劉志明

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430063)

近年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展通道,越來(lái)越多的鐵路、公路、場(chǎng)地建設(shè)項(xiàng)目出現(xiàn)在復(fù)雜地形地貌和工程地質(zhì)條件下。深路塹是工程建設(shè)中一種常見(jiàn)的土工結(jié)構(gòu)物，在地形陡峻、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育、地層風(fēng)化強(qiáng)烈等工程地質(zhì)條件建設(shè)土質(zhì)深路塹邊坡，一直以來(lái)都是巖土工程界的難點(diǎn)[1-2]。土質(zhì)深路塹邊坡的高安全性和高穩(wěn)定性直接關(guān)系到鐵路工程的選線(xiàn)科學(xué)性、建設(shè)安全性、造價(jià)合理性和運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性等，其重要性不言而喻。因此,有必要系統(tǒng)性地開(kāi)展土質(zhì)深路塹邊坡穩(wěn)定性分析,并針對(duì)性地進(jìn)行加固措施研究。

延平西站工程建設(shè)中開(kāi)挖形成了土質(zhì)深路塹，其邊坡高達(dá)83.6 m，是全國(guó)鐵路建設(shè)運(yùn)營(yíng)項(xiàng)目中的第一高土質(zhì)邊坡。該邊坡自穩(wěn)能力差，嚴(yán)重影響鐵路建設(shè)安全。本文以延平西站土質(zhì)深路塹為例，開(kāi)展不同工況下的邊坡穩(wěn)定性分析，提出邊坡防護(hù)方案，有效解決了邊坡穩(wěn)定安全問(wèn)題，對(duì)同類(lèi)型土質(zhì)深路塹安全防護(hù)具有實(shí)際參考價(jià)值。

1 工程概況

1.1 地形地貌

延平西站站址位于福建省南平市延平區(qū)西芹鎮(zhèn)城鎮(zhèn)建設(shè)密集區(qū),地形東高西低,為低山斜坡地貌,坡腳外為外南鐵路和沙溪河主河道,整體依山臨河。

1.2 地質(zhì)條件

1.2.1地質(zhì)構(gòu)造

延平西站站址地處大陸東南沿海新華夏系構(gòu)造帶,區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,構(gòu)造線(xiàn)主要呈NE—NNE向。受構(gòu)造作用影響,站址區(qū)次生地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育,基巖差異風(fēng)化強(qiáng)烈,風(fēng)化層深厚。

1.2.2地層巖性

站址區(qū)地層主要為前震旦紀(jì)建甌群(AnZJ)和第四系(Q)。前震旦系建甌群巖性為云母石英片巖,具全—弱風(fēng)化,全風(fēng)化層呈粘土狀,受水易軟化,厚30～45 m；強(qiáng)風(fēng)化層呈碎塊狀、塊狀,地層相對(duì)較薄,厚2～3 m；弱風(fēng)化層巖質(zhì)堅(jiān)硬，未見(jiàn)底。第四系殘坡積層(Qeld)發(fā)育粉質(zhì)粘土，呈褐黃色，硬塑，層厚2～4 m。上覆第四系填筑層(Qs)為人工填土，色雜，稍濕、稍密，分布不均勻，厚0～3 m。

1.2.3水文地質(zhì)特征

站址區(qū)地處沿海內(nèi)陸山區(qū),屬中亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,降雨量充沛,臺(tái)風(fēng)過(guò)境等惡劣氣候偶有發(fā)生。在低山斜坡面位置,地表水及地下水較發(fā)育,并在坡腳山間谷地呈狹長(zhǎng)條帶狀展布。地表水及地下水主要來(lái)源為閩江支流沙溪,沖刷剝蝕強(qiáng)烈,但未在區(qū)內(nèi)形成顯著的河流高階地。

2 邊坡特征

站址區(qū)經(jīng)開(kāi)挖形成一處深路塹，其高山側(cè)邊坡高達(dá)83.6 m，共11級(jí)邊坡(照片1)?？傮w來(lái)看，該邊坡具有開(kāi)挖防護(hù)范圍大、邊坡支擋難度大、坡面防排水要求高、加固防護(hù)難度大、工程環(huán)境條件復(fù)雜等特點(diǎn)。

照片1 延平西站站址地貌Photo 1 Landform of west railway station of Yanping

受既有外南線(xiàn)接軌軌道標(biāo)高、沙溪河水位和城市建設(shè)規(guī)劃等因素影響,車(chē)站站坪標(biāo)高低,造成整體挖方邊坡超高,邊坡防護(hù)范圍大。

受地質(zhì)構(gòu)造作用影響,站址區(qū)次生地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育,基巖差異風(fēng)化強(qiáng)烈,局部風(fēng)化層深厚。結(jié)合以往資料及本次勘探成果發(fā)現(xiàn)，邊坡揭露巖性除頂面為厚2～3 m的粉質(zhì)粘土層外，整體以全風(fēng)化云母片巖土質(zhì)層為主，層厚30～45 m，斜坡坡面自穩(wěn)能力差，造成邊坡支擋難度較大。

