湿陷性黄土高边坡支护施工技术

2022-02-11魏明越沈羽臣沈益国

城市建筑空间 2022年12期

魏明越，沈羽臣，张磊，段飞，沈益国

（中建一局集团第五建筑有限公司，北京 100024）

0 引言

高边坡的处理一直以来都是工程施工的重点难题，随着我国大力推进基础设施建设，高边坡越来越多地出现在工程建设中，尤其在我国西北地区的基础设施建设工程中。由于地理条件、水文地质条件、气象特征、周围自然环境等因素影响，高边坡勘察、设计、施工及运维影响着群众的生命和财产安全，其稳定性直接影响基础设施建设的健康发展。

1 工程概况

西咸新区第二水厂出厂管道工程施工（第八标段）项目位于陕西省咸阳市S208省道附近，工程给水管道穿过北倾沟范围是开阔的U形沟谷，沟底为现状水系，平均跨度约60m，沟谷上方拟建输水管道及桁架桥。在北倾沟北岸坡脚约1m处拟建桁架桥桥墩与承台，坡顶拟修建6m宽的绿道及副桥墩，北岸边坡由黄土、古土壤为主要土层，其中，黄土属于Ⅳ级自重湿陷性黄土，场地高度30～32m，综合坡率1∶0.8。

由于北倾沟两岸边坡坡脚因水位升降侵蚀已出现部分垮塌，同时北倾沟河道水系治理单位在修建施工便道时改变了原有地形地貌，破坏了北岸坡脚覆盖植被，坡脚裸露高度约8m，坡度70°～80°。同时根据现场情况观察发现整个北倾沟两侧边坡存在多个垮塌的涵洞，边坡问题存在很大安全隐患，需及时对工程范围内的高边坡进行防护，才能保证桁架桥墩及承台在建及永久运营的安全。

2 湿陷性黄土对边坡治理的影响

湿陷性黄土高边坡产生失稳的原因主要是其湿陷性特征和弱抗冲刷性对边坡的影响，黄土在遇水后其物理性质易发生改变，在受到自重及额外附加力作用时会发生不定向破坏。湿陷性黄土极易受到外界因素影响而产生土体结构破坏，受到雨期强降雨冲刷或雨水浸泡均会对湿陷性黄土造成失稳破坏；工程施工开挖时对黄土原状结构产生破坏，或对坡面上植被造成破坏的人类行为，同样会造成对湿陷性黄土结构的破坏，从而对边坡的稳定性产生影响。

3 边坡支护方案分析

3.1 削坡减载

削坡减载是通过削坡减小滑坡体上的荷载，消除不稳定的岩土体，放缓边坡，增加平台宽度，借此提高边坡稳定性的一种边坡处理方法。适用于绝大多数边坡，通常和其他边坡支护方式结合使用。湿陷性黄土边坡极易在雨水的潜蚀下产生湿陷，因此在削坡前要密切注意加强边坡坡顶至坡脚的排水系统是否通畅。本工程坡顶拟修建绿道，可削去的土体非常有限，因此仅靠削坡不能起到使边坡稳定的作用。

3.2 预应力锚索锚固

预应力锚索是指一种可在岩土结构的内部通过预应力将锚索锚固的支架。锚头工程主要是利用岩体变形的薄弱结合空间，将锚头锚索紧固于岩块中，将滑坡混凝土体和稳定的岩体有效组合在一起，进而改变岩石整体的受力情况，整体安全性得以改善，锚头施工也是边坡保护施工中最常见的支护方法，可应用于绝大多数边坡，在预应力锚索支护施工完成后能快速改善边坡的整体安全性。本项目中，由于边坡预应力锚索孔内密封困难，以及钢绞网的外部砂浆不够严密，锚头自由段浅部易受空气接触和土壤浸泡等因素引起腐蚀，导致锚索预应力逐渐损失。浇筑时，为减少因湿陷的黄土作用所引起的锚头对混凝土浇筑破坏，并加强阻止入渗地表水和空气以减少对自由段浅部的侵蚀，主要采用了下列方法：增加钢绞线及受电设备部分的水泥密实性；增加单层波纹套管防腐能力；使用高抗硫酸钠混凝土。

3.3 挡土墙

边坡挡土墙指用于支撑路基的填土和斜坡上混凝土体的结构措施，避免填筑物变形和混凝土体不平衡，其构造类型有悬臂结构型挡土墙、重力型挡土墙稳定性、扶墙型挡土墙稳定性等，一般用砖、块石、混凝土以及钢筋水泥等材料进行施工，其优点是外形简单，施工方便，具有良好的经济效应。本工程边坡坡脚裸露高约8m，挡土墙能够很好地保护坡脚土体坍塌，但边坡整体体量过大，边坡上部仍有滑落的危险，因此单纯靠挡土墙不能保证边坡的稳定性。

