陡崖型危巖群體崩塌整治工程施工關(guān)鍵技術(shù)

張盧明 周 勇 何 敏 王首智

(核工業(yè)西南勘察設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610061)

0 引言

我國是世界上崩塌災(zāi)害比較嚴重的國家之一。崩塌災(zāi)害在四川省尤為嚴重，2008年“5·12”汶川特大地震、2013年“4·20”蘆山強烈地震及2017年“8·8”九寨溝地震后，全省地質(zhì)災(zāi)害隱患數(shù)量激增，一舉躍升全國第一，崩塌、滑坡、泥石流估計數(shù)量達到15萬余處，崩塌占比約30%。

“4·20”7.0級蘆山強烈地震后，寶興縣城兩河口電站移民小區(qū)后山發(fā)生崩塌，崩塌體積約600 m3，最大單體7 m3，砸毀房屋16間、車輛16輛。目前后山陡崖尚存約6500 m3的高危危巖群體，嚴重威脅坡腳公路、村莊的安全。該危巖群體高約110 m，坡度近乎垂直，下部斜坡坡度達40°，與坡腳公路高差約445 m，下部斜坡上堆積有大量的崩坡積塊石。

目前許多學(xué)者針對崩塌危巖體進行了大量的研究，并取得了豐碩的成果[1-8]，但研究主要集中在穩(wěn)定性計算和防治結(jié)構(gòu)計算理論兩方面，針對陡崖危巖群體的施工技術(shù)方面的研究鮮有見到。

該陡崖危巖群體整治施工難度極大，但災(zāi)后重建工作刻不容緩。本文通過調(diào)查研究和相關(guān)設(shè)計計算，解決了陡崖危巖群體整治施工關(guān)鍵技術(shù)，在四川省內(nèi)首次實踐并一舉成功，節(jié)約了工程投資，為災(zāi)后重建贏得了寶貴的時間。研究成果可進一步豐富陡崖危巖群體防治理論，并可為地震災(zāi)區(qū)類似工程的防治提供借鑒。

1 陡崖危巖群體概況

該高位危巖群體位于斜坡頂部海拔1440～1550 m的危巖帶內(nèi)，相對高差約110 m，平均寬約200 m(見圖1)，危巖帶立面面積1.7×104m2。巖性為下二疊統(tǒng)灰?guī)r，屬硬質(zhì)巖，中—厚層狀結(jié)構(gòu)，層面產(chǎn)狀325°∠10°，緩傾坡內(nèi)。受構(gòu)造、卸荷作用影響，主要發(fā)育兩組陡傾共軛結(jié)構(gòu)面和一組緩傾坡外的結(jié)構(gòu)面。

圖1 陡崖危巖群體全貌圖

結(jié)構(gòu)面①：產(chǎn)狀104～154°∠70～85°，延伸長5～30 m，間距3～5 m，張開5～50 cm，結(jié)構(gòu)面平直粗糙，局部充填粉質(zhì)黏土、角礫。該組節(jié)理主要發(fā)育于坡體表面，為長大結(jié)構(gòu)面，屬構(gòu)造節(jié)理，受卸荷作用影響，裂隙張開，最大張開度為160 cm，為巖體變形破壞的主控結(jié)構(gòu)面。經(jīng)調(diào)查分析，認為該組結(jié)構(gòu)面(即結(jié)構(gòu)面①)與結(jié)構(gòu)面②為原生結(jié)構(gòu)面，在前緣臨空條件下，臨空面附近的一些結(jié)構(gòu)面卸荷張開，經(jīng)過研究推斷該危巖帶卸荷深度約20～45 m。

結(jié)構(gòu)面②：產(chǎn)狀210～240°∠70～85°，延伸長10～45 m，間距2～10 m，張開5～20 cm，結(jié)構(gòu)面起伏粗糙，局部充填粉土、角礫。該組結(jié)構(gòu)面屬構(gòu)造結(jié)構(gòu)面，與坡向大角度相交，起切割巖體的作用。

結(jié)構(gòu)面③：為緩傾結(jié)構(gòu)面，產(chǎn)狀31～55°∠21～30°(傾坡內(nèi))、118～127∠13～26°(傾坡外)，傾坡外的結(jié)構(gòu)面可能是由于原先傾坡內(nèi)的結(jié)構(gòu)面受重力作用變形而成。延伸長2.3～8.6 m，間距2～10 m，張開1～10 cm，結(jié)構(gòu)面平直粗糙，局部充填粉土、角礫。

