张 敏,周 灵,陈中伟

(四川省地质工程勘察院集团有限公司,四川 成都 610072)

0 引 言

滑坡是山区最常见、危害最严重的地质灾害之一。矩形抗滑桩因其抗滑能力大、支档效果好、对坡体扰动小、能及时增加抗滑力等优点,是目前滑坡治理中最常用、最成熟的工程措施[1-3]。目前,关于抗滑桩受力分析、理论计算的研究较多,但对于应急技术、施工工艺的研究较少[4-6]。姜清辉等[7]总结了重大滑坡灾害全过程调控减灾技术,对滑坡处置新技术进行了分析;裴振伟等[8]对滑坡应急处置技术的研究现状进行系统总结,指出当前存在的主要问题和进一步发展方向;程盛[9]分析了大断面矩形截面抗滑桩水钻法成孔工艺;张敏等[10]分析了风镐水磨钻成孔工艺在山区管道工程滑坡中的应用特征;赵建兵等[11]研制出桩孔旋挖钻孔后用成槽机刻槽成方形的成孔方法;秦亮等[12]研制出适用于黄土的矩形抗滑桩,其过程为“小钻头周边取土+大钻头中部取土+矩形修边器修边+钢筋笼整体调装+导管法灌筑”施工工艺;张家伟等[13]研究出矩形桩旋挖钻孔两侧方形切割的方形旋挖钻头施工工艺;张智斌[14]提出了旋挖钻机引孔、成槽机整修孔壁的成孔方法;赖晓燕等[15]发明了一种软质岩层矩形抗滑桩施工方法和矩形开挖钻头;陈建枫等[16]提出了效率较高的“旋挖+冲击”组合成孔工艺;颜涛等[17]分析了复杂地质条件下大直径旋挖抗滑桩成桩护壁方式和桩底清孔工艺。上述类型工艺在特定条件和一定范围内起到较好的作用,但对于西南地区复杂地质条件并不十分适用。

抗滑桩成桩效率是滑坡应急治理的关键,成孔效率因素研究对于滑坡治理技术有重要意义[18-20]。基于以上研究成果,本文通过采用现场调查、帕累托图、工程试验等方法,分析了影响抗滑桩成桩的关键因素,提出控制成孔效率的主要因素。在雷打石滑坡应急治理工程中成功试验了“旋挖+人工清边”新工艺,达到日进尺2.0 m以上的高效率,可为此类滑坡应急治理提供借鉴。

1 研究区概况及治理方案

1.1 滑坡概况

本文研究对象为成都平原东部一红层滑坡。该滑坡平面呈“长舌状”,剖面呈折线形,滑坡后缘顶部高程577 m,前缘高程461 m,相对高差约116 m,平均坡度约15°～20°。滑坡纵长690 m,横向前缘宽450 m,分布面积11.61万m2,平均厚度18.93 m,体积219.82万m3,主滑方向91°,为大型推移式岩质滑坡。在主滑坡北侧发育一次级滑坡,面积约1.07万m2,平均厚度13.10 m,体积14.02万m3,滑动方向65°,为在主滑坡的侧向滑动力推挤作用下发育的中型岩质滑坡。

该滑坡为典型的单斜地层结构,滑体厚度在 3.0～30.0 m。滑体上部主要为基岩滑塌堆积体大块石,块石母岩成分为砂岩、泥岩、页岩。滑带主要物质为青灰色、紫红色、黄褐色含角砾粉质黏土、含角砾黏土、粉质黏土、黏土,母岩成分主要为强至全风化的页岩、泥岩和砂岩。滑床为侏罗系蓬莱镇组(J3p)青灰色砂岩与紫红色泥岩互层,局部夹青灰至灰黑色页岩。

暴雨是该滑坡主要触发因素,降雨地表径流入渗到坡体中,不断软化、泥化软弱夹层,最终诱使滑面形成并贯通,滑体加载于滑面使滑坡发生整体滑移。滑坡造成两条主干道起拱开裂,将原抗滑支档工程全部剪断,威胁14户33人及高速公路高架桥、电力铁塔等公共设施安全。

