临崖陡峭山区超大锚碇基坑开挖关键技术

临崖陡峭山区超大锚碇基坑开挖关键技术

王安会

（中铁四局集团第一工程有限公司，安徽合肥 230001）

摘要：某跨黄河单塔单跨悬索桥，桥址区属山间河谷区，呈“U”型，为黄河河谷，河谷两侧山体陡峭，沟谷纵横，地形起伏较大。该桥南岸锚碇纵向长度58m，横向宽度60m，高43.3m~48m，属超大体积锚碇。因该处最大开挖高差达到96米，基坑开挖时如何分区、分层、爆破、防护、监测等都有较大的难度。本文结合具体的工程实例，详细介绍了在复杂艰险山区开挖超大锚碇基坑具体施工步骤和注意事项，对类似工程有一定的借鉴意义。

关键词：山区；锚碇；深基坑；边坡防护；锚杆

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1.引言

锚碇作为悬索桥重要组成部分，是将主缆拉力传递给地基的关键结构。重力式锚碇依靠结构自身巨大的重力抵抗主缆垂直方向的拉力，同时依靠锚碇基础底面和地基之间的摩阻力以及周围地基土对锚砖的嵌固力来抵抗主缆水平方向的拉力，重力式锚碇在悬索桥建设中应用最广，尤其是在岩石地基上修建最多。而基坑工程又是土力学基础工程中一个古老的传统课题，同时又是一个综合性的新型岩土工程难题，涵盖学科众多，既涉及到土力学中典型的强度、稳定与变形问题，又涉及到水、土与支护结构的共同作用问题。在地形地质条件复杂的山区，开挖近10万立方米体积锚碇基坑，施工难度极大。

2.工程概况

某跨黄河主桥采用单塔单跨钢桁梁悬索桥，主桥桥跨布置60m+（1-510）m，主缆跨度布置为（510+185）m。其中一个锚碇采用重力式嵌岩锚，锚碇纵向长度58m，横向宽度60m，高43.3m~48m。锚碇前侧底部设底座，与后部锚体、侧面鞍室形成闭合体系。前锚室侧墙厚度为0.8m、前墙厚度为0.8m、顶板厚度0.6m。前锚室前墙上设置主缆孔，在前锚室的内侧侧墙上设置1.2×2.1m的入口。

3. 地形地貌地质

该重力锚位于南西向延伸的山脊上，山脊两侧临崖，地形陡峭。平台现状覆盖黄土状黏性土，厚度约0.5m，下伏基岩为寒武系白云岩。岩层产状约为85°∠3°，锚碇位置岩层倾角较缓，覆盖层薄。

根据地勘资料显示，12～15m处溶蚀裂隙发育，下部岩体较完整，锚碇基础下部基岩较完整，整体地基基础稳定性较好。根据试验结果，白云岩的饱和抗压强度可达到90.5Mpa，属坚硬岩。

锚碇边坡顶最大高程约431.3m，基坑的最低高程为335.2m，最大高差96.1m。

4.锚碇基坑设计情况

锚碇上侧边坡按10m一级放坡。基坑临时边坡坡率为1:0.3，永久边坡坡率1:0.5，临时边坡采用GPS2型SNS主动防护网防护，永久边坡采用锚杆挂钢筋网喷射砼防护。锚杆采用HRB400 φ25全粘结锚杆，长度6m，锚杆孔采用φ70孔径，按梅花型布置，其中水平向间距2.0m、竖向间距2.0m。

锚碇基坑开挖成8级台阶状，横桥向边坡坡率为1:0.5m，每级边坡高度6.0m，每级边坡平台宽度1.5m；纵桥向基础边坡坡率为1:0.5，锚体边坡坡率为1:0.25，每级边坡高度6.0m，每级边坡宽度1.5m；基坑底平面长度19m、宽度12m。

基坑临时边坡坡率为1:0.3，永久边坡坡率1:0.5。临时边坡采用主动防护网防护，永久边坡采用锚杆挂钢筋网喷射砼防护。四个方向的开挖坡面分别为292°∠73°（东侧）、112°∠73°（西侧）、202°∠63°（北侧）、22°∠73°（南侧）。边坡岩体结构类型为层状乎叠结构，但倾角很小。故虽西侧边坡有一定程度的顺层，但对边坡稳定的影响很小，且西侧边坡仅一级且平均高度5m,对边坡采取主动防护网防护。

