徐云濤，古海東，葉建龍，姜正暉

（浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，杭州　310006）

道路工程

高速公路改擴建路塹高邊坡支護方案優(yōu)化設(shè)計

徐云濤，古海東，葉建龍，姜正暉

（浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，杭州310006）

高速公路改擴建工程受保通和工期的影響，需在保證邊坡安全的前提下尋求既能減少邊坡開挖量，縮短施工工期，又能最大限度地減少施工對交通運營影響的優(yōu)化方案。以杭金衢高速公路改擴建工程為背景，介紹路塹高邊坡常用擴寬形式以及穩(wěn)定性計算方法，并結(jié)合具體高邊坡案例，通過有限元分析，探討對路塹上邊坡進行預(yù)應(yīng)力錨索加固后，只對路塹1級邊坡進行擴挖方案的可行性。

高速公路；改擴建；路塹高邊坡；優(yōu)化設(shè)計

一般路塹高邊坡是指高度大于30 m的巖質(zhì)邊坡和高度大于20 m的土質(zhì)邊坡［1］。高速公路改擴建工程路塹高邊坡在施工過程中，需要對原有邊坡進行2次開挖，如果原有邊坡沒有采取支護措施，僅在自然狀態(tài)下就處于穩(wěn)定，則2次開挖就會對已經(jīng)穩(wěn)定的邊坡造成進一步的擾動，破壞原有的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，使邊坡面臨失穩(wěn)破壞的風(fēng)險；如果原有邊坡采用了擋土墻、抗滑樁、錨桿（索）等加固技術(shù)維持其穩(wěn)定性，則2次開挖需對既有支護進行拆除，而由于原有支護邊坡經(jīng)過長時間的自然因素作用已趨于穩(wěn)定，故對支護進行拆除勢必會使邊坡又回到不穩(wěn)定的狀態(tài)。不管是哪種情況，在2次開挖時都會進一步對邊坡的穩(wěn)定性造成影響，若處理不當(dāng)，則可能造成坡體失穩(wěn)。因此，在路塹擴寬過程中，如何避免邊坡在2次開挖過程中發(fā)生失穩(wěn)破壞是高速公路改擴建工程施工中面臨的關(guān)鍵問題之一。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對路塹高邊坡支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的研究主要集中在新建路塹高邊坡方面，通常在地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上，采用極限平衡方法對邊坡穩(wěn)定性進行驗證，通過監(jiān)測反饋信息，提出優(yōu)化設(shè)計方案［2-7］。但對改擴建工程路塹高邊坡穩(wěn)定性及支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面的研究很少涉及。現(xiàn)階段通常還是套用新建公路邊坡設(shè)計原則，然而其施工要求與新建邊坡卻有不同之處：新建公路路塹高邊坡設(shè)計一般在滿足安全性的前提下，尋求經(jīng)濟美觀的支護設(shè)計方案；而改擴建工程則需在滿足邊坡安全的前提下，尋求既能減少邊坡開挖量縮短施工工期，又能最大限度地減少施工對交通運營影響的優(yōu)化方案。因此，對改擴建工程路塹高邊坡進行支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有重大工程意義。

本文以杭金衢高速公路改擴建工程為依托，介紹路塹高邊坡的常用拓寬形式，并結(jié)合典型高邊坡拓寬設(shè)計案例，通過理論計算與有限元數(shù)值分析對支護結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

1　常規(guī)擴寬設(shè)計

1.1擴寬方式

路塹高邊坡的擴寬方式通常有3種，如圖1所示。

圖1　路塹高邊坡擴寬方式

圖1（a）為大面積分級開挖、分級支護方式。采用這種擴寬方式有利于邊坡穩(wěn)定和植物防護，可減少防護的圬工數(shù)量。但占地規(guī)模及挖方數(shù)量大，如果原邊坡有支護結(jié)構(gòu)，還需先對支護結(jié)構(gòu)進行大面積拆除。

圖1（b）為小面積放坡開挖方式，可避免大面積開挖的不利因素，但需加強防護。如果坡度較陡，則需在放坡部位增加擋土墻或錨桿（索）框格加固支護結(jié)構(gòu)。

圖1（c）為在拓寬邊線處先增加坡腳強支護措施，如抗滑樁、排架樁、預(yù)應(yīng)力錨索樁等，然后再開挖擴寬部位巖土體的開挖方式。這種方式占地數(shù)量小、開挖方量小，可避免大面積開挖對邊坡的擾動及對道路運營的影響，但路基景觀效果較差、加固工程量大，且施工技術(shù)要求高。

上述3種開挖方案各有優(yōu)缺點，具體采取哪種方案需在確保邊坡穩(wěn)定的前提下，基于沿線土石方平衡、保通要求、環(huán)保景觀、施工難易程度、經(jīng)濟性等因素綜合考慮。

