重力嵌岩式锚碇深基坑开挖施工技术

时间：2020年09月08日分类：科学技术论文次数：

摘要：棋盘洲长江公路大桥主桥为(340+1038+305)m钢箱梁悬索桥，北锚碇为重力式嵌岩锚，平面尺寸为61.5m60.0m，总高42.0m。锚碇深基坑开挖采用机械、人工、爆破相结合的方法，松散土层、全风化岩石采用机械开挖，局部转角处采用人工开挖修整，强风化岩石层、

　　摘要：棋盘洲长江公路大桥主桥为(340+1038+305)m钢箱梁悬索桥，北锚碇为重力式嵌岩锚，平面尺寸为61.5m×60.0m，总高42.0m。锚碇深基坑开挖采用机械、人工、爆破相结合的方法，松散土层、全风化岩石采用机械开挖，局部转角处采用人工开挖修整，强风化岩石层、中风化岩石和微风化岩石采用钻孔爆破。基坑形成后采用螺旋便道出渣，高峰期每昼夜可出渣2300m3。基坑防水分为坑外截水和坑内排水。边坡采用锚杆支护及挂网喷射C20混凝土的方法进行防护。在基坑关键位置布设位移监测点，各测点位移及其变化速率均未超过规范要求，基坑施工质量良好。

　　关键词：悬索桥;锚碇;基坑开挖;边坡防护;防水处理;变形监测;施工技术

世界桥梁

　　1工程概况

　　棋盘洲长江公路大桥主桥为钢箱梁悬索桥，桥跨布置为(340+1038+305)m，锚碇间距1683m，矢跨比为1/9。北锚碇为重力式嵌岩锚，分别由锚块、散索鞍支墩扩大基础、散索鞍支墩等组成。平面尺寸为61.5m×60.0m，总高42.0m。基底水平，标高为+1.5m，顶面标高为+43.5m。

　　北锚碇区域总体地貌属丘陵地貌，上覆第四系地层较薄，地表为粉质黏土层，其下为全风化、强风化、中风化及微风化石英片岩，全-中风化岩层岩体破碎，微风化岩体节理裂隙发育，完整性相对较好。北锚碇采用扩大基础，以微风化石英片岩作为持力层。

　　2总体施工方案

　　锚碇是悬索桥的关键受力构件之一，锚碇深基坑开挖施工质量尤为重要[1-7]。棋盘洲长江公路大桥锚碇深基坑采用机械、人工、爆破相结合的方法进行开挖，从上至下分层进行;松散土层、全风化岩石采用机械开挖;局部转角处采用人工开挖修整;强风化岩石、中风化岩石和微风化岩石采用钻孔爆破(浅孔台阶爆破、深孔梯段爆破)。边坡岩体轮廓边线根据岩石坚硬性和完整性分别采用预裂爆破和预留保护层光面爆破。

　　建基面开挖时，边坡预留保护层，在建基面1m厚的范围内，采用人工手持风镐凿除的方法进行开挖，以降低对建基面的扰动，保证基岩强度及平整度;在距建基面1m以外可根据岩层的风化程度和强度采用机械、小爆破、人工等开挖方式，严禁采用大药量爆破，以免影响边坡和山体的稳定性。基坑防水分为坑外截水和坑内排水，坑外截水采用截水沟和挡水墙截水，坑内排水是在基坑底部四周开挖排水沟，并在坑底一角设集水井，用水泵将水抽出基坑。为确保已开挖基坑的稳定性，紧随基坑开挖面，采用锚杆支护和挂网喷射C20混凝土进行边坡防护[8]。锚碇深基坑开挖规模大，开挖过程中基坑的受力变形直接影响边坡稳定性，因此在基坑关键位置布设水平和竖向位移监测点，及时发现并解决隐患，提高基坑的安全性和施工质量。

　　3基坑开挖施工

　　3.1开挖前准备

　　(1)建立平面测量控制网，包括基坑开挖平面位置放样、开挖层厚控制、边坡轮廓测量控制、基底标高控制、排水系统布置、边坡稳定监测等。(2)修建出渣通道，将弃土场和基坑相连，方便运输车辆和施工机械进出基坑，便道纵坡设置须满足运输车辆的爬坡能力。(3)沿开挖线修筑挡水墙及排水沟，布设基坑外截排水系统，防止地表水汇入基坑，确保基坑内干作业条件。(4)清表，将开挖范围内的树木、建筑物、地表土等全部清除。

