0 引言

　　悬索桥以其结构轻盈、造型优美、超大跨径等诸多优势，在跨越大江大河、深沟峡谷的桥梁选型中具有很强的竞争优势。统计表明，在跨径超过600m的超大跨径桥梁中，大多数为悬索桥。大跨悬索桥的锚碇是固定主缆、保证全桥主体结构受力的核心部件，根据桥址区的地质与地形条件，可设计成重力式或隧道式，其中重力式锚碇对地形和地质条件的要求较低，应用更为广泛。基坑施工是重力式锚碇基础施工的重要前提，而支护结构是保障基坑开挖及锚碇施工期间安全的首要措施。悬索桥锚碇基坑边坡支护方式和开挖施工方法应因地制宜，选择合理的方案。在东部的平原地区，重力式锚碇常采用沉井基础^[1]，矩形钢筋混凝土地下连续墙^[2]或圆环形钢筋混凝土地下连续墙^[3,4]。而在山岭重丘区，基坑可以直接采用放坡开挖^[5,6,7]，配合挂网喷射混凝土护坡的方式支护，也有采用围护桩支护结构的案例^[8]。但在众多的施工案例中，尚未出现危岩带下锚碇基坑施工案例。

　　三峡库区红层泥岩、砂岩广泛发育。在漫长的地质过程中，由于岩性不同，沿长江两岸形成了广泛分布的危岩带。本文依托的新田长江大桥高峰岸锚碇基坑位于危岩带下，锚碇基础边坡开口线距离陡崖最近距离为8m，危岩带一侧边坡高度达到52m，基坑开挖方式为爆破开挖结合机械凿壁的方式。在基坑施工期间，对基坑边坡及支护结构进行变形监测，是评价支护效果和边坡稳定性的主要技术手段，对保障基坑施工的安全具有重要意义，也受到了众多工程技术人员的关注与研究^[7,8,9,10]。文献[10]对位于三峡库区的驸马长江大桥锚碇基坑的监测研究表明，坑外测点的变形明显受到场地地质和地形条件的影响，变形量超过支护结构，且部分变形方向指向坑外，显示出与平原地区基坑明显不同的变形规律。

　　依托工程锚碇基坑的地形、地质条件具有特殊性;基坑开挖尤其是爆破开挖的方式对基坑边坡尤其是危岩带形成强扰动;类似工程的基坑监测表明本区域的基坑变形规律较为复杂。因此，本工程基坑施工难度极高，风险较大，工程具有特殊性。针对本工程的施工技术和变形监测进行总结，对于深入认识特殊复杂地质下的锚碇基坑变形规律具有重要意义。

　　1 工程概况

　　新田长江大桥是恩广高速重庆新田至高峰段关键控制性工程，桥址位于万州主城区上游19 km处。新田长江大桥主桥采用主跨1 020m双塔单跨钢箱梁悬索桥，塔高161.5～177.5m，钢箱梁宽30.5m，梁高3m。两岸均采用重力式锚碇，其中高峰岸锚碇开挖方量约11万m³，新田岸锚碇开挖方量约17万m³。

　　桥位区地貌属长江河谷地貌，河谷两岸浅丘及构造剥蚀低山丘陵地带。高峰岸地形呈阶梯状，沿东西向总体发育有两级陡崖和两段陡坡，陡崖为砂岩出露，底座岩性为泥岩，地形坡度70°～85°，陡坡区域主要被第四系崩坡积体覆盖，局部基岩出露，自然坡角约为15°～45°，总体地形坡度约40°。高峰岸长江岸坡坡向约150°，与桥位轴线斜交，夹角约147°。

　　高峰岸为北岸，该岸线路沿线危岩带长约500m。北岸锚碇位于危岩带下。本工程地质特殊性:(1)地层复杂，砂岩、砂质泥岩、泥岩等均有发育，呈现互层状分布;(2)由于泥岩和砂岩的风化差异，砂岩常出现陡崖和危岩带，崖下发育第四系崩坡积体;(3)泥岩为典型的软弱岩层，具有长期流变、遇水软化的特点，且其上覆盖层较厚，三峡库区的地质滑坡常与该层有关。

