危巖帶下錨碇基坑施工技術(shù)及爆破振動監(jiān)測

胡風明，宋健，閆磊，曲振宇，趙甜甜

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

在跨徑600 m以上的橋梁中，懸索橋具有很強的競爭優(yōu)勢。懸索橋錨碇是支承主纜、保證全橋主體結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定的核心部件。錨碇一般分為重力式錨碇、隧道式錨碇兩類，相比隧道式錨碇，重力式錨碇對地質(zhì)條件要求較低，應用更加廣泛。基坑支護開挖施工是重力式錨碇基礎(chǔ)施工的重要前提。由于錨碇基礎(chǔ)龐大，基坑開挖深度可達幾十米，且施工周期長，對周邊地層形成強擾動，因此，選取合理施工方法，開展施工監(jiān)控，對保障基坑施工的安全性具有重大意義。

在平原地區(qū)，重力式錨碇常采用沉井基礎(chǔ)，矩形鋼筋混凝土地下連續(xù)墻或圓環(huán)形鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，基坑開挖難度較小。在長江中上游，多為山嶺重丘區(qū)，地質(zhì)情況復雜多變，懸索橋錨碇基坑邊坡支護方式和開挖施工方法也因地制宜，多種多樣?？刂票?、緩沖爆破、預裂光面爆破以及機械開挖是常用的開挖施工方法。目前，處于危巖帶和崩坡積體下的錨碇基坑較為罕見。該文背景工程北岸錨碇基坑處于危巖帶和崩坡積體下，底座巖性為泥巖。為加快施工進度，采用以爆破開挖為主的方式，但是爆破振動易造成周邊地層的劣化，誘發(fā)邊坡失穩(wěn)和危巖崩塌，對工程安全產(chǎn)生較大威脅。

為了控制爆破的不利影響，畢王樂等研究了水封爆破技術(shù)在復雜環(huán)境大規(guī)?；颖频膽茫魂愔俪炔捎昧藥Ь彌_層預裂爆破技術(shù)實施深基坑開挖控制爆破，實現(xiàn)了基坑爆破輪廓的平整，取得了良好的破碎效果；廖德川等根據(jù)爆破地震波能流密度分布主方向及其大小特征，優(yōu)化重力式錨碇基坑爆破開挖參數(shù)，提出了適宜的爆破施工工藝。該文依托重慶萬州新田長江大橋北岸錨碇基坑，開展危巖帶下錨碇基坑施工技術(shù)和爆破振動監(jiān)測研究。通過優(yōu)化施工方案，達到控制爆破的目的，各期振動監(jiān)測數(shù)據(jù)符合規(guī)范要求，確保了施工期邊坡和坡頂危巖體的穩(wěn)定性。

1 工程概況

新田長江大橋主橋為單跨1 020 m鋼箱梁懸索橋，橋塔采用門式框架結(jié)構(gòu)，兩岸錨碇均采用重力式錨碇，其中北岸錨碇開挖方量約為11萬m3，錨碇混凝土體積為7.03萬m3，邊坡高度為12.0～52.0 m，臨近危崖側(cè)基坑邊坡最大坡度為1∶0.3，單級坡高為8～10 m，最高處為6級邊坡。危巖下基坑邊坡采用C30鋼筋混凝土護面墻支護。橋梁總體布置圖如圖1所示，錨碇基坑開挖情況如圖2所示。

錨碇基坑施工區(qū)域上方有一危巖帶，崩坡積體上存在有孤石，給錨碇基坑開挖施工帶來了安全隱患，需開展排危和安全防護措施后才能進行開挖作業(yè)。

圖1 橋梁立面(除標高單位為m外,其余:cm)

圖2 錨碇基坑開挖平面

該工程地質(zhì)的特殊性在于：① 地層復雜，砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖等均有發(fā)育，呈現(xiàn)互層狀分布；② 由于泥巖和砂巖的風化差異，砂巖常出現(xiàn)陡崖和危巖帶，崖下發(fā)育第四系崩坡積體；③ 泥巖為典型的軟弱巖層，具有長期流變、遇水軟化的特點，且其上覆蓋層較厚，三峽庫區(qū)的地質(zhì)滑坡常與該層有關(guān)。

2 施工技術(shù)要點

危巖在當前狀況下處于平衡狀態(tài)，但從長期看隨著風化的加劇，巖腔逐漸擴大，巖體劈裂逐漸發(fā)展，會產(chǎn)生崩塌，形成崩坡積體。即使在當前狀態(tài)下，在如爆破開挖等強外力擾動下也可能打破平衡狀態(tài)，形成崩塌災害，嚴重危及工程安全。因此，處置危巖病害，控制爆破振動是避免危巖體崩塌，提高施工期安全性的關(guān)鍵。

2.1 危巖處置

危巖處置須在基坑開挖前完成，從源頭上提高危巖的抗崩塌能力。危巖處置遵循“松石鏟除，巖腔支撐，危石錨固”的原則。

松石鏟除：危巖體表面由于風化程度較重，往往已經(jīng)形成較明顯的裂隙，塊體體積一般不大于5 m3，雖然在平衡狀態(tài)，但在外力擾動下極易崩塌，視為松石。對于松石采用人工或機械的方式予以清除。

