■王 輝

(1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所；2.福建省路翔工程設(shè)計有限公司；3.福建省公路工程試驗檢測中心站，福州 350001)

高邊坡動態(tài)設(shè)計方法研究與工程實踐

■王 輝1,2,3

(1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所；2.福建省路翔工程設(shè)計有限公司；3.福建省公路工程試驗檢測中心站，福州 350001)

由于高邊坡病害的多樣性、病因的復(fù)雜性以及地質(zhì)鉆探的局限性，初始設(shè)計方案往往不能很好的切合實際，高邊坡工程堅持動態(tài)設(shè)計的設(shè)計思想就變得十分重要。只有動態(tài)跟蹤設(shè)計，才能保證治理工程最合理、最符合病害工點的客觀實際。文中以福建省某高速公路高邊坡設(shè)計為例，介紹了高邊坡動態(tài)設(shè)計的方法，即充分考慮、把握病害類型及成因的時間效應(yīng)，根據(jù)施工過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)、邊坡實際揭露的地質(zhì)情況，對高邊坡進行系統(tǒng)分析，及時調(diào)整設(shè)計方案，同時對高邊坡病害進行一次根治，確保路塹邊坡體穩(wěn)定和交通運輸安全。

高邊坡 動態(tài)設(shè)計 動態(tài)信息 方案優(yōu)化

0 前言

根據(jù)我國高速公路高邊坡動態(tài)設(shè)計案例，無論是對高邊坡工程原理的認(rèn)識還是對工程施工技術(shù)的運用都不夠全面。在進行高邊坡工程開挖之前要對其地形、環(huán)境、工程情況等實地勘察，但是由于勘察條件限制，通常情況下施工開挖后所呈現(xiàn)的地質(zhì)現(xiàn)狀與之前勘測的數(shù)據(jù)資料存在一定的差異，從而給高速公路高邊坡的施工帶來風(fēng)險，乃至發(fā)生較大的工程事故。就此，探尋行之有效的高速公路高邊坡動態(tài)設(shè)計方法已經(jīng)成為我國公路建設(shè)事業(yè)亟待研究的問題之一。

1 工程病害概況

本文以福建省某高速公路K59+620～K59+680為工程背景。該處路基為半挖半填形成的路堤邊坡，共6級，最大坡高54m。2015年8月底至9月初，該工程附近地區(qū)連續(xù)出現(xiàn)多次強降雨，致該路段已經(jīng)鋪設(shè)好的路面出現(xiàn)開裂變形。該處原地貌為溝槽地帶，路堤邊坡的坡腳位置原為水塘，路堤填方段為匯水位置。填料透水性較好，原坡面形成了相對隔水的地層，匯集的地下水易于在填土和原狀土的交界面附近富集、滯留，形成軟弱滑動帶。填土邊坡上部沿著軟弱帶滑動，在路基面以下的各級平臺位置出現(xiàn)剪出跡象。

2 高邊坡動態(tài)設(shè)計原理

工程設(shè)計是工程項目施工中重要的環(huán)節(jié)，它是對工程項目的整體情況進行詳細(xì)、科學(xué)合理的評估，同時還要對工程建設(shè)的實際地點進行勘測，將勘測的具體數(shù)據(jù)、資料保存起來，以便為工程實際施工提供依據(jù)，所以工程設(shè)計具有一定的前瞻性。但是在施工過程中，實際情況與之前勘測的相關(guān)數(shù)據(jù)資料容易存在一定差異，這就導(dǎo)致工程施工之前的設(shè)計失去了時效性。目前，高速公路高邊坡動態(tài)工程的主要建造矛盾就是解決勘測情況與實際施工情況之間的問題。最為合理的辦法就是工程施工之前進行勘測，工程施工之后針對之前勘測不相同的地方，以實際施工情況為參考依據(jù)，進行設(shè)計方案的調(diào)整與完善，最終使工程設(shè)計與實際情況相符，降低施工風(fēng)險。

高速公路高邊坡工程的施工要將工程施工前的勘測資料、工程設(shè)計資料以及最為重要的工程實際施工資料和施工完成后的檢測資料等整理保存，這些資料共同組成了高速公路高邊坡工程的動態(tài)設(shè)計資料。在進行高邊坡施工前，工程勘察人員應(yīng)到工程施工現(xiàn)場查看實際地質(zhì)情況，在這一項工作當(dāng)中，最重要的環(huán)節(jié)是勘察人員要格外注意施工地帶的巖體結(jié)構(gòu)，對巖體結(jié)構(gòu)的類型、特點等進行考察，詳細(xì)、準(zhǔn)確地記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