站址區(qū)大氣降水豐富且時(shí)間較集中,年平均降水量為1 653 mm,最高可達(dá)2 183 mm，平均降水量≥0.1 mm的日數(shù)為162 d。強(qiáng)降水易形成短暫徑流,對(duì)坡面表層沖刷嚴(yán)重，并加劇地表水下滲補(bǔ)給地下水,導(dǎo)致斜坡段地下水位起伏較大,干濕交替顯著,加劇斜坡段巖土風(fēng)化,降低地層粘聚力,因此坡面防排水要求較高[3]。

坡面基巖為云母石英片巖,是一種典型的變質(zhì)巖,其具有差異風(fēng)化強(qiáng)烈、風(fēng)化層遇水飽和軟化、殘余強(qiáng)度低等物理性質(zhì)，在各種不利因素影響下,極易產(chǎn)生滑坡變形,因此坡面地層加固防護(hù)難度大。

受場(chǎng)地城鎮(zhèn)建設(shè)影響,斜坡段存在多處私挖亂建現(xiàn)象,對(duì)斜坡穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響,造成坡面擾動(dòng)顯著,并加劇了地表水下滲軟化,致使站址區(qū)發(fā)育多處淺表溜坍,因此斜坡段工程環(huán)境條件較復(fù)雜。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

延平西站深路塹土質(zhì)邊坡對(duì)路基支擋、防護(hù)、排水設(shè)計(jì)和路基工程邊坡穩(wěn)定性等環(huán)節(jié)要求高,在勘察設(shè)計(jì)及施工組織方面需要開(kāi)展重點(diǎn)研究。

設(shè)計(jì)階段,除開(kāi)展常規(guī)永久邊坡穩(wěn)定性計(jì)算外,還要結(jié)合工程地質(zhì)條件及施工計(jì)劃,開(kāi)展臨時(shí)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算。在施工過(guò)程中,要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)條件及施工作業(yè)工序水平開(kāi)展施工工況邊坡穩(wěn)定性計(jì)算。為解決分級(jí)開(kāi)挖施工坡面對(duì)整體坡面的擾動(dòng)影響問(wèn)題,需要在邊坡局部穩(wěn)定和整體穩(wěn)定的前提下考慮邊坡臨時(shí)穩(wěn)定和永久穩(wěn)定工況[4],以便實(shí)現(xiàn)工況全覆蓋,動(dòng)態(tài)化指導(dǎo)和配合現(xiàn)場(chǎng)施工,確保工程安全、有序開(kāi)展。

采用邊坡檢算軟件,重點(diǎn)計(jì)算自然邊坡、第一階段開(kāi)挖邊坡、第二階段開(kāi)挖邊坡和永久邊坡四種工況在正常與降雨情況下的邊坡穩(wěn)定性(圖1),同時(shí)確認(rèn)潛在薄弱滑動(dòng)面位置,以便針對(duì)性地開(kāi)展邊坡加固處理[5]。

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，自然邊坡最不利滑動(dòng)面均出現(xiàn)在邊坡中部的粉質(zhì)粘土層內(nèi)，第一階段邊坡最不利滑動(dòng)面均出現(xiàn)在邊坡上部開(kāi)挖卸荷的粉質(zhì)粘土層內(nèi)，第二階段邊坡最不利滑動(dòng)面均出現(xiàn)在邊坡中—上部的粉質(zhì)粘土層和片巖全風(fēng)化層內(nèi)，永久邊坡最不利滑動(dòng)面均出現(xiàn)在邊坡中部的片巖全風(fēng)化層內(nèi)。

上述計(jì)算結(jié)果也表明，通過(guò)邊坡加固處理后，永久邊坡的安全系數(shù)(K)達(dá)到1.836和1.427，其穩(wěn)定性可以得到保證(K>1.25)[6]；隨著邊坡開(kāi)挖,邊坡中部存在潛在滑動(dòng)破壞面,邊坡穩(wěn)定性相對(duì)偏低；降雨情況對(duì)坡面穩(wěn)定性影響較為顯著[7]，相對(duì)于天然工況安全系數(shù)大幅降低。

4 邊坡防護(hù)及處理效果

4.1 邊坡防護(hù)方案

根據(jù)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果(圖1),結(jié)合工程特點(diǎn),從防護(hù)、排水、監(jiān)控三個(gè)方面開(kāi)展邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)(圖2、圖3)。

圖2 深路塹土質(zhì)邊坡防護(hù)斷面圖Fig.2 Section of protection of deep cutting soil slope of Yanping west station①.粉質(zhì)粘土層；②.片巖全風(fēng)化層；③.片巖強(qiáng)風(fēng)化層；④.片巖弱風(fēng)化層。

圖3 深路塹土質(zhì)邊坡防護(hù)正面圖Fig.3 Front view of deep cutting soil slope protection①.粉質(zhì)粘土層；②.片巖全風(fēng)化層；③.片巖強(qiáng)風(fēng)化層；④.片巖弱風(fēng)化層。

