韓明君

(中鐵二十局集團有限公司，陜西 西安 710016 )

0 引 言

在進行邊坡加固和防護工程之前，路塹高邊坡巖土的內部應力通常會發(fā)生變化，使其強度衰減，進而導致邊坡巖土體發(fā)生變形，從而影響其穩(wěn)定性[1-4]。為確保挖方邊坡穩(wěn)定，研究人員做了大量的研究分析[5-11]。通常情況下，防護措施采用抗滑樁加預應力錨索支擋加固[12-14]，但設計中物理力學參數(shù)的選定缺乏可靠依據(jù)[15-16]，一般僅根據(jù)預估參數(shù)采用重型支擋加固措施來完成[17-20]。所以，為提高深路塹邊坡設計的合理性和科學性，對邊坡進行詳細的坡面穩(wěn)定性分析論證與綜合研究是必要的。

本文以重慶石黔高速公路項目的多處高邊坡為例，為了保證邊坡施工期間和竣工后的穩(wěn)定，防止其強度衰減，首先按不同地質條件進行分類，然后針對不同類型采取合適的開挖施工方法，以便順利完成邊坡巖土體的防護或加固施工。模擬計算開挖施工工況，并研究大型崩坡積體中深路塹開挖變形控制技術，包括軟質巖邊坡控制技術、土質邊坡控制技術等，這對項目選線、支擋工程設置、施工及運營安全意義重大。

1 項目概況

根據(jù)重慶高速公路骨架路網(wǎng)規(guī)劃，本項目屬于重慶“三環(huán)十射三聯(lián)線”中的第二環(huán)，是兩平至閩江高速公路石竹至閩江段。該項目始于石竹縣，止于渝湘高速公路。

重慶市高速公路網(wǎng)規(guī)劃方案如圖1所示，本項目為上下行分離式雙向四車道高速公路，設計時速為80 km·h-1，路基寬21.5 m，線路全長83.064 km。主要工程量有：路基土石方工程挖方約850萬m3，填方約670萬m3。

圖1 重慶石黔高速公路項目布局方案

1.1 地貌地形

該項目位于重慶市彭水縣和黔江區(qū)。線區(qū)為構造侵蝕脊狀低山和中山地貌區(qū)，由侏羅紀砂巖、泥巖、寒武系灰?guī)r、泥灰?guī)r、志留系頁巖、灰?guī)r組成。海拔高程為500～1 500 m，線路區(qū)高程為520～915 m，水系以橫向溝谷為主干，沿線穿越多條沖溝低、中山，線路以橋隧為主，發(fā)育“V”型溝谷，高差為50～1 000 m。除K59+900～K61+020附近巖層傾角大于55° 外，其余多小于20° ，為山脊與溝谷間的“V”地貌景觀，嶺脊寬闊，兩側對稱。谷底寬為10～100 m；巖層傾角小于20° ，山體呈斜面狀，順向坡多沿層面發(fā)育，反向坡陡峻。沿線褶皺和斷層發(fā)育，溝谷、岸坡分布有較多崩坡積塊碎石土(圖2)。

圖2 線區(qū)地形

1.2 地質構造

1.2.1 地層巖性

線區(qū)地層出露較齊全，除少部分地層缺失外，從古生界寒武系到中生界侏羅系地層及第四系地層均有出露，主要地層巖性如下。

(1)奧陶系由灰?guī)r、白云巖、頁巖及少量石英粉砂巖組成，分布于郁山背斜軸部及兩翼深切溝谷，關口壩(郁山正斷層)—毛鞍子一帶，里程K62+600～K64+300，秧田溝—青山嶺一帶，里程K67+900～K69+250，青山嶺—神仙嶺一帶，里程K70+270～K71+400。

(2)志留系地層以頁巖、粉砂巖為主，分布于馬槽壩向斜，余家屋基—關口壩(郁山正斷層)一帶，里程K43+670～K62+600；分布于郁山背斜兩翼，毛鞍子—秧田溝一帶，里程K64+300～K67+900，青山嶺一帶，里程K69+250～K70+270，神仙嶺—冊山一帶，里程K71+400至線路終點。