图1 锚碇位置开挖断面图

5.施工关键技术

5.1总体思路

优先完成锚碇顶面上方边坡开挖，然后在进行锚碇基坑分级开挖作业，基坑到位后进行基底摩擦系数及承载力试验，最后进行锚碇主体施工。

锚碇基坑开挖遵循沿等高线自上而下、分层开挖原则，按照“开挖一级防护一级”要求进行，基坑开挖时在坑外和坑底分别设置截水沟和排水沟，防止地面水流入积留在坑内引起塌方或基底岩层破坏。同时确保基坑及边坡干开挖，并按设计要求及时进行边坡防护。

基坑开挖遵循“松动控制爆破+机械开挖为主、人工开挖为辅”的原则，基坑开挖过程中，覆盖层和松散岩层，采用人工+机械开挖相结合，坚硬岩石采用松动控制爆破开挖。基坑边坡开挖接近设计轮廓线时，采用预裂爆破作业，减小对边坡岩石的扰动。

开挖时，边坡A区域开挖的弃渣经由锚碇上方主便道进行出渣。锚碇基坑区开挖的弃渣经由溜槽下落至锚碇底部集渣区域，再由下便道进行出渣。边坡B区域、边坡C区域开挖的弃渣经由集渣通道汇集，再由下便道进行出渣。出渣采用550型挖掘机进行挖装，由渣土车运至指定的弃渣场。

图2锚碇开挖平面示意图

图3  锚碇开挖侧面示意图

5.2基坑分级开挖施工步骤

5.2.1步骤一

1.优先开挖锚碇前方边坡A区域，按自上向下分层开挖，分层高度5.0m。

2.边坡A区域位于便道路面以上部分的开挖弃渣经由锚碇上便道进行出渣，位于便道路面以下部分的开挖弃渣经溜槽汇集于锚碇底部的集渣区域，再由下便道进行出渣。

3.边坡开挖作业与出渣作业交替进行，边坡分5级开挖，开挖后及时进行锚固防护，其中第4-5级为锚杆挂网喷砼防护，第1-3级为主动防护网防护。

4.边坡A区域在开挖过程中同步对上便道进行下移改道（在当前便道需下降约10m），锚碇范围外便道需进行顺接。

3.2.2步骤二

1.待锚碇边坡A区域开挖防护完成后，进行锚碇基坑区域开挖，该区域开挖分层高度为6.0m（与锚碇结构嵌岩台阶高度6.0m一致），开挖时留2%排水横坡。

2.弃渣经溜槽汇集于锚碇底部的集渣区域，再由下便道进行出渣。

3.边坡开挖作业与出渣作业交替进行，边坡分级开挖，开挖后及时进行锚固防护。

5.2.3步骤三

1.锚碇基坑区域开挖至标高+376m左右时，修建临时便道通往边坡B区域，进行边坡B区域开挖防护。

2.边坡B区域开挖时需将三级边坡2m平台需扩宽至5m，形成通往边坡C区域临时便道，并同步开挖防护边坡C区域。

3.弃渣经溜槽汇集于锚碇底部的集渣区域或集渣通道，再由下便道进行出渣。

4.边坡开挖作业与出渣作业交替进行，边坡分级开挖，开挖后及时进行锚固防护。

3.2.4步骤四

1.待边坡B区域、边坡C区域标高降至与基坑区域标高一致后，再同步分层开挖锚碇基坑区域、防护边坡B区域和C区域，分层高度为6m（临近边坡侧按5m一层控制），直至三个区域全部开挖完成。

2.弃渣经溜槽汇集于锚碇底部的集渣区域或集渣通道，再由下便道进行出渣。

3.边坡开挖作业与出渣作业交替进行，边坡分级开挖，开挖后及时进行锚固防护。

5.3基坑开挖主要施工方法

基坑开挖采用控制爆破开挖+机械、人工配合开挖方式，开挖及支护按逆作法即逐层开挖逐层支护进行，主要施工方法如下：

1.锚碇前方边坡A区域开挖：因边坡A区域顶与当前施工便道高差约25m，潜孔钻设备无法到达进行作业。先用人工进行清表然后用手持式凿岩机钻孔爆破降低高程，人为制造一个工作平台。钻孔深度约3.0m，孔径φ42mm，孔间距1.2m，排距为1.0m，爆破后采用人工清碴至上便道处外运。待边坡A高程下降约7.8m，坡顶至便道高差约17.2m，采用50t汽车吊将潜孔钻设备吊装至边坡A区域顶面作业平台，利用潜孔钻设备按孔深5.0m、孔径90mm钻孔，进行深孔爆破。

2.锚碇边坡A区域开挖防护完成后，继续采用潜孔钻设备钻孔，以深孔爆破+机械开挖方式分层开挖锚碇基坑区域，深孔爆破分层高度为6.0m、φ90mm（φ90mm孔网参数孔距3.0m，排距3.0m，梅花型布置；以φ90mm孔网参数为基础，根据现场实际情况，适当调整孔网参数，孔距2.5～3.0m，排距2.0～2.5m），按从新安侧→黄河侧逐排起爆，平面上每层分3个区3次爆破完成（局部位置仅1～2个区）；开挖时留2%排水横坡。弃渣经溜槽汇集于锚碇底部的集渣区域，再由下便道进行出渣。

