岩土工程超规范施工研究
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摘 要：通过对边坡与基坑工程、地基与基础工程、城市地下空间和地下工程三个岩土工程超规范施工的研究，指出岩土工程超规范施工的可行性、必要性以及要遵循的原则、方法
关键词：岩土工程 超规范 施工
中图分类号：F470.22 文献标识码：A
岩土工程是一门地质与工程紧密结合的专业学科，也是以岩土的利用、改造与整治为研究对象的学科。土木、水利、交通及环境工程等遇到的岩土问题有明显的共性。
岩土工程主要包括“城市地下空间和地下工程、边坡与基坑工程、地基与基础工程”三个大部分。由于岩土介质的特殊性，它与一般的结构工程设计与施工有着较大的区别，带有明显的区域特征。因土性、时效、环境和工程特性等因素的复杂性。笔者分析研究了部分岩土工程，发现“超规范”施工的情况不在少数。众所周知，工程超规范设计施工会有安全、质量等方面危害和隐患，但能否根据岩土工程的具体情况和理论研究、施工设备的新成果进行科学的探索、“有思想的设计、施工单位”在岩土工程施工领域不断获得新突破，做到保证质量安全、缩短工期、减少成本，比其他普通施工单位获得更加多的利润？本文通过几个“成功超规范施工实例”来说明。
1【1】超规范高度填土边坡施工。铁路、公路和建筑等行业对填土边坡支挡结构形式的研究和应用走在前列,常用支挡结构形式有卸荷板式、扶壁式、加筋土式、锚定板式、空箱式等类型的挡土墙,但遇到超规范高度的填土边坡支挡结构形式也有一定局限，如《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2002）适用的边坡高度为15以下的土质边坡和30以下岩质边坡《铁路路基支挡结构设计规范》(TB10025-2001) 和《公路路基设计规范》(JTGD30-2004),重力式挡土墙和衡重式挡土墙的高度不超过12m,短卸荷板挡土墙的高度不超过12m,另外悬臂式挡土墙的高度不超过6m,护壁式挡土墙的高度不超过15m等。
广西地区变电站超规范标准高度的填土边坡多项施工就突破了上述规范。广西地区大多属于山区丘陵地貌,随着变电站工程的增多,在开阔平坦的地方选取变电站站址越来越困难,而新建变电站工程所遇到的填土边坡也越来越多,从而大量出现了超过规范标准高度的填土边坡。挡土墙是支撑填土或自然边坡土体、防治填土或土体变形失稳的有效支挡方式,在广西变电站填土边坡经常采用。挡土墙的结构类型多,而随着广西变电工程的增多,站址选择相当困难,现有的变电工程对超规范高度的填土边坡采取的支护措施主要以重力式挡土墙、衡重式挡土墙和悬臂式挡土墙等支挡结构型式为主,如500KV海港变18-22m高的填土边坡采用衡重式挡土墙+放坡进行支护，220KV振林变22m高的填土边坡采用衡重式挡土墙+放坡进行支护，220KV丹阳变14m高的填土边坡采用折线衡重式挡土墙进行支护。取得了施工效果。
他们的做法是，要求设计人员、施工队伍对该项技术理论和各项细节进行掌握,重点开展以下几个方面的研究调查研究：一是已有填土高边坡支挡结构的运行资料,分析其支挡结构的优点和存在的问题；二是通过理论分析和计算,从技术和经济两方面进行全面系统地总结分析和研究衡重式挡土墙、卸荷板挡土墙、加筋挡土墙和桩板墙等支护结构型式支挡高边坡的极限高度和最佳高度,形成自己的技术准则；三是卸荷板挡土墙、加筋挡土墙、悬臂式挡土墙、护壁式挡土墙和空箱式挡土墙等支护结构型式与已有的重力式挡土墙、衡重式挡土墙和锚杆挡土墙等支护结构型式综合应用研究,确定适用于变电站超规范高度填土边坡最佳支挡结构型式,并对综合应应用的支挡结构型式施工技术进行研究；四是加强新型支挡结构型式的环保美观设计研究。