楊紅波

中鐵建工集團(tuán)有限公司 山東 青島 266061

面對復(fù)雜的基坑邊坡，目前人們尚未能完全正確地認(rèn)識巖體內(nèi)部的破壞機(jī)理、力學(xué)參數(shù)和穩(wěn)定性特征等，對基坑邊坡開挖過程中損傷的積累擴(kuò)展和漸進(jìn)破壞的理解也較為模糊，僅通過傳統(tǒng)的施工方法和施工監(jiān)測手段不能從根源上預(yù)測和避免安全質(zhì)量事故的發(fā)生[1-2]。因此，通過改變傳統(tǒng)施工方法，并創(chuàng)新引入了微震監(jiān)測技術(shù)、三維激光掃描等新技術(shù)，對傳統(tǒng)監(jiān)測手段進(jìn)行補(bǔ)充，同時，施工過程中的科學(xué)組織、動態(tài)設(shè)計、密切監(jiān)測，對深基坑施工的安全質(zhì)量把控也是十分必要的。

1 永久護(hù)坡前期策劃（設(shè)計、施工）

永久護(hù)坡的前期策劃主要包括設(shè)計方案的優(yōu)化調(diào)整和施工方案的策劃，具體應(yīng)包含以下內(nèi)容。

1.1 紅線意識

仔細(xì)核對永久護(hù)坡設(shè)計和附屬設(shè)施（截排水溝等）是否超出用地紅線，是否有足夠的施工空間。及時提出問題和解決方案，如修改護(hù)坡坡度、放坡改垂直和壓縮附屬設(shè)施空間等，確保永久護(hù)坡及其附屬構(gòu)筑物不超紅線，同時盡可能地爭取施工空間，避免施工對紅線外林地、樹木等造成破壞，產(chǎn)生額外的費用。

1.2 陽角處理

由于用地的限制，支護(hù)結(jié)構(gòu)往往緊貼建筑紅線，導(dǎo)致坡頂邊界不規(guī)則，甚至“九曲回腸”，進(jìn)而造成支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)難以避免的陽角。支護(hù)陽角受空間效應(yīng)的影響，受力情況復(fù)雜，是深基坑設(shè)計上的薄弱點，也是施工中重要的風(fēng)險控制點。建議在情況允許的條件下，與設(shè)計單位溝通，盡可能地將護(hù)坡邊線取直或者將陽角鈍化處理，最大程度地降低風(fēng)險。

1.3 預(yù)應(yīng)力錨索加長

永久護(hù)坡預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計計算應(yīng)充分考慮安全余量，錨索長度應(yīng)達(dá)到基坑深度的1倍以上，且錨固區(qū)應(yīng)位于穩(wěn)定的巖層。以案例工程為例，永久護(hù)坡（最高17 m）＋臨時基坑（深度約31 m），總深度約48 m（圖1）。錨桿深度范圍內(nèi)巖脈的寬度變化，脈巖的產(chǎn)狀、長度及巖性接觸帶的界線等存在不確定性。

圖1 代表性剖面示意

因此，為進(jìn)一步確保施工過程安全、增加永久護(hù)坡的可靠性和耐久性，通過方案評審，提出進(jìn)一步加長錨索的建議，最終通過2次加長，將預(yù)應(yīng)力錨索加長至40 m。

2 施工方案的綜合比選

以案例工程為例，本工程北側(cè)1—7單元，絕對標(biāo)高52.00 m以上設(shè)計為永久性支護(hù)，結(jié)構(gòu)使用年限50 a。

根據(jù)設(shè)計文件，北側(cè)主要采用錨桿擋墻支護(hù)形式（即鋼管樁＋預(yù)應(yīng)力錨索＋格構(gòu)梁＋格構(gòu)板）。首先，施工完畢鋼管樁，然后開挖第1層土石方，之后施工第1層預(yù)應(yīng)力錨索、格構(gòu)梁和格構(gòu)板，待混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，張拉鎖定。進(jìn)入下一層施工，重復(fù)以上工序施工。

