重力锚深基坑开挖及防护施工技术

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  摘要:官山大桥是一座跨度达580米的悬索桥,牛轭侧锚碇采用重力式。锚碇基坑深达28m,山体和边坡的稳定对基坑中作业人员和机械构成很大的威胁。本文主要介绍重力锚的深基坑开挖及防护施工技术。
  关键词:深基坑边坡防护爆破开挖
  中图分类号:TU74 文献标识码:A 文章编号:
  1.工程概况
  牛轭侧重力锚基坑区域主要为石方,采用爆破开挖的方式,共计开挖石方量约6.8万m3。锚碇基坑开挖长度约53m(沿桥梁中心线方向),宽度约45.606m,锚碇轴线位置最大开挖高度为28m。做好重力锚深基坑的开挖及支护是锚碇施工的关键。根据工程实践,介绍官山大桥重力锚的深基坑开挖及支护等施工技术。
  2.工程地质状况
  重力式锚碇位于牛轭岛西北侧侵蚀剥蚀丘陵上,地形坡度200~250,相对高差28m,丘陵表部覆盖层残坡积含粘性土角砾,层厚0~1.0m,下伏灰紫色流纹斑岩,其中穿插陡倾安山玢岩岩脉。丘陵缓坡处分布强风化层,厚度0.2~0.5m,丘陵陡坡及坡脚海蚀崖中风化纹斑岩直接出露,灰紫色,岩质坚硬,节理裂隙发育~较发育,以结合好的裂隙为主,为硬质结构面,岩体为三级岩体。微风化纹斑岩,灰紫色,岩质新鲜坚硬,发育少量紧闭结合良好的节理裂隙,倾角以600和800~850为主,岩体为二级岩体。
  在锚碇区北侧发育F1断层,其产状为1840< 680东西走向,断层宽3~4m,上盘岩性为灰紫色纹斑岩,岩质较硬,下盘岩性为黄绿色、灰绿色珍珠斑岩,岩质较软,断层内岩体挤压较破碎,风化较强烈,呈镶嵌破碎结构,断层两侧岩体受断层影响,节理较发育,完整性一般。
  锚碇区岩体穿插多条安山玢岩岩脉,走向近南北向,岩脉一般宽1~3m,岩脉和纹斑岩结合好,呈紧闭状受海水侵蚀作用,在山体南北两侧见明显海蚀沟,其延伸数米左右。
  3.工程周边环境
  本工程位于牛轭岛最西侧,三面环海。西侧为高亭至长涂轮渡航道,东侧约300m处为项目部办公驻地,南侧、北侧均临海。
  4.总体开挖思路
  根据设计图纸圈定的范围自上而下分台阶开采。最终边坡、缓冲平台及最终开挖底标高符合设计要求。开挖区主体采用台阶钻孔爆破、挖掘机装车、自卸汽车运输、保护层采用液压破碎锤配合人工风镐清理;开采的石料回填到指定位置。
  4.1爆区道路设计
  从先期牛轭岛开挖的路基开始,修筑+5m宽进山道路,纵坡坡度为60,路面宽度为7m,从已修成的施工便道拐角处向北修筑+12m装运平台,进入锚碇基坑工作面。
  4.2开挖推进顺序
  基坑开挖总体由南向北,同时向东西两侧拓展,由上至下。因基坑开挖范围小,所以下层开挖工作必须待上层开挖全部工作完成以后方可进行。
  锚碇基坑分三层开挖,第一层为12m标高以上,采用深孔爆破技术,本层开采结束后,开采第二层,为7m~12m标高,并修筑7m标高装运平台,本层开挖采用浅孔爆破技术,自西向东由南向北开采。第三层开采又分为三层台阶进行施工,具体开挖顺序如下图1:
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  图1 开挖顺序图
  5.重力锚基坑施工工艺
  5.1施工准备
  本工程爆破实施前,除准备相应的爆破材料等以外,相关爆破施工专项方案必须经公安部门审批后才能进行爆破作业。同时,应进行相应的施工准备,具体如下:(1)按照现场条件,对所提供地形地貌和条件进行复核;(2)调查了解施工工地及其周围环境情况;(3)爆破工程作业时间内的天气情况及爆区周围环境情况。(4)修建临时生产、生活用房和生产设施;(5)机械设备安装、调试;(6)根据业主提供的电源和水源接入点,架设施工电力线路和供水管线;(7)修建施工通道。
  5.2施工工艺流程
  基坑开挖范围测量放线→挖地表截水沟→开挖锚碇地表部分→开挖锚碇基坑(同时进行边坡防护)→开挖试验坑(至底基面)→进行地基原位承载力试验及摩擦系数试验→(试验结果满足设计要求后)继续开挖至底基面,并在基底做汇水沟和集水井→平整并处理底基面
  5.3重力锚基坑主要施工工艺
  5.3.1基坑开挖
  1、爆破方案选择
