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滨海侵蚀冲沟地质抗悬阻滑格构体系施工关键技术

发布于：2024-06-14 15:00:14 来自：建筑结构/结构资料库 [复制转发]

海滨丘陵城市地貌形态常为山区侵蚀构造地貌到山前、山间、滨海堆积等地貌均有发育，以山东省青岛市为例，分北部剥蚀低山丘陵区、中部胶莱平原区和南部剥蚀中低山丘陵区3个地形区。针对滨海地区复杂地质修建地下结构空间的技术和经验不足的问题，从地下边坡施工及监测预警等方面展开研究，采用BIM技术实现地下空间结构施工过程的三维模拟，优化施工工序，研发地下工程多源信息集成监测预警信息系统，实现复杂地质条件下地下工程前兆识别和破坏预警。

1工艺原理

通过有限元模拟分析边坡滑动面收敛情况，针对侵蚀冲沟地质条件且需高边坡条件区域支护时，支护底部利用复合微型钢管桩作为上部支护结构阻滑基础，抵抗土体侧向变形与滑移，使格构竖向肋梁及整个支护系统不必施工至持力层，能够在换填区域之上进行有效支撑，上部支护结构通过微型钢管桩阻滑系统向持力层进行重力传导；整个支护面板采用混凝土格构梁体系，顶部采用花管注浆及压力分散型预应力锚杆结构进行超前支护及土体灌浆加固，主动控制土体变形，改变滑动面应力状态及滑动稳定条件，形成微型钢管抗悬阻滑格构体系，如图1所示。

图1微型钢管抗悬阻滑格构体系示意

运用BIM技术及信息化监测技术对施工全过程进行实时监测，根据需要随时调整施工参数，根据监测边坡边界条件变化及时调整施工工艺。

2关键技术

2.1边坡有限元分析

（1）利用ABAQUS建立边坡三维模型，采用Mohr—Coulomb理论，运用强度折减法分析不同场量下的边坡土体膨胀角和内摩擦角得出不同状态下的边坡应力及位移情况，计算绘制不同需求边坡的滑动面，根据滑动面确定边坡构造形态及土体加固范围。

（2）根据土体工况确认边坡状态，绘制原始边坡及近直高边坡构造。杂填土体按均质土层建立模型。坡底按建筑物可操作空间确定位置，坡顶高度为设计原始地坪高度。

（3）根据强度折减法公式计算不断降低边坡安全系数，折减后代入计算模型极限破坏情况，绘制边坡滑动面，膨胀角均按0°考虑。

（4）根据坡面滑动叠合范围及坡面滑动复合位移曲线。确认边坡破坏曲线，确认土体注浆加固范围应≥坡顶滑动面滑动范围。

2.2场地平整、测量放线

据已勘察的现场地质报告，确认支护施工区域的地质条件及水文情况，同时应调查侵蚀冲沟地质的范围，根据有限元分析结果中需超前支护施工区域内的地下管线及相关障碍物，判断钻孔以及相关临近建筑物对支护施工的影响。根据侵蚀冲沟的覆盖范围及地层条件情况，选择响应的配套施工机械设备，挖出影响边坡施工的障碍物，并按施工需求对场地进行平整。

2.3复合交叉钢花管注浆

2.3.1定位布置

开挖前在平面垂直钻入花管注浆进行超前支护，深度自地坪至基坑底部最下一道水平格构梁且不小于4000mm，竖向按1000mm间距均匀布置，避开管线影响位置，尽量布满整个滑动面；斜向复合设置钢花管注浆，分层开挖后按20°倾角以2000mm间距于混凝土面板交叉布置花管注浆,锚入深度不低于6000mm。钻孔孔位偏差不大于50mm。

2.3.2钻孔

在测量定位确定钻孔位置后，采用潜孔钻机钻孔，钻孔直径200mm，每孔超钻200mm。

2.3.3钢花管制作

钢花管采用直径50mm，壁厚3.5mm无缝钢管加工而成，注浆眼沿轴线间距为500mm，孔径5mm，呈螺旋状排列。为保证注浆效果，钢管底部可焊接锥形端头或压扁。

2.3.4插入钢花管

下放钢花管时将注浆管从管底孔中穿入，从钢花管上口穿出，注浆管下端伸出钢花管底部100mm，注浆管外套密封圈，胶带固定，将密封圈塞入钢花管底盖的孔中，使钢花管与注浆管接合处密封。

2.3.5注浆

注水灰比0.5纯水泥浆，控制注浆压力1.0MPa左右，锚固体强度等级M?20每米注浆折合水泥用量80kg；注浆花管端头与注浆输送管连接采用丝扣连接，确保连接强度和注浆压力，可适当调整注浆压力为0.5～1MPa。控制管内水泥浆体均匀扩散，确保注浆管脱离时管口封闭强度，杜绝注浆回流失效。

