杜曉燕，葉陽升，張千里，常 凱，吳中漢

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081；2高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081；3北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

1 工程概況

太原至中衛(wèi)(銀川)鐵路由東向西，于太原南站發(fā)車，到達包蘭線中衛(wèi)站、銀川站，橫跨山西省西南部、陜西省北部、寧夏回族自治區(qū)中北部?？拓浕爝\，線路等級為Ⅰ級，全長751 km，設(shè)計速度160 km/h。其中K1067+050—K1067+200位于褚家溝—呂梁間黃嶂二號隧道進口，下行線左側(cè)為四級深路塹護坡，全長約150 m，線路以挖方通過黃土高原丘陵地區(qū)，該地區(qū)地形起伏較大，沖溝發(fā)育。

地層自上而下依次為新黃土、粉質(zhì)黏土。依照GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[1]劃分為一級邊坡。2016年6月現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)坡腳大量散落著坡面掉落的勾縫碎片，且在一、二級護坡的中上部出現(xiàn)了局部嚴重外鼓現(xiàn)象(二級護坡最大達20 cm)。該處護坡砌體砂漿強度嚴重不足，坡面砌石間的砂漿徒手即可剝落。一、二級坡面外鼓嚴重，且一、二、三級平臺頂部已出現(xiàn)貫通裂縫，對線路帶來安全隱患。邊坡全貌見圖1，二級護坡病害如圖2所示。

圖1 K1067+050—K1067+200全貌圖2 二級護坡外鼓嚴重

2 邊坡病害原因分析

2.1 變形現(xiàn)象

一級護坡坡率1∶0.75，坡高9.2 m。工務(wù)段于2015年已臨時處理。但據(jù)本次調(diào)研顯示，坡面嚴重外鼓現(xiàn)象依然存在，坡腳有漿砌片石掉塊，坡頂有150 m縱向貫通裂縫，距平臺邊1.2～1.8 m，縫寬約2 cm，如圖3(a)所示。隧道口附近水溝混凝土抹面上出現(xiàn)鼓脹擠壓變形，如圖3(b)所示，是邊坡向隧道擠壓引起的。二級護坡坡率1∶0.75，高8 m，二級護坡平臺寬4 m，坡面漿砌片石外鼓嚴重，工務(wù)段已臨時處理，如圖3(c)所示。坡頂呈現(xiàn)3道裂縫，分別距離平臺邊0.4，1.2，2.4 m，且最長裂縫長150 m，縱向貫通，現(xiàn)已部分修補。三級護坡坡面漿砌片石外鼓與一級、二級護坡相比，程度較輕。坡頂裂縫縱向貫通，距平臺邊1.20,1.65 m，最大縫寬3 cm，且存在錯臺，有沉降跡象，如圖3(d)所示。四級護坡坡墻與坡頂較完整，無嚴重病害。

圖3 變形現(xiàn)象

2.2 邊坡工程地質(zhì)和地下水分析

從已有竣工資料分析，工點位于黃嶂2號隧道出口與前莊大橋小里程端，地形起伏較大。線路兩側(cè)大部分為耕地，沖溝發(fā)育，線路以挖方通過黃土高原丘陵區(qū)，線路中心最大挖深為17.54 m。地層自上而下為：新黃土，淺黃色，硬塑，具有濕陷性，濕陷系數(shù)在0.016～0.038，為Ⅱ級自重濕陷場地;老黃土,淺紅色，硬塑，夾卵礫石;粗角礫石,黃褐色，潮濕，中密。地震動峰值加速度0.10g，土壤最大凍結(jié)深度0.87 m。

三級以上和部分二級坡體巖性為黃色粉質(zhì)新黃土，其下為褐色粉質(zhì)老黃土。在坡腳處夾有卵石土出露，不同土體接觸面向外傾角約13°，形成不穩(wěn)定坡體結(jié)構(gòu)。巖土體松弛開裂后，由于雨水和地下水的影響，于新老黃土接觸面形成一個水平的匯聚面，易使上覆巖土體滑動。坡腳卵石土形成儲水層，山體中的水流向坡腳，使坡腳老黃土強度降低，進而使坡腳以上整體變形。

2.3 變形性質(zhì)