其次，相關(guān)設(shè)計人員應(yīng)參考勘察的數(shù)據(jù)對高邊坡的穩(wěn)定性與原設(shè)計對比推斷，這一項工作主要是運用工程地質(zhì)類比法，在此基礎(chǔ)上還有工程地質(zhì)力學(xué)綜合法，通過運用這兩種方法的計算能夠?qū)こ痰姆€(wěn)定性予以正確合理的判斷。

第三，在對高邊坡的穩(wěn)定性進行合理判斷之后，就要對其穩(wěn)定性進一步計算衡量，以此確定其穩(wěn)定定量，這一計算設(shè)計主要運用極限平衡分析法和相對應(yīng)的數(shù)值計算法。

第四，將上述數(shù)據(jù)推斷計算之后，設(shè)計人員就要進行高速公路高邊坡動態(tài)設(shè)計。

第五，高邊坡工程在施工過程中容易受到施工地質(zhì)、施工環(huán)境等影響，易出現(xiàn)工程薄弱部分，設(shè)計人員在進行工程設(shè)計的過程中要考慮到這一點，并且針對實際情況設(shè)計出工程重點環(huán)節(jié)的監(jiān)測方案，以此將工程施工影響降至最低。

第六，工程設(shè)計之后要進行具體工程施工。實際工程施工情況一定會與設(shè)計方案存在偏差，就此，針對實際工程的相關(guān)工程信息、地質(zhì)信息、環(huán)境信息以及施工情況信息等與設(shè)計方案進行對比分析，針對工程設(shè)計方案當(dāng)中不合理的地方進行數(shù)據(jù)調(diào)整，保證設(shè)計方案與施工情況相符；最后，針對工程勘測、工程設(shè)計以及工程施工過程中出現(xiàn)的問題和相關(guān)工程資料數(shù)據(jù)進行整理保存，以此對工程不足之處進行研究分析，探尋解決方法。

3 動態(tài)設(shè)計工作思路

動態(tài)設(shè)計是指在設(shè)計中充分考慮、合理把握時間因素對設(shè)計工作可能的影響。高邊坡病害整治工程動態(tài)設(shè)計的工作思路分為設(shè)計前階段、施工設(shè)計階段和施工階段三個階段。

3.1 設(shè)計前階段

在設(shè)計之初對病害工點的病害類型、產(chǎn)生原因等進行客觀、動態(tài)地把握。做到“一次根治，不留后患”。只有這樣才能在治理工程設(shè)計時有的放矢。

對病害工點的全面動態(tài)了解，貫徹設(shè)計與地質(zhì)工作的緊密結(jié)合。從事設(shè)計的工程技術(shù)人員，應(yīng)做到經(jīng)常深入工地現(xiàn)場，全面了解病害的發(fā)生、發(fā)展過程，認(rèn)識的深淺對病害治理工作影響很大。

對病害發(fā)生時的狀態(tài)與設(shè)計周期內(nèi)可能出現(xiàn)最不利的情況進行動態(tài)比較，注意降雨引起的巖土體重度、地下水位等變化及由此引發(fā)的巖土體物理力學(xué)作用隨時間的變化。考慮風(fēng)化作用因素，做到動態(tài)選取設(shè)計參數(shù)。

3.2 施工設(shè)計階段

設(shè)計工作尤其應(yīng)堅持動態(tài)思維。這在設(shè)計參數(shù)的選取、設(shè)計狀態(tài)的把握、計算方法的使用、計算模式的選擇、基礎(chǔ)資料的分析、安全系數(shù)的選擇以及施工組織等方面尤為重要。

整個設(shè)計過程始終貫穿一個動態(tài)的過程。從方案設(shè)計到最后的施工圖設(shè)計，任何一項設(shè)計內(nèi)容都可能因為對病害認(rèn)識的進一步深入而有所變化。即使在施工圖文件已定的情況下，這種變動在病害治理工程中也是比較平常的事情。它同前期地質(zhì)勘察和設(shè)計工作一樣，任一階段的工作在整個病害治理工作中都是同等重要的。設(shè)計人員在整個設(shè)計過程中應(yīng)多深人到病害工點現(xiàn)場，實地考察所選工程措施的適用性和合理性。這對設(shè)計的合理性以及減少后續(xù)工作量很重要。

