陡峭临崖河谷拱座深基坑施工技术

姚天波 张涛 徐青松 梁爽 王巡

摘要：西溪跨河管桥地形、地质复杂，介绍了其下陡崖临边拱座深基坑开挖施工的情况，明确了深基坑拱座基础开挖施工的技术难点，并针对其开挖和出渣方法展开研究。根据现场作业条件和后期管桥施工需要，经多次方案比选，采用降便道高程、分台阶倒运及缆索吊运组合方式，完成了临边深基坑拱座开挖和出渣施工。研究表明，临边深基坑开挖方法能保证拱座基坑开挖质量和施工安全，且可提高施工工效和杜绝河道落渣。研究成果可为临边深基坑开挖施工提供方法参考。

关键词：陡崖拱座;临边深基坑开挖;垂直开挖出渣;缆索吊运;西溪跨河管桥;夹岩水利枢纽工程;贵州省

中图法分类号：TU753文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.09.013

Abstract： Relying on deep foundation pit excavation of Xixi inverted siphon bridge skewback at the edge of steep cliff valley where the terrain and geology conditions are complex， this paper introduces the technical difficulties in foundation excavation construction and studies its construction method and slag transport. According to the construction conditions and the later stage requirement of pipe bridge construction， the combination method of lowering the access road elevation， transporting by steps and lifting by cable crane is used to complete the excavation and slag transport of the deep foundation pit after comparison and selection of several schemes. The excavation method described in this paper can ensure the excavation quality and construction safety of the skewback at the edge of steep cliff valley， improve the construction efficiency and prevent slag falling into and blocking river. It can be as reference for the deep foundation pit excavation of skewback at the edge of steep cliff valley.

Key words：abrupt cliff skewback; deep foundation pit excavation at the edge of steep cliff valley; vertical excavation and slagging; cable crane lifting; Xixi inverted siphon bridge; Jiayan Hydro-complex Project; Guizhou Province

1 研究背景

傳统深基坑开挖一般是从上至下分层开挖，开挖一级支护一级。通常需要修建多条不同高程的施工便道，用于出渣和机械设备的进出，或是在基坑底部外侧修建一条施工便道和挡渣墙，把上级基坑开挖料通过溜渣通道溜至基坑底部，再通过渣车运输至弃料场[1-3]。而对于边坡近90°，局部属于倒悬体的临边深基坑开挖，上述基坑开挖方法已不再适用。本文结合实际工程，探讨了陡峭峡谷地形条件下临边深基坑拱座开挖、出渣方法。

2 工程概况及工程地质条件

西溪倒虹管作为贵州省夹岩水利枢纽及黔西北供水工程（以下简称“夹岩工程”）灌区骨干输水工程中的一部分，以管桥形式跨越西溪河“U”形峡谷，进口侧接大方县安坪村，出口侧接黔西县余姚村。管桥为一座主孔净跨为108 m的上承式钢筋混凝土箱形拱桥，管桥两侧拱座均处于悬崖峭壁上，岩层主要为永宁镇组第三段（T1yn3）灰岩。进口岸拱座上部为缓坡平台，拱座基坑开挖方量约1.6万m3，出口岸上部为30°陡坡，拱座基坑开挖方量约2.4万m3。因地形地貌原因，出口岸无法修建至拱座基坑底部的施工便道，拱座基坑左侧为高深峡谷，右侧通往拱座部位的施工便道下部存在特大溶腔（见图1）。同时，拱座基坑开挖深度达47 m，岸坡坡度较陡，开挖土石方量较大，基坑开挖的石渣掉入西溪河峡谷又会阻塞河道，对环境造成破坏，导致出口岸管桥拱座开挖、出渣异常困难。

西溪跨河管桥处于洪家渡水库西溪河“U”形峡谷，河谷宽约85 m，深102 m，两岸为陡峭悬崖，局部存在倒悬体，上部为缓坡平台或陡坡，进口岸缓坡平台地形坡度约8o，出口岸陡坡地形坡度约30o，岩层倾角平缓，为缓倾结构边坡。

两岸陡壁基岩裸露，上部缓坡平台及陡坡覆盖层零星分布。出露基岩从上至下为永宁镇组第四段（T1yn4）泥质白云岩、白云质灰岩溶塌角砾岩等，永宁镇组第三段（T1yn3）灰岩。岩体强风化法向厚度两岸5.0～10.0 m，陡壁3.0～5.0 m。出口岸强弱风化层分布见图2。岩层产状234°∠6°，地下水类型为岩溶管道水，地下水位埋藏较深，建基面位于地下水位以上，岩溶发育。