　　2 危岩带处理措施

　　高峰岸锚碇基础边坡开口线距离陡崖最短距离约8m，基坑开挖量大，会破坏原有岩土体的平衡状态，且采用爆破开挖和机械凿壁相结合的方式，循环爆破振动对周边岩土体形成强扰动。很可能打破危岩体的平衡状态，形成新的崩塌，严重危及基坑的施工安全。即使在施工期危岩体是安全的，从长期看随着风化的加剧，岩腔逐渐扩大，岩体劈裂逐渐发展，危岩体也会产生崩塌，形成崩坡积体。以上两因素决定必须在基坑开挖前对危岩体进行处理，从源头上提高危岩的抗崩塌能力。危岩带处置措施为“松石铲除，岩腔支撑，危石锚固”。

　　1)松石铲除危岩体表面由于风化程度较重，往往已经形成较明显的裂隙，块体体积一般≤5m³，虽然在平衡状态，但在外力扰动下极容易崩塌，视为松石。对于松石采用人工或机械的方式清除。

　　2)岩腔支撑危岩体岩性为砂岩，其底座岩性为泥岩。因风化差异，在泥岩层容易形成岩腔，深度0.3～2m。对于深度<0.5m的岩腔，在清理完碎屑后灌注C25混凝土封闭岩腔;而深度>0.5m的岩腔，采用C25钢筋混凝土立柱支撑，立柱间距2m，岩腔深度<4m时，立柱截面尺寸0.3m×0.3m，岩腔深度>4m时，截面尺寸0.4m×0.4m，并在立柱间增加横撑。

　　3)危石锚固由于长期的地质活动，砂岩层易发育形成竖向的裂隙面，进一步发育成孤石体。为确保危崖长期稳定性，采用了锚索加固的方法。单根锚索采用3×15.24钢绞线组成压力分散型锚索，斜向下10°打入岩体内部，深度20m，锚固段长度9m，张拉力600k N。锚索横向间距2～3m，竖向间距4m。

　　按照上述措施处理完成后在危岩带下设置被动防护网，防止因为降雨、微小振动引起危岩块体滚落基坑施工区域。在一轮爆破完成后，指派专门人员对危岩带进行巡视检查，发现松动的岩石及时进行处置。

　　3 高峰岸基坑施工

　　3.1 基坑概况

　　高峰岸锚碇区位于斜坡中部地带，地面高程210.000～250.000m，基坑底面设计高程为198.000m(锚块底面)。锚碇基坑开挖占地面积为5 958m²，基坑底面面积为1 026m²，边坡面积为5 633m²，锚碇基坑开挖总方量110 400m³。锚碇基坑基底位于中风化泥岩上，基底容许承载力≥1.35MPa。

　　锚碇区基坑开挖后，边坡高度为12.0～52.0m，主要为泥岩和砂岩组成的岩质边坡，上覆少量块石土。基坑边坡最大坡度为1∶0.3，最小坡度为1∶1，最高处边坡有6级，最低处为1级，单级边坡高度为8m和10m两种。

　　3.2 基坑支护

　　基坑开挖前地表高差较大，造成边坡的坡度和高度差异也较大。边坡坡度的设计原则是强风化岩层及以上土层，边坡坡度取1∶0.75;中风化岩层，边坡坡度取1∶0.5;危岩带一侧的基坑边坡应尽可能减少开挖量以及远离危岩带，边坡坡度取1∶0.3。边坡防护釆用分区域防护的原则，在图1基坑平面布置中，标识了9处典型的基坑剖面，每一基坑剖面处，根据地层及边坡坡度采用锚喷支护、锚杆护面墙或锚索护面墙支护方式，具体如表1所示。