1.2設(shè)計方法

路塹邊坡不論采用哪種擴寬方式，其前提是確保邊坡安全，即邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)需滿足規(guī)范要求。因此，對路塹邊坡進行穩(wěn)定性分析是路塹高邊坡設(shè)計的關(guān)鍵。要想盡可能準(zhǔn)確計算路塹邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)，首先需了解邊坡的變形破壞模式，然后根據(jù)不同的變形破壞模式采用不同的計算方法。

邊坡變形破壞模式總體上可分為2大類：最大剪應(yīng)力控制型邊坡和結(jié)構(gòu)面控制型邊坡。土質(zhì)邊坡、散體結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)的巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞一般受最大剪應(yīng)力控制。結(jié)構(gòu)面控制型邊坡通?？煞譃閴K體失穩(wěn)性邊坡和軟弱結(jié)構(gòu)面控制型邊坡。

對于受最大剪應(yīng)力控制型邊坡而言，其穩(wěn)定性分析通?？刹捎糜邢拊椒ǎ匝芯窟吰麻_挖過程中各階段不同部位應(yīng)力、應(yīng)變和塑性破壞區(qū)的位置及發(fā)展趨勢，判斷潛在活動面的位置，在此基礎(chǔ)上采用穩(wěn)定性分析方法（如強度折減法或極限平衡法）進行邊坡穩(wěn)定性評價，并對支護結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。

對于受塊體結(jié)構(gòu)面控制型邊坡而言，其穩(wěn)定性分析通常是在對巖體結(jié)構(gòu)進行精細描述的基礎(chǔ)上，建立三維地質(zhì)模型，通過三維有限元分析尋找控制邊坡整體穩(wěn)定的關(guān)鍵塊體位置、規(guī)模及其變形和運動特征，再采用塊體理論進行塊體穩(wěn)定性評價，并確定合理的支護結(jié)構(gòu)參數(shù)。對于受軟弱結(jié)構(gòu)面控制型邊坡而言，其穩(wěn)定性分析可采用二維或三維有限元法以模擬開挖過程中不同階段、不同部位邊坡的應(yīng)力應(yīng)變特征，預(yù)測邊坡的滑裂面位置和所處的階段，并結(jié)合施工和監(jiān)測反饋信息來判斷潛在滑動面的位置及性狀，在此基礎(chǔ)上采用強度穩(wěn)定性評價方法對邊坡穩(wěn)定性進行評價，并確定合理的支護結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2　改擴建路塹高邊坡優(yōu)化設(shè)計實例

2.1工程概況

杭金衢高速公路改擴建工程全長約150 km，在原雙向4車道的基礎(chǔ)上兩側(cè)各加寬2個車道，采用邊施工邊運營方式施工，工期3年。全線分布70余處路塹邊坡，其中高度在30 m以上的高邊坡近20處，最大坡高63 m。

對運營中的高速公路邊坡進行開挖，其施工難度大，工期長，對公路交通的安全暢通不利，主要表現(xiàn)為：1）開挖施工需要占用既有公路寬度；2）爆破、碎渣清理及外運等需要交通管制或封道；3）施工路段在整個邊坡施工期間車輛需限速慢行，通行能力下降。

杭金衢高速公路現(xiàn)狀的許多路段目前交通量已趨于飽和，因此，如何在大交通流量下盡可能減少邊坡施工對交通的影響，便成為保證整個擴建工程順利實施的關(guān)鍵因素之一。而開展路塹高邊坡處治方案優(yōu)化及加固方法的研究，盡量減小邊坡開挖的工程量，加快施工進度，縮短工期，不僅可為杭金衢高速公路改擴建項目的施工安全和暢通運營提供技術(shù)支持，而且還可為將來類似工程的實施提供科學(xué)依據(jù)和經(jīng)驗積累。

考慮到杭金衢高速公路改擴建工程對施工工期和保通的高標(biāo)準(zhǔn)要求，其路塹高邊坡的拓寬方式宜選擇盡可能減少邊坡開挖的方案，從這點考慮，圖1 （c）的擴寬方案其開挖量最小應(yīng)是最理想的。但是，圖1（c）的擴寬方案需設(shè)置抗滑樁或預(yù)應(yīng)力錨索樁，其施工難度較大且混凝土圬工量較大。因此，本文擬通過邊坡穩(wěn)定性評價和有限元數(shù)值計算對圖1 （c）的支護方案進行優(yōu)化，在保證邊坡安全性的情況下，通過強化上邊坡的支護結(jié)構(gòu)（在上邊坡設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索）來弱化對下邊坡的支護，并根據(jù)邊坡穩(wěn)定性評價結(jié)果對下邊坡采用坡面綠化防護或錨桿格梁防護以取代抗滑樁或預(yù)應(yīng)力錨索樁。