西溪跨河管桥拱座基坑边坡均为岩质边坡，且边坡开挖线均处于弱风化线内侧，拱座基坑边坡设计坡比为1∶0.3，支护方式采用4.5 m砂浆随机锚杆并挂网喷10 cm厚混凝土进行喷锚支护。边坡每开挖10 m高程设置一级马道，马道宽度为1.5 m，内侧设截水排水沟。

3 施工方案

3.1 出渣方案比选

受限于地形地貌，西溪跨河管桥出口岸拱座深基坑开挖无法采用常规施工方法，根据施工现场实际地形条件，充分考虑后期管桥施工工艺要求，提出了一种适用于陡峭峡谷深基坑开挖施工方法。具体工艺原理如下：①根据管桥轴线位置地形特点，设置单索塔缆索吊装系统，同时增大缆索吊装工作范围，以保证缆索吊吊运工作范围覆盖拱座基坑开挖区域;②进口岸采用降低施工便道高程方式完成每一级拱座基坑开挖和出渣，出口岸通过已有便道完成基坑上部高程一部分基坑开挖和出渣;③出口岸拱座基坑开挖到利用便道难以继续施工后，采用缆索吊装系统把基坑内渣料吊运至进口岸拱座基坑内，再通过渣车运输至弃料场，直至完成出口岸拱座基坑开挖和出渣，最后采用缆索吊把机械设备吊运至进口岸拱座部位，将进口岸拱座基坑内渣料利用渣车运输至弃料场。

通过分析比较几种可行的出渣方法（见表1）可知，通过缆索吊进行出口岸拱座深基坑出渣的方法经济效益更加明显，同时能够保证拱座基坑开挖进度和施工安全。

西溪跨河管桥进、出岸拱座开挖出渣施工工艺流程如下：①进口岸拱座采用降低施工便道高程的方式完成进口岸拱座深基坑的开挖和出渣，即进口岸便道高程随着拱座基坑开挖不断降低，以保证机械设备进出。同时，出口岸拱座利用已有便道完成上部基坑的开挖和出渣，直至出口岸便道无法再满足机械设备通行条件为止。②出口岸拱座下部基坑通过缆索吊及进口岸施工便道完成下部基坑的开挖和出渣，即通过挖掘机把基坑开挖料装入集料斗，采用缆索吊把集料斗运输至进口岸拱座卸料，利用进口岸施工便道完成弃渣料的运出。③通过缆索吊把出口岸拱座基坑机械设备吊运至进口岸，完成出口岸拱座基坑开挖和出渣。

3.2 缆索吊装系统设计布置

结合地形地质实际情况，经计算分析比较，确定西溪跨河管桥缆索吊装系统采用单索塔缆索吊装结构，进口岸设置螺旋钢管扣塔布置在4号镇墩上部，缆索吊后锚采用预应力岩锚锚固于3号镇墩部位，出口岸采用无索塔结构，缆索吊后锚采用预应力岩锚锚固于6号镇墩部位，缆索吊装系统总布置及现场安装完成后的情况见图3～4。

该缆索吊装系统充分利用了出口岸的陡坡地形，去掉了钢索塔，把缆索吊主索直接锚固于6号镇墩部位，在节约一套钢索塔结构的同时，增大了缆索吊装范围，保证了出口岸拱座渣料和开挖设备能够顺利吊出拱座基坑。根据已有结构物位置关系，最终确定该缆索吊跨度设计为210 m，最大设计吊重为24 t，满载时跑车行走速度和吊点提升速度分别为30 m/min和15 m/min，满足了拱座基坑开挖及后期管桥施工对吊装系统的要求。