危巖帶中有危巖單體9處，總體積約6500 m3，最大單體體積約1250 m3，絕大部分為滑塌式破壞模式。危巖體卸荷裂隙發(fā)育，裂隙張開且相互連通，局部后緣陡傾裂隙張開度大于30 cm。

該危巖群體發(fā)育在高陡的斜坡地帶，具有隱蔽性和威脅性大的特點，用傳統(tǒng)方法測量難度大，且難以得到危巖體規(guī)模、地形、巖體結(jié)構(gòu)面組合特征。本文通過采用三維激光掃描[9-10]的先進技術(shù)得到了高陡危巖群體的幾何與地質(zhì)信息，獲得了傳統(tǒng)測量無法得到的成果。

該危巖群體單體規(guī)模大，且位于陡崖上，防治難度極大，根據(jù)以往工程經(jīng)驗一般采用主動錨固治理，但施工難度極大。且危巖帶內(nèi)尚有許多小塊體，底部斜坡上危石群發(fā)育，同樣需要治理，以往一般采用被動防護網(wǎng)進行攔擋，但被動防護網(wǎng)立柱抗彎能力較差，對抗高位危巖效果較差，因而汶川地震區(qū)被動防護網(wǎng)破壞嚴重。為此采用剛性樁板攔石墻技術(shù)，即采用“主動錨固危巖體和被動攔擋危巖小塊體及坡面危石群”的加固整治技術(shù)[11]。

2 高陡懸臂式腳手架設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

2.1 懸臂式腳手架總體方案

根據(jù)工程實際情況，W1—W4危巖頂面距坡腳地面高約80 m，危巖自然坡度大于70°，腳手架搭設(shè)安全度要求高。根據(jù)危巖分布位置，針對集中分布的W1—W4危巖，施工腳手架采用懸臂式支撐腳手架的布置形式。懸臂式支撐腳手架高度為33～40 m，每10 m高設(shè)置一層2 m寬的由錨桿和鋼管搭設(shè)的人工馬道，然后以馬道為基礎(chǔ)，進行懸臂式支撐腳手架搭設(shè)，共計搭設(shè)4層?；A(chǔ)生根錨桿為兩排φ32螺紋鋼筋；上排水平錨桿入巖4 m，懸挑2.5 m，下排斜撐錨桿入巖5 m，懸挑1 m。施工完畢后再與DN48鋼管結(jié)合，形成基礎(chǔ)平臺，然后在其上搭設(shè)雙排腳手架施工平臺，平臺層、立桿和橫桿間距均為1.5 m。內(nèi)、外排腳手架均布置剪刀撐，以確保施工平臺的整體穩(wěn)定。(見圖2、圖3)

2.2 基礎(chǔ)受力分析計算

腳手架受力計算包括基礎(chǔ)受力分析、腳手架受力計算和連墻件計算[12]，限于篇幅，主要論述基礎(chǔ)受力的關(guān)鍵技術(shù)。

為簡化計算和確保施工安全，各扣件連接部位在受力分析時視作鉸連，錨筋與基礎(chǔ)面為剛性連接。

腳手架基礎(chǔ)受力分析主要包括生根錨桿錨固體極限錨固力計算，生根錨桿抗剪強度計算分析，基礎(chǔ)斜撐錨筋強度驗算，基礎(chǔ)剛平臺腳手架強度計算[13]。

圖2 懸臂式腳手架布置立面圖

圖3 懸臂式腳手架布置剖面圖(單位：cm)

2.2.1 生根錨桿錨固體極限錨固力計算

水平生根錨桿的入巖深度小于下支撐生根錨桿的入巖深度，故取水平生根錨桿計算其錨固力。

PU=πLdqs

(1)

式中:L為錨固體長度，設(shè)計為4 m；d為錨固體直徑，手風(fēng)鉆造孔，取42 mm；qs為錨固體與周圍巖土之間的極限黏結(jié)強度，MPa。

根據(jù)上述設(shè)計得L=4 m，鋼筋直徑d=32 mm，強風(fēng)化灰?guī)rqs取0.4 MPa。

由式(1)計算得錨固體極限錨固力為211 kN。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010—2010)，HRB335鋼筋極限抗拉強度設(shè)計值為300 kN，故錨固力滿足要求。