因本項目的設(shè)計方案沒有考慮臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)，豎向格構(gòu)梁和格構(gòu)板只能采用逆作法施工。但是，逆作法施工豎向格構(gòu)梁和格構(gòu)板存在著以下的質(zhì)量問題和質(zhì)量通?。?/p>

1）逆作法施工混凝土格構(gòu)板，易導(dǎo)致上下層格構(gòu)板在接槎處澆筑不密實，支護(hù)巖（土）體內(nèi)的水會從接槎處滲出，長期滲漏，會出現(xiàn)浸蝕狀和苔蘚，使得格構(gòu)板的美觀度大大降低。

2）混凝土接槎不密實，無法形成有效的保護(hù)層，大量的地下水和空氣不斷滲入，共同作用腐蝕鋼筋，造成鋼筋力學(xué)性能降低，進(jìn)而影響格構(gòu)板的安全性和耐久性。在冬期，地下水反復(fù)凍融，造成混凝土反復(fù)地膨脹收縮，同樣也會影響格構(gòu)板的安全性和耐久性。

3）隨著開挖深度的不斷加深，逆作法格構(gòu)板層數(shù)不斷增多，格構(gòu)板自重不斷加大，有下墜的隱患。同時，錨索的預(yù)應(yīng)力豎向分力也會加劇格構(gòu)板的下墜，主要表現(xiàn)在冠梁后側(cè)出現(xiàn)較寬的裂縫和格構(gòu)梁剪切錨頭部位鋼絞線，存在錨索預(yù)應(yīng)力失效的隱患，進(jìn)而造成邊坡安全問題。

鑒于以上的質(zhì)量問題和質(zhì)量通病，建議永久性支護(hù)通過設(shè)計單位變更方式，增加臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)，通過改變施工方法，變永久格構(gòu)梁板分層逆作為臨時支護(hù)逆作和永久格構(gòu)梁板順作施工，接縫可明顯改善，表觀較好，可以較好地解決以上問題。在工期方面，以5單元作為關(guān)鍵線路，5單元永久性支護(hù)錨索共計9層，逆作法施工每層支護(hù)工期約25 d，順作法施工每層支護(hù)工期約15 d，順作法相比逆作法施工節(jié)省工期約90 d。

綜上所述，逆作法變更為順作法后，雖然在臨時支護(hù)措施的費用上會略有增加，但是工程的關(guān)鍵部分（質(zhì)量和工期）都能夠得到保障。因此，我們就設(shè)計方案進(jìn)行了針對性的探討和優(yōu)化，對永久護(hù)坡部分的設(shè)計進(jìn)行變更，增加了順作法施工所需的臨時支護(hù)措施，包括臨時鎖定槽鋼腰梁、錨具以及坡面網(wǎng)噴混凝土等（圖2）。

圖2 增加臨時支護(hù)措施后的做法

3 施工注意事項

施工范圍內(nèi)的地質(zhì)情況可以通過地質(zhì)勘察報告來了解，但是地質(zhì)勘察的鉆探范圍存在局限性，不能覆蓋較長的預(yù)應(yīng)力錨索穿越范圍。

一般情況下，永久護(hù)坡由于靠近山體，周邊環(huán)境相對比較簡單，很少受到各類構(gòu)筑物、管線的影響。但是，施工前和施工過程中仍不能疏忽大意，要做好調(diào)查和相關(guān)資料的搜集，避免因盲目施工而對周邊可能存在的軍事設(shè)施（包括地道、碉堡、軍用光纜等）造成損壞，導(dǎo)致不可挽回的后果。因此，永久護(hù)坡施工過程中，應(yīng)特別注意以下事項：

1）在有條件的情況下，應(yīng)要求建設(shè)單位協(xié)調(diào)勘察單位對紅線以外預(yù)應(yīng)力錨索穿越范圍內(nèi)的地質(zhì)情況進(jìn)行補(bǔ)勘，以了解預(yù)應(yīng)力錨索穿越范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，看是否存在不良地質(zhì)。