以K113+000～K113+293左側(cè)路塹高邊坡為例，采用極限平衡法和有限元強度折減法，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查對該邊坡穩(wěn)定性進行綜合分析和評價。在此基礎(chǔ)上，對圖1（c）的拓寬方式進行優(yōu)化，并通過考慮邊坡巖體的塑性變形以及支護結(jié)構(gòu)與邊坡坡體變形的相互作用，對支護結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化。

2.2邊坡地質(zhì)條件

K113+000～K113+293左坡全長約300 m。該路塹邊坡軸線走向213°，坡面傾向300°，路線通過圓形丘陵山體西坡，原始地形坡度10°～25°。公路軸線通過路段最高高程162 m，路基段自然地面高程約130 m，表部植被發(fā)育。

路塹區(qū)域的巖體巖性為泥質(zhì)粉砂巖夾細砂巖，紫紅色。其中，強風(fēng)化層巖石風(fēng)化成泥夾碎石狀，厚2.5～3.5 m；中風(fēng)化層呈碎塊夾泥狀，厚1～3.0 m；微風(fēng)化層呈厚層狀結(jié)構(gòu)，巖層產(chǎn)狀172°∠38°。邊坡巖體主要節(jié)理裂隙產(chǎn)狀為：162°∠35°，間距0.6～1.2 m；250°∠80°，間距0.4～0.8 m；290°∠20°，間距0.3～0.6 m。其中，第3組節(jié)理290°∠20°與路塹邊坡坡面近平行，對邊坡穩(wěn)定不利。

地下水主要以裂隙水形式存在，山坡地形有利于排水，邊坡水文地質(zhì)條件較好。

2.3邊坡穩(wěn)定性計算原理

采用有限元強度折減法對邊坡開挖前后的穩(wěn)定性進行分析評價。支護結(jié)構(gòu)設(shè)計以加固后邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)不小于開挖前的原狀邊坡安全系數(shù)為原則，在此基礎(chǔ)上對支護參數(shù)進行優(yōu)化，且建立邊坡穩(wěn)定性分析計算模型，系統(tǒng)、全面地分析不同工況條件下邊坡的穩(wěn)定性。

有限元強度折減法的基本原理是通過利用式（1）和式（2）來調(diào)整巖土體的抗剪強度指標(biāo)c和φ，然后對巖土體進行有限元分析，通過不斷增加折減系數(shù)，反復(fù)分析土坡，直至達到臨界破壞，此時得到的折減系數(shù)即為安全系數(shù)［8-9］。強度折減法的優(yōu)點是安全系數(shù)可以直接給出，不需事先假設(shè)滑裂面的形式和位置，且滑裂面的范圍更加直觀。

式中：Ft為折減系數(shù)；c和φ分別為折減前的巖土體粘聚力和內(nèi)摩擦角；ct和φt分別為折減后的巖土體粘聚力和內(nèi)摩擦角。

由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性及計算參數(shù)的不確定性，邊坡穩(wěn)定性分析往往難以通過一種方法得出可靠結(jié)果。為此，本文將有限元強度折減法計算結(jié)果與極限平衡法進行比較并相互驗證，對不同工況下的邊坡穩(wěn)定性進行系統(tǒng)、全面的分析。

2.4支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

基于穩(wěn)定性綜合分析和評價結(jié)果，探討先錨固后開挖施工方案的可行性。建立加固后的邊坡力學(xué)計算模型，研究路塹上級邊坡預(yù)應(yīng)力錨索加固后對由邊坡開挖引起的穩(wěn)定性損失的補償效果。

對錨索長度、間距、噸位等設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化，確定最優(yōu)的支護措施和加固方法。

選取典型橫斷面K113+126，建立有限元模型，如圖2所示，模型計算參數(shù)見表1。

圖2　K113+126典型斷面有限元分析模型

表1　有限元模型計算參數(shù)

由表1的計算參數(shù)計算得到邊坡開挖前后其穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.61和1.50。邊坡開挖前后的潛在滑裂面形態(tài)如圖3所示。

圖3　邊坡開挖前后的穩(wěn)定性計算結(jié)果

計算結(jié)果表明，開挖致使邊坡穩(wěn)定性系數(shù)下降0.1左右。經(jīng)反復(fù)試算可知，當(dāng)對邊坡設(shè)置6道650 kN的預(yù)應(yīng)力錨索進行加固后（縱向間距為4 m，長度22～32 m，傾角25°），不僅可以補償開挖引起的穩(wěn)定性損失，而且可以保證邊坡穩(wěn)定系數(shù)不低于開挖前的水平。先設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索再開挖的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.68，其潛在失穩(wěn)破壞模式如圖4所示。