2.2.2 生根錨桿抗剪強度分析計算

1φ32螺紋鋼極限抗拉強度約為168 kN，鋼筋材料的抗剪強度一般為其抗拉強度的0.5～0.7倍，保守估計取0.5，即單根錨筋能夠承受的抗剪強度約為80 kN。

錨索鉆機采用YXZ-50型液壓鉆機，每臺自重0.68 t，錨桿鉆機采用XZ-30型，每臺自重0.3 t。施工荷載按縱向66 m排架范圍鋪設(shè)4層木腳手板，同時施工作業(yè)2層，每層4臺鉆機，以最大布置8臺鉆機考慮，施工員3人，重225 kg，計算荷載按5跨內(nèi)配備1臺鉆機，同時配置3名施工員，即活荷載(680+225)/(1.5×2.5)=2.41 kN/m2，計算時，荷載按照2.5 kN/m2考慮。腳手架搭設(shè)高度為40 m。

φ48×3.5鋼管支架步距1.5 m，立桿縱橫間距均為1.5 m。

通過相關(guān)計算，當(dāng)完全由基礎(chǔ)水平錨筋承擔(dān)剪應(yīng)力時，水平錨筋剪應(yīng)力最大，此時得到的剪應(yīng)力為22.68 kN，小于80 kN，即生根錨桿抗剪強度滿足要求。

2.2.3 基礎(chǔ)平臺腳手架強度計算

(1)抗剪強度

DN48鋼管抗剪強度為Vc=489×210×0.5=51 kN。

假定斜撐基礎(chǔ)錨筋不受力，完全由水平鋼管來承受上部剪應(yīng)力[14]，由于22.68 kN<51 kN，即鋼管抗剪強度滿足要求。

(2)鋼管強度

當(dāng)水平基礎(chǔ)鋼管靠近巖面時按鉸支座考慮，斜撐鋼管受力為22.68×1.414=32.1 kN，則：

(2)

式中:σ為鋼管所受實際應(yīng)力，MPa。

為確保施工安全，安全系數(shù)取1.5。[σ]=160 MPa。

則有160 MPa>65.6 MPa×1.5=98.4 MPa，則鋼管強度滿足要求。

(3)立桿穩(wěn)定性

單根立桿采用歐拉公式進行立桿穩(wěn)定性計算。

(3)

式中:σcr為立桿歐拉臨界應(yīng)力，MPa；E為鋼管彈性模量，N/mm2;λ為鋼管細長比。

該值大于65.6 MPa，即斜支撐鋼管穩(wěn)定性滿足要求。

(4)水平桿底部最大拉應(yīng)力

①水平桿最大彎矩

基礎(chǔ)水平桿兩端按鉸支座考慮，則水平鋼管架彎矩值中部最大。

Mmax=FL=3×0.2=0.6 kN·m

(4)

式中：F為水平鋼管所受拉力，kN;L為三跨連續(xù)梁的跨度，m。

②縱截面抵抗距(截面模量)W=5080 mm3。

③縱桿底部最大拉應(yīng)力

(5)

即水平桿鋼管底部抗拉強度滿足要求。

④水平桿撓度

(6)

式中：a為單跨連續(xù)梁的跨度，mm;I為鋼管的截面慣性矩，mm4;l為三跨連續(xù)梁的跨度,m。

即水平桿撓度滿足要求。

3 架空索道運輸設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

3.1 架空索道的總體方案

由于現(xiàn)場地形陡峻，災(zāi)害體危險性大，大型設(shè)備無法人工搬運，如修建施工便道總長達4.14 km，沿途挖方量較大，總挖方約6.8×104m3，填方1400 m3，投資達300萬，還易造成次生災(zāi)害。架設(shè)貨運架空索道基本不會破壞現(xiàn)場地質(zhì)環(huán)境，經(jīng)設(shè)計，索道平均坡度為38°，小于規(guī)范規(guī)定的最大45°傾角的要求，且斜坡坡面較為平順，無大的變坡，方案可行，可請專業(yè)公司進行安裝調(diào)試，施工和運輸安全可得到有效保證，而且造價比施工便道低，僅需約100萬元。經(jīng)詳細咨詢，索道運輸設(shè)備安裝調(diào)試大約需20天。

架空索道由驅(qū)動裝置、承載索、支架、上站房、下站房等組成。

根據(jù)地形條件，貨運架空索道于上站房進站口設(shè)固定支架，主索選擇φ32 mm鋼索，牽引索選擇φ15.5 mm鋼索，驅(qū)動設(shè)備安裝于下站房，驅(qū)動機可選擇四川東方卷揚機廠生產(chǎn)的1JK3型或同等效率的其他機型，配套電動機選擇JR115-6型，額定功率為75 kW。經(jīng)復(fù)測上下站臺水平距離496 m，貨運索道長630 m，方向134°，適宜貨運架空索道的架設(shè)。