(3)泥盆系以石英砂巖夾頁巖為主，分布于普子向斜兩翼，三義隧道進洞段及余家屋基一帶，里程K43+610～K43+670。

(4)二疊系以灰?guī)r、泥灰?guī)r、砂巖、頁巖為主，分布于普子向斜兩翼，蘇家?guī)r及瓢草灣一帶，里程K42+900～K43+610。

(5)三疊系以白云巖、灰?guī)r、砂巖、泥巖、頁巖為主，分布于普子向斜軸部，三義一帶，里程K39+500～K42+900。

(6)第四系零星分布于河谷、山麓地帶，由黏性土、崩坡積塊碎石、砂、礫石層組成。

1.2.2 不良地質

線路區(qū)主要不良地質為滑坡、危巖、順向坡、崩坡積體等。

(1)滑坡主要由于公路切坡后坡體上松散堆積體、巖石風化剝落堆積的崩坡積體在暴雨誘發(fā)下失穩(wěn)形成。

(2)危巖主要由于公路切坡后坡體上松散堆積體、巖石風化剝落和外傾結構面控制的巖體在暴雨誘發(fā)下失穩(wěn)形成。

2 開挖施工模擬

2.1 計算參數(shù)與模型

地層中的全風化礫大約厚0.9 m，而強風化礫巖厚約0.6 m，處于開挖地層的頂部。弱風化礫巖的厚度極小，因此可忽略不考慮，將頂部全風化及強風化礫巖層簡化為單一地層。參數(shù)選取如下：內摩擦角為46° ，重度采取24 kN·m-3，體積彈性模量K為2.67×1010Pa，黏結力C為2×104kPa，剪切模量G為1.6×1010Pa，抗拉強度為3.1 MPa。本文計算選用Mohr-oulomb彈塑性模型，收斂準則不平衡力比滿足10-5的求解要求。

2.2 施工模擬步驟

將邊坡開挖步驟劃分為1個初始平衡步及5個開挖步。在第一步中，只考慮巖體自身的重力，將其應用到模型中，采用彈性模型來計算平衡狀態(tài)。第二步則恢復第一步中保存的文件，且去除巖體位移，通過彈塑性模型來施加重力。第三步，逐步進行邊坡的開挖，直到挖出樁墻開挖的線頂，將各開挖狀態(tài)保存，如若開挖階段開始失穩(wěn)，要及時進行失穩(wěn)邊坡的支護強化工作。

2.3 計算結果與數(shù)據(jù)分析

邊坡開挖模擬了樁板墻體頂部從第一步到第五步的開挖過程。由于第五步邊坡開挖幾乎不影響整體穩(wěn)定性，因此重點放在第一至第四步。圖3為分級開挖邊坡整體位移云圖，圖4為X方向應力云圖。

圖3 逐級邊坡開挖整體位移云圖

圖4 逐級邊坡開挖X方向應力云圖

由圖3可知，總體上位移處于均勻連續(xù)狀態(tài)，而巖體的變形程度不同，從邊坡表面到邊坡內側位移量是逐漸減小的。邊坡下部巖體的局部變形與邊坡自由面的位移之間相差較大，位移接近于零。

開挖的卸荷作用導致邊坡開挖的第四階段中巖體變形增量是最大的，而接下來的開挖邊坡巖體變形相對較小。這是由于，第四級邊坡受開挖的影響最大，同時應力釋放效應也較大。觀察第三階段的開挖發(fā)現(xiàn)，模型最大的位移值已高達49 cm。由此可知，在整個邊坡開挖階段中最不利的階段是第三階段的邊坡開挖。因此，在第四階段進行及時的支護是非常有必要的。從圖3(d)可知，樁墻頂坡在開挖完成后最大位移出現(xiàn)在二、三級邊坡區(qū)域，即開挖邊坡的中部和下部是第一個被保護的邊坡的關鍵。

從圖4可以看到：路塹開挖后邊坡的應力狀態(tài)將顯著改變，這是由于邊坡開挖引起壓力轉移；第四階段邊坡開挖后出現(xiàn)第一個明顯的應力集中區(qū)。可見，開挖該坡度的邊坡后，及時做好邊坡防護工作是必要的，以防止不穩(wěn)定狀況出現(xiàn)于三級邊坡開挖。

隨著邊坡進一步開挖，邊坡體進一步產生移動變形， 邊坡拉應力區(qū)域面積在X方向上明顯增大，十分不利于邊坡的穩(wěn)定。此時，若各級邊坡沒有采取保護措施，則巖體的運動趨勢明顯增強，坡體的內部結構繼續(xù)惡化。

