李志成，陳誠，徐海云，龔文惠

（1援中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430000；2.華中科技大學土木工程與力學學院，湖北 武漢 430000）

0 引言

隨著大批山區(qū)公路、鐵路以及水利樞紐工程的興建，危巖體災害發(fā)生的頻次越來越高，對危巖體變形破壞模式、穩(wěn)定性判定與防治措施已經(jīng)成為現(xiàn)階段的研究熱點和重點[1]。危巖是指由多組巖體結(jié)構面切割并位于陡坡或陡崖上的不穩(wěn)定巖體，在巖質(zhì)邊坡和高陡邊坡處最為常見，具有泛生性、突發(fā)性、隱蔽性以及致災嚴重性等特征，按失穩(wěn)模式將危巖分為滑塌式、傾倒式和墜落式危巖[2]。

危巖體處置設計及施工一直是工程界的難題，常結(jié)合其特征采用相應的加固體系以增加抗滑性、強度、穩(wěn)定性。對于具體的危巖體災害，由于賦存的地質(zhì)環(huán)境差異和威脅對象的不同，防治等級和技術方法也不相同[3]。

建始至恩施高速公路K105+480—K105+600段路基邊坡存在崩塌危巖體，溶孔溶隙發(fā)育，且緊鄰既有構筑物，成為該邊坡重大潛在安全隱患之一。本文從安全性、經(jīng)濟性、可靠性等方面，對危巖體加固處置設計與施工進行分析研究。

1 工程概況

建恩高速公路項目起于建始隴里，經(jīng)金銀店、白楊坪、龍鳳壩、虎岔口、松樹坪至恩施羅針田，與恩施至來鳳高速公路對接，路線全長74.211 km，以路基、橋梁為主。其中K105+480—K105+600路基段主線左側(cè)存在一處崩塌危巖體，巖體整體高約30 m，其中上部被節(jié)理面分割的巖體高度約15 m，危巖體前緣因當?shù)厝斯と∈纬啥秆?，坡度約80毅，總體坡向120毅，方量約15 000 m3。

危巖體附近現(xiàn)存一座商品混凝土攪拌站，場內(nèi)主要設施分布在危巖體滑動面傾向正下方，滑坡面與攪拌站場地高差約15 m，拌合站主機及水泥罐距危巖體水平距離約8 m，拌合站砂石料倉棚直接沿陡崖面搭建，其他生產(chǎn)、生活設施均分布在危巖體周邊90 m范圍，對危巖體施工干擾極大。如圖1所示。

2 危巖體工程地質(zhì)特性及穩(wěn)定性分析

2.1 工程地質(zhì)特性

危巖體自上而下分為3層，第1層為碎石，分布于坡面及溶溝、溶槽內(nèi)，厚度約0.4 m，呈松散狀。第2層為人工填土，主要分布于商品混凝土攪拌站場區(qū)，厚度1.1耀4.2 m，淺灰色，成分主要為白云巖碎石，屬于商品混凝土攪拌站開挖填筑物。第3層為微風化白云巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。受卸荷及滑動影響，巖體內(nèi)裂隙呈張開狀，張開度20耀40 cm，隙間黏性土充填。

1）危巖體成因

根據(jù)調(diào)研及現(xiàn)場勘查，該處曾發(fā)生巖體滑動，滑動巖體在運動過程中受到前方山體的阻擋，發(fā)生碰撞后停止。由于碰撞作用，前方危巖體沿豎向裂隙張開，分割為6個塊體。同時，巖體沿層面貫通，貫通后的層面可見水流流出浸染的痕跡，破壞模式為滑動型，滑動面含泥質(zhì)，在降雨條件下易發(fā)生泥質(zhì)軟化。

2）巖體特征

危巖體前緣與滑床之間裂隙較小，后緣裂縫較寬（20耀100 cm），前后緣之間由于拉裂、擠壓、翻轉(zhuǎn)錯動，形成了多條貫穿性縱向、橫向裂縫及空腔，局部可見松動巖塊堆積形成的空腔，空腔最大高度達4 m?？傮w來看，該危巖體錯落分布、空腔裂縫密布、凹凸不平，表面經(jīng)過長時間的風化、剝蝕作用，形成大量的溶蝕凹槽、溶蝕裂隙、小石芽。

3）工程地質(zhì)分區(qū)