2.4 土方开挖

采用反铲削坡开挖，严格遵循先支护后开挖、边开挖边支护的原则。开挖时严格控制开挖深度，无边坡支护高度不得超过2m。挖掘机距边坡保持足够的安全距离，确定挖装深度并形成记录，可进行信息化监测检查是否存在异常情况，保证机械设备的施工安全。每次开挖前及时进行校核检验，预留300mm的土层进行人工开挖。施工时随时观察坡体原土扰动情况，开挖过程中严格控制边坡，杜绝超挖及欠挖情况。

2.5应力锚杆安装

2.5.1钻孔及清孔

按设计要求及格构梁位置定位锚杆杆孔，确保锚杆钻孔位置、标高及倾角的准确性。钻杆钻孔达到设计深度后进行深度校核，确保孔洞深度。锚杆孔洞应保证其完整性，孔内可采用水循环、高压风等措施进行冲洗清孔，清理后应立即封孔保护，杜绝杂物及碎屑进入杆孔内。若存在因花管注浆固结效果不佳部位，可在钻孔位重新固结灌浆或采用套管护壁成孔。

2.5.2锚杆制作、安装

预应力锚杆下料长度不小于设计长度+1m。在钢筋顶部采用螺纹杆或专用杆件连接，上部自由段采用套管使钢筋与注浆体隔离，以确保自由段的有效性。自由段与锚固段的分界处，将套管与钢筋锚杆间的空隙密封，防止水泥浆进入波纹管，端部长度要能保证套管在混凝土格构梁外。因遇侵蚀冲沟地质段钻孔末端无岩体时，应及时与设计沟通，并确保锚杆穿越滑动面。

定位支架每米设置不少于1个，确保锚杆孔洞居中。尽量采用成品支架，以避免焊接造成应力损失。成孔后立即将锚杆放到孔底，确保锚杆外露长度，若达不到该要求，则表明已塌孔或孔已缩径，将锚杆拔出重新成孔直至能顺利送入孔底为止。

2.5.3注浆

采用排气注浆法施工注浆锚杆或锚索。锚杆内注浆管与锚筋同时放入钻孔，保证注浆工作在初始注入的浆液仍具有塑性的时间内完成，注浆过程中边灌边提注浆管，确保在水泥浆初凝前完成注浆工作，在注浆过程中保持边注浆边缓慢提管的注浆工艺。控制注浆管底端距钻孔底50~100mm。采用二次压力注浆法注浆施工，第一次注浆压力控制在0.3~0.5MPa，第二次注浆压力控制在0.5~1.0MPa，两次注浆均采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，水灰比为0.45～0.50。

2.6面层及格构梁施工

混凝土面层与常规支护面层及格构梁体系基本一致，因整体格构体系不落至持力层，在坡面角度转折部位以下在纵向格构梁成倍加密布置，格构面板可按设计要求增至1.5倍面板厚度，施工过程同常规格构梁施工体系。

2.7预应力张拉

（1）钢筋张拉。对张拉设备进行标定后方可进行锚杆张拉。张拉时应确认锚固灌浆料强度是否达到20MPa以上且达到设计强度的80%，满足后即可进行张拉锚固。锚杆张拉至设计荷载的1.1~1.2倍时，对砂质土层保持张拉时间10min，对粘性土层保持张拉时间15min，然后卸荷至锚固荷载设计值进行锚固并观测10min。

（2）封孔注浆。张拉补偿后，应立即进行注浆封孔。针对上倾和水平锚杆，自预留注浆管直接注浆；针对下倾锚杆，注浆管应自预留孔伸入，确保注浆管口进至锚固段顶面约500mm。孔中的空气经由排气管排出。

（3）封锚保护。封孔注浆后，采用双螺母及锚板将螺杆固定于格构梁上，外部预留不小于50mm的端头，截去过长螺杆，在其外部应包覆厚度不小于50mm的保护层。

2.8局部回填反压

为避免下部阻滑结构施工扰动产生坡面开裂，在最下层格构及面板施工前进行覆土反压，减小支护桩上部悬臂端的桩顶位移及桩身内力，使整个上部支护结构形成临时支座。覆土高度为未进行坡面支护的坡底部分，可使用周边开挖土质，下部阻滑结构边施工边挖除反压覆土，挖除施工工作面不得大于2m。

2.9微型抗悬阻滑钢管桩施工

（1）钻孔及清孔。使用高风压潜孔钻机进行孔道钻进，保证桩机的平整性和导向架的垂直度，控制偏差≤1.5%。

（2）安装、下放钢管。为贴近坡体并降低支护占用工作面的面积，采用钢管直径不宜大于160mm。钢管桩在施工过程中要严格控制桩孔深度，并根据设计要求下料钢管桩长度，确保桩体满足设计要求且入岩深度不小于1000mm。下料时应考虑预留出嵌入桩顶连梁部分的钢管长度。根据现场实际情况，可采用起重机协助放置钢管或将钢管分段下放并进行焊接安装。焊接过程确保钢管整体垂直度，应对超过9m的钢管加强焊接并满足结构强度。