4.1.1防護(hù)措施

防護(hù)措施作為邊坡加固處理的重中之重,其設(shè)計(jì)主要考慮以下四個(gè)因素：

(1) 根據(jù)邊坡穩(wěn)定安全要求,針對(duì)邊坡中部存在的潛在滑動(dòng)破壞面,開(kāi)展邊坡中部預(yù)加固樁防護(hù)處理,加強(qiáng)邊坡整體穩(wěn)定性；

(2) 由于片巖全風(fēng)化層物理力學(xué)指標(biāo)低,為避免開(kāi)挖擾動(dòng)影響過(guò)大,采取大平臺(tái)和框架錨桿防護(hù)處理,提高邊坡局部穩(wěn)定性；

(3) 在站址靠山側(cè)站臺(tái)的人行地道及斜坡步道施工過(guò)程中，開(kāi)挖擾動(dòng)對(duì)高山側(cè)邊坡支擋結(jié)構(gòu)影響較大,為有效避免防護(hù)工程重疊實(shí)施,并降低邊坡施工擾動(dòng),統(tǒng)籌設(shè)計(jì)高邊坡防護(hù)與地道基坑開(kāi)挖防護(hù)方案，支擋工程采取樁間擋墻防護(hù)、永臨結(jié)合處理；

(4) 對(duì)于防護(hù)坡面臨近區(qū)段溜坍位置,采取整板式錨桿護(hù)墻開(kāi)展坡面防護(hù)處理,避免溜坍進(jìn)一步發(fā)展,同步降低對(duì)坡面大范圍開(kāi)挖擾動(dòng)影響,確保工程安全。

4.1.2排水措施

針對(duì)片巖風(fēng)化層易受水飽和軟化的特性,在設(shè)計(jì)階段重點(diǎn)開(kāi)展防排水設(shè)計(jì),解決地表排水、坡面排水和地下防排水問(wèn)題,做到邊坡溝溝相連。針對(duì)天溝折角位置等排水薄弱環(huán)節(jié),開(kāi)展平臺(tái)硬化封閉處理,保證路基排水系統(tǒng)與車(chē)站的涵溝排水系統(tǒng)銜接配合,形成完整、系統(tǒng)、通暢的排水系統(tǒng)。

4.1.3監(jiān)控措施

結(jié)合工程特點(diǎn),設(shè)置沉降變形監(jiān)控設(shè)施,主要開(kāi)展邊坡淺表變形監(jiān)測(cè)(變形監(jiān)測(cè)邊樁)、邊坡深層變形監(jiān)測(cè)(深層測(cè)斜管)、預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)(錨桿應(yīng)力計(jì))、結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)(傾角傳感器)、支擋結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)(土壓力盒)等監(jiān)測(cè)措施,確保施工期及后期運(yùn)營(yíng)結(jié)構(gòu)安全。

4.2 邊坡加固處理效果

延平西站深路塹土質(zhì)高邊坡加固處理工程自2016年2月開(kāi)始施工,至2016年9月施工完成(照片2),期間經(jīng)受了雨季強(qiáng)降雨工況的考驗(yàn)。根據(jù)施工期及施工完成后現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)控結(jié)果,確認(rèn)土質(zhì)深路塹邊坡整體坡面穩(wěn)定。截至目前,工程完工已三年多，項(xiàng)目建成通車(chē)已一年有余,坡面無(wú)異常,證明邊坡加固處理達(dá)到預(yù)期效果。本次邊坡防護(hù)所采取的措施體現(xiàn)了“強(qiáng)腰、固腳、排水”的邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)理念[8],有效地解決了土質(zhì)深路塹高邊坡的穩(wěn)定安全問(wèn)題。

照片2 延平西站高邊坡施工情況Photo 2 Construction of high slope in Yanping west station

5 總結(jié)與建議

延平西站土質(zhì)深路塹高邊坡具有地層結(jié)構(gòu)敏感、開(kāi)挖防護(hù)和支擋難度大、坡面防水要求高等特點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算自然邊坡、第一階段開(kāi)挖邊坡、第二階段開(kāi)挖邊坡、永久邊坡四種工況在正常與降雨情況下的穩(wěn)定安全性，找到了潛在滑動(dòng)破壞面位置，在此基礎(chǔ)上提出了邊坡加固防護(hù)方案。工程完工三年來(lái)的監(jiān)測(cè)表明，該土質(zhì)高邊坡得到有效加固治理，該邊坡加固防護(hù)方案可為同類(lèi)型邊坡防護(hù)提供參考。

對(duì)于土質(zhì)深路塹邊坡加固處理工程，建議在設(shè)計(jì)前期充分考慮現(xiàn)場(chǎng)地形、地質(zhì)條件、施工工況、工程特點(diǎn)等重要因素，提出針對(duì)性地加固處理方案；在邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，重視防排水措施，針對(duì)溜坍變形等環(huán)境敏感區(qū)域，做到防護(hù)和排水提前籌劃、同步考慮；在實(shí)施加固處理過(guò)程中，應(yīng)統(tǒng)籌考慮工程各工序銜接，做到合理安排以降低邊坡施工擾動(dòng)影響。