2.3.1 漿砌片石墻變形

從漿砌片石墻外鼓，以及一、二、三級平臺第1道裂縫可知，漿砌片石整體下滑。這主要是因為坡面漿砌片石勾縫砂漿由于時間長強度降低，甚至開裂，雨水通過裂縫匯入土體里，墻后土體受雨水作用，使墻與土體摩擦力降低，墻體壓力增大而發(fā)生外鼓下滑。

2.3.2 墻后土體變形

降雨時雨水下滲，土體強度降低，并且該邊坡漿砌片石整體下滑外鼓，使得墻后土體滑動，通過坡頂平臺第2、第3道裂縫可知，墻后土體已經(jīng)變形。

2.3.3 坡體整體變形

坡體整體變形性質(zhì)如下：

①一級平臺截水溝混凝土靠近隧道口處發(fā)生凸起變形，證明坡體有向隧道口滑動擠壓趨勢。

②隧道口附近二、三級平臺無明顯裂縫，遠離隧道口附近裂縫明顯且有貫穿裂縫，說明由于一級坡體松弛，可能導(dǎo)致二、三級坡體變形。

③從邊坡地層情況可以看出，巖層傾向向外，有利于滑動，尤其護坡出現(xiàn)裂縫后，雨水可通過裂縫滲入坡體，降低土體強度，且在巖層分界處易形成滑移面。特別是一級坡腳處有卵石土貫通，如圖4所示，裂隙水在此集聚，使上層土體黏聚力降低，易形成滑帶，造成上覆土體滑動，形成滑坡。另外，當現(xiàn)有滑坡滑走后，后級也形成高邊坡，在松弛作用下最后也會發(fā)生滑坡，對線路構(gòu)成威脅。所以該滑坡急需整治才能保證線路安全。

圖4 滑坡示意

3 計算分析

3.1 滑坡推力計算

根據(jù)DZ/T 0219—2006《滑坡防治工程設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》[2]，采用傳遞系數(shù)法計算滑坡推力。計算簡圖如圖5所示。

圖5 滑坡計算簡圖

滑坡穩(wěn)定性計算時各力的計算式如下：

1)滑坡推力。按傳遞系數(shù)法其計算式為

Pi=Pi-1Ψ+KsTi-Ri

(1)

式中：Pi為第i條塊的推力，kN/m;Pi-1為第i-1條塊剩余下滑力，kN/m;Ψ為傳遞系數(shù);Ks為設(shè)計安全系數(shù);Ti為條塊重力在滑面切線方向的分力，kN;Ri為第i條塊的抗滑力，kN。

2)下滑力Ti。計算式為

Ti=Wi(sinαi+Acosαi)+

NWisinβicos(αi-βi)

(2)

式中：Wi為第i條塊的重力，kN/m;αi為第i條塊的滑面傾角，(°);A為地震加速度,取1.0g;NWi為孔隙水壓力，kN;βi為第i條塊的地下水流向，(°)。

3)抗滑力Ri。計算式為

Ri=Wi(cosα1-Asinαi)-NWi-

NWisinβisin(αi-βi)tanφi+ciLi

(3)

式中：φi為第i條塊的內(nèi)摩擦角，(°);ci為第i條塊的黏聚力,kPa;Li為第i條塊的滑面長度,m。

4)傳遞系數(shù)。計算式為

Ψ=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi

(4)

式中：αi-1為第i-1滑面與水平面的夾角，(°)。

不考慮孔隙水壓力且安全系數(shù)K取1.05時滑坡推力計算結(jié)果見表1。

表1 安全系數(shù)取1.05時滑坡推力計算結(jié)果

當K=1.05時，φ2=12.06°，tanφ2=0.15。由此求得滑坡推力E2=229.06 kN/m。

3.2 錨固力計算

設(shè)計錨固力Pt計算式為

(5)

式中：α為錨索與滑動面相交處滑動面傾角；β為錨索與水平面夾角，以下傾為宜，不應(yīng)大于45°，宜為15°～30°；φ為滑動面內(nèi)摩擦角。

設(shè)計錨固力計算參數(shù)見表2。

表2 設(shè)計錨固力計算參數(shù)