五是结论：铁路、公路和建筑等行业对填土边坡支挡结构形式的研究和应用走在前列,但遇到超规范高度的填土边坡支挡结构形式也有一定局限性；超规范高度填土边坡支挡结构类型划分方法很多,一般有按支挡结构的材料、结构形式、设置位置、设置地区等进行划分的多种方法,支挡结构物的设计正在脱离只满足支挡功能的要求,而更加具有人性化的设计理念；现有的变电工程对超规范高度的填土边坡采取的支护措施主要以重力式挡土墙、衡重式挡土墙和悬臂式挡土墙等支挡结构型式为主,而加筋挡土墙、卸荷板式挡土墙、锚定板挡土墙、护壁式挡土墙和空箱式挡土墙等支护结构型式在变电站工程上应用比较少,广西几乎没有；变电站几种常用的超规范高度填土边坡支挡结构为卸荷板挡土墙、加筋挡土墙、锚定板挡土墙、桩板挡土墙,这几种新型支挡结构具有结构轻、施工快捷、便于预制和机械化施工、节省材料和劳动力、造价低等。
2［2］大粒径碎石桩超规范施工。JGJ 79—2002《建筑地基处理技术规范》［4］规定：振冲法适用于处理地基土不排水抗剪强度cu 不小于20 kPa 的黏性土、粉土、饱和黄土和人工填土等地
广东西江下游航道整治工程。其地基土的cu < 20 kPa为 7 ～ 15 kPa。
具体过程：
І现场碎石桩试验
І .1 工程背景虎跳门水道横坑裁弯工程是世界银行贷款项目———广东西江水道整治工程的组成部分，裁弯人工开挖河道设计断面底宽110 m、河底高程-9 .5 m、堤顶高程4 .0 m、坡高13 .5 m，两岸均采用1 : 3 的边坡。
I .1 .1 场地地层资料横坑裁弯工程区域地面以下涉及工程稳定性的土层有3 层：第1 层：0 .0 ～ -2 .3 m，淤泥质黏土，抗剪强度指标均值为c = 18 .9 kPa，φ = 5 .5o；第2 层：-2 .3 ～ -15 .0 m，淤泥，抗剪强度指标均值为c = 7 .89 kPa，φ = 4 .5o；第3 层：-15 .0 ～ -21 .0 m，粉质黏土，抗剪强度指标均值为c = 20 .2 kPa，φ = 12 .1。
I .1 .2 可能存在的工程问题在淤泥和淤泥质土层中开挖坡比为1 : 3 的人工河道，可能存在边坡稳定问题. 为了大幅度提高复合地基的抗剪强度，保证河堤的稳定性，设计中采用桩径1 .0 m、桩间距2 .0 m 的碎石桩加固淤泥和淤泥质土层。
I .2 试验目的通过碎石桩现场试桩和效果检测，提出大粒径碎石桩的施工工艺参数和工艺流程，并将其作为后续施工的依据. 第34 卷第4 期2006 年7 月河海大学学报（自然科学版） Journal of Hohai University（Natural Sciences） Vol .34 No .4 Jul . 2006
I .3 试验要获得的控制参数
I .3 .1 碎石填料级配根据GBJ202—83《地基与基础施工及验收规范》［1］规定，振冲碎石桩法所用碎石粒径应为2 ～ 5 cm. 但是，试验场地地基土的强度较低，主要处理土层的强度还不到8 kPa，采用小粒径的碎石难以成桩. 因为碎石桩是依靠桩间土的侧限阻力来成桩的，与桩间土的侧限阻力直接关联的是桩间土的不排水抗剪强度cu 和碎石填料粒径. 在试验桩施工初期，为了确定最优碎石级配，进行了4 组（每组3 根碎石桩）不同级配的碎石成桩试验，碎石桩的碎石级配与成桩情况，分别为：< 5 cm 、5 ～ 10 cm 、10 ～ 15 cm > 15 cm。