图4锚碇区域开挖及分区平面示意图

根据锚碇区域开挖及分区平面示意图，锚碇边坡及基坑每层分区土石方开挖工程数量、层厚及层数统计如下表1所示。

表1 每层分区土石方开挖工程数量、层厚及层数统计表

3.当石方开挖接近基坑边坡坡面3.0～5.0m时，采用光坡预裂爆破。炮孔布置：沿边坡设计开挖线，打一排1:0.5（1:0.3）的斜眼，光面爆破孔采用深孔炮眼，光爆区采用70mm炮眼孔（间隔装药）、斜孔深7.0m、孔间距0.8m、排距1.2m；主炮区采用90mm炮眼孔（连续装药）、梅花型布置、孔深6.0m、孔间距3.0m、排距2.5m。

4.基坑基底预留1.0m高度岩层，原则上不得采用爆破，采用机械方式开挖至设计标高。

基底岩层开挖前，优先完成基坑四周的临时排水沟施工，临时排水沟采用底宽40cm、深度60cm的梯形水沟，水沟采用机械凿除成型，并用M10水泥砂浆抹面。

基岩开挖至基底设计标高后，快速进行相关试验工作，并进行基底处理和及时浇注混凝土垫层，垫层采用C30混凝土，厚度10cm，以免基底岩石长期裸露。

5.4基坑边坡防护

锚碇基坑边坡防护形式分为：锚杆挂网喷射混凝土和主动防护网两种，为确保基坑防护施工质量与施工安全，防护施工严格按照基坑开挖一级防护一级。

5.4.1锚杆挂网喷射混凝土

锚孔采用潜孔钻机钻孔，钻孔直径为70mm。钻孔采用间隔成孔法，防止临孔干扰；锚杆钻孔的倾斜误差不超过1°，钻孔深度超过设计长度0.5m，钻进达到设计深度以后，不能立即停钻，在停止进尺的情况下稳钻1～2min，防止底端部尖灭；钻进时应匀速钻进，严格控制钻进速度，以防止钻孔弯曲和变形，造成下锚困难。 钻孔结束以后，采用高压风（风压0.2～0.4MPa）进行清孔，确保孔内无残质泥土和岩粉，以免降低水泥砂浆与孔壁岩土体的粘结强度，在高压风清孔作业时，为防止尘土过大，清孔施工时用高压雾炮车降尘。

锚杆采用采用Φ25mm砂浆锚杆，钻孔清孔后，将制作好的锚杆塞入锚孔中，锚杆露出外面的部位用与钢筋网片焊接固定，锚杆固定时露出岩面10cm，端头做成弯钩压住钢筋网。钢筋进场以后应做好表面的防锈、防腐蚀、防弯曲的处理，锚杆下锚前，应焊上定位钢筋，以保证锚杆打入的深度，定位钢筋应保证其设计高度，确保锚杆下锚后处于锚孔的中心位置。锚杆下锚后，用钢尺量测孔外露出的锚杆长度，计算孔内锚杆长度（误差控制在±50mm范围内），确保锚固长度。

锚杆均采用压力注浆。注浆管与锚杆钢筋同时下锚入孔内，端头与孔底距离50cm～100cm。浆体材料选用M30砂浆，施工先通过试验确定合理的施工配合比，配合比确定以后利用强制式搅拌机进行浆体的拌制，浆液应搅拌均匀，过筛，随搅随用，并在初凝前用完，已初凝的浆体不得使用。注浆压力0.6MP，浆液自孔底注入，直至灌满全孔。灌注24h后，浆液收缩应进行补灌，注浆量不得小于计算量，其充盈系数为1.1～1.3。压浆完毕后等强进行锚杆抗拔试验，抗拔力不小于75KN，试验合格后将外露的钢筋做成弯钩压住钢筋网。

钢筋网采用Φ6mm钢筋，间距30cm×30cm，每2m节点处应进行焊接或绑扎联结；钢筋网与坡面间距为5cm，并应顺坡面平顺弯曲，必要时加垫块。

喷砼材料采用C20砼，平均厚度为10cm。喷砼前应先喷水湿润坡面，以确保砼与岩面粘接牢固。坡面每10～15m设一条伸缩缝，缝宽2cm，缝内填塞沥青麻絮。

喷砼采用湿喷工艺，空压机风量17m³，风压不小于0.5MPa，速凝剂用量不大于水泥用量的3%～5%。喷射混凝土的喷射顺序应自下而上，喷头与受喷面距离宜控制在0.8m～1.5m范围内，射流方向垂直指向喷射面，在钢筋部位，应先喷填钢筋后方，再喷填钢筋前方，防止在钢筋背面出现空隙。

