陡崖型危岩群体崩塌整治工程施工关键技术

2020-06-15张卢明王首智

岩土工程技术 2020年3期

张卢明周勇何敏王首智

(核工业西南勘察设计研究院有限公司，四川成都 610061)

0 引言

我国是世界上崩塌灾害比较严重的国家之一。崩塌灾害在四川省尤为严重，2008年“5·12”汶川特大地震、2013年“4·20”芦山强烈地震及2017年“8·8”九寨沟地震后，全省地质灾害隐患数量激增，一举跃升全国第一，崩塌、滑坡、泥石流估计数量达到15万余处，崩塌占比约30%。

“4·20”7.0级芦山强烈地震后，宝兴县城两河口电站移民小区后山发生崩塌，崩塌体积约600 m3，最大单体7 m3，砸毁房屋16间、车辆16辆。目前后山陡崖尚存约6500 m3的高危危岩群体，严重威胁坡脚公路、村庄的安全。该危岩群体高约110 m，坡度近乎垂直，下部斜坡坡度达40°，与坡脚公路高差约445 m，下部斜坡上堆积有大量的崩坡积块石。

目前许多学者针对崩塌危岩体进行了大量的研究，并取得了丰硕的成果[1-8]，但研究主要集中在稳定性计算和防治结构计算理论两方面，针对陡崖危岩群体的施工技术方面的研究鲜有见到。

该陡崖危岩群体整治施工难度极大，但灾后重建工作刻不容缓。本文通过调查研究和相关设计计算，解决了陡崖危岩群体整治施工关键技术，在四川省内首次实践并一举成功，节约了工程投资，为灾后重建赢得了宝贵的时间。研究成果可进一步丰富陡崖危岩群体防治理论，并可为地震灾区类似工程的防治提供借鉴。

1 陡崖危岩群体概况

该高位危岩群体位于斜坡顶部海拔1440～1550 m的危岩带内，相对高差约110 m，平均宽约200 m(见图1)，危岩带立面面积1.7×104m2。岩性为下二叠统灰岩，属硬质岩，中—厚层状结构，层面产状325°∠10°，缓倾坡内。受构造、卸荷作用影响，主要发育两组陡倾共轭结构面和一组缓倾坡外的结构面。

图1 陡崖危岩群体全貌图

结构面①：产状104～154°∠70～85°，延伸长5～30 m，间距3～5 m，张开5～50 cm，结构面平直粗糙，局部充填粉质黏土、角砾。该组节理主要发育于坡体表面，为长大结构面，属构造节理，受卸荷作用影响，裂隙张开，最大张开度为160 cm，为岩体变形破坏的主控结构面。经调查分析，认为该组结构面(即结构面①)与结构面②为原生结构面，在前缘临空条件下，临空面附近的一些结构面卸荷张开，经过研究推断该危岩带卸荷深度约20～45 m。

结构面②：产状210～240°∠70～85°，延伸长10～45 m，间距2～10 m，张开5～20 cm，结构面起伏粗糙，局部充填粉土、角砾。该组结构面属构造结构面，与坡向大角度相交，起切割岩体的作用。

结构面③：为缓倾结构面，产状31～55°∠21～30°(倾坡内)、118～127∠13～26°(倾坡外)，倾坡外的结构面可能是由于原先倾坡内的结构面受重力作用变形而成。延伸长2.3～8.6 m，间距2～10 m，张开1～10 cm，结构面平直粗糙，局部充填粉土、角砾。

危岩带中有危岩单体9处，总体积约6500 m3，最大单体体积约1250 m3，绝大部分为滑塌式破坏模式。危岩体卸荷裂隙发育，裂隙张开且相互连通，局部后缘陡倾裂隙张开度大于30 cm。

该危岩群体发育在高陡的斜坡地带，具有隐蔽性和威胁性大的特点，用传统方法测量难度大，且难以得到危岩体规模、地形、岩体结构面组合特征。本文通过采用三维激光扫描[9-10]的先进技术得到了高陡危岩群体的几何与地质信息，获得了传统测量无法得到的成果。