：成桩情况第1 组：33.0 、56.1 、10.9 0 充盈系数大于2，密实电流小于50 A；第2 组：26.6 、57.8 、12.2、3.4制桩成功，但充盈系数为2 左右时密实电流才达到50 A ；第3 组18.1、 64.6、 17.3 0 制桩成功，但充盈系数为1.8 左右时密实电流才达到50 A 第4 组5.9、 72.8 、18.8 、2.5 制桩成功验. 现场试桩结果表明：使用粒径小于5 cm 的碎石含量最高的第1 组级配的碎石料，不能成桩；使用粒径小于5 cm 的碎石含量较高的第2 组和第3 组级配的碎石料，能成功制桩，但成桩困难，而且形成的碎石桩桩径偏大，桩体密实度较低。因此，将粗粒组最多的第4 组作为正式施工碎石桩的碎石级配。
I .3 .2 水压控制造孔水压过大，容易使孔壁冲垮；造孔水压过小，则振冲器难以贯入. 制桩水压过大，容易将下段已振密的碎石冲松或冲垮孔壁造成桩体夹泥，从而会影响制桩密实度；制桩水压过小，则下料困难，制桩时间延长，也会影响桩的密实性。根据该工程的实际情况，将造孔水压控制在0 .5 MPa 左右，水量控制在30 m3 /h 以上，以保证孔内淤泥返出地面，保证填料的顺畅，提高施工效率. 为保证成孔质量，终孔后必须清孔一两遍；同时，将制桩水压控制在0 .3 MPa 左右，以保证桩体对桩间土体的排水固结所起的排水通道作用不因桩体含泥量大而受影响。
I .3 .3 护壁及填料方式在强度很低的软土地基中施工，由于地基土体的强度很低，必须先进行护壁，否则很容易塌孔，使塌孔处产生卡料现象，振冲器无法沉入到预定位置，产生断桩或桩体不密实现象。本试验在试制第1 根试验桩时未采取“先护壁，后制桩”方法，振冲器下沉过程中激振电流随下沉深度和填料量的增加发生了变化。由此可见，深度9 m 处产生了卡料现象，导致振冲器激振电流达到额定电流60 A 时仍然无法向下贯入. 为此，在后续试验施工中采用了“先护壁，后制桩”方法. 即在开孔时，不是一下子到达加固深度，而是先到达第1 层软弱层，再加些碎石料进行初步挤振，让这些填料挤入孔壁，加强此段孔壁以防塌孔，然后将振冲器下降至下一段软土中并用同样方法加料护壁. 如此重复进行，直到设计深度. 孔壁护好后，就可开始填料制桩了. 填料方式，先把振冲器提出孔口，往孔内倒入约1 m 堆高的填料，然后再放下振冲器使孔口的碎石填料落到先前振密的碎石顶部或孔底，当振冲器达到碎石充填的位置时，振冲电流增加，开始对碎石填料产生振密作用. 每次加料均重复以上步骤. 施工过程中让振冲器在孔内不停地上、下串动，以避免饱和软土振冲碎石桩施工中发生“卡管”和“断桩”事故，保证桩体的连续性和密实度。
I .3 .4 充盈系数的确定充盈系数定义为每根碎石桩实际灌入碎石量与根据设计桩径和桩长计算的理论碎石桩体积的比值. 根据JGJ 79—2002《建筑地基处理技术规范》［4］的建议，碎石桩的充盈系数为1 .1 ～ 1 .2 。通过现场碎石桩施工过程中较精确的碎石计量和施工后的现场开挖实测碎石桩直径，统计出了10 根碎石桩实测桩径与实测充盈系数的关系，当设计碎石桩的桩径为1 .0 m 时，要保证碎石桩桩径大于1 .0 m，充盈系数应为1 .5 左右，远大于JGJ 79—2002《建筑地基处理技术规范》［1］所建议的数值. 这是因为在超软弱地基中，要形成密实度较高的碎石桩，必须在桩底形成强度较高的葫芦状桩头，桩身区也有部分碎石挤入到四周土中。
I .3 .5 密实电流和留振时间现场试验中，使用30 kW 振冲器，密实电流控制在50 A 以上. 留振时间是指打桩过程中，某段碎石桩施工时，密实电流达到控制值后振冲器基本不下沉而能够保持密实电流的振动时间. 在超软黏土中，留振时间一般较短，时间过长会破坏侧壁土体，给制桩造成困难. 现场试验中，留振时间控制在5 ～ 15 s 之间. 现场试验表明，留振时间对桩径和桩身密度有重要影响.