1.2 治理方案

滑坡总体治理方案为“锚拉抗滑桩+桩间板+排水+削坡+绿化+道路恢复”。具体包括:① 抗滑支挡工程,设置4排共101根抗滑桩,总进尺3 272 m,桩孔开挖深度20～50 m,属大截面超深抗滑桩工程。抗滑桩分A型(桩径2.0 m×3.0 m,护壁厚度0.25 m),B型(桩径3.0 m×4.0 m,护壁厚度0.30 m)。② 排水工程,设置7条排水系统,1～5号截排滑坡体地表水至滑坡右侧冲沟,6号排泄公路内侧桩后地下水,通过7号主沟排泄至下游河道。③ 削坡工程,对坡体滑动土石方进行清除,达到设计标高。④ 绿化工程,滑坡治理工程完成后,对场地进行植被恢复。⑤ 道路恢复工程,对损坏的道路进行恢复。

工程备受社会各方关注,其工程进度直接影响到当地人民生命财产安全和交通运行,抗滑桩是关键工程,有效工期不足5个月。按施工图推荐的风镐、水磨钻人工挖孔桩成孔工艺,现场单日平均桩孔开挖进尺仅0.47 m,预计工期达275 d,无法满足抢险救灾工期要求,因此提高成桩效率是该工程研究的重点。

2 抗滑桩成桩关键技术

2.1 抗滑桩施工流程分析

根据抗滑桩工程野外作业、非标施工、地下暗挖等特点,按作业流程将抗滑桩施工划分为准备工作、开孔及锁口圈梁施工、桩孔开挖成孔、桩芯钢筋制安、桩身混凝土浇筑、成桩养护6大阶段,进一步分解作业工序详如图1所示。

图1 抗滑桩施工工艺流程

2.2 桩孔开挖技术

风镐、水磨钻开挖是人工挖孔桩最常用的工艺。风镐开挖主要设备为空压机、风镐等。单人每天开挖土层效率3.6～4.4 m3,单人每天开挖软质岩石1.8～2.5 m3。该工艺适用于开挖碎石土、强风化岩石和软质岩石。水磨钻通过电机带动钻具旋转,钻具顶部进水润滑降温,针对不同岩层采用相应钻头,旋转取芯切割。将桩孔岩层分割成“日”型、“目”型、“田”型,再在分块的岩石上打孔加钢楔劈裂岩石,最终取出分裂的岩块。作业工种主要为孔内水磨钻工、凿岩装料工、孔口吊装机械操作工,主要设备包括水磨钻、空压机、风镐等,单人每天开挖1.8～2.0 m3,效率较低,见图2。

图2 水磨钻开挖成孔技术

2.3 护壁施工技术

常见的护壁结构包括现浇钢筋混凝土护壁、喷射混凝土护壁、挂网锚喷护壁。现浇钢筋混凝护壁结构受力好,在破碎、软弱、流沙、富水等不良条件下均可适用,是目前最常用的护壁结构。形式有“直线型”“八字内齿型”。“直线型”护壁操作简单,但混凝土浇筑时需要将上下两节连接处预留后浇,存在上下节交接点薄弱易渗水、受力不好、质量难以控制等缺点;“八字内齿型”上下两节护壁连接牢固,施工灌入混凝土较为方便,整体性较好。喷射混凝土护壁是桩孔开挖完成后在井壁上喷射一层混凝土,封闭桩孔围岩,防止岩石风化和岩块掉落。挂网锚喷护壁是先在桩孔围岩四周施打锚杆,然后挂网喷混凝土,锚杆一般采用φ22螺纹钢筋,呈梅花形布置,单根长度1.5～2.0 m。锚杆施打后,在孔壁上挂设一层钢筋网片,然后喷射混凝土。

3 成孔效率及控制因素分析

3.1 桩孔施工效率分析

对该工程31根B型抗滑桩(桩芯截面3.0 m×4.0 m、护壁0.25 m)各工序用时进行计时统计,见表1,并绘制排列图见图3。数据表明,桩孔开挖占据成桩总时间的76.67%,是影响成桩效率最关键的因素。

图3 抗滑桩成桩各工序用时排列

进一步分析,成孔步骤为:桩孔土石开挖→吊桶出渣→护壁钢筋绑扎→护壁支模→护壁混凝土浇筑。以下将重点对成孔各步骤详细分析,寻找控制成孔的关键因素。

3.2 成孔效率控制影响因素

采用质量控制QC头脑风暴法,从“人、机、料、法、环、测”(5M1E)6个方面,分析可能造成抗滑桩成孔效率低的原因,编制了开挖效率影响因素统计表(见表2)。由表2可知,决定成孔效率的影响效率有20条。针对这20条因素,逐一进行分析,确定了4条主要因素,分别是:桩孔开挖工艺、护壁钢筋安装工艺、护壁混凝土模板、混凝土浇筑工艺及作业安全环境。总而言之,控制抗滑桩成孔最关键的因素主要为3个:桩孔开挖技术,护壁施工效率,作业安全保障措施。