3.3 进口岸拱座开挖和出渣

因拱座基坑开挖的临空面为陡峭河谷，采用一般爆破方式极易造成大部分飞石抛向河谷，阻塞河道。为控制好爆破石渣崩落方向，采用预裂爆破结合掏槽爆破的方式，即每层爆破时率先对开挖边线及沿河岸内侧宽1.5 m处运用预裂爆破爆破出一条预裂缝，再采用微差爆破方式，先后对基坑中心掏槽起爆和主爆区起爆。除在边坡开挖线上布设外，在临河岸内侧1.5 m的沿线同样布置一排预裂爆破孔（见图5），且采用孔径90 mm间距0.9 m进行设置，装药量控制在0.46 kg/m以内[4]。出渣时，使用挖掘机将临边宽1.5 m的预留岩体清除。主爆区松动爆破前，率先在拱座基坑中心爆破出“V”形临空面，使主爆破区岩石抛掷方向变为沿河岸上下游方向，减少爆破渣料飞入河谷。松动爆破孔采用孔径90 mm间排距在2.0～2.5 m之间进行设置，炸药单位消耗量控制在0.78 kg/m3左右，根据现场爆破效果和渣料粒径大小进行适当调整[5]。进口岸拱座基坑开挖分6层爆破开挖，首层8 m，其余每层开挖深度控制在5～7 m，距拱座基础开挖面预留至少0.5 m保护层，采用机械配合人工挖除。

进口岸拱座基坑开挖过程中，通过不断降低施工便道高程和分台阶倒运的施工方法，由挖掘机直接将拱座爆破的石渣装车，通过出渣车运输至弃渣场弃渣。拱座基坑1级马道以上的爆破石渣，直接利用通往拱座的施工便道，由挖掘機装渣并通过出渣车进行运输出渣;第2、3级马道以上的爆破石渣，通过延长原有施工便道并降低便道高程，使出渣车能够通行，再由挖掘机装渣并通过出渣车运输出渣;拱座基坑剩余的开挖料，利用拱座基坑与便道交接处设置的缓坡及倒运平台，并采用两台挖掘机进行渣料的倒运和装车，再由出渣车运输至弃渣场，实现拱座基坑底部渣料的全部运出。进口岸拱座基坑出渣示意见图6。

3.4 出口岸拱座开挖和出渣

因出口岸拱座基坑开挖面出现裂隙及部分溶腔、溶槽，在开挖完第一级马道后选择挖掘机破碎开挖。同时为监测拱座边坡的稳定性，在拱座上部边坡左右两侧各设置一个观测点，定期观测边坡位移变化情况。出口岸拱座在完成上部27 m基坑开挖和出渣后，现场无法再利用降低便道高程或采用挖掘机分台阶倒运等方式出渣。在施工现场，通过特制的出渣料斗集渣和弃渣，采用挖掘机装渣，并运用缆索吊把集渣料斗运输至进口岸拱座基坑弃渣的方法，完成最后20 m拱座基坑渣料的出渣。

挖掘机破碎开挖按照自上而下分层开挖的方式，每层开挖高度控制在1.5 m左右。临边破碎开挖时，挖掘机所处位置岩体应完整并设专人指挥开挖，破碎完一层及时把基坑上部碎石通过缆索吊机运输至进口岸。在拱座基坑每一层碎石清理完毕后，及时通知地质专业人员研判基坑及边坡稳定性情况。在出口岸拱座基坑开挖过程中，随着基坑开挖深度增大，基础面斜向裂隙越来越小，且到拱座基础面后，微小斜向裂隙已处在基坑外侧，经地质专业人员现场鉴定后认为拱座基础面满足承载力要求。出口岸拱座基坑开挖效果见图7。

4 结 语

本文论述了管桥陡峭临崖河谷拱座深基坑开挖技术和运用管桥主体结构施工缆索吊系统出渣技术。从施工难点、出渣方案比选、拱座开挖、缆索吊布置和出渣作业等方面进行了详细论述，提出的降便道高程、分台阶倒运及缆索吊运组合方法解决了陡峭临崖河谷拱座深基坑垂直开挖和出渣施工技术难题，在减少河道落渣的同时，达到了缩短工期、节约成本的目的，可为以后同类型临边深基坑开挖施工提供参考。

参考文献：

[1] 齐立宾.  大瑞铁路怒江特大桥拱座基础优化与施工技术研究[J].  铁道建筑技术， 2017（6）： 75-79.

[2] 孙兆会.  陡坡地形处桥梁深基坑开挖技术研究[J].  桥梁工程， 2018（4）： 56-64.

[3] 田伟，吴小雨，沙仁明.  山区陡崖拱座垂直开挖技术研究[J].  桥梁工程， 2018（7）： 47-51.

[4] 陈仲超，黎学平，余先发，等.  大型深基坑带缓冲层预裂控制爆破技术[J].  工程爆破， 2010，16（4）： 34-37.

[5] 潘从贵.  拱座深基坑爆破开挖施工技术[J].  交通科技， 2016（5）： 32-36.

（编辑：唐湘茜）