圖4　先加固后開挖邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果（安全系數(shù)為1.68）

有限元計算結(jié)果與極限平衡法計算結(jié)果比較見表2。極限平衡法計算得到的先錨固后開挖的邊坡潛在滑裂面形態(tài)如圖5所示（限于篇幅，圖5只給出了極限平衡法中的Spencer法計算得到的邊坡滑裂面形態(tài)）。由表2可知，有限元強度折減法計算得到的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)與極限平衡法結(jié)果基本一致，有限元強度折減法獲得的潛在滑面其后緣范圍比極限平衡法略大。

表2　不同計算工況的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)

圖5　Spencer法計算得到的滑裂面形態(tài)（安全系數(shù)為1.641）

極限平衡法和有限元強度折減法計算均表明，對路塹上級邊坡進行預(yù)應(yīng)力錨索加固后，再進行下邊坡開挖可以補充由邊坡開挖引起的穩(wěn)定性損失，說明采用本文提出的先對上邊坡進行預(yù)應(yīng)力錨索加固再對下邊坡進行開挖的方案是可行的。該方案由于只對路塹1級邊坡進行擴挖，故可最大限度地減少邊坡開挖工程量，且施工方便。

為進一步分析開挖及加固措施對邊坡變形的影響規(guī)律，基于上述有限元計算模型及參數(shù)，本文對開挖引起的邊坡變形進行了計算。直接開挖與先預(yù)應(yīng)力錨索加固再開挖的邊坡變形與應(yīng)力云圖分別如圖6～9所示。

由圖6可以看出，邊坡開挖引起的最大變形位置位于開挖面附近，向坡體內(nèi)部隨著距離的增加逐漸減小。

由圖8可以看出，預(yù)應(yīng)力錨索加固對坡體的最大變形量影響很小。這是因為相對于巖體的剛度而言，錨索加固作用相對較柔，對邊坡變形的限制作用有限。所以，總體而言，錨索對邊坡變形的影響范圍很小。

由圖7和圖9可以看出，開挖和預(yù)應(yīng)力錨固作用對坡體的應(yīng)力分布也有一定影響。開挖對邊坡應(yīng)力的影響范圍主要在開挖坡面附近，這與開挖對邊坡變形的影響規(guī)律基本一致。

比較圖7和圖9，可以發(fā)現(xiàn)錨索加固對該邊坡的等效應(yīng)力增量的影響較小，這與邊坡的開挖引起的變形量很小有關(guān)。

圖6　邊坡直接開挖后的位移計算結(jié)果

圖7　邊坡直接開挖后的應(yīng)力計算結(jié)果

圖8　錨索加固后的位移計算結(jié)果

圖9　錨索加固后的應(yīng)力計算結(jié)果

3　結(jié)論

本文以杭金衢高速公路改擴建工程為背景，介紹了路塹高邊坡的常用擴寬形式及穩(wěn)定性計算方法。結(jié)合具體高邊坡案例，通過有限元分析，探討了對路塹上邊坡進行預(yù)應(yīng)力錨索加固后，只對路塹1級邊坡進行擴挖方案的可行性，并得出以下主要結(jié)論：

1）采用有限元強度折減法計算獲得的邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)與極限平衡法基本一致?；嫖恢寐杂胁町?。通常，有限元強度折減法獲得的潛在滑面其后緣范圍比極限平衡法略大。

2）本文提出的先對上邊坡進行預(yù)應(yīng)力錨索加固再對下邊坡進行開挖的方案理論上是可行的。在杭金衢高速公路改擴建工程實踐中對上邊坡采取了超前支護方法，其對于保障邊坡工程的安全、經(jīng)濟、環(huán)保具有實效。該方法施工方便，可最大限度地減少邊坡開挖量，大幅度節(jié)省施工工期，具有一定的應(yīng)用價值。

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Optimized Design for High Slope Supporting/Protection During Highway Cutting Expanding

XU Yuntao，GU Haidong，YE Jianlong，JIANG Zhenghui

Highway expanding/revamping project is influenced by traffic protection and constructional period，which requires an optimized scheme to reduce side slope excavation，shorten construction period at the premise of guarantee side slope safety，as well as minimize influence to traffic.We take Hangzhou-Jinhua-Quzhou Highway expanding project as an example，to discuss the popular widening method of road cutting high slope and its stability calculation method.Combined with detailed high slope case，through finite element analysis，we explored the feasibility to carry out expanding excavation only to Class 1 side slope at road cutting after prestressed anchoring&reinforcing to slopes.

highway；revamping/expanding；high slope above road cutting；optimized design

1009-6477（2016）04-0001-05

U412.36+6

A

10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.001

浙江省交通運輸廳科技計劃項目（2013H11）

2016-04-16

徐云濤（1963-），男，浙江省武義縣人，研究生，高級經(jīng)濟師。