根據(jù)工程地質(zhì)巖組、巖石的完整程度等，將危巖體分為5個區(qū)，如圖2所示。

圖2 危巖體分區(qū)圖Fig.2 Dangerous rock mass partition map

各區(qū)內(nèi)巖體特征、工程地質(zhì)問題見表1。

表1 危巖體各分區(qū)工程地質(zhì)問題Table 1 Engineering geological problems in various divisions of Dangerous rock mass

2.2 穩(wěn)定性分析

根據(jù)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，危巖穩(wěn)定性分析常用的方法有4種：基于有限元的靜力穩(wěn)定分析法、可靠度分析法、基于監(jiān)測資料的比較辨識法和靜力解析法。其中，靜力解析法是工程實際中最常用的穩(wěn)定性分析方法[4]。

2.2.1 穩(wěn)定性評價模型

該危巖體邊坡工程安全等級為二級，抗震設防烈度屬遇度區(qū)，根據(jù)GB 50011—2011《建筑抗震設計規(guī)范》[5]，在穩(wěn)定性計算工況中不考慮地震荷載，破壞模式主要為滑移式破壞，穩(wěn)定性計算公式如下：

式中：W為危巖體自重，kN/m；Q為水平方向振動荷載，kN/m；V為結(jié)構面內(nèi)孔隙靜水壓力，kN/m；L為滑動面長度，m；琢為危巖體滑動面傾角，外傾時取正值，內(nèi)傾時取負值；c為滑動面處黏聚力標準值，kPa；漬為滑動面處裂隙內(nèi)摩擦角標準值。

2.2.2 力學參數(shù)分析

該滑坡前期已向下滑移，原始位置滑動面傾角約為33毅，當前位置滑動面傾角約為27毅，在降雨條件下危巖體的綜合摩擦角應該處于27毅耀33毅。

2.2.3 計算工況分析

根據(jù)滑坡在施工和長期運營條件下的環(huán)境特征，計算工況如下：

1）工況1：自重+施工期間振動荷載。

2）工況2：自重+暴雨。

2.2.4 穩(wěn)定性分析及評價

根據(jù)對危巖體的分區(qū)部署，不同工況下玉區(qū)耀吁區(qū)穩(wěn)定性系數(shù)見表2。

表2 危巖體各分區(qū)穩(wěn)定性系數(shù)Table 2 Stability coefficient of each section of dangerous rock mass

依照GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術規(guī)范》[6]，對于平面滑動安全系數(shù)取1.3，由此可知：

1）上部潛在滑動面，在工況一施工振動荷載作用下穩(wěn)定系數(shù)為1.12，在工況二暴雨裂隙充水條件下穩(wěn)定性系數(shù)為1.00，其穩(wěn)定性系數(shù)均小于安全系數(shù)1.30，需要進行治理。

3）下部潛在滑動面，在工況一施工振動荷載作用下穩(wěn)定性系數(shù)為1.65耀1.80，在工況二暴雨裂隙充水條件下，穩(wěn)定性系數(shù)為1.35耀1.42，處于安全狀態(tài)。

3 危巖體處理方案研究

危巖體主要的治理技術可以分為主動防治技術和被動防治技術[7]。主動防治的理念在于增強危巖體的穩(wěn)定性，阻止其發(fā)生崩落，常用的方式有清除、支撐、錨固、注漿等。而被動防治技術的理念在于假設發(fā)生了崩塌，但通過阻止落石到達威脅對象范圍而提供的防護功能，常用的方式有攔石網(wǎng)、攔石墻[8]。

3.1 危巖體清除設計方案

考慮到危巖體坡下為商品混凝土攪拌站與國道線路，上方為設計道路路堤，下伏存在潛在滑動面，若整體爆破清除，勢必威脅下部商品混凝土攪拌站，甚至牽動下伏潛在巖體，使其滑動面變形加劇，影響未來路基的穩(wěn)定性。為此，危巖體清除可采用淺孔分層爆破和靜態(tài)爆破相結(jié)合的方式。

3.1.1 淺孔分層爆破

淺孔分層爆破主要針對歷史上滑動的松動危巖體、后緣的危巖體，自上而下分層松動爆破，爆破方向以垂直于邊坡方向為主。巖石爆破最大塊度控制在50 cm以內(nèi)，單位炸藥消耗量控制在150 g/m3以內(nèi)，采用齊發(fā)爆破或短延時毫秒爆破。