该危岩群体单体规模大，且位于陡崖上，防治难度极大，根据以往工程经验一般采用主动锚固治理，但施工难度极大。且危岩带内尚有许多小块体，底部斜坡上危石群发育，同样需要治理，以往一般采用被动防护网进行拦挡，但被动防护网立柱抗弯能力较差，对抗高位危岩效果较差，因而汶川地震区被动防护网破坏严重。为此采用刚性桩板拦石墙技术，即采用“主动锚固危岩体和被动拦挡危岩小块体及坡面危石群”的加固整治技术[11]。

2 高陡悬臂式脚手架设计关键技术

2.1 悬臂式脚手架总体方案

根据工程实际情况，W1—W4危岩顶面距坡脚地面高约80 m，危岩自然坡度大于70°，脚手架搭设安全度要求高。根据危岩分布位置，针对集中分布的W1—W4危岩，施工脚手架采用悬臂式支撑脚手架的布置形式。悬臂式支撑脚手架高度为33～40 m，每10 m高设置一层2 m宽的由锚杆和钢管搭设的人工马道，然后以马道为基础，进行悬臂式支撑脚手架搭设，共计搭设4层。基础生根锚杆为两排φ32螺纹钢筋；上排水平锚杆入岩4 m，悬挑2.5 m，下排斜撑锚杆入岩5 m，悬挑1 m。施工完毕后再与DN48钢管结合，形成基础平台，然后在其上搭设双排脚手架施工平台，平台层、立杆和横杆间距均为1.5 m。内、外排脚手架均布置剪刀撑，以确保施工平台的整体稳定。(见图2、图3)

2.2 基础受力分析计算

脚手架受力计算包括基础受力分析、脚手架受力计算和连墙件计算[12]，限于篇幅，主要论述基础受力的关键技术。

为简化计算和确保施工安全，各扣件连接部位在受力分析时视作铰连，锚筋与基础面为刚性连接。

脚手架基础受力分析主要包括生根锚杆锚固体极限锚固力计算，生根锚杆抗剪强度计算分析，基础斜撑锚筋强度验算，基础刚平台脚手架强度计算[13]。

图2 悬臂式脚手架布置立面图

图3 悬臂式脚手架布置剖面图(单位：cm)

2.2.1 生根锚杆锚固体极限锚固力计算

水平生根锚杆的入岩深度小于下支撑生根锚杆的入岩深度，故取水平生根锚杆计算其锚固力。

PU=πLdqs

(1)

式中:L为锚固体长度，设计为4 m；d为锚固体直径，手风钻造孔，取42 mm；qs为锚固体与周围岩土之间的极限黏结强度，MPa。

根据上述设计得L=4 m，钢筋直径d=32 mm，强风化灰岩qs取0.4 MPa。

由式(1)计算得锚固体极限锚固力为211 kN。根据《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)，HRB335钢筋极限抗拉强度设计值为300 kN，故锚固力满足要求。

2.2.2 生根锚杆抗剪强度分析计算

1φ32螺纹钢极限抗拉强度约为168 kN，钢筋材料的抗剪强度一般为其抗拉强度的0.5～0.7倍，保守估计取0.5，即单根锚筋能够承受的抗剪强度约为80 kN。

锚索钻机采用YXZ-50型液压钻机，每台自重0.68 t，锚杆钻机采用XZ-30型，每台自重0.3 t。施工荷载按纵向66 m排架范围铺设4层木脚手板，同时施工作业2层，每层4台钻机，以最大布置8台钻机考虑，施工员3人，重225 kg，计算荷载按5跨内配备1台钻机，同时配置3名施工员，即活荷载(680+225)/(1.5×2.5)=2.41 kN/m2，计算时，荷载按照2.5 kN/m2考虑。脚手架搭设高度为40 m。

φ48×3.5钢管支架步距1.5 m，立杆纵横间距均为1.5 m。

通过相关计算，当完全由基础水平锚筋承担剪应力时，水平锚筋剪应力最大，此时得到的剪应力为22.68 kN，小于80 kN，即生根锚杆抗剪强度满足要求。

2.2.3 基础平台脚手架强度计算

(1)抗剪强度

DN48钢管抗剪强度为Vc=489×210×0.5=51 kN。

假定斜撑基础锚筋不受力，完全由水平钢管来承受上部剪应力[14]，由于22.68 kN<51 kN，即钢管抗剪强度满足要求。

(2)钢管强度

当水平基础钢管靠近岩面时按铰支座考虑，斜撑钢管受力为22.68×1.414=32.1 kN，则：

(2)