为保证施工时的喷射混凝土厚度达到规定值，可在边壁面上垂直打入短的钢筋段作为厚度控制标志。喷射混凝土终凝2h后，应根据当地条件，采取连续喷水养护5-7d。

泄水孔采用Φ100mm软式透水管，长度为长2.0m，按水平5m、竖向6m梅花形布置，斜向上深入坡面20cm，外倾坡度不小于0.5%，泄水管进水口处用渗水土工布包裹。喷砼前先将泄水孔出口用纸板或塑料布进行密封，以免泄水孔被砂浆堵塞，待喷砼结束后，拆除纸板或塑料布，以便排水。

5.4.2主动防护网施工

主动防护网采用2根HRB400 φ16全粘结锚杆，上沿锚杆长度3m、中部及下沿锚杆长度2m，锚杆孔采用φ35孔径，按正方形布置，其中水平向间距4.5m、竖向间距4.5m；锚杆安装及注浆施工工艺流程同上。

主动防护网安装时，首先安装纵横向支撑绳，张拉紧，两端各用二至四个(支撑绳长度小于15m时用三个，大于30m时用四个，其间用三个)绳卡与锚杆外露环套固定连接；然后从上向下铺挂格栅网，格栅网间重叠宽度不小于5cm，两张格栅网间的缝合(以及格栅网与支撑绳间)用φ1.5铁丝按1m间距进行扎结；最后从上向下铺设钢绳网并缝合，缝合绳为8钢绳，每张钢绳网均用一根长约31m的缝合绳与四周支撑绳进行缝绳两端各用两个绳卡与网绳进行固定联结。

5.5基坑边坡监测

锚碇边坡属于高陡边坡，安全等级属于一级，施工中应做好监控、量测工作，确保基坑开挖安全。本边坡工程安全等级为一级，监测项目详见下表2所示。

表2 边坡工程监测项目表

监测仪器选用徕卡全站仪，型号/规格为TZ08 1″R500，精度指标为（1″，±（1mm+1.5ppm）），其水平和垂直位移精度达到±（3-5）mm。辅以锤、钎、量尺、放大镜等工器具以及摄像、摄影等设备。

锚碇边坡监控量测布置如下图5所示。

图5 新安岸南锚碇基坑边坡监控量测布置平面图

监测项目的监测频率综合考虑基坑类别、基坑及地下工程的不同施工阶段以及周边环境、自然条件的变化确定。对于应测项目，在无数据异常和事故征兆的情况下，开挖后仪器监测频率按下表3确定。

表3 基坑监测频率

6.结语

在地形陡峭，两侧临崖的山脊位置施工一个超大体积的悬索桥锚碇，施工难度极大。基坑开挖作为锚碇施工的前提，必须确保在较短的时间内安全、优质、高效开挖到位。结合现场地质条件和设计方案，制定了切实可行的施工方案。通过“松动控制爆破+机械开挖为主、人工开挖为辅”的方式，分区、分层进行开挖，同步进行边坡支护，确保了锚碇基坑开挖的顺利实施，可供类似工程项目参考借鉴。

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参考文献

[1]中交路桥建设有限公司.山区复杂地质超大锚碇基坑开挖施工技术[C]//云南省公路学会;桥梁杂志社.云南省公路学会;桥梁杂志社, 2016.

[2]王宗仁,王崇旭,庄值政,等.四渡河桥重力式锚碇开挖爆破工艺[J].施工技术, 2005(S1):2.DOI:CNKI:SUN:SGJS.0.2005-S1-075.

[3]王德文.澜沧江悬索跨越工程锚碇开挖施工技术[J].科技风, 2013(3):2.DOI:CNKI:SUN:KJFT.0.2013-03-119.

[4]熊孝波,孙钧,徐伟,等.润扬大桥南汊北锚碇深基坑开挖工程实践[J].岩土工程学报, 2003, 25(2):6.DOI:10.3321/j.issn:1000-4548.2003.02.007.

[5]杨遵俭,盛希,左宜军,等.矮寨特大悬索桥重力锚基坑开挖技术[J].中外公路, 2009, 29(5):3.DOI:CNKI:SUN:GWGL.0.2009-05-035.

作者简介：

王安会（1981年2月--），男，工作于中铁四局集团第一工程有限公司，硕士研究生学历，正高级工程师，长期从事工程施工技术

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