3.4 抗滑桩

抗滑桩是一类对坡度所采用的防滑处理技术，利用在滑动体中深入滑床的桩柱，作为抗滑动土体的滑力，以提高滑动安全性。在边坡滑动过程中承担反滑力桩的摩擦力，使桩的滑动到达平衡位置，在滑坡体滑动中承担抗滑桩的摩擦力，使桩的滑体到达平衡状态。基于本工程的工程地质条件，抗滑桩施工时极有可能会对湿陷性黄土边坡造成扰动，造成边坡更不稳定，且抗滑桩施工所需工作面较大，对于施工也是一项很大的挑战，虽然可行但风险性较大且施工不便。

3.5 格构梁+生态袋护坡

格构梁补强技术一般是通过现浇钢筋大直径混凝土对坡面结构加以支护，或通过锚杆或锚索加以紧固。生态护坡是对边坡实施保护，建立由植被或工程结构组成的边坡综合保护系统的护坡技术，生态护坡的种类一般有人工植树种草护坡方式、液压喷播植草护坡、客土植生植物护坡、生态袋护坡等。本工程一般是通过格构梁内置生态袋实施护坡，生态袋有通风、透气、不透土颗粒的特性，对高水环境和潮湿环境均有良好的适应作用，对工程结构基础不能形成渗水压力，适合应用于湿陷性黄土边坡。格构梁的生态护坡系统能够对滑坡的表面加以防护与强化，不仅可达到对滑坡表层的稳定要求，而且能起到美化生态环境、绿化环境的作用。

3.6 坡体排水

湿陷性黄土边坡极易在雨水冲刷和地面水潜蚀作用下产生湿陷，因此，在边坡治理中，排水措施是必不可少的一环，在边坡顶部、边坡平台处及坡脚分别设置排水沟，边坡排水沟应结合工程整体排水系统，并根据工程整体排水系统对位置作相应调整。

综上，本工程拟采用预应力锚索配合格构梁的方式来进行支护，施工风险小，既能保证边坡的稳定性又能保证美观，达到对坡脚桥墩承台及墩身的永久保护作用，保证工程运营安全。

4 锚索支护施工技术

4.1 测量放点

严格地依据测量相关标准条件，按照先总体后局部的勘测原则，首先确定施工区域的平面控制网，而后通过平面控制网进行局部位置的中轴线定向施测。根据现场状况，把控制点和水准基点引至较不易损坏的地方，开工前对控制点进行复核，复核后应对控制点及水平基点进行保护，并且在施工中应经常复测。

4.2 成孔

1）钻孔前应选取适配的钻机，钻机就位前应由技术人员对钻孔的垂直度、定位进行复核，经监理验收确认后开始钻孔。

2）钻孔转进的初期需减缓速度，当钻进量达到1.5m后，检查无异常则恢复正常速度。钻孔不能对周围地层造成扰动。施工过程中，工作人员需加强对钻机的定位、钻杆的方位进行检查，保证转进误差在合理范围以内。

3）钻机的直径不得低于设备直径50cm，钻进至设置深度后要稳钻3～5min，以免设置的锚固长度端的直径不合格；不同土层的锚固性能段长度要按照工程设计图纸和标准来定。

4.3 清孔

成孔后，孔内易残留不利于后续施工的杂物，若清理不到位则对预应力锚索锚固和孔壁岩土体的黏结强度有影响，导致锚固力下降。因此必须加强清孔质量，并检查注浆管和排气筒是否堵塞或通畅，给锚索施工提供质量层面的保障。

4.4 锚索制作

1）锚头钢绞线应选用防锈油脂，物理化学安全性较好的无黏结钢绞线，不含有害物质，涂敷用量不应低于50g/m；PE护套厚度为1.0～1.2mm，应具有一定的强度缓和韧性，并具有抗老化性和抗腐蚀性，在施工各阶段避免冲撞、受损，并应伴随有防晒、防雨、防污染、防腐蚀等措施。

2）锚头编束时必须保证每根钢绞线的顺直与外观整齐，不宜产生扭曲及分叉，同时要确保钢绞线的排列均匀。锚头制造时用切割机截取下来，其下材尺寸为：锚固长度段+自由段+1.0m的外露张拉段；应保证完整度，不可做接长处理。钢绞线首先应经除灰，在除锈加工后再与导向帽、对中支架、固定环以及注浆管道等根据实际需要结合在一起。