經(jīng)計算所需設(shè)計錨固力Pt=784.45 kN。在3 m范圍內(nèi)，按設(shè)計共有6根錨索，故每根錨索需要的力為130.74 kN。

錨固范圍分2種：①穿過卵石土，參考已有竣工地層資料以及根據(jù)設(shè)計錨固角度，錨固段穿過卵石土的厚度為4.2 m。選用卵石土的黏結(jié)強度為260 kPa，老黃土為60 kPa。②未穿過卵石土，選用老黃土黏結(jié)強度為60 kPa。

錨固長度至少需要10 m，選用12 m，鉆孔直徑15 cm，并通過抗拔試驗和工程地質(zhì)鉆探驗證設(shè)計參數(shù)。

3.3 框架梁尺寸和配筋

根據(jù)錨固力大小選用相應(yīng)截面和配筋。根據(jù)設(shè)計，選用400 mm×400 mm截面，通過矩形截面梁受彎分析，確定配筋大小為330 mm2，故選取2根φ22鋼筋，對稱配筋，鋼筋截面760 mm2。

4 整治措施

1)錨索框架梁護坡[3-6]。本邊坡在坡腳以上高約近40 m，一級至三級護坡坡面和坡頂平臺裂縫，雨水下滲后粉質(zhì)黏土強度降低，穩(wěn)定性差，易滑動，而新黃土黏聚力低，隨時間的推移坡體有整體變形的趨勢，所以一、二級護坡使用預(yù)應(yīng)力錨索框架加固。以此措施拉緊加固該層土體，可以增大巖土體各個層面之間的抗滑力，并且獨立的錨索被框架梁連成統(tǒng)一的整體，維持坡體整體穩(wěn)定。

2)錨桿框架梁加固。對于三級坡體，坡頂裂縫是由于一、二級坡滑動牽拉所致，在一二級坡施加預(yù)應(yīng)力錨索框架梁加固后，只需使用錨桿框架梁加固，即可保持坡體穩(wěn)定，并對三級坡頂裂縫進行修補，防止雨水下滲。在四級坡頂面設(shè)置截水溝，排除山上地表水，避免對四級護坡沖刷，另外對已有裂縫采用水泥砂漿封縫處理。

圖6 工程整治示意(單位：cm)

3)整治工程如圖6所示。具體設(shè)計：①對于錨索框架，錨索采用4股鋼絞線，一二級護坡各采用3排錨索，為確保錨固力錨固段12 m?？蚣芩娇缍? m，一榀框架由水平和豎向各3跨組成，框架采用C30鋼筋混凝土。錨索施工完成后，采用多次張拉的方法，確保拉力達到設(shè)計要求。②自三級護坡以下2排錨桿長度均為9 m，一榀框架由水平3跨、豎向2跨組成，框架采用C30鋼筋混凝土。③在邊坡頂修排水溝并與兩側(cè)既有水溝相連，溝底保證不小于2%坡度。④為避免土體進一步受雨水浸泡，需對漿砌片石護坡坡面和坡頂裂縫進行修復(fù)封閉。⑤清理原有泄水孔，解決泄水孔不出水問題。⑥施工期間采用硬隔離防護。

5 施工工藝流程設(shè)計

5.1 錨索框架施工工藝流程

錨索框架施工分片進行，每片框架的施工工序如圖7所示。

圖7 錨索框架施工工序示意

5.2 錨桿框架施工工藝流程

錨桿框架施工分片進行，每片框架的施工工序同圖7。

5.3 關(guān)鍵工序及施工注意事項

1)施工前的錨索拉拔試驗。復(fù)核設(shè)計是工程設(shè)計中不可缺少的部分，在本項目中其內(nèi)容就是根據(jù)拉拔試驗來判定錨索錨固長度、錨索長度等設(shè)計參數(shù)是否需要重新設(shè)定，拉拔試驗在復(fù)合設(shè)計中起著關(guān)鍵作用。拉拔試驗選擇的工地應(yīng)與安設(shè)錨索工程具有相同的地質(zhì)條件，選擇具有代表性的孔不得少于3個，間距不得小于2.5 m。采用分級加載的方式，當加載超過拉力設(shè)計值的3倍，或者錨頭位移不收斂以及后一級荷載作用下位移增量不小于前一級荷載產(chǎn)生的位移增量的2倍時，可認為已經(jīng)發(fā)生破壞，試驗結(jié)束。