巖腔支撐：危巖體巖性為砂巖，其底座巖性為泥巖。因風化差異，在泥巖層容易形成巖腔，深度為0.3～2 m。對于小于0.5 m的巖腔，在清理完碎屑后灌注C25混凝土封閉巖腔；而深度大于0.5 m的巖腔，采用C25鋼筋混凝土立柱支撐，立柱間距2 m，巖腔高度小于4 m時，立柱截面尺寸為0.3 m×0.3 m，大于4 m時，立柱截面尺寸為0.4 m×0.4 m，并在立柱間增加橫撐。

危石錨固：由于長期的地質(zhì)活動，砂巖層易發(fā)育形成豎向的裂隙面，進一步發(fā)育成孤石體。為確保危崖長期穩(wěn)定性，采用了錨索加固的方法。單根錨索采用3×φ15.24鋼絞線，斜向下10°打入巖體內(nèi)部，深度為20 m，錨固段長度為9 m，張拉力為585 kN。錨索橫向間距為2～3 m，豎向間距為4 m。

危巖處置完成后在危巖帶下設置被動防護網(wǎng)，防止因為降雨、微小振動引起危巖塊體滾落基坑施工區(qū)域。在一輪爆破完成后，指派專門人員對危巖帶進行巡視檢查，發(fā)現(xiàn)松動的巖石及時處置。

2.2 爆破施工技術(shù)

基坑遵循自上而下分層開挖方式，表層松散的崩坡積體和強風化泥巖層可采用機械開挖。但是隨著深度的增加，巖土體強度不斷增大，采用機械鑿挖影響開挖效率。為此，采用爆破開挖配合機械鑿壁的方式。

炸藥產(chǎn)生爆炸后，裝藥室附近巖石中形成沖擊波，隨著沖擊波的向外傳播應力幅值不斷衰減，波速不斷降低，最后演變成應力波；應力波進一步傳播、衰減，演變成地震波。根據(jù)周圍巖石的破壞程度，將裝藥爆炸對巖石作用分為以下4個區(qū)域：空腔區(qū)、破碎區(qū)、徑向裂縫區(qū)和彈性振動區(qū)。在彈性振動區(qū)，GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程》對一般工業(yè)建筑物爆破振動安全允許標準作出了規(guī)定，但是對于危巖體，并沒有相關(guān)規(guī)定，經(jīng)綜合安全評價危巖體的安全振速控制指標確定為1.0 cm/s，民房控制爆破振動速度為0.5 cm/s。

距離危巖帶20.0～50.0 m范圍內(nèi)采用機械鑿打為主，輔助φ40 mm淺孔絲裂爆破，在距離危巖帶50.0 m范圍外采用φ70 mm常規(guī)松動控制爆破。均控制危巖體爆破振動速度小于1.0 cm/s。錨碇爆破分層時從北側(cè)中心開始向“三方邊沿靠近”，若為泥巖靠近邊坡、坡面時預留2.5～3.0 m機械鑿打，若為砂巖時預留1.0～1.5 m機械鑿打，基底預留1.0 m采用機械鑿打。

φ70 mm孔常規(guī)爆破參數(shù)如下：鉆孔超深h=0.3 m；炮孔深度L=H+h=2.3～3.3 m；炮孔間距a=2.3 m，炮孔排距b=1.8 m；炮孔傾角α=80°～90°。2.0 m孔單孔裝藥量為2.4 kg；2.5 m孔單孔裝藥量為3.2 kg；3.0 m孔單孔裝藥量為3.6 kg。炸藥選用2號巖石乳化炸藥，藥卷直徑為55 mm。為了提高安全度，采用1、3、5段控制總起爆藥量，一次單段最大起爆藥量Qmax=18.0 kg。

3 爆破振動場模擬

根據(jù)爆破振動理論分析，炸藥引發(fā)的荷載可簡化為三角形的荷載曲線。該文在對爆破峰值荷載進行確定時計算方法如下：

(1) 確定不耦合裝藥條件下炸藥爆轟壓力

(1)

式中：ρ0為炸藥密度，對于2號巖石乳化炸藥取1 100 kg/m3；D0為炸藥爆速，對于該例取4 200 m/s；db為藥卷直徑；dc為炮孔直徑。根據(jù)式(1)計算得Pe=5.71×108Pa。

(2) 確定初始波峰壓力

(2)

式中：ρr為巖石的密度，該例為2 300 kg/m3；Cer為巖體中縱波波速，該例取值4 000 m/s。根據(jù)式(2)計算得Pr=7.60×108Pa。

(3) 震動圈上的等效壓力

P=Pr(r1/r0)-α1(r2/r1)-α2

(3)

式中：r0為裝藥半徑；r1為沖擊波作用半徑，取值為3倍炮孔半徑，即0.105 m；r2為裂隙區(qū)半徑，取值為3倍炮孔半徑，即0.35 m；α1、α2為沖擊波和應力波衰減指數(shù)，α1=2+μ/(1+μ)=2.23，α2=2-μ/(1-μ)=1.57，其中μ為巖石泊松比，取值為0.3。根據(jù)式(3)計算得P=5.77×106Pa。

