危岩带下锚碇基坑施工技术及爆破振动监测

胡风明，宋健，闫磊，曲振宇，赵甜甜

(1.中交一公局重庆万州高速公路有限公司，重庆市 404100； 2.重庆三峡学院 土木工程学院)

在跨径600 m以上的桥梁中，悬索桥具有很强的竞争优势。悬索桥锚碇是支承主缆、保证全桥主体结构受力稳定的核心部件。锚碇一般分为重力式锚碇、隧道式锚碇两类，相比隧道式锚碇，重力式锚碇对地质条件要求较低，应用更加广泛。基坑支护开挖施工是重力式锚碇基础施工的重要前提。由于锚碇基础庞大，基坑开挖深度可达几十米，且施工周期长，对周边地层形成强扰动，因此，选取合理施工方法，开展施工监控，对保障基坑施工的安全性具有重大意义。

在平原地区，重力式锚碇常采用沉井基础，矩形钢筋混凝土地下连续墙或圆环形钢筋混凝土地下连续墙，基坑开挖难度较小。在长江中上游，多为山岭重丘区，地质情况复杂多变，悬索桥锚碇基坑边坡支护方式和开挖施工方法也因地制宜，多种多样。控制爆破、缓冲爆破、预裂光面爆破以及机械开挖是常用的开挖施工方法。目前，处于危岩带和崩坡积体下的锚碇基坑较为罕见。该文背景工程北岸锚碇基坑处于危岩带和崩坡积体下，底座岩性为泥岩。为加快施工进度，采用以爆破开挖为主的方式，但是爆破振动易造成周边地层的劣化，诱发边坡失稳和危岩崩塌，对工程安全产生较大威胁。

为了控制爆破的不利影响，毕王乐等研究了水封爆破技术在复杂环境大规模基坑爆破的应用；陈仲超等采用了带缓冲层预裂爆破技术实施深基坑开挖控制爆破，实现了基坑爆破轮廓的平整，取得了良好的破碎效果；廖德川等根据爆破地震波能流密度分布主方向及其大小特征，优化重力式锚碇基坑爆破开挖参数，提出了适宜的爆破施工工艺。该文依托重庆万州新田长江大桥北岸锚碇基坑，开展危岩带下锚碇基坑施工技术和爆破振动监测研究。通过优化施工方案，达到控制爆破的目的，各期振动监测数据符合规范要求，确保了施工期边坡和坡顶危岩体的稳定性。

1 工程概况

新田长江大桥主桥为单跨1 020 m钢箱梁悬索桥，桥塔采用门式框架结构，两岸锚碇均采用重力式锚碇，其中北岸锚碇开挖方量约为11万m3，锚碇混凝土体积为7.03万m3，边坡高度为12.0～52.0 m，临近危崖侧基坑边坡最大坡度为1∶0.3，单级坡高为8～10 m，最高处为6级边坡。危岩下基坑边坡采用C30钢筋混凝土护面墙支护。桥梁总体布置图如图1所示，锚碇基坑开挖情况如图2所示。

锚碇基坑施工区域上方有一危岩带，崩坡积体上存在有孤石，给锚碇基坑开挖施工带来了安全隐患，需开展排危和安全防护措施后才能进行开挖作业。

图1 桥梁立面(除标高单位为m外,其余:cm)

图2 锚碇基坑开挖平面

该工程地质的特殊性在于：① 地层复杂，砂岩、砂质泥岩、泥岩等均有发育，呈现互层状分布；② 由于泥岩和砂岩的风化差异，砂岩常出现陡崖和危岩带，崖下发育第四系崩坡积体；③ 泥岩为典型的软弱岩层，具有长期流变、遇水软化的特点，且其上覆盖层较厚，三峡库区的地质滑坡常与该层有关。

2 施工技术要点

危岩在当前状况下处于平衡状态，但从长期看随着风化的加剧，岩腔逐渐扩大，岩体劈裂逐渐发展，会产生崩塌，形成崩坡积体。即使在当前状态下，在如爆破开挖等强外力扰动下也可能打破平衡状态，形成崩塌灾害，严重危及工程安全。因此，处置危岩病害，控制爆破振动是避免危岩体崩塌，提高施工期安全性的关键。

2.1 危岩处置

危岩处置须在基坑开挖前完成，从源头上提高危岩的抗崩塌能力。危岩处置遵循“松石铲除，岩腔支撑，危石锚固”的原则。

松石铲除：危岩体表面由于风化程度较重，往往已经形成较明显的裂隙，块体体积一般不大于5 m3，虽然在平衡状态，但在外力扰动下极易崩塌，视为松石。对于松石采用人工或机械的方式予以清除。