2）分層開挖支護(hù)過程中，對開挖暴露出來的巖層情況進(jìn)行檢查，并與地勘報告進(jìn)行對比，若存在較大差異和不良地質(zhì)（青島地區(qū)煌斑巖、破碎帶等）情況，及時向勘察單位、設(shè)計單位以及相關(guān)專家進(jìn)行反饋，對設(shè)計和施工方案進(jìn)行有針對性的調(diào)整，采取一定范圍內(nèi)錨桿加長的加強(qiáng)措施。

3）詳細(xì)調(diào)查周邊有無各類軍事設(shè)施?？梢酝ㄟ^建設(shè)單位、周邊常住居民、政府或軍隊部門了解情況。初步了解到存在軍事設(shè)施后，對大體的位置和走勢進(jìn)行測量定位。采用小型機(jī)械配合人工開挖，將其口部或端部進(jìn)行暴露和保護(hù)，根據(jù)暴露的實際情況推斷其準(zhǔn)確的走勢和標(biāo)高，將獲得的數(shù)據(jù)反饋至設(shè)計單位，通過調(diào)整支護(hù)樁參數(shù)、調(diào)整錨桿放線和角度等方法，從根本上保證既有軍事構(gòu)筑物、管線的安全。

4）雨季施工時，山坡水量較大，永久護(hù)坡頂部要做好截排水措施，對排水去向和排水能力進(jìn)行詳細(xì)策劃，確保地表水可以順利排出。同時，應(yīng)嚴(yán)格按要求預(yù)留坡面泄水孔，確保土體（風(fēng)化巖體）內(nèi)的水可以順利排出，以防止因土體壓力增大使坡頂或坡面出現(xiàn)變形。

5）爆破施工時，臨近永久護(hù)坡6 m范圍內(nèi)采用靜態(tài)爆破技術(shù)，減少一般爆破震動對永久護(hù)坡結(jié)構(gòu)造成的損傷。

4 微震監(jiān)測等創(chuàng)新監(jiān)測手段

4.1 微震監(jiān)測系統(tǒng)的組成

微震監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器、信號采集儀、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)三大部分構(gòu)成，配合基于MMS-View的可視化系統(tǒng)，可實現(xiàn)巖體工程施工過程微破裂全過程監(jiān)測。監(jiān)控覆蓋區(qū)域廣，數(shù)據(jù)采集可實現(xiàn)24 h不間斷地自動采集，數(shù)據(jù)處理基于特定算法更加智能精準(zhǔn)，支持信息遠(yuǎn)程或無線傳輸，傳感器可根據(jù)地質(zhì)資料和經(jīng)驗布置在巖體相對較穩(wěn)定的部位，以保證監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

4.2 微震監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用背景和成果

巖質(zhì)深大基坑的結(jié)構(gòu)特性和穩(wěn)定性是巖土工程領(lǐng)域研究的熱點之一。針對巖質(zhì)基坑裂隙如何分布，基坑開挖過程中巖石應(yīng)力集中、釋放、轉(zhuǎn)移有何規(guī)律，巖石基坑最不利滑裂面如何確定以及穩(wěn)定性如何分析等問題，常規(guī)的監(jiān)測手段可能難以分析和解決，為此，創(chuàng)新性地引入了微震監(jiān)測系統(tǒng)。

微震監(jiān)測技術(shù)目前較多的應(yīng)用于國內(nèi)石油頁巖氣、礦山、隧道和大壩等領(lǐng)域，它可以通過接收巖體內(nèi)部微破裂產(chǎn)生的彈性波，通過多組波形的定位分析，反演微破裂發(fā)生的時間、空間及震級。據(jù)此，地下工程中的巖質(zhì)基坑的特征同樣具備使用微震監(jiān)測的條件，在技術(shù)上可行。