3.3 施工階段

當(dāng)施工開始后，動態(tài)設(shè)計似乎比設(shè)計的任一階段都顯得微不足道。然而，事實并非如此。因為施工過程不僅是施工單位對設(shè)計的實施過程，同時也是設(shè)計人員對設(shè)計的合理性進行檢驗的過程。

前期對病害工點進行的勘察工作，只是基于某種勘探手段的一種推測與判斷。因此，在此基礎(chǔ)上的病害治理工程設(shè)計也存在許多有待驗證及完善之處。與之相比，施工開挖使設(shè)計范圍內(nèi)的地層情況得到了最大限度的揭露，從而可以更加準(zhǔn)確地判定控制性結(jié)構(gòu)面、軟弱夾層、泥化條帶等的產(chǎn)狀。施工過程中的開挖面具有隱蔽性或多解性。設(shè)計人員必須及時對施工現(xiàn)場的情況加以了解、掌握。根據(jù)實際情況對設(shè)計進行驗證，并及時對不合理、不完善的地方進行補充或修改。這樣不僅可以避免原設(shè)計中可能存在的安全隱患，同時也有可能降低工程造價。

實際工作中，設(shè)計人員往往是在施工單位反映現(xiàn)場出現(xiàn)新的變形或不穩(wěn)定跡象時才到現(xiàn)場處理。這種做法對病害治理非常不利。尤其是長大公路建設(shè)項目，本身線路長、工點多、工期緊。如果適逢雨季，這種工作方法往往會導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果：一是由于施工技術(shù)人員不可能對現(xiàn)場出現(xiàn)的與設(shè)計有關(guān)的信息進行全面的了解與掌握，有些細(xì)微的變形跡象不易察覺。當(dāng)變形跡象明顯時，坡體病害已進一步惡化，或者設(shè)計變更的最佳時機已錯過，或者導(dǎo)致已做工程出現(xiàn)破壞，給后續(xù)設(shè)計工作帶來較大困難，新增加了工程量；二是雖然在設(shè)計時考慮了施工因素，并對施工應(yīng)注意事項提出了嚴(yán)格的要求。但有時現(xiàn)場施工不能完全按設(shè)計要求進行施工。特別是在高邊坡病害治理中，施工程序、施工方式對設(shè)計的影響更大，一旦出現(xiàn)問題，設(shè)計人員應(yīng)及時做出變更處理。總之，動態(tài)設(shè)計在施工階段的貫徹，體現(xiàn)了設(shè)計工作的延續(xù)性以及設(shè)計人員的責(zé)任心。應(yīng)在病害治理工作中大力提倡，動態(tài)設(shè)計方法如圖1所示。

4 動態(tài)設(shè)計在實際工程中的應(yīng)用

4.1 設(shè)計前對病害的動態(tài)認(rèn)識

因該高速公路動態(tài)設(shè)計內(nèi)容較多，僅選取K59+620～K59+680左側(cè)邊坡進行分析。該邊坡坡體主要由粉質(zhì)粘土、凝灰熔巖風(fēng)化層組成，邊坡最大開挖高度約為48.5m，邊坡表層為粉質(zhì)粘土，厚度約為2.20～2.50m，其下為全風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖，厚度約為21.90～28.60m。路塹區(qū)路段內(nèi)分布粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化巖，遇水易軟化、崩解，邊坡穩(wěn)定性較差，須采用安全坡率。

4.2 動態(tài)設(shè)計內(nèi)容

(1)坡率及加固工程布置

圖1 高邊坡動態(tài)設(shè)計方法

邊坡設(shè)計最高為6級，各級邊坡設(shè)計坡率及防護加固工程措施為：第一級1:1，采用漿砌片石護面墻防護；第二至四級1:1，采用錨索框架植草防護；第五、六級1: 1.25，采用拱形骨架植草防護。兩側(cè)坡率據(jù)其坡高及地形地質(zhì)條件適當(dāng)調(diào)整。