3.2 架空索道的關(guān)鍵技術(shù)

架空索道建造在坡度達40°的斜坡上，需要承擔(dān)較大的載重，還要抗擊風(fēng)荷載、雪荷載和冰荷載，是一種較重型的貨運索道，其支架、上下站房設(shè)計及基礎(chǔ)穩(wěn)定性直接關(guān)系到索道的安全和運行，因此其關(guān)鍵技術(shù)顯得非常重要。

上站房由抗拔承臺基礎(chǔ)和卸貨場兩部分組成?？拱纬信_基礎(chǔ)置于基巖上。根據(jù)結(jié)構(gòu)需要的抗拔力，抗拔式承臺設(shè)置錨桿式地錨，采用4孔2φ32錨桿，錨桿長12 m，抗拔力250 kN。(見圖4)

卸貨場寬3 m，長5 m，面積15 m2，表層鋪填20 cm厚的砂土。

下站房由驅(qū)動機房抗拔承臺基礎(chǔ)和貨場兩部分組成。驅(qū)動機房面積3 m×3 m，貨場寬5 m，長6 m，面積30 m2?？拱纬信_基礎(chǔ)置于碎石土層上，采用C30鋼筋砼埋入式地錨，尺寸3 m×1.5 m×1 m，自重10.8 t。(見圖5)

圖4 索道上站房設(shè)計圖(單位：mm)

圖5 索道下站房基礎(chǔ)設(shè)計圖

(1)驅(qū)動機房基礎(chǔ)設(shè)計

驅(qū)動機房基礎(chǔ)為塊碎石土，底部鋪設(shè)1.5 m厚的混凝土，并編制鋼筋網(wǎng)，澆注C25砼至設(shè)計標(biāo)高。

(2)驅(qū)動機房設(shè)計

驅(qū)動機房設(shè)計面積12 m2，高3 m，鋼架結(jié)構(gòu)，房頂蓋4 mm厚的鋼板，鋼架采用U形槽鋼，規(guī)格120×50 mm×5 mm，橫梁采用U形槽鋼，規(guī)格同前。驅(qū)動機房三面采用漿砌石墻封閉。

(3)貨場設(shè)計

在驅(qū)動機房基礎(chǔ)前修建寬5 m、長6 m的貨場，頂部鋪填20 cm厚的砂土。

支架共布置3座，材料采用鋼結(jié)構(gòu)。

4 成孔灌漿施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 現(xiàn)場錨索成孔試驗

根據(jù)設(shè)計方案，現(xiàn)場進行了3個錨孔的鉆孔灌漿試驗，以W1-2孔為例，該孔于3月12日開孔，3月15日達設(shè)計孔深20 m。在鉆進至孔深3.5 m時漏風(fēng)，鉆進到4.5 m和14.5 m時因卡鉆原因無法繼續(xù)鉆進，為此進行固壁灌漿后才得以成孔，該孔兩次固壁灌漿共灌入水泥64.3 t，全孔平均單位耗灰量3214 kg/m。其固壁灌漿漿液配合比為m(水)∶m(水泥)∶m(減水劑)∶m(膨脹劑)=0.45∶1∶0.004∶0.009，注漿壓力為0.6～0.8 MPa。

4.2 原因分析

3個鉆孔試驗雖最終成功，但消耗水泥量太大，除采用普通沖擊鉆工藝不合理外，注漿工藝也存在一定的不合理性，如間歇灌漿時間偏短，未添加速凝劑，注漿壓力(0.6～0.8 MPa)偏大，沒有采取有效措施進行堵漏，注漿流速過大等。

綜上，錨索成孔、灌漿及孔內(nèi)大裂隙封堵是錨索施工的關(guān)鍵技術(shù)。

4.3 錨索成孔工藝

由于普通沖擊鉆鉆孔在風(fēng)化破碎中造孔不宜采用，本工程采用了組合螺旋鉆和普通沖擊鉆相結(jié)合的工藝，在較完整巖體中采用普通沖擊鉆造孔，遇破碎和裂隙發(fā)育巖層采用雙動力頭雙管反循環(huán)鉆進方法。較完整孔段采取多提少鉆、低轉(zhuǎn)速的方法，靠設(shè)備的自沖壓力可提高成孔速度，發(fā)生卡鉆時采用下述堵漏措施。