式中:σ为钢管所受实际应力，MPa。

为确保施工安全，安全系数取1.5。[σ]=160 MPa。

则有160 MPa>65.6 MPa×1.5=98.4 MPa，则钢管强度满足要求。

(3)立杆稳定性

单根立杆采用欧拉公式进行立杆稳定性计算。

(3)

式中:σcr为立杆欧拉临界应力，MPa；E为钢管弹性模量，N/mm2;λ为钢管细长比。

该值大于65.6 MPa，即斜支撑钢管稳定性满足要求。

(4)水平杆底部最大拉应力

①水平杆最大弯矩

基础水平杆两端按铰支座考虑，则水平钢管架弯矩值中部最大。

Mmax=FL=3×0.2=0.6 kN·m

(4)

式中：F为水平钢管所受拉力，kN;L为三跨连续梁的跨度，m。

②纵截面抵抗距(截面模量)W=5080 mm3。

③纵杆底部最大拉应力

(5)

即水平杆钢管底部抗拉强度满足要求。

④水平杆挠度

(6)

式中：a为单跨连续梁的跨度，mm;I为钢管的截面惯性矩，mm4;l为三跨连续梁的跨度,m。

即水平杆挠度满足要求。

3 架空索道运输设计关键技术

3.1 架空索道的总体方案

由于现场地形陡峻，灾害体危险性大，大型设备无法人工搬运，如修建施工便道总长达4.14 km，沿途挖方量较大，总挖方约6.8×104m3，填方1400 m3，投资达300万，还易造成次生灾害。架设货运架空索道基本不会破坏现场地质环境，经设计，索道平均坡度为38°，小于规范规定的最大45°倾角的要求，且斜坡坡面较为平顺，无大的变坡，方案可行，可请专业公司进行安装调试，施工和运输安全可得到有效保证，而且造价比施工便道低，仅需约100万元。经详细咨询，索道运输设备安装调试大约需20天。

架空索道由驱动装置、承载索、支架、上站房、下站房等组成。

根据地形条件，货运架空索道于上站房进站口设固定支架，主索选择φ32 mm钢索，牵引索选择φ15.5 mm钢索，驱动设备安装于下站房，驱动机可选择四川东方卷扬机厂生产的1JK3型或同等效率的其他机型，配套电动机选择JR115-6型，额定功率为75 kW。经复测上下站台水平距离496 m，货运索道长630 m，方向134°，适宜货运架空索道的架设。

3.2 架空索道的关键技术

架空索道建造在坡度达40°的斜坡上，需要承担较大的载重，还要抗击风荷载、雪荷载和冰荷载，是一种较重型的货运索道，其支架、上下站房设计及基础稳定性直接关系到索道的安全和运行，因此其关键技术显得非常重要。

上站房由抗拔承台基础和卸货场两部分组成。抗拔承台基础置于基岩上。根据结构需要的抗拔力，抗拔式承台设置锚杆式地锚，采用4孔2φ32锚杆，锚杆长12 m，抗拔力250 kN。(见图4)

卸货场宽3 m，长5 m，面积15 m2，表层铺填20 cm厚的砂土。

下站房由驱动机房抗拔承台基础和货场两部分组成。驱动机房面积3 m×3 m，货场宽5 m，长6 m，面积30 m2。抗拔承台基础置于碎石土层上，采用C30钢筋砼埋入式地锚，尺寸3 m×1.5 m×1 m，自重10.8 t。(见图5)

图4 索道上站房设计图(单位：mm)

图5 索道下站房基础设计图

(1)驱动机房基础设计

驱动机房基础为块碎石土，底部铺设1.5 m厚的混凝土，并编制钢筋网，浇注C25砼至设计标高。

(2)驱动机房设计

驱动机房设计面积12 m2，高3 m，钢架结构，房顶盖4 mm厚的钢板，钢架采用U形槽钢，规格120×50 mm×5 mm，横梁采用U形槽钢，规格同前。驱动机房三面采用浆砌石墙封闭。