(2)防護工程

坡面視坡率及地質(zhì)條件采用漿砌片石護面墻、錨索框架植草、拱型骨架植草灌、植草灌等措施進行防護。

(3)坡體排水工程

邊坡第一至四級坡腳向上30cm處布置仰斜式排水孔，深15m，間距5m，仰角8～15°。

4.3 施工后動態(tài)信息收集和分析

(1)動態(tài)信息獲取

邊坡設(shè)計信息的獲取以現(xiàn)場觀察和監(jiān)測為核心，多渠道獲取信息來完成。本標(biāo)段建成深部位移監(jiān)測孔10個，布置示意圖如圖2所示。

(2)孔位移監(jiān)測

在施工過程中，有專人記錄邊坡開挖時節(jié)理、裂隙的發(fā)展情況。所有這些信息，通過曲線和圖表的形式，及時反饋設(shè)計方，為方案的優(yōu)化設(shè)計提供合理依據(jù)。

(3)信息資料分析

工程開工后，監(jiān)測方對該邊坡的深孔位移監(jiān)測曲線進行分析，以孔ZK1-1#孔的變化為例，列出變化趨勢，如圖3～圖6所示。首次監(jiān)測距成孔時間較短，受監(jiān)測孔孔壁四周填砂自密實影響，歷次監(jiān)測曲線呈現(xiàn)形波動形狀。本次監(jiān)測發(fā)現(xiàn)各監(jiān)測孔均有不同程度的擠壓蠕動變形反應(yīng)：ZK1-1距孔口0～12m有蠕動變形反應(yīng)，ZK2-3曲線波動、蠕動反應(yīng)，ZK2-4距孔口4m、8m有疑似變形反應(yīng)，其余監(jiān)測孔監(jiān)測曲線均未見明顯滑動變形反應(yīng)，有不同程度的蠕動、波動反應(yīng)。監(jiān)測孔內(nèi)的地下水水位未見明顯變化，監(jiān)測反映坡體地下水埋深較淺，地下水發(fā)育一般。

圖2 邊坡監(jiān)測孔布置示意圖

圖3 ZK1-1#孔變化曲線A向變化量(mm)

圖4 ZK1-1#孔變化曲線A向位移(mm)

圖5 ZK1-1#孔變化曲線B向變化量(mm)

4.4 初始設(shè)計方案的動態(tài)優(yōu)化

(1)優(yōu)化加固方案

根據(jù)邊坡開挖后的地表變形及對深孔監(jiān)測資料分析的結(jié)果，采用回填方案，對平行線路高邊坡的一級坡進行回填?；靥钪链怪本€路高邊坡一級平臺處，施工完成后邊坡一起綠化。

(2)優(yōu)化排水方案

地下水的活動是造成巖石滑坡的主要原因。橋位區(qū)高邊坡更應(yīng)重視。為疏干坡體中的地下水，在垂直線路高邊坡第三級、平行線路高邊坡第四級鋼筋砼預(yù)應(yīng)力錨索框架中，各設(shè)置1排仰斜疏干排水孔。

圖6 ZK1-1#孔變化曲線B向位移(mm)

(3)后期觀測

施工結(jié)束后，所建立的監(jiān)測網(wǎng)繼續(xù)工作。利用監(jiān)測信息監(jiān)控加固邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，判斷設(shè)計的合理性。從幾個月以來的監(jiān)測結(jié)果看，雖然經(jīng)歷陰雨天的侵襲，坡體并未發(fā)生大變形。坡體位移曲線也趨穩(wěn)定。

根據(jù)動態(tài)設(shè)計、實時監(jiān)測結(jié)果以及信息化施工反饋信息，所有變更設(shè)計均應(yīng)力爭使各工點的設(shè)計更趨合理。有時可能帶來工程量的少量增加，卻使病害治理工程的預(yù)期治理效果更理想。

5 結(jié)語

動態(tài)設(shè)計與信息化施工是目前國內(nèi)外興起的新技術(shù)。許多重大工程采用了此項新技術(shù)進行設(shè)計施工，已取得了很好的成效。由于目前人類對高邊坡病害的認(rèn)識水平有限以及各方面的客觀原因，客觀、科學(xué)的動態(tài)設(shè)計也是高邊坡病害治理工程必不可少的內(nèi)容。本文從工程實際出發(fā)，介紹了高邊坡動態(tài)設(shè)計的工作思路和工作方法，既保證了工程如期完工，又降低了成本，可供類似工程參考與借鑒。

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