2)錨索鉆孔。本項目采用潛孔鉆施工，可以提高效率并控制成孔質(zhì)量。線路的方向基線和錨索的方向角分別用經(jīng)緯儀和方向架確定，最后用測角儀按照設(shè)計標準調(diào)整傾角，孔口坐標、方位和傾角均確定準確無誤后方可作業(yè)。在鉆孔作業(yè)過程中需記錄各個鉆孔地層變化(巖粉情況)、地下水狀況、進尺速度以及所有突發(fā)情況。鉆孔完成后需及時清理鉆具并用高壓清孔，為防異物進入需塞好孔口。如發(fā)生塌孔事故需灌漿固壁處理。

3)錨索安裝。為保證錨索順利安裝，在施工之前使用高壓空氣二次清孔確保孔內(nèi)無阻塞，并核查鉆孔編號與錨索編號，確認無誤后即可安裝。鉆孔內(nèi)灌注水泥砂漿等級為M30，水灰比為1∶1，砂漿強度至少為30 MPa。水泥砂漿需攪拌均勻，采用返漿式注漿，從孔底到孔口排氣，錨孔必須灌滿，避免空隙。由于水泥漿的收縮性，注漿完后還需補漿，直至灌滿。注漿壓力為0.3～0.6 MPa，應(yīng)與錨索拉拔試驗結(jié)果一致。

4)框架梁澆筑?？蚣芰喊凑赵O(shè)計尺寸首先綁扎鋼筋，再支好模架，最后澆筑混凝土。注意預(yù)埋錨墊板及孔口PVC管，節(jié)點處必需振搗密實。

5)錨索張拉。錨索張拉需在澆筑的混凝土和漿體強度均達到設(shè)計標準的80%后才可進行，張拉前務(wù)必標定張拉設(shè)備。整個張拉過程分3級進行，每級張拉的伸長量都必須準確記錄。張拉結(jié)束后，鋼絞線會因自身松弛以及巖土體徐變損失應(yīng)力，為保證錨索的預(yù)應(yīng)力達到設(shè)計標準，需在損失基本停止后對錨索進行補張拉。待張拉完畢且變形達到穩(wěn)定后，卸載至鎖定荷載以鎖定錨索，并用C25混凝土及時封閉錨頭坑。

6 結(jié)語

針對本文述及的大型高陡邊坡病害問題，提出了一種整治思路：采用對錨索施加預(yù)應(yīng)力的方法，將不穩(wěn)定的巖土體與穩(wěn)定巖體連為一體，使得巖土體各層面間的抗滑力大大增加，并且框架梁的存在使得獨立的錨索成為統(tǒng)一的整體?？蚣芰簩㈠^頭施加在其上的預(yù)應(yīng)力傳遞到寬廣的巖土體表面，形成的加固體系是由內(nèi)而外統(tǒng)一的整體，能保證邊坡的整體穩(wěn)定性。

通過對踏勘中病害現(xiàn)場的變形分析和對相關(guān)工程資料的研究，分析了病害產(chǎn)生的原因。計算了滑坡推力及錨索錨固力，對整治方案提供了理論指導(dǎo)。采取了錨索框架梁和錨桿框架梁加固、漿砌片石修復(fù)、排水系統(tǒng)的優(yōu)化等措施進行了病害整治方案設(shè)計。

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50330—2013 建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[2]中華人民共和國國土資源部.DZ/T 0219—2006 滑坡防治工程設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，2006.

[3]李中國.預(yù)應(yīng)力錨索框架在路塹邊坡病害防治中的應(yīng)用研究[D].北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2005.

[4]彭興,姜睿,張玉芳,等.典型軟弱破碎巖石邊坡預(yù)應(yīng)力錨索框架失效原因分析[J].鐵道建筑，2016,56(3):104-107.

[5]趙桐麗,魏少偉,張學(xué),等.下穿鐵路錨索工程預(yù)應(yīng)力損失規(guī)律[J].鐵道建筑，2018,58(2):64-67.

[6]中華人民共和國鐵道部.TB 10025—2006 鐵路支檔結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2006.