　　危岩带下边坡支护如图2所示。混凝土护面墙+锚杆支护形式适用于边坡坡度1∶0.3的边坡，且边坡级数为1～3级。锚杆采用32螺纹钢粘结锚杆，1级边坡锚杆长度9m,2,3级边坡锚杆长度6m，锚杆与水平方向呈20°倾角，锚杆安装时沿锚杆轴线方向根据设计要求设置定位支架，以保证锚杆有足够保护层。锚孔采用潜孔钻机成孔，孔径70mm，梅花形布置，间距2m×2m。锚杆的锚固采用M20水泥砂浆，注浆一次性完成，出浆口在浆体纯净、无水分、杂质时，采用止浆塞堵浆后，维持压力不得小于2min，控制压力为0.2MPa。混凝土护面墙厚度50cm，采用C30混凝土浇筑，自本级坡脚向上分层设置5PVC泄水管，间距4m×4m梅花状布置，出口下倾10°利于排水。

　　图1 基坑工程平面布置  

　　图2 危岩带下边坡支护  

　　基坑边坡坡度1∶0.3的4～6级边坡采用混凝土护面墙+锚索的支护方式。4～6级边坡锚索长度分别为40,30,20m，锚固段长度均为9.0m，与水平方向呈20°倾角。岩层中锚索孔采用潜孔钻机干法成孔，当遇岩层破碎或松软饱水等造成塌孔和卡钻埋钻时，改用跟管钻进技术。锚孔孔径130mm，采用梅花形布置，间距3m×3m。验孔合格后，安装压力分散型锚索。预应力锚索采用直径15.24mm、强度1 860MPa的高强度低松弛无粘结钢绞线，锚索张拉控制力为600k N。安装完成并检验合格后注入M40水泥砂浆锚固，控制水灰比为0.4～0.5，注浆压力不小于0.6～1.0MPa。为增加浆液的和易性和水泥砂浆的早期强度，在浆液中掺入适量的减水剂和早强剂。为防止水泥砂浆凝固收缩时锚固体与孔壁锚固力的损失，掺入适量的膨胀剂，注浆完毕待砂浆凝固收缩后，对孔口进行补浆。混凝土护面墙厚度50cm，采用C30混凝土浇筑。锚索张拉完成后，静置3d观察有无异常，无异常时可采用C25混凝土进行封锚。泄水管的设置与1～3级边坡相同。

　　表1 基坑开挖支护情况 

　　表1 基坑开挖支护情况

　　喷射混凝土+锚杆支护形式适用于边坡坡度1∶0.5,1∶0.75,1∶1的边坡。锚杆为直径22的螺纹钢筋，锚固长度4.0m，与水平面倾角15°。在土层中，锚杆上焊接6钢筋制作的弧形支架作为对中支架，岩层中用2cm长的8钢筋段焊接。锚孔采用潜孔钻机成孔，孔径50mm，梅花形布置，间距2m×2m。锚杆的锚固采用M20水泥砂浆，注浆一次性完成。锚杆砂浆凝固后，在坡面上布设网孔尺寸20cm×20cm的6钢筋网片，搭接长度20cm。然后喷射厚度10cm的C20混凝土护面，每20m设置1道伸缩缝，用沥青麻絮填塞。坡面上设置5PVC泄水管，梅花形布置，间距4m×4m，泄水管下倾5°，利于排水。

　　3.3 开挖施工

　　基坑遵循自上而下分层开挖方式，表层松散的崩坡积体和强风化泥岩层可采用机械开挖。但是随着深度的增加，岩土体强度不断增大，采用机械凿挖影响开挖效率。为此，采用爆破开挖配合机械凿壁的方式。

　　爆破技术方案为由上至下，由坡顶至坡底，分层分台阶进行爆破作业，并且要做到边爆破边支护，预防边坡开挖形成的高边坡产生次生灾害，以保障施工安全。距离危岩带20.0～50.0m范围内采用机械凿打为主，辅助40mm浅孔丝裂爆破，在距离危岩带50.0m范围外采用70mm常规松动控制爆破。均控制危岩体爆破振动速度<1.0cm/s。锚碇爆破分层时从北侧中心开始向“三方边沿靠近”，若为泥岩靠近边坡、坡面时预留2.5～3.0m机械凿打，若为砂岩时预留1.0～1.5m机械凿打，基底预留1.0m采用机械凿打。