我們將微震系統(tǒng)監(jiān)測裝置布置于基坑工程中多個監(jiān)測部位，可以實時監(jiān)測基坑巖體內(nèi)部微破裂產(chǎn)生的彈性波，通過多點接收到的同一破裂產(chǎn)生的彈性波的時間和監(jiān)測點的空間位置進(jìn)行定位計算，準(zhǔn)確定位巖體內(nèi)部產(chǎn)生破裂的部位和震級。通過進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理和分析，對巖體破裂的發(fā)展以及可能產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測和精準(zhǔn)的判斷，實現(xiàn)對基坑安全事故可能發(fā)生的位置、時間的預(yù)判和預(yù)警，以便未雨綢繆，降低損失。

經(jīng)過大量的實踐和研究，超深巖石基坑工程邊坡穩(wěn)定性分析預(yù)警技術(shù)的可靠性得到了實踐的檢驗，可實現(xiàn)基坑災(zāi)害和事故的科學(xué)預(yù)警，經(jīng)總結(jié)取得了以下應(yīng)用成果。

1）從理論上系統(tǒng)地論證了微震監(jiān)測方法在超深巖石基坑工程邊坡穩(wěn)定性分析和預(yù)警中的可行性。通過巖質(zhì)邊坡破裂過程中的微震模式以及對災(zāi)害和事故觸發(fā)因素的研究，形成了成套的分析預(yù)警理論。

2）巖體基坑微震信息監(jiān)測技術(shù)的成熟應(yīng)用。通過電腦信息化的手段實現(xiàn)了微震信息的捕捉識別及精確定位，建立了基于微震能量密度的邊坡潛在危險區(qū)域識別方法，從而實現(xiàn)了在線遠(yuǎn)程智能監(jiān)測，24 h不間斷預(yù)警。

3）基于監(jiān)測的模擬和基于模擬的監(jiān)測邊坡穩(wěn)定性分析方法達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。構(gòu)建了新型的分析方法和先進(jìn)的計算系統(tǒng)，構(gòu)建了邊坡穩(wěn)定性模擬和監(jiān)測一體化解決方案，建立了巖體邊坡微震監(jiān)測綜合預(yù)警系統(tǒng)。

4.3 微震監(jiān)測系統(tǒng)與三維激光掃描技術(shù)、BIM技術(shù)的結(jié)合

將微震系統(tǒng)與三維激光掃描技術(shù)、BIM技術(shù)進(jìn)行融合和互相滲透，實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。精確的點云模型為微震損傷區(qū)的判斷分析提供極大的便利。

1）通過三維激光掃描獲取整個基坑的點云模型，在點云模型中直觀地展示基坑微震的分布情況。

2）通過對比不同階段的點云模型，全面分析護(hù)坡變形情況，變形監(jiān)測不再局限于某個點，而是由點及面，疏而不漏。

3）BIM作為輔助模型，100%還原設(shè)計意圖，輔助傳感器布置與定位，同時作為點云模型的補(bǔ)充，幫助控制施工精度和變形。

通過大膽的創(chuàng)新和實踐，多種新技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用往往可以取得較好的實際效果。

5 結(jié)語

在巖質(zhì)深大基坑高難度、高危險性的高陡巖質(zhì)邊坡的施工中，有必要對設(shè)計和施工方法進(jìn)行大膽創(chuàng)新，在不增加或增加較少成本的情況下，大大提高深基坑施工中安全、質(zhì)量的可靠性。此外，微震監(jiān)測系統(tǒng)的引入以及其與三維激光掃描技術(shù)、BIM技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，在理論和實踐中驗證了微震監(jiān)測技術(shù)在超深巖石基坑工程邊坡穩(wěn)定性分析和預(yù)警中的科學(xué)性和可行性，在同類地下工程的施工中具有較大的推廣意義和研究價值。在下一步的研究中，建議進(jìn)一步融合新技術(shù)和新手段，建立自動化的實時三維激光掃描數(shù)據(jù)庫分析系統(tǒng)，并將其納入計算分析系統(tǒng)中。同時，努力實現(xiàn)系統(tǒng)自動提出預(yù)防處置措施、自動控制措施等，如錨索、支撐等作用力的聯(lián)動，將施工的安全和質(zhì)量問題推向信息化、自動化和智能化，進(jìn)一步解放人力。