岩腔支撑：危岩体岩性为砂岩，其底座岩性为泥岩。因风化差异，在泥岩层容易形成岩腔，深度为0.3～2 m。对于小于0.5 m的岩腔，在清理完碎屑后灌注C25混凝土封闭岩腔；而深度大于0.5 m的岩腔，采用C25钢筋混凝土立柱支撑，立柱间距2 m，岩腔高度小于4 m时，立柱截面尺寸为0.3 m×0.3 m，大于4 m时，立柱截面尺寸为0.4 m×0.4 m，并在立柱间增加横撑。

危石锚固：由于长期的地质活动，砂岩层易发育形成竖向的裂隙面，进一步发育成孤石体。为确保危崖长期稳定性，采用了锚索加固的方法。单根锚索采用3×φ15.24钢绞线，斜向下10°打入岩体内部，深度为20 m，锚固段长度为9 m，张拉力为585 kN。锚索横向间距为2～3 m，竖向间距为4 m。

危岩处置完成后在危岩带下设置被动防护网，防止因为降雨、微小振动引起危岩块体滚落基坑施工区域。在一轮爆破完成后，指派专门人员对危岩带进行巡视检查，发现松动的岩石及时处置。

2.2 爆破施工技术

基坑遵循自上而下分层开挖方式，表层松散的崩坡积体和强风化泥岩层可采用机械开挖。但是随着深度的增加，岩土体强度不断增大，采用机械凿挖影响开挖效率。为此，采用爆破开挖配合机械凿壁的方式。

炸药产生爆炸后，装药室附近岩石中形成冲击波，随着冲击波的向外传播应力幅值不断衰减，波速不断降低，最后演变成应力波；应力波进一步传播、衰减，演变成地震波。根据周围岩石的破坏程度，将装药爆炸对岩石作用分为以下4个区域：空腔区、破碎区、径向裂缝区和弹性振动区。在弹性振动区，GB 6722-2014《爆破安全规程》对一般工业建筑物爆破振动安全允许标准作出了规定，但是对于危岩体，并没有相关规定，经综合安全评价危岩体的安全振速控制指标确定为1.0 cm/s，民房控制爆破振动速度为0.5 cm/s。

距离危岩带20.0～50.0 m范围内采用机械凿打为主，辅助φ40 mm浅孔丝裂爆破，在距离危岩带50.0 m范围外采用φ70 mm常规松动控制爆破。均控制危岩体爆破振动速度小于1.0 cm/s。锚碇爆破分层时从北侧中心开始向“三方边沿靠近”，若为泥岩靠近边坡、坡面时预留2.5～3.0 m机械凿打，若为砂岩时预留1.0～1.5 m机械凿打，基底预留1.0 m采用机械凿打。

φ70 mm孔常规爆破参数如下：钻孔超深h=0.3 m；炮孔深度L=H+h=2.3～3.3 m；炮孔间距a=2.3 m，炮孔排距b=1.8 m；炮孔倾角α=80°～90°。2.0 m孔单孔装药量为2.4 kg；2.5 m孔单孔装药量为3.2 kg；3.0 m孔单孔装药量为3.6 kg。炸药选用2号岩石乳化炸药，药卷直径为55 mm。为了提高安全度，采用1、3、5段控制总起爆药量，一次单段最大起爆药量Qmax=18.0 kg。

3 爆破振动场模拟

根据爆破振动理论分析，炸药引发的荷载可简化为三角形的荷载曲线。该文在对爆破峰值荷载进行确定时计算方法如下：

(1) 确定不耦合装药条件下炸药爆轰压力

(1)

式中：ρ0为炸药密度，对于2号岩石乳化炸药取1 100 kg/m3；D0为炸药爆速，对于该例取4 200 m/s；db为药卷直径；dc为炮孔直径。根据式(1)计算得Pe=5.71×108Pa。

(2) 确定初始波峰压力

(2)

式中：ρr为岩石的密度，该例为2 300 kg/m3；Cer为岩体中纵波波速，该例取值4 000 m/s。根据式(2)计算得Pr=7.60×108Pa。

(3) 震动圈上的等效压力

P=Pr(r1/r0)-α1(r2/r1)-α2

(3)

式中：r0为装药半径；r1为冲击波作用半径，取值为3倍炮孔半径，即0.105 m；r2为裂隙区半径，取值为3倍炮孔半径，即0.35 m；α1、α2为冲击波和应力波衰减指数，α1=2+μ/(1+μ)=2.23，α2=2-μ/(1-μ)=1.57，其中μ为岩石泊松比，取值为0.3。根据式(3)计算得P=5.77×106Pa。