  根据现场地质情况,首先对重力锚区域采取镐力机整平至标高+22.00,然后根据该开挖区域的地形地貌、地质条件、周边环境以及设计单位对基坑开挖的技术要求等,参考各种爆破方法,爆破方案选择以深孔与浅孔爆破相结合,辅以液压破碎锤作业,边坡开采主要采用光面(或预裂)爆破技术。(具体分层见图1:开挖顺序图)
  深孔爆破技术:主要用于重力锚基坑第一层(12m标高以上开挖部分)。
  浅孔爆破技术:主要用于重力锚基坑第二层和第三层台阶。
  液压破碎锤作业:主要用于基坑底部1米保护层清理和个别大块的破碎。
  光面(或预裂)爆破技术——主要用于边坡成型的爆破。
  2、爆破参数设计
  炮孔孔径的大小直接关系到施工进度、爆破成本、爆破后石块的粒径,同时和爆破有害效应关系密切。一般情况下,孔径越大、延米爆破越大,爆破成本越低,但与此同时爆破有害效应控制的难度越大,反之,则相反。 应该注意的是孔径过小对于大区多排孔的爆破不利,因此孔径不宜过小。为减少钻具种类和降低爆破对保留基岩的破坏和扰动,本工程主体爆破采用115mm孔径,道路修筑及开挖高度小于5米时,采用浅孔爆破技术,其孔径为40mm。
  目前土石方爆破常用的炸药有粉状乳化、多孔硝铵及普通乳化炸药等。本工程深孔采用直径Φ90乳化炸药为主,浅眼爆破和光面爆破采用直径Φ32乳化炸药为主。
  (1)深孔爆破参数设计
  钻孔直径D=115mm,采用履带式潜孔钻机;台阶高度H与开挖完边坡台阶一致,本工程最大台阶高度<20m;为消除挖运时台阶上部松石、险石对装运的影响,本工程炮孔倾角θ为75°~90°(按90°计算);由于本工程为基坑开挖,基岩面要求严格,不允许超深,故取h=0;底盘抵抗线W1与炮孔直径相关,一般W1=(25~40)D,本工程采用115mm炮孔,底盘抵抗线为4~4.5m,现场根据爆破效果调整;同排炮孔间距a =mw1,取a =4.5~5m;排距b=(0.6~0.9)W1,取b=2.8~3.5m;炮孔填塞长度L填根据爆破安全规程对深孔爆破的要求,填塞长度应不小于平均抵抗线的1.2倍,本设计取3~5m 。
  a、单排孔爆破或多排孔爆破的第一排孔的每孔装药量按下式计算:
  Q=qaW1H(q-单位炸药消耗量,取0.3kg/m3;a-孔距,m;H—台阶高度,m;W1-底盘抵抗线,m。)
  b、多排孔爆破时,从第二排孔起,以后各排孔的每孔装药量按下式计算:
  Q=KqabH(K-考虑受前面各排孔的矿岩阻力作用的增加系数,一般取1.1~1.2;b-排距,m其余符号同前。)
  根据岩石的工程地质条件及周边环境情况,灵活采用连续装药或分段装药,孔口以炮泥或岩粉堵塞密实。连续装药结构是炸药沿着炮孔轴向方向连续装填,当孔深超过8m时,一般布置两个起爆药包(每个药包放置一个雷管),一个置于距孔底0.3~0.5 m处,另一个置于药柱顶端0.5m处;其优点是操作简单;缺点是药柱偏低,在孔口未装药部分易产生大块。分段装药结构是将深孔中的药柱分为若干段。用空气、岩碴或水隔开,其优点是提高了装药高度,减少了孔口部位大塊率的产生;缺点是施工麻烦。
  (2)浅孔爆破参数设计
  钻孔直径D=40mm,采用手持式钻机;台阶高度H<5m;底盘抵抗线W =(25~40)D,取W=1.4m;同排炮孔间距a=(1.0~2.0) w,取:a=1.5m;排距b=(0.8~1) a,取:b=1.2m;炮孔倾角α=80°~90°;孔深L=H+h=5m,其中炮孔超深h=0;堵塞长度L堵=1.5m;单孔装药量Q=(L- L堵)×每米炸药重量=3.5kg,其中Φ32炸药每米重量按1kg计算;炸药单耗q=3.5/(1.2×1.5×5)=0.39kg/m3。
  (3)边坡深孔光面(预裂)爆破参数设计
  钻孔直径D=115mm,采用履带式潜孔钻机;台阶高度与设计边坡一致,本工程以H=15m为主,因此以H=15m进行计算;钻孔倾角α与设计边坡坡面一致,本工程有530、570和630三种坡度,其中主要为630,故以630计算;爆破抵抗线Wmin = (10~20) d,d为钻孔直径 ,取:Wmin =1.15~2.3m;孔距 a= (0.6~0.8) Wmin,取: a =1m;本工程不允许超深,取h=0m;炮孔深度L =H/sinα+h = 15/sin63 +0= 16.8 m;单孔装药量 Q= q *a*L* Wmin,q为炸药单耗,一般取0.15~ 0.25kg/m3,软岩取小值,硬岩取大值,本计算取 0.2 kg/m3,代入数据得:Q = 7.5 kg;根据类似工程施工经验,取填塞长度L2=1.0m~1.5m,本设计取1.5m;线装药密度p = Q/(L – L2) = 7.5/(17.3 - 1.5) = 0.47kg/m。