(4) 爆破振動場有限元模擬

巖土計算選用Mohr-Coulomb彈塑性材料模型，計算模型設定邊界條件為底部固定，周圍四側(cè)為黏性邊界以減小邊界反射波的影響，采用Midas NX軟件，建立有限元模型如圖3所示。采用1、3、5段控制總起爆藥量。圖4為爆破荷載應力時程曲線，最大爆壓為9.88 MPa，上升時間為3 ms，下降時間為12 ms，總時長為1 s。爆破荷載施加在一級邊坡(靠近危崖側(cè))，監(jiān)測點定為危巖底部，施加荷載位置與監(jiān)測點水平距離約為50 m。

圖3 爆破模擬有限元模型

圖4 爆破荷載應力時程曲線

計算流程如下：① 邊坡開挖前進行重力平衡和位移清零；② 對第6、5、4、3、2臺階進行靜力開挖支護計算；③ 在第1臺階上施加 1、3、5段爆破荷載，進行振動場反演。

爆破數(shù)值計算可以得到任意時刻的邊坡振動速度場，提取250 ms和500 ms邊坡振動速度場，如圖5所示。爆破荷載先升高后降低，振速和荷載基本同步變化，有所滯后。爆破振動從起爆點開始逐漸向外傳播，振動速度先快速提高后逐漸降低。盡管有場地地形的限制，爆破振動形成放射性的圓環(huán)振動場。由于自由面的增多和振動波的反射加強，爆破振動波在臺階處振動速度較大。

提取測點處3個方向的速度時程曲線，見圖6。

圖5 不同時刻基坑邊坡振速云圖(單位：m/s)

圖6 測點三方向速度時程曲線

T1為水平切線方向，T2為水平法線方向，T3為垂直方向。T1方向速度最大絕對值為0.36 cm/s，T2方向速度最大絕對值為0.89 cm/s，T3方向速度最大絕對值為0.72 cm/s。3個方向的速度可合成總速度，在0.36 s時達到最大值，最大值約為1.19 cm/s。按照GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程》在安全性判定時，取3個方向的最大值，由此，數(shù)值分析結(jié)果表明：該爆破方案引起的危巖振動速度小于1 cm/s，符合規(guī)范要求。

4 爆破振動監(jiān)測

為確保爆破施工的安全性，對基坑高邊坡和危巖進行了振動監(jiān)測，在第2級和第1級基坑爆破時，自爆破區(qū)域向危巖處布置了2道測線，共6個測點。1#測點位于3級邊坡頂，2#測點位于5級邊坡頂，3#測點位于危巖底部。現(xiàn)場測線測點布置見圖7。測試儀器采用符合GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程》要求的三向振速儀完成，拾振器的x方向指向爆破中心。

圖7 振動監(jiān)測測線測點布置

1、2級基坑爆破監(jiān)測共進行7次。圖8為7次監(jiān)測中，1#測線徑、切及豎向的速度時程曲線的最大情況。

圖8 1#測線測點3典型三向振速時程曲線

由圖8可知：基巖底部1#測線測點3的徑向速度峰值為-0.389～0.864 cm/s，切向速度峰值為0.225～0.766 cm/s，豎向速度峰值為0.403～0.916 cm/s；2#測線測點3的徑向速度峰值為-0.455～0.897 cm/s，切向速度峰值為0.313～0.827 cm/s，豎向速度峰值為0.397～0.879 cm/s；振動速度波的主頻為23～56 Hz。監(jiān)測結(jié)果表明：基巖底部三向振動速度的最大值均小于1 cm/s，爆破對基巖影響較小。目前，爆破開挖施工已經(jīng)結(jié)束，爆破期間危巖帶整體穩(wěn)定，未產(chǎn)生崩塌落石等不良地質(zhì)災害。爆破施工在確保危巖體穩(wěn)定的前提下，大大加快了基坑開挖進度。

5 結(jié)語

針對懸索橋錨碇基坑位于危巖帶下的特殊情況，提出首先采用“危石鏟除、空腔封閉、危石錨固”的處理方案，然后針對施工爆破可能誘發(fā)危巖崩塌的不利條件，提出絲裂爆破，常規(guī)松動爆破和機械鑿壁相結(jié)合的方案。安全評價給出危巖的振速控制標準值為1 cm/s，據(jù)此設計了單次爆破炸藥量不超過18 kg，并通過數(shù)值分析方法模擬了爆破振動波的傳播，分析結(jié)果證實方案合理可行?，F(xiàn)場實施爆破時，對基巖底部的振速進行了同步監(jiān)測，結(jié)果表明：多次振速監(jiān)測的最大值均小于1 cm/s，確保了爆破施工期危巖的穩(wěn)定性。目前，基坑工程已順利施工完畢，提出的施工方案既保證了施工速度，也確保了施工安全，效果良好，可為同類工程提供借鑒。