3.2.1桩孔开挖效率控制因素

除风镐水磨钻开挖工艺外,常用的开挖技术包括:孔内岩石爆破成孔工艺;基于水磨钻改进的“水磨钻环向切割+中部劈裂棒凿岩”工艺;一些基于其它工艺的改进,例如文献[13-16]介绍的“方形钻头机械设备开挖技术”。岩石爆破开挖的效率最高,但爆破属于特种作业,审批和使用十分严格,实际使用概率很低。“水磨钻环向切割+中部劈裂棒凿岩”工艺由于液压劈裂棒的劈裂力和液压管传输有限,对深孔开挖及高强度岩石开挖并不适用,且操作较为繁琐。“方形钻头机械设备开挖技术”适合在较稳定的土层中施工,对于岩层成槽机无法作业,且需要不断切换设备,无法进行护壁施工,在破碎地层、地下水丰富地区使用此工艺,有很大的塌孔风险。不同桩孔开挖工艺比较见表3。

该工程桩孔具有“数量多、截面大、深度深、岩石硬度高、地层复杂、地下水丰富”等特征,通过理论设计及现场试验,研制出“桩周旋挖引孔+桩芯旋挖+人工辅助清边”工艺技术。该工艺借鉴桩基工程旋挖技术,先沿护壁边界采用旋挖钻孔至设计桩底,将较完整的桩周护壁岩体分解,形成松散的岩土体,降低人工凿岩难度,然后在桩芯分节旋挖钻进(见图4)。

图4 旋挖钻孔布置(尺寸单位:mm)

“桩周旋挖引孔+桩芯旋挖+人工辅助清边”工艺步骤分解见图5。主要技术要点包括:平整场地→制作锁口→桩芯旋挖→人工清边→旋挖机出渣→绑扎护壁钢筋、支模板浇筑护壁混凝土→单节作业完成→循环下一节。该工艺已在该滑坡应急抢险工程中试验成功,并推广应用完成101根抗滑桩,达到平均日进尺2.0 m以上的效率。

图5 “桩周旋挖引孔+桩芯旋挖+人工辅助清边”工艺分解

根据滑坡所处的交通情况、规模大小、地质条件情况等选择合适的工艺,是保证抗滑桩成孔效率的关键因素。对于交通条件差、作业受限的小型滑坡治理工程,特别是线路工程偏远山区的滑坡治理工程,建议采用风镐开挖土体、“水磨钻+劈裂棒”工艺开挖岩石;对于稳定性较好、无地下水的黄土滑坡采用方形切割钻头机械开挖;对于交通条件好、工期要求高的大型滑坡治理工程,考虑“旋挖钻孔+人工辅助清边”工艺。

3.2.2护壁施工效率控制因素

桩孔滑体为解体基岩,岩体结构破碎成块石,桩孔开挖截面较大,护壁受侧压力较大,因此需要在孔壁设置抗侧压力较大的钢筋混凝土护壁,护壁厚度30 cm(截面3.0 m×4.0 m),双层钢筋。滑床为砂泥岩互层基岩,岩石软化系数为0.03～0.68,泥岩、粉砂质泥岩遇水极容易导致软化崩解,因此根据岩体结构特征,选择采用挂网喷射混凝土或喷射混凝土。根据滑坡体岩土体条件,该工程优化护壁结构,采用了桩孔组合护壁结构型式,即抗滑桩上部采用滑体、滑带松散破碎岩体现浇“八字形”钢筋混凝土护壁结构,下部滑床稳定岩层采用喷射混凝土护壁或挂网喷射混凝土护壁,施工安全和效率得到有效保证。分析3种护壁结构的优缺点和适用性,见表4。