(3)货场设计

在驱动机房基础前修建宽5 m、长6 m的货场，顶部铺填20 cm厚的砂土。

支架共布置3座，材料采用钢结构。

4 成孔灌浆施工关键技术

4.1 现场锚索成孔试验

根据设计方案，现场进行了3个锚孔的钻孔灌浆试验，以W1-2孔为例，该孔于3月12日开孔，3月15日达设计孔深20 m。在钻进至孔深3.5 m时漏风，钻进到4.5 m和14.5 m时因卡钻原因无法继续钻进，为此进行固壁灌浆后才得以成孔，该孔两次固壁灌浆共灌入水泥64.3 t，全孔平均单位耗灰量3214 kg/m。其固壁灌浆浆液配合比为m(水)∶m(水泥)∶m(减水剂)∶m(膨胀剂)=0.45∶1∶0.004∶0.009，注浆压力为0.6～0.8 MPa。

4.2 原因分析

3个钻孔试验虽最终成功，但消耗水泥量太大，除采用普通冲击钻工艺不合理外，注浆工艺也存在一定的不合理性，如间歇灌浆时间偏短，未添加速凝剂，注浆压力(0.6～0.8 MPa)偏大，没有采取有效措施进行堵漏，注浆流速过大等。

综上，锚索成孔、灌浆及孔内大裂隙封堵是锚索施工的关键技术。

4.3 锚索成孔工艺

由于普通冲击钻钻孔在风化破碎中造孔不宜采用，本工程采用了组合螺旋钻和普通冲击钻相结合的工艺，在较完整岩体中采用普通冲击钻造孔，遇破碎和裂隙发育岩层采用双动力头双管反循环钻进方法。较完整孔段采取多提少钻、低转速的方法，靠设备的自冲压力可提高成孔速度，发生卡钻时采用下述堵漏措施。

4.4 锚索灌浆工艺

结合本工程实际工程地质条件，在钻孔和灌浆过程中，在发现有卡钻、漏风、冒浆和漏浆，或者灌浆注入量大、灌浆难以结束时，采用固壁灌浆、表面封堵、低压、浓浆、限流、限量、加速凝剂、间歇灌浆等方法进行处理。

4.4.1 固壁灌浆

遇到破碎带或渗水量较大的岩体时，视具体情况对孔壁进行固结灌浆，可采用自由段注水检查孔内岩体透水性，判断岩体完整情况，以便决定是否固壁灌浆[15]。灌浆压力采用0.2～0.5 MPa，甚至采用自流式灌浆，水灰质量比为0.5∶1，通过灌浆泵输送至离孔口较近的注浆机后按要求加砂，加砂量按照10%的比例递增，拌制均匀后注入孔内。砂选用级配良好的中砂，并添加氯化钙速凝剂、水玻璃、麻布片、锯末等。采用自动记录仪对灌浆全过程进行记录。

4.4.2 间歇灌浆

间歇时间通常为2～8 h，加入速凝剂后时间可适当缩短，一次的水泥用量为2～3 t为宜，不宜超过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，遇较大的裂隙宜为10～15 L/min，以减小浆液在裂隙里的流动速度，促使浆液尽快沉积。

孔口投砂可加快封闭裂隙。根据灌注情况，掺砂量按水泥质量的10%、20%到50%逐步增加，砂也可逐渐变粗，一般采用级配良好的中砂。

4.4.4 孔内大裂隙堵漏

(1)加入水玻璃堵漏

灰岩在钻孔过程中遇到有跑风漏气现象，说明出现了裂隙孔洞，此时应立即停钻进行堵漏，用20 L的塑料桶装水玻璃置于孔口上方，用φ10 mm的塑料管引至孔口内。浆液拌制好后，用PVC管从注浆泵接至孔口内，与水玻璃同时注入，直至全孔注满。实践证明对较大的孔洞效果不大。

(2)喷射混凝土堵漏

采用高压喷射机将拌制好的混凝土料喷于孔内，喷射时因专业喷头过大不能入孔，需取掉换用无开关控制阀喷头，并将φ25 mm的PVC管绑牢于喷射管，拌制好水灰质量比0.8∶1的浆液，同时打开喷射机和注浆泵。施工时从孔底向孔口拔管，注意拔管速度不可过快，应使孔内得到有效填实。该法对较大的孔洞效果较好。

通过采取以上措施，总共77孔锚索仅用2个月即完成成孔灌浆，经检验锚固力均达到设计要求。