(4) 爆破振动场有限元模拟

岩土计算选用Mohr-Coulomb弹塑性材料模型，计算模型设定边界条件为底部固定，周围四侧为黏性边界以减小边界反射波的影响，采用Midas NX软件，建立有限元模型如图3所示。采用1、3、5段控制总起爆药量。图4为爆破荷载应力时程曲线，最大爆压为9.88 MPa，上升时间为3 ms，下降时间为12 ms，总时长为1 s。爆破荷载施加在一级边坡(靠近危崖侧)，监测点定为危岩底部，施加荷载位置与监测点水平距离约为50 m。

图3 爆破模拟有限元模型

图4 爆破荷载应力时程曲线

计算流程如下：① 边坡开挖前进行重力平衡和位移清零；② 对第6、5、4、3、2台阶进行静力开挖支护计算；③ 在第1台阶上施加 1、3、5段爆破荷载，进行振动场反演。

爆破数值计算可以得到任意时刻的边坡振动速度场，提取250 ms和500 ms边坡振动速度场，如图5所示。爆破荷载先升高后降低，振速和荷载基本同步变化，有所滞后。爆破振动从起爆点开始逐渐向外传播，振动速度先快速提高后逐渐降低。尽管有场地地形的限制，爆破振动形成放射性的圆环振动场。由于自由面的增多和振动波的反射加强，爆破振动波在台阶处振动速度较大。

提取测点处3个方向的速度时程曲线，见图6。

图5 不同时刻基坑边坡振速云图(单位：m/s)

图6 测点三方向速度时程曲线

T1为水平切线方向，T2为水平法线方向，T3为垂直方向。T1方向速度最大绝对值为0.36 cm/s，T2方向速度最大绝对值为0.89 cm/s，T3方向速度最大绝对值为0.72 cm/s。3个方向的速度可合成总速度，在0.36 s时达到最大值，最大值约为1.19 cm/s。按照GB 6722-2014《爆破安全规程》在安全性判定时，取3个方向的最大值，由此，数值分析结果表明：该爆破方案引起的危岩振动速度小于1 cm/s，符合规范要求。

4 爆破振动监测

为确保爆破施工的安全性，对基坑高边坡和危岩进行了振动监测，在第2级和第1级基坑爆破时，自爆破区域向危岩处布置了2道测线，共6个测点。1#测点位于3级边坡顶，2#测点位于5级边坡顶，3#测点位于危岩底部。现场测线测点布置见图7。测试仪器采用符合GB 6722-2014《爆破安全规程》要求的三向振速仪完成，拾振器的x方向指向爆破中心。

图7 振动监测测线测点布置

1、2级基坑爆破监测共进行7次。图8为7次监测中，1#测线径、切及竖向的速度时程曲线的最大情况。

图8 1#测线测点3典型三向振速时程曲线

由图8可知：基岩底部1#测线测点3的径向速度峰值为-0.389～0.864 cm/s，切向速度峰值为0.225～0.766 cm/s，竖向速度峰值为0.403～0.916 cm/s；2#测线测点3的径向速度峰值为-0.455～0.897 cm/s，切向速度峰值为0.313～0.827 cm/s，竖向速度峰值为0.397～0.879 cm/s；振动速度波的主频为23～56 Hz。监测结果表明：基岩底部三向振动速度的最大值均小于1 cm/s，爆破对基岩影响较小。目前，爆破开挖施工已经结束，爆破期间危岩带整体稳定，未产生崩塌落石等不良地质灾害。爆破施工在确保危岩体稳定的前提下，大大加快了基坑开挖进度。

5 结语

针对悬索桥锚碇基坑位于危岩带下的特殊情况，提出首先采用“危石铲除、空腔封闭、危石锚固”的处理方案，然后针对施工爆破可能诱发危岩崩塌的不利条件，提出丝裂爆破，常规松动爆破和机械凿壁相结合的方案。安全评价给出危岩的振速控制标准值为1 cm/s，据此设计了单次爆破炸药量不超过18 kg，并通过数值分析方法模拟了爆破振动波的传播，分析结果证实方案合理可行。现场实施爆破时，对基岩底部的振速进行了同步监测，结果表明：多次振速监测的最大值均小于1 cm/s，确保了爆破施工期危岩的稳定性。目前，基坑工程已顺利施工完毕，提出的施工方案既保证了施工速度，也确保了施工安全，效果良好，可为同类工程提供借鉴。