　　70mm孔常规爆破参数如下:钻孔超深h=0.3m;炮孔深度L=H+h=2.3～3.3m;炮孔间距a=2.3m，炮孔排距b=1.8m;炮孔倾角α=80°～90°。2.0m孔单孔装药量2.4kg;2.5m孔单孔装药量3.2kg;3.0m孔单孔装药量3.6kg。炸药选用2号岩石乳化炸药，药卷直径为55mm。为了提高安全度，采用1,3,5段控制总起爆药量，一次单段最大起爆药量Q_max=18.0kg。

　　炸药产生爆炸后，装药室附近岩石中形成冲击波，随着冲击波的向外传播应力幅值不断衰减，波速不断降低，最后演变成应力波;应力波进一步传播、衰减，演变成地震波。根据周围岩石的破坏程度，将装药爆炸对岩石作用分为以下4个区域:空腔区，破碎区，径向裂缝区和弹性振动区。在弹性振动区，GB6722—2014《爆破安全规程》对一般工业建筑物爆破振动安全允许标准作出了规定，但是对于危岩体，并没有相关规定，经综合安全评价危岩体的安全振速控制指标确定为1.0cm/s。

　　方案制定时对爆破振动场进行了有限元模拟。设定模拟工况为第一级边坡靠近坡顶侧爆破，实测距离危岩的水平距离约50m，爆破最大单响药量18kg。岩土计算选用Mohr-Coulomb弹塑性材料模型，采用1,3,5段控制总起爆药量。最大爆压5.77MPa，上升时间3ms，下降时间12ms，总时长1s。监测点定为危岩底部，施加荷载位置与监测点水平距离约50m。模拟计算表明，T1方向速度最大绝对值为0.36cm/s,T2方向速度最大绝对值为0.89cm/s,T3方向速度最大绝对值为0.72cm/s。3个方向的速度可合成总速度，在0.36s时达到最大值，最大值约为1.19cm/s。按照《爆破安全规程》在安全性判定时，取3个方向的最大值，由此，数值分析结果表明本爆破方案引起的危岩振动速度<1cm/s，符合要求。

　　4 基坑监测

　　监测内容包括:高边坡坡顶变形监测、各级支护结构变形监测、危岩体的变形监测和裂缝监测。本项目监测等级定为二等监测，位移监测精度要求为水平位移监测点坐标中误差±3.0mm，竖直位移监测点高差中误差±0.5mm。锚碇基坑监测频率为在基坑开挖施工期间应每天至少监测1次;基坑回填期间，第1个月每周2次，第2个月每周1次，第3个月后每月2次。基坑监测设定的位移报警值为±35mm。

　　锚碇基坑开挖施工自2019年7月22日开始，2019年12月31日完成最后一级开挖。基坑监测自开挖之日开始，监测至2020年4月30日。在基坑1-1剖面和2-2剖面高边坡坡顶沿坡顶布置了4个水平位移和竖向位移监测点，编号BPWY-01～BPWY-04;在1-1剖面和2-2剖面1～6级支护结构顶布置了50个水平和竖向位移监测点，其中1级边坡顶支护结构位移监测点编号JKWY-01～JKWY-06;沿危岩带设置了24个水平位移和竖向位移监测点，编号WYJC-01～WYJC-24。对12条危岩裂缝进行了标记，监测点编号WYLF-01～WYLF-12，采用在裂缝两侧植入钢钉的方法，并且采用游标卡尺对裂缝宽度进行监测。

　　图3a,3b分别给出了基坑高边坡坡顶的x方向和y方向水平位移的累积变化曲线，图3c为竖向位移的累积变化曲线;图4a,4b分别给出了基坑1级支护结构顶的x方向和y方向水平位移的累积变化曲线，图4c给出了z方向位移的累积变化曲线。