3.1.2 靜態(tài)爆破

靜態(tài)爆破主要針對商品混凝土攪拌站未拆除條件下邊坡臨空面附近的危巖體，在鉆孔中灌裝靜力膨脹劑，依靠化學膨脹力使巖石產(chǎn)生裂隙或裂縫，從而達到巖體破碎的目的。設計孔距25耀30 cm，破碎劑用水稀釋后灌注炮孔，離孔口20 cm停止并堵塞，常溫下24 h即可裂開。

3.1.3 危巖體崩塌運動路徑分析

為了確定危巖體發(fā)生崩塌的影響范圍和時空分布規(guī)律，采用落石分析軟件RocFall分析危巖體潛在落石的運行軌跡、不同位置的運行速度、以及最大落石落點集中區(qū)。

1）坡面計算

計算坡面選用商品混凝土攪拌站正對的道路斷面，如圖3所示。

圖3 Roc Fall軟件計算坡面Fig.3 Roc Fall software calculation slope

2）模擬參數(shù)

考慮到危巖體歷史上曾發(fā)生滑動，彈性能已釋放，再次失穩(wěn)時初始速度一般很小，軟件模擬中定義為0.01 m/s。邊坡底部有少許石塊堆積，路面為水泥面，其力學參數(shù)與基巖類似。根據(jù)法向彈性系數(shù)Rn和切面摩擦系數(shù)Rt確定巖坡和坡面碰撞后速度衰減，Rn、Rt參照TB 10035—2018《鐵路特殊路基設計規(guī)范》分別取值0.4、0.8。

3）模擬結(jié)果

根據(jù)建立的地面模型，計算模擬出落石的滾動路線。其中坡底水平坐標為x=1 893，商品混凝土攪拌站距離坡底9 m，推算其水平坐標為x=1 902。

根據(jù)模擬結(jié)果得出：危巖體發(fā)生崩塌，其堆積區(qū)范圍位于1 910耀1 920區(qū)域，必然經(jīng)過商品混凝土站（x=1 902）。同時，落石彈起平均高度在2 m左右，仍然具有較高的動能，破壞力極強，商品混凝土攪拌站處于危險地帶。

3.1.4 清除設計方案建議

根據(jù)滾石模擬結(jié)果，采用清除方案時，臨近的商品混凝土攪拌站存在影響，待商品混凝土攪拌站搬遷至安全位置后，整個危巖體可采用淺孔分層爆破進行清除。

3.2 錨索加固設計方案

根據(jù)GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術規(guī)范》進行錨索加固設計計算，考慮到邊坡穩(wěn)定性較差，在危巖體中上部范圍布設預應力錨索加固。

危巖體各區(qū)錨索均采用1 860 MPa高強度低松弛鋼絞線，1伊7標準型結(jié)構，錨索與水平面的傾角30毅，相關設計參數(shù)見表3。

表3 錨索設計參數(shù)Table 3 Anchor cable design parameters

3.3 鋼軌樁加固設計方案

在危巖體上部范圍布設樁徑30 cm鋼軌抗滑樁進行加固，鋼軌樁貫穿潛在滑動面。鋼軌軌體型號選用43號重軌，單軌抗滑力計算如下：

式中：P為抗滑力，kN；[滓]為鋼軌允許應力值，取值615.4 MPa；W為鋼軌截面抗彎模量，取值208.3 cm3；d為鋼軌截面最大尺寸，取值18 cm。

計算可得單軌提供抗滑力P=355 kN。

鋼軌樁布置如圖4所示，設計參數(shù)見表4。

圖4 鋼軌樁布置示意圖Fig.4 Rail pile arrangement

表4 鋼軌樁設計參數(shù)Table 4 Rail pile design parameters

3.4 設計方案比選

危巖體清除、錨索加固、鋼軌樁加固3個設計方案對比分析見表5。

表5 設計方案對比分析表Table 5 Design comparison table

通過綜合比選，鋼軌樁加固方案經(jīng)濟性最好，施工工期最短，且施工風險可控、施工質(zhì)量可靠，作為危巖體處置的實施方案。

4 危巖體加固施工

4.1 臨時防護施工

危巖體正面坡面溶孔、裂隙發(fā)育，部分區(qū)域零散分布塊狀孤石，加固施工前需對孤石進行臨時防護。塊狀孤石采用臨空面鋼絲網(wǎng)包裹+插打鋼棒錨固的臨時防護方式，確保孤石穩(wěn)定。