3 開挖變形控制技術

重慶石黔高速公路項目地質、地形復雜多樣，切割邊坡陡峭，存在邊坡穩(wěn)定性不良等問題。所以，開挖后應根據(jù)不同切割邊坡的地質條件采用適當類型的防護工程措施來進行施工方案的選擇，從而防止變形的發(fā)生。加固工程措施主要有錨樁、樁板墻、擋土墻、預應力錨索等。護坡形式采用拱形骨架護坡、立體網(wǎng)噴植草、懸掛雙網(wǎng)噴有機材料、漿體施、石質邊坡防護、面墻等。面對大型垮落體，主要開挖變形控制技術方案如下。

3.1 軟質巖邊坡

對于軟巖邊坡的變形控制，應按照邊坡高度和地質條件采取不一樣的組合方式，例如：分級開挖及穩(wěn)定，坡腳采用錨固樁進行預加固；分級開挖并采用預應力錨索加固，使邊坡得到分級穩(wěn)定，而坡腳則采用樁或擋土墻進行固腳?？傊?，軟巖邊坡應符合“分級開挖、分級穩(wěn)固，并對坡腳進行預加固”的設計原則。

3.1.1 分級穩(wěn)定及坡腳預加固

為保證邊坡的施工穩(wěn)定性，結合套管開挖，在軟巖邊坡高度不是很高(小于30 m)且可以分級時，采取分級穩(wěn)定。每級邊坡均鋪設在地層中穩(wěn)定的邊坡上，并使用骨架草皮對面墻或拱形邊坡進行防護，在每級之間設置具有特定寬度(3～4 m)的平臺。第一階段平臺達到設計標高時，不再進行土方開挖，而是使用錨固樁預加固坡腳。錨樁達到規(guī)定強度后再開挖樁前土體，圖5是其截面形式。

圖5 分級穩(wěn)定及坡腳錨固樁預加固

3.1.2 分級開挖及錨固

當軟質巖的邊坡過高且沒有放坡條件時，為了保證邊坡施工中的臨時穩(wěn)定和邊坡的整體穩(wěn)定性，應使用分級預應力錨索加固，并選用臺階式邊坡，每級高度為6 m或10 m，邊坡采用預應力錨索加固，并設置特定寬度(3～4 m)的平臺。坡腳可采用樁或擋土墻固腳，圖6～8分別為其斷面形式。

圖6 分級開挖及錨索預加固

圖7 邊開挖邊加固及坡腳錨固樁預加固

圖8 邊開挖邊加固及坡腳擋墻加固

3.2 土質邊坡

由于土質邊坡地質條件差且邊坡高，極易產生應力集中，造成邊坡滑移或破壞。針對這類地層，設計中主要是采用邊坡錨固樁加固和緩坡等措施。坡腳的預加固邊坡錨固樁腳非常有利于整個邊坡的穩(wěn)定，樁完成有一定的強度后，再挖掘土壤改變斜率，以免造成過度變形釋放。對于一些邊坡過高、地質條件極差的施工場地，施工方法使用樁基分級支護，以降低邊坡的高度。分級支護可以保證邊坡在施工過程中的安全，這類地層邊坡通常采取拱形骨架式邊坡防護、三維凈噴植草、懸掛雙凈噴有機材料、漿體砌筑邊坡防護、護墻等工程措施，防止淺層邊坡的滑移。

3.3 滑坡邊坡

滑坡帶一般為高邊坡，對滑坡進行治理的工程措施有預應力錨索或錨索樁，拱式骨架護坡是為了保護邊坡的表面，防止淺層邊坡土體產生滑坡。

3.4 其他邊坡

其他地質條件良好、邊坡高度不高的公路，一般用緩坡，斜坡用板狀混凝土擋土墻加固，邊坡采取拱形骨架狀護坡、立體噴網(wǎng)植草、懸掛雙凈噴有機材料等工程措施。

4 結 語

本文針對重慶石黔高速公路高邊坡開挖工程，重點研究了深路塹高邊坡的最佳施工方法和控制技術，總結了控制深路塹高邊坡開挖變形的綜合施工技術，結論如下。

(1)邊坡開挖后，中下部位移最大，應重視防護。位移一般是均勻連續(xù)的，由邊坡向邊坡內側逐漸減小。在施工過程中應盡量開挖巖體的最大增量邊坡，防止在進行下一階段邊坡開挖時整體失穩(wěn)。

(2)邊坡開挖后，因受到應力場的影響和斜率、邊坡形狀、縱向梁軸向力的影響，應根據(jù)各因素優(yōu)化設計梁尺寸。

(3)錨架設計中錨的長度是由加固深度決定的。錨軸力峰值分布在錨頭附近，它是向內單調減小的，所以可以通過軸向力分布來分析錨桿并對錨桿長度進行優(yōu)化。