　　3.2基坑开挖顺序

　　锚碇基坑分上、下两部分进行施工。上层部分为地面到开挖标高+22.1m以上，此时基坑尚未完全形成，采用分层大开挖方式，每层开挖2m;主要采用挖掘机开挖，自卸车将基坑土石方运至弃土场。基坑下层部分为标高+22.1m以下到基坑底，此时基坑已基本形成，采用爆破施工，分层开挖至基坑底，每层开挖2m。采用螺旋便道出渣，并采用自卸车将基坑土石方运至弃土场。待开挖工作完成后，采用大挖掘机配合长臂挖掘机，依次挖除出渣便道。

　　3.3螺旋便道出渣

　　基坑开挖土石方量大，开挖深度约36m，结合现场地形特点及工期要求，采用螺旋便道出渣。1号便道由基坑边线右后方标高+22.1m横向延伸至标高+14.1m;2号便道顺接1号便道，纵向延伸至标高+9.5m;3号便道顺接2号便道，横向延伸至基底。依据运输车的爬坡能力，将便道纵坡控制在10%～15%，随基坑向下开挖而不断延伸。便道宽度为4.5m，在每个拐角处设置1处会车点，宽度为7.0m。螺旋便道出渣无需大型特种设备，仅常规设备即可满足施工，出渣效率高，高峰期每昼夜可出渣2300m3。

　　3.4保护层厚度设置

　　根据《水电水利工程爆破施工技术规范》(DL/T5135-2013)规定，基岩建基面保护层厚度宜为上一层台阶爆破药卷直径的25～40倍。爆破使用的2种乳化炸药药卷直径分别为32mm和70mm，因此保护层厚度分别为800～1200mm、1750～2800mm。综合考虑，建基面保护层厚度定为3m。建基面开挖时，边坡预留保护层。同样根据《水电水利工程爆破施工技术规范》规定，为减弱主爆区爆破时对保留岩体的破坏并形成平整轮廓面，边坡岩体轮廓边线采取预裂或光面爆破(坚硬完整的岩石宜采用预裂爆破，破碎的岩石宜采用预留保护层光面爆破)，保护层厚度为邻近起爆药卷直径的25～40倍。因此，边坡预留保护层厚度取为2m。

　　3.5基坑截排水施工

　　北锚碇三面环水，基坑开挖后可能会有水涌入基坑，故须提前开展防水工作。基坑截排水需要全面考虑湖水、地下水、地面水、雨水及坑内已有水的影响[9-10]。为防止锚碇基坑开挖时，湖水及地下水通过岩石裂隙渗入基坑内，在基坑外侧填土筑岛形成截水屏障。为消除地面水、雨水的影响，在基坑上部开挖边线2.7m处(截水沟中心线位置)设截水沟，在截水沟与基坑开挖边线之间设置挡水墙，以阻止地面水流向基坑内。截水沟尺寸设计为120cm×60cm(宽度×高度)，采用M7.5浆砌片石砌筑。对截水沟向外5m范围内进行地面清表处理，并浇筑混凝土进行地面硬化。在基坑内部开挖集水井和排水沟，待坑内的水经排水沟流向集水井，用水泵将水抽出坑外并排走。基坑底排水沟尺寸为150cm×60cm，集水井尺寸为140cm×200cm。

　　3.6爆破开挖

　　爆破开挖由上而下，分层开挖，每一层中间抽槽，四周扩挖，炮孔深度根据建基面保护层厚度、边坡预留保护层厚度来确定。爆破分为浅孔台阶爆破和深孔梯段爆破。

　　3.6.1浅孔台阶爆破

　　基坑在形成台阶工作面前，为斜坡地形，为了避免高陡边坡，须将其改造成为台阶形，然后再按浅孔爆破法作业。台阶高度取2～5m，宽度取2～4m。爆破顺序为由外向内、由上向下。起爆网路根据现场情况布设。浅孔爆破具有2个及以上的自由面时，爆破条件比较有利，出渣也较方便。浅孔台阶爆破参数主要为最小抵抗线W(m)、炮孔深度L(m)、单孔药量Q(kg)，可根据以下计算公式求得：W=(0.5～0.9)H(1)L=ξH(2)Q=ekabH(3)式中，H为台阶高度(m);ξ为岩石硬度系数，坚硬岩石ξ=1.1～1.15，中等坚硬岩石ξ=1.0，松软岩石ξ=0.8～0.95;e为炸药换算系数，该工程所使用炸药为2#岩石乳化炸药(即2#岩石***)，e=1;k为爆破单位用药量(kg/m3);a为炮孔间距(m);b为炮孔排距(m)。