II碎石桩的质量检测
II .1 桩径检测
II .1 .1 浅部桩径检测为现场试验服务的82 根试验桩制桩完成后，开挖检测了其中15 根碎石桩的桩径，开挖深度为2 .5 m，15 根被检测桩的直径均大于1 .0 m，检测结果，桩径分别为（单位：m）： 1.23 1.03 1.10 1.10 1.04 1.10 1.10 1.02 1.05 1.10 1.02 1.05 1.10 1.02 1.10 ；深层桩径检测结果：桩身质量评价A ：0.90 ，12.5 0 ～ 10.5 m 成桩质量较好， 10.5 ～ 12.5 m 处碎石量不足；B ：0.95 ，12.0 成桩质量较好；C ：1.05， 12.5 成桩质量较好。
II .1 .2 深层桩径检测现场试验结束后，利用地质雷达对3 根试验桩的桩径和桩长进行了检测，由于未采用“先护壁，后制桩”方法，深度9 .5 ～ 10 .0 m处孔壁发生坍塌，制桩过程中出现卡料现象，致使10 .5 m 以下桩体桩径明显不足。
II .2 桩体的动力触探测试为了检测碎石桩桩体的密实度，制桩完成后对27 根桩进行了重（Ⅱ）型动力触探测试，在抽检的27 根试验桩中，N63.5 > 10 击的有18 根，占67%；7 击< N63.5 < 10 击的有9 根，占33% 。
通过现场桩径检测、动力触探试验和复合地基大型直剪试验结果表明，采用大粒径碎石桩加固超软土地基是可行的，大粒径碎石桩对增强地基土的抗剪强度和提高软土地基承载力十分有效。
3［3］多车道大断面公路隧道施工。随着我国的交通建设事业的迅猛发展，大断面隧道和地下工程逐渐增多，大断面隧道施工技术也有了较大发展。与以往修建的隧道相比，大断面隧道的问题比较复杂，再加上我们对工程地质和岩石力学机理还不能完全具体的认识掌握，因此我们对大断面隧道的设计和施工仍然处于探索和尝试阶段。从严格意义上讲，现行的规范只能指导跨度不超过15m的隧道及地下工程的设计与施工，无法指导四车道公路隧道的设计与施工，而且忽略了围岩本身也是结构这一重要特征。沈阳至大连单项四车道公路隧道净宽19.24m、高10.39m、开挖宽度21.24m。该项目成功的设计与施工在岩土施工中具有重要的指导意义。它是在岩石力学基本原理和新奥法的基本思想的指导下，对不同扁平率下的坦三心圆形洞室围岩应力分布特征进行计算分析，建立了大断面公路隧道围岩稳定基本判据；又根据国家已建的大型重点工程，利用大型有限元分析软件ANSYS对几种常用的施工方法的施工过程在不同的围岩条件下，进行了有限元数值模拟分析，较好的分析、解决了四车道公路隧道的施工开挖、支护过程中围岩与支护结构的稳定性问题。在进行模拟分析计算的过程中，隧道采用了更为完善、合理的“岩体一结构”模式，考虑围岩不仅仅是荷载，而且也是结构，分析过程中重视围岩与结构的共同作用，充分考虑了围岩自身的自承能力，体现了NATM法的精髓和理念。论文计算结果与实际设计施工的结果比较吻合，所得有关结论，可以为采用弹塑性有限元计算分析大断面隧道与地下工程的施工力学效应及公路隧道(大跨度)施工方法优选、施工技术规范的修订提供参考。
综上所述，笔者得出以下结论：
1、岩土施工规范（规程）是在一定时期内，岩土施工过程按照既定标准、规范的要求进行操作，使某一建设项目行为或活动达到或超过规定的标准，它是保证岩土施工达到最终目的一个重要手段。
2、不能因为它是规范（规程）就不能突破、一成不变。岩土施工规范（规程）是随着科技进步、技术提高、设备创新、思想认识的进步而进步的。
3、岩土施工是一个实践性很强的学科，现行的岩土施工规范（规程）局部有一定的局限，我们在实践中不应盲从，需要甑别清楚。不能为了方便施工不讲科学的“超越”和“变化”，也不应该为了遵守规范（规程）墨守成规，不愿、不敢“超越”和“变化”，使施工成本有不必要的增加。
4、“超规范”施工必须要认真做好以下工作：
①要对使用的岩土施工规范（规程）有一个全面的了解和掌握，弄清楚需要超越规范的实质内容、前提条件、工程环境、安全稳定等情况。
②要针对具体情况制定实施方案、措施，特别要做好应急预案。对上述方案、方法要进行专家认证。
③认真落实方案，对方案中需要试验、实验的项目，要认真、科学的完成，用大量经过检测的数据说话。