4.4 錨索灌漿工藝

結(jié)合本工程實際工程地質(zhì)條件，在鉆孔和灌漿過程中，在發(fā)現(xiàn)有卡鉆、漏風(fēng)、冒漿和漏漿，或者灌漿注入量大、灌漿難以結(jié)束時，采用固壁灌漿、表面封堵、低壓、濃漿、限流、限量、加速凝劑、間歇灌漿等方法進行處理。

4.4.1 固壁灌漿

遇到破碎帶或滲水量較大的巖體時，視具體情況對孔壁進行固結(jié)灌漿，可采用自由段注水檢查孔內(nèi)巖體透水性，判斷巖體完整情況，以便決定是否固壁灌漿[15]。灌漿壓力采用0.2～0.5 MPa，甚至采用自流式灌漿，水灰質(zhì)量比為0.5∶1，通過灌漿泵輸送至離孔口較近的注漿機后按要求加砂，加砂量按照10%的比例遞增，拌制均勻后注入孔內(nèi)。砂選用級配良好的中砂，并添加氯化鈣速凝劑、水玻璃、麻布片、鋸末等。采用自動記錄儀對灌漿全過程進行記錄。

4.4.2 間歇灌漿

間歇時間通常為2～8 h，加入速凝劑后時間可適當(dāng)縮短，一次的水泥用量為2～3 t為宜，不宜超過5 t。

4.4.3 限流和孔口投砂

限制注入率一般不宜大于30～50 L/min，遇較大的裂隙宜為10～15 L/min，以減小漿液在裂隙里的流動速度，促使?jié){液盡快沉積。

孔口投砂可加快封閉裂隙。根據(jù)灌注情況，摻砂量按水泥質(zhì)量的10%、20%到50%逐步增加，砂也可逐漸變粗，一般采用級配良好的中砂。

4.4.4 孔內(nèi)大裂隙堵漏

(1)加入水玻璃堵漏

灰?guī)r在鉆孔過程中遇到有跑風(fēng)漏氣現(xiàn)象，說明出現(xiàn)了裂隙孔洞，此時應(yīng)立即停鉆進行堵漏，用20 L的塑料桶裝水玻璃置于孔口上方，用φ10 mm的塑料管引至孔口內(nèi)。漿液拌制好后，用PVC管從注漿泵接至孔口內(nèi)，與水玻璃同時注入，直至全孔注滿。實踐證明對較大的孔洞效果不大。

(2)噴射混凝土堵漏

采用高壓噴射機將拌制好的混凝土料噴于孔內(nèi)，噴射時因?qū)I(yè)噴頭過大不能入孔，需取掉換用無開關(guān)控制閥噴頭，并將φ25 mm的PVC管綁牢于噴射管，拌制好水灰質(zhì)量比0.8∶1的漿液，同時打開噴射機和注漿泵。施工時從孔底向孔口拔管，注意拔管速度不可過快，應(yīng)使孔內(nèi)得到有效填實。該法對較大的孔洞效果較好。

通過采取以上措施，總共77孔錨索僅用2個月即完成成孔灌漿，經(jīng)檢驗錨固力均達到設(shè)計要求。

5 結(jié)論

(1)灰?guī)r地區(qū)陡崖型危巖群體整治施工關(guān)鍵技術(shù)為懸臂式腳手架支撐、成孔灌漿和材料設(shè)備運輸。

(2)腳手架受力計算主要包括基礎(chǔ)受力分析、腳手架受力計算和連墻件計算，關(guān)鍵技術(shù)為基礎(chǔ)受力分析，其主要包括生根錨桿錨固體極限錨拉力計算，生根錨桿抗剪強度計算分析，基礎(chǔ)斜撐錨筋強度驗算，基礎(chǔ)剛平臺腳手架強度計算。

(3)架空索道建造在坡度達40°的斜坡上，需要承擔(dān)較大的載重，還要抗擊風(fēng)荷載、雪荷載和冰荷載，是一種較重型的貨運索道，其關(guān)鍵技術(shù)為支架、上下站房設(shè)計及基礎(chǔ)穩(wěn)定性，應(yīng)特別注意抗拔承臺錨入系統(tǒng)的設(shè)計。

(4)灰?guī)r地區(qū)破碎孔洞巖體錨索成孔易卡鉆漏漿，錨索成孔、灌漿及孔內(nèi)大裂隙封堵是錨索施工的關(guān)鍵技術(shù)，通過固壁灌漿、間歇灌漿等一系列措施可較好地解決上述問題。

(5)本工程采用上述施工技術(shù)，使整治工程比合同工期提前兩個月完成，是四川省第一個采用此技術(shù)的工程項目，縮短了施工周期、降低了施工成本，保護了生態(tài)環(huán)境，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。