（3）灌注水泥浆。注浆管应置入孔底进行灌浆，管内灌满水泥浆直至孔内翻浆后即完成注浆施工。注浆完毕不能立即停止，应观察一段时间，出现液面下沉情况时要注意及时补浆。

（4）钻孔顺序。为避免因震动引起的塌孔，可采取“跳仓”施工工艺流程：即在一个孔成孔后即置入钢管，并进行注浆，然后隔一个桩位进行钻孔，再次放置钢管。如遇到成孔处土体粘聚力较差、成孔塌陷严重，成孔困难时可采用压力注浆法对土体进行加固，待浆体凝固后重新钻孔，成孔后继续进行安放钢管及注浆工艺。钻孔间距应不少于500mm。

（5）阻滑布置。根据放坡倾角及上层滑动面的侧向压力，运用BIM技术绘制阻滑桩，阻滑系统可布置双排微型钢管桩，双排钢管交叉梅花形布置，前后间距应不小于300mm，每排钢管间距500mm。

（6）双桩结构连梁施工。在钢管桩施工完毕后，在桩顶进行双桩连梁的钢筋绑扎及模板支设工作，经验收后进行混凝土浇筑，钢管桩顶部埋入连梁应≥250mm，以增强前后排桩桩顶弹嵌约束作用。

（7）当桩内注浆强度达到设计强度75%以上时，方可进行下部土方开挖及换填工作，严格控制机械开挖距离，避免设备挖掘时碰撞钢管。

（8）钢管桩施工完毕后，补充完善坡面格构梁及混凝土面板，并附加增设1道预应力锚杆。

2.10地基换填

挖除不满足地基承载力的软弱下卧土质，采用C20毛石混凝土进行地基换填，应逐层换挖非持力层土质，浇筑时避免碰撞阻滑体系。

2.11信息化边坡监测前兆识别和破坏预警

（1）对边坡支护各个阶段工况逐一进行分析，将边坡支护阶段分为缓坡格构支护阶段、陡坡格构支护阶段、阻滑抗悬支护阶段、换填阶段，确认边坡施工阶段危险源，针对危险源及危险时段进行重点监控。

（2）运用BIM技术及摄影测量技术重现边坡支护实景施工情况，将Revit模型与点云模型整合。通过比对点云法线与基坑模型离散度，核对现场边坡开挖与支护是否到位，离散度超过50?%的区域，进行三维标注，再通过低通滤波点云去噪及点云抽稀技术进一步进行数据处理，深化拟合后输出实景三维模型，指导现场开挖及支护。

（3）利用智慧工地平台综合不同的传输方式，将多种现场水平位移监测器、沉降位移检测器、锚杆轴力检测器等监测仪器、无线传感器通过互联网技术联通，采用主、被动触发方式，实现监测数据的实时传输和自动采集，系统地针对监测数据进行实时处理，运用回归分析法和差异分析法等数理方法对采集的各项数据进行分析并建立模型，形成各类监测曲线以及图表、图形，对超限数据实时报警，并对监测数据进行统计总结。

针对基坑坡顶水平、垂直位移、锚杆轴力、周边建筑物沉降监测等数据的变形速率异常时，加大监测频度。

（4）通过无人机倾斜摄影获取施工场地内航测数据，根据现场实际情况及规范要求，确定无人机航线、航向重叠度、航飞高度和旁向重叠度等数据，完成航测数据采集工作。数据采集完成后，对获取的影像进行数据检查。将航测数据导入计算软件中进行空中三角测量计算，完成后输出实景三维模型并进行后期处理。对比检查整体形变情况，并确定支护边缘与建筑物的水平距离，确定操作空间。

（5）根据土体工况分析，土体形变最大工况阶段在格构边坡支护施工至底部还未进行抗悬阻滑桩施工前，应进行重点监测观测，进行土体反压并进行抗悬阻滑桩施工后，土体水平位移及沉降变化渐于平缓，累计水平位移为14.3mm和11.6mm。累计沉降量为–10.87mm和–8.55mm。变化速率逐渐变小，最后基本趋于稳定收敛状态。

3结束语

滨海侵蚀冲沟地质微型钢管抗悬阻滑格构体系施工关键技术采用有限元分析及BIM技术实现地下空间结构施工过程的三维模拟及研究，运用超前支护及抗悬阻滑技术有效解决高边坡淤泥质冲沟地质条件下支护问题，减少占用支护区域，增大施工操作空间。该技术以微型钢管桩代替灌注桩施工，能够合理保护生态环境，积极落实“碳达峰、碳中和”的国家战略目标，符合低碳环保、绿色施工的理念，对类似工程有较好的指导意义。

施工体系