(fù)測變形監(jiān)測顯示點水平位移范圍為0.2～4.3 mm，平均水平位移為1.76 mm，垂直位移范圍為-4.2～1.2 mm，平均垂直位移為-0.32 mm。

由垂直臨空面位移變化量看，依然存在沉降現(xiàn)象，但沉降已趨于穩(wěn)定。因為錨索在張拉后施力于邊坡坡面，而土質(zhì)邊坡受力引起變形屬于正?，F(xiàn)象。倘若在錨索張拉后沒有適當(dāng)?shù)某料莘炊霈F(xiàn)邊坡繼續(xù)變形且形變量持續(xù)增大的情況，說明錨索沒有起到一定的作用?？傮w來看，現(xiàn)階段錨索持荷穩(wěn)定，邊坡亦無明顯的變形，因此，以錨索為主的支護(hù)方式達(dá)到了預(yù)期效果，也說明在土質(zhì)邊坡錨索施工中采取的一系列技術(shù)、措施是行之有效的。