表4 不同护壁结构优缺点及适用性分析

3.2.3桩孔安全效率控制因素

该项目桩孔数101根,最深达50 m,截面达到3.6 m×4.6 m,属于超规模、超大型危大工程。在滑坡体上作业,滑坡随时可能再次启动,局部变形特征严重。作业人员受高空坠落、物体打击、机械伤害、触电等危险可能性较多,人员坠井、井壁坍塌、触电等安全事故多发。安全风险是影响作业人员施工效率的主要因素之一,建立完善的抗滑桩安全体系,做好安全技术措施,是保证工人作业效率的基本前提。该工程考虑人的不安全行为(井下密闭高空作业、临时用电等)、物的不安全因素(井壁坍塌、物体坠落)、环境的不确定因素(滑坡体随时可能再次滑动),建立了滑坡治理安全保障系统,即滑坡体环境安全控制系统和桩孔安全防护结构系统。

(1) 滑坡体环境安全控制系统。施工中对滑坡体进行全过程监测,建立滑坡变形地表GNSS监测、深部位移监测系统,安装视频监控系统,进行动态可视化管理。抗滑桩施工前在滑坡上部及两侧建立截排水系统,防止雨水进入滑坡引发进一步滑动。滑坡体建立完善的通行便道、应急通道,保证突发事件发生时能及时撤离。地下水丰富的滑坡体设置降水井,抗滑桩施工前先进行降水。建立完善的安全管理体系、应急预案体系。

(2) 桩孔安全技术措施。建立了桩孔安全装置体系,如图6所示。

图6 桩孔安全防护结构布置(尺寸单位:mm)

孔口安全防范措施:① 在桩口顶部设置雨棚,保障雨季施工桩孔内作业不受天气的影响。② 在锁口处安装安全护栏,沿着锁口内外边缘设置两层,护栏高度一般为1.2 m,采用钢管搭设,钢管护栏使用密目网包裹,防止山体滚石或其他物体进入桩孔内。③ 在靠山侧设置施工便道、截水沟和风机。施工便道的主要作用有交通运输和拦截山体滚石;截水沟将坡体雨水截流后排出施工场地,防止坡体雨水灌入桩孔内,并且将桩孔内抽出的积水排出施工场地;风机向桩孔内送风,确保桩孔内有流动的新鲜空气,预防通风不畅导致施工人员窒息中毒的安全风险。④ 背山侧安装提升装置。

孔内安全防范措施:① 在孔内靠山侧布置送风管、抽水管。送风管、抽水管和电线紧贴护壁布置,使用铁丝固定在护壁上,防止来回晃动磨损。② 背山侧布置照明灯、安全爬梯和防坠器,桩孔内照明采用36 V低压照明灯,防止在潮湿的环境下发生触电事故,护壁浇筑时预埋钢筋搭设爬梯,便于工人上下桩孔。防坠器是工人上下井、孔口周边作业时必须穿戴好的安全措施,可以有效预防升降设备上出现人员高处坠落或地面人员跌落桩孔。③ 孔底设置蓄水槽、钢板庇护棚。孔底开挖蓄水坑,采用水泵、抽水管将桩孔内的积水排出桩孔外的截水沟内;在桩孔底部靠山侧搭设钢管庇护棚,吊装出渣时,作业人员进入避护棚,避免高空坠物的安全风险。

4 结 论

(1) 抗滑桩成桩主要包括准备工作、开孔及锁口圈梁施工、桩孔开挖成孔、桩芯钢筋制安、桩身混凝土浇筑、成桩养护6个步骤。通过调查分析、绘制帕累托图、因果图等方法开展施工效率研究。研究表明:桩孔开挖占据成桩总时间的76.67%,是影响成桩效率最关键的因素;影响成孔最主要的因素是桩孔开挖工艺、护壁施工和安全防护措施。

(2) 通过工程现场实践,分析了6种开挖成孔工艺的优缺点及适用条件,表明“旋挖+人工清边”成孔工艺适用于大截面矩形岩质抗滑桩成孔,且已在该工程成功应用,达到日进尺2.0 m以上的高效率。

(3) 岩质滑坡上部滑体、滑带破碎岩层采用现浇钢筋混凝土护壁,下部滑床稳定岩层采用喷射混凝土护壁结构,该组合式护壁结构施工效率高、安全稳定性好。岩质滑坡根据桩孔岩层条件选择合适护壁结构对于成孔效率有重要作用。

(4) 该工程制定了滑坡体安全监测体系和桩孔安全技术防护措施,值得在今后抗滑桩施工中借鉴。