4.5 下放锚索

安放锚头时首先对锚头进行编码，每个编号对应一条孔位，锚头放置时，首先对预应力锚索的编码和孔位进行核实，确定锚头编码和孔位相符后由人、机器将锚头均匀顺推送入洞中。锚头施工中需注意维持锚头的状态，不得出现锚索的屈曲扭转，锚头进洞应根据锚孔的高度和大小进行分权化，不得在进洞后出现抖动、扭曲，避免进洞后发生钢绞线散束的卡阻。锚筋体进洞直径应不低于设计直径，且与孔底间隙不宜超过500mm。

4.6 注浆

1）锚头的注浆材料经常使用二次加压注浆材料、洞底返浆材料，锚头注浆的材质为水灰比为0.45～0.50的水泥浆，注浆水压为0.6～0.8MPa；当首次注浆材料所产生的水泥结石体硬度超过5MPa时采用二次注浆材料，两次的注浆方法均为水灰比0.45～0.50的水泥浆，注浆方法控制在2～5MPa。第一次注浆管在编索时设置于对中支架外侧，二次注浆管居中，并同时伸入导向帽内。

2）首次注浆材料一般采取正常的压力注浆方式，通过注浆料管或自孔底注浆方法，待泥浆回流到孔口后进行二次注浆材料，而二次注浆方式为通过加压注浆材料，注浆压力值一般为2.0～5.0MPa，当首次注浆材料强度高达5MPa后再进行二次注浆材料，一般为首次注浆材料后的12～24h完成。二次灌浆一般采取注浆及加压控制，当水压高达5MPa后，以稳压注浆材料2min为宜或总混凝土用量控制不小于80kg/m。

4.7 张拉锁定

1）张拉施工应隔根跳开进行，并当所注浆浆体抗拉强度超过20MPa或超过设计抗拉强度的80%，即可进行张拉施工锁定。锚索张拉前先要按荷载1/10的标准设计预加拉力预张拉，然后整体张拉施工1～2次将锚头整体拉直，预张拉1～2次之后将其各部位密切联系，以保持钢绞线的完整水平。

2）对预应力锚索进行张拉安装之后，根据对锚头的预加拉力数值的25%，50%，75%，100%，110%五级分级补偿，按分层方式合理进行调整。在张拉过程中，压力值每提高一层均要保持5min，并记下定位读数。最后一层张拉荷载可保持在10～20min，每一层平衡后测读锚头位置最少3次。当张拉施工至110%强度时可实现锁定，如出现拉伸应力丢失情况，可及时进行补张拉措施，保证设计图纸锚索锁定值要求。

3）预应力锚索锁紧后宜通过拉伸检测，如预应力锚索锁紧后48h内发生了强烈的应力松弛，则须通过补充张拉；张拉施工完毕后，应按照锚索轴向力监测情况继续进行补张拉施工，待内部力量平稳后再剪除多余钢绞线，并用钢筋混凝土作为密封锚头。

5 稳定性分析

该项目边坡结构采取两级预应力锚索+格构梁支护方法，预应力锚索为直径15.2mm高强度低松弛预应力钢绞线（1×7标准型，抗拉强度标准值fptk=1860N/mm2），对锚索支护后的边坡进行稳定性分析。通过计算，在自然工况下安全等级为F＞1.35，在地震工作情况下F＞1.15，均满足GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》要求，锚索支护设计合理。

6 施工问题处理

6.1 施工环境及场地处理

由于边坡坡底存在水系，工作面狭小，不利于现场施工，通过经济、技术等多方面因素考虑，建议采取土围堰加硬化路面的方式，作为现场工作的基础场地，同时应注重场地的排水措施，以防坡脚积水，影响边坡的稳定性。本工程坡体周围存在多个由于地下水或地表水渗透造成的土洞，不利于边坡稳定，因此在边坡支护前，采用混凝土灌注的方式处理周围土洞，以免土洞垮塌造成边坡失稳。

6.2 工序交叉影响

本工程边坡的坡顶及坡脚都存在其他构筑物的施工，影响边坡支护施工及后期边坡的稳定性。在进行工序安排时，应以保证边坡的稳定性为主，并避免扰动边坡周边土体，因此在制定工序计划时，原则上应将边坡支护放在首位，在边坡未达到稳定前应禁止边坡周围的工程施工。故本工程考虑安全因素，工序安排应是优先进行边坡支护，其次施工坡顶副支墩和绿道，最后施工坡脚的承台及桥墩。经济层面也是防止工序交叉引起不必要的返工导致成本增加。