  将32mm直径的乳化炸药药卷按顺序间隔绑在导爆索上,炮孔底部1~1.5m区段的装药量比设计值大2至3倍,接近堵塞段顶部1m的装药量为计算值的1/2,炮孔其他部位按计算的装药量装药;装药时绑在导爆索上的药串再绑在竹片上,缓缓送入炮孔内,使竹片贴靠保留岩壁一侧。具体每次预裂爆破参数在爆破说明书中确定。为保证爆破质量和安全,预裂孔孔底和主爆孔孔底距离应大于1.5m。具体装药结构图如图2所示:
  图2 边坡深孔光面(预裂)爆破装药结构图
  (4)边坡浅孔光面(预裂)爆破参数设计
  浅孔爆破取钻孔直径D=40mm;台阶高度H<5m;本工程不允许超深,取h=0;最小抵抗线W光=KD,式中:W光为光面爆破最小抵抗线(m),K为计算系数,一般取K=15~25,软岩取大值,硬岩取小值,D为炮孔直径(m),计算得W光=0.6~1.0m,取W光=0.8m;孔距a光=mW光,式中:m——炮孔密集系数,一般取m=0.6~0.8,计算值:a光=0.48~0.64m,取a光=0.6m;线装药密度q光=K光a光W光,式中:K光取350gm-3,计算值:q光=168g/m,取q光=200g/m,单孔装药量Q光:Q光=q光L;堵塞长度L2取1m。
  采用间隔装药,将32mm直径的乳化炸药每卷分割为3小节,按顺序间隔约30cm绑在导爆索上,炮孔底部0.5m区段的装药量比设计值大2至3倍,炮孔其他部位按计算的装药量装药。
  3、最大单次药量和最大单响药量设计
  最大单次爆破炸药量不超过3000kg。为尽量减小爆破对保留岩石的震动和扰动,最大单响药量在满足上述条件下,不应超过300 kg。
  4、爆破起爆网络设计
  (1)深孔爆破起爆网络设计
  深孔爆破起爆网路采用非电导爆管起爆网路,可以孔内延时,已可以孔内外延时。孔内延时是在孔内装入不同段别的非电毫秒导爆管,孔外用四通采用复式连结;孔内外延时是在孔内装入高段位(一般装ms7~ms10)的非电毫秒导爆管,同排孔外孔间用ms2段或ms3段非电毫秒导爆管,可根据最大单段药量确定单段炮孔数,即确定采用几孔一响,排间用ms5段非电毫秒导爆管连结。
  (2)浅孔爆破起爆网络设计
  浅孔爆破网路采用非电导爆管雷管起爆网路,同排装同段位的雷管,孔外四通连接。
  (3)光面(预裂)爆破起爆网络设计
  光面(预裂)爆破采用导爆索起爆网路。
  5、起爆方式
  网路激发采用高能起爆器击发导爆管;采用高能起爆器起爆,高能起爆器起由最后撤离的爆破工程师保管,起爆站由专人负责值勤 ,无关人员不得靠近。
  6、爆破说明书
  每次爆破前,根据具体的爆破部位做好爆破说明书。每个炮孔按所在排数和孔位编号,根据实测并经验收的炮孔,做好每个炮孔的装药量、装药结构、雷管段别设计,并做好爆破网路设计,根据爆区的位置安排警戒点的数量的位置。爆破说明书的内容有:设计说明,炮孔布置图,爆破参数,炮孔参数一览表,装药结构图,爆破网路图,爆破警戒图,防护图,安全校核等。
  5.3.2边坡防护
  本工程基坑边坡防护措施有两种,当边坡为逆向坡时,采取挂钢筋网并喷射C20砼(12cm厚)的防护措施;当为顺向坡时,除喷射C20砼(12cm厚)外,同时可以根据现场实际开挖情况考虑采用预应力锚索及锚杆进行边坡锚固处理。
  本工程喷射砼施工工艺采取干拌法喷射工艺,即将骨料、水泥和速凝剂按一定比例干拌均匀,然后装入喷射机,用压缩空气使干集料在软管内呈悬浮状态压送到喷枪,再在喷嘴处与高压水混合,以较高速度喷射到岩面上。主要施工工艺流程为:施工准备→人工修整并清理坑壁→喷射6cm厚混凝土→挂钢筋网→二次喷射混凝土→养护。
  干喷使用的机械结构较简单,机械清洗和故障处理容易。但其缺点是容易产生较大的粉尘,回弹量大,加水是由喷嘴处的阀门控制的,水灰比的控制比较难而且与操作手的熟练程度有关。
  基坑防护施工照片如下图3、图4:
  
  
  
  
  
  
  图3边坡挂网图4 喷射砼施工
  6.结语
  本文主要介绍了深基坑开挖及防护施工方法,希望讀者对类似工程有一定的了解。
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