　　图3 高边坡坡顶监测点位移累积曲线  

　　图3高边坡坡顶位移监测表明，水平x方向位移在开挖的早期呈现增大趋势，随后随着开挖深度的增加，位移逐渐向反方向发展，在2020年3月末基坑开始回填后达到最不利状态，BPWY-04测点的x方向最不利位移为-12mm;水平y方向位移在开挖的早期变化不明显，随后随着开挖深度的增加，位移逐渐增大2020年3月份锚碇混凝土浇筑时变化较快，在4月初基坑开始回填后出现下降趋势，BPWY-03测点y方向的最不利位移为29mm;竖向位移在开挖的早期变化不明显，随后，随着开挖深度的增加，位移呈现增大趋势，2020年4月初，基坑开始回填后仍在增加，截至4月30日，BPWY-02测点的最大竖向位移达到27mm。边坡的变形规律符合一般基坑工程的变形规律，在监测期内x方向日最大变形速率为0.23mm/d,y方向日最大变形速率为0.52mm/d,z方向日最大变形速率为0.39mm/d，日变形速率和累积变形均未超过监测方案设定的预警值。

　　图4 基坑一级支护顶监测点位移累积曲线 

　　图4中基坑1级支护顶位移监测表明，1级支护顶x方向位移在基坑开挖期内变化不大，未呈现明显的规律性，锚碇混凝土浇筑后位移有反向发展趋势，在基坑回填后又呈现无规律状态。监测期内，最大竖向位移出现在JKWY-05测点，位移量为15mm;y方向位移在基坑开挖期内变化不大，未呈现明显的规律性，锚碇混凝土浇筑后位移增加较快，随后基本保持平稳状态，截至2020年4月30日，JKWY-05测点的最不利位移量为29mm;竖向位移总体呈增加趋势，截止2020年4月30日，JKWY-01测点的最不利竖向位移量为20mm。在基坑支护结构位移监测期内x方向日最大变形速率为-0.55mm/d,y方向日最大变形速率为0.81mm/d,z方向日最大变形速率为0.26mm/d，日变形速率和累积变形均未超过监测方案设定的预警值。

　　对危岩体的监测表明，基坑开挖期内，危岩体的累积水平x方向变形为4mm，水平y方向变形为7mm，竖向位移为-4mm，危岩体的位移量较小，未超过监测方案设定的位移预警值。危岩裂缝增加量为0.03mm，危岩体保持稳定状态。

　　以上监测数据表明，在基坑开挖、锚碇施工期内，基坑支护结构、边坡尤其是危岩体持续保持良好的稳定状态，保证了锚碇基坑施工的顺利进行。5结语

　　针对悬索桥锚碇基坑位于危岩带下的特殊情况，首先，采用“危石铲除、空腔封闭、危石锚固”的危岩体处理方案;其次，针对地形复杂的特点，采用多种边坡坡度，为保证边坡的稳定性基坑支护结构综合采用“喷射混凝土+锚杆”、“混凝土护面墙+锚杆”、“混凝土护面墙+锚索”的支护方案;再次，针对施工爆破可能诱发危岩崩塌的不利条件，采用丝裂爆破，常规松动爆破和机械凿壁相结合的基坑开挖方案。

　　对基坑高边坡、支护结构、危岩体开展了水平和竖向的位移监测，同时对危岩裂缝进行了观测。监测结果表明各监测点各方向的位移均未超过监测方案设定的预警值，危岩裂缝变化量较小。这也说明对危岩体的处置效果明显，高边坡支护结构的防护效果良好，能够保证高边坡的稳定性，基坑开挖施工方案合理，既保证了施工速度，又不影响边坡和危岩体的稳定性。

　　目前，新田长江大桥高峰岸基坑工程已顺利完毕，已进入基坑回填节段。本工程施工技术方案既保证了施工速度，也确保了施工安全，效果良好，可为同类工程借鉴。