　　3.6.2深孔梯段爆破

　　北锚碇前锚爆破施工采用深孔梯段爆破，垂直梅花形布孔。为克服台阶底盘的夹制作用，使爆破后不留岩坝，底部尽量平整，适当增加钻孔超钻深度。单孔药量Q可由下式计算：前排Q=kW1aH(4)后排Q=(1.1～1.2)kabH(5)式中，W1为底盘抵抗线(m)。对于散装炸药，可根据单孔药量，计算实际装药长度l1：l1=4Q/(πd2Δ)(6)式中，d为炮孔直径(m);Δ为装药密度(kg/m3)。确定合理的堵塞长度，对改善爆破效果和提高炸药能量利用率具有重要作用。堵塞长度过长，会降低延米爆破量，增加钻孔费用，并降低台阶上部岩石破碎质量;堵塞长度过短，炸药能量损失较大，爆破时产生较强的空气冲击波，造成噪声和飞石危害，并影响钻孔下部破碎效果。一般堵塞长度不小于W1的0.7倍，或取20～40倍的孔径。

　　3.7边坡保护层开挖

　　靠近边坡区域采用预留保护层，钻浅孔并光面爆破的方法，其中炮孔孔径40mm，孔距0.4～0.5m，孔深3～5m，炮孔线装药密度150～200g/m。基底微风化岩石边坡采用预裂爆破。爆破前沿开挖边界布置密集炮孔，在爆区与保留区之间爆破，形成预裂缝，从而将主爆破对保留岩体的破坏程度降至最低，形成平整的轮廓面。

　　4基坑边坡防护

　　北锚碇基坑边坡防护主要采用锚杆支护及挂网喷射C20混凝土的方法施工，如图6所示。带肋钢筋网直径6mm，网孔为10cm×10cm，锚杆钢筋直径为22mm，长度为3m，纵、横向间距均为2m，喷射混凝土厚100mm。边坡防护采用由上至下边开挖边防护的方案施工。基坑边坡防护需搭设支架作为平台进行施工，脚手架采用48mm钢管搭设，在靠近边坡侧铺设木板作为工作平台。基坑开挖一层防护一层，每层厚度为2～4m，直至基坑开挖至设计深度为止。

　　5基坑变形监测

　　锚碇深基坑开挖规模大，施工过程中基坑的受力变形直接关系到边坡稳定性，因此有必要对基坑进行位移监测。根据《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497-2009)及工程实际，基坑位移监测点(水平和竖向位移共用)布设。监测工作从2017年5月15日开始，到2018年7月30日基本结束(锚碇基础和基坑回填施工结束)。按照一级基坑类别进行监测，基坑回填前(2018年7月23日)地表变形监测数据。

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　　6结语

　　棋盘洲长江公路大桥北锚碇深基坑开挖施工中，采用人工+机械+爆破的开挖方式;基坑形成后采用螺旋便道出渣，高峰期每昼夜可出渣2300m3;设置集水井、截水沟、挡水墙进行基坑防水;采用锚杆支护及挂网喷射C20混凝土进行边坡防护;在基坑关键位置布设水平和竖向位移监测点，及时发现并解决隐患，提高基坑的安全性和施工质量。目前，北锚碇已经顺利实施完成，上述措施成功解决了复杂地形下重力嵌岩式锚碇深基坑开挖的技术难题，为同类型基坑开挖积累了经验。

　　参考文献：

　　[1]罗晓瑜，陈艾荣，刘海波.洞庭湖二桥造型设计[J].世界桥梁，2019，47(6)：16-20.

　　[2]周小毛.悬索桥猫道绳水面浮托往复牵引架设技术[J].世界桥梁，2020，48(1)：26-29.

　　[3]舒江，刘琪，彭元诚.白洋长江公路大桥主桥设计[J].桥梁建设，2019，49(1)：77-82.

　　[4]王睿.高原山区大跨度悬索桥关键施工方案研究[J].桥梁建设，2019，49(6)：108-113.

　　[5]姚志安.深中通道伶仃洋大桥筑岛围堰施工关键技术[J].世界桥梁，2020，48(2)：15-19.

　　作者：张晖

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