4.2 裂隙封堵施工

危巖體錯落分布、空腔裂縫密布、凹凸不平，表面經(jīng)過長時間的風化、剝蝕作用，形成大量的溶蝕凹槽、溶蝕裂隙、小石芽，裂隙封堵可提高危巖體的整體穩(wěn)定性。

1）危巖體與滑床之間水平裂縫及空腔填充

清除地表雜物，確定危巖體與滑床間水平裂縫及空腔位置，再將縫隙中的堆積物清出。然后從危巖體上方便道沿坡面搭設溜槽至澆筑區(qū)，分批次、分區(qū)間隔澆筑填充混凝土。

2）危巖體頂部裂縫及凹槽填充

待危巖體與滑床之間水平裂縫及空腔混凝土填充加固后，在危巖體右側(cè)修筑臨時便道，用于頂部裂縫及凹槽填充施工。先將頂部裂縫及溶蝕凹槽內(nèi)的雜草及覆蓋土清除，再利用汽車吊+料斗的方式進行填充混凝土的澆筑。

4.3 鋼軌樁施工

鋼軌樁設計樁徑30 cm，樁長14耀20.5 m，入堅硬的微風化白云巖。鉆芯施工時，每次鉆入1耀2 m，芯渣重達300 kg以上。由于單次取芯直徑大、重量大，傳統(tǒng)的“投鋼絲卡鉆芯”工藝已無法適用，通過對巖芯管進行改良，創(chuàng)新地提出“一種超大直徑鉆芯取渣的方法”。

1）設備選型

考慮到危巖體穩(wěn)定性處于臨界狀態(tài)，且臨近城區(qū)環(huán)保要求高，采用機械回轉(zhuǎn)鉆機取代成孔速度較快的潛孔錘沖擊回轉(zhuǎn)鉆機。由于危巖體屬于硬質(zhì)灰?guī)r，且鋼軌樁直徑達到30 cm，采用特制表鑲金剛石鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進取芯。

2）超大直徑鉆芯取渣

鉆芯施工前在大直徑巖芯管底端設置10 mm圓孔，穿入準10圓鋼制作的回形卡。待鉆進至設計標高位置后，鉆機反轉(zhuǎn)提渣，巖芯管底端的回形卡與提取芯樣已經(jīng)有效結(jié)合，可對芯樣底部進行撐托，防止取芯過程中芯樣脫落。巖芯管設置如圖5所示。

圖5 大直徑巖芯管開孔Fig.5 Large diameter core tube opening

3）鋼軌樁安裝

鉆孔孔徑30 cm，每個孔位處需下放2耀3根鋼軌樁，故環(huán)狀間隙較小，為確保鋼軌的順利下放，必須嚴格按設計位置對每個孔位處的鋼軌進行組合焊接，如圖6所示。

圖6 各孔位鋼軌樁組合布置圖Fig.6 Steel rail pile combination layout of each hole

各孔位鋼軌樁組合焊接完成后，采用25 t汽車吊吊放軌體，使軌體鉛直并緩緩放入孔中，避免碰壞孔壁。待鋼軌樁安裝就位后，沿鋼軌中間下放壓漿管至孔底，再向孔內(nèi)注入砂漿直至孔口。注漿速度不能過快，如一次注不滿或注漿后產(chǎn)生沉降，要補充注漿，直至注滿為止，確保鋼軌樁的密實度。

5 結(jié)語

1）通過危巖體處置設計方案的分析比選，采用鋼軌樁加固的處置方式，有效地解決了臨近構筑物爆破清除受限條件下危巖體的穩(wěn)定問題，經(jīng)濟性良好，工期可控。

2）首次提出了30 cm超大直徑鉆芯取渣的施工方法，利用巖芯管底端開孔設置圓鋼回形卡的方式，解決了大直徑芯渣提取易脫落的難題。

3）治理后的危巖體整體穩(wěn)定，處置設計及施工達到預期，保障了臨近的主線路基施工，確保了周邊構筑物的長期安全，能夠為其他類似項目危巖體處置提供借鑒。