宋克英 張 啟 薛潤坤

（1.北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101；2.城市軌道交通深基坑巖土工程北京市重點實驗室，北京 100101）

0 引言

我國山脈綿延分布，邊坡是一種常見的地表形態(tài)。在經(jīng)濟建設的過程中，產(chǎn)生經(jīng)人工挖、填的土工建筑邊坡不可避免[1?2]。

邊坡上的部分巖體或土體在自然或人為因素的影響下，沿某一明顯界面發(fā)生剪切破壞向坡下運動的現(xiàn)象稱為滑坡或邊坡破壞。邊坡一旦失穩(wěn)破壞，其產(chǎn)生的災害將非常嚴重[3?4]。小型邊坡失穩(wěn)破壞，可能導致大量人員傷亡；中型邊坡失穩(wěn)破壞，可能危及城鎮(zhèn)中居民、建筑、道路等安全；大型邊坡失穩(wěn)破壞，其后果更不堪設想。許多地質(zhì)災害如滑坡、危巖崩塌均與邊坡有密切關(guān)系。

邊坡的穩(wěn)定性是高速公路、鐵路、機場、高層建筑深基坑開挖以及露天礦坑和土壩等土工工程建設中十分重要的問題[5?6]。國內(nèi)外學者對此進行了大量研究，如：Chen 等[7]總結(jié)并分析容許安全系數(shù)設計（ASFD）、極限狀態(tài)設計（LSD）和BTD 等可應用到邊坡工程中的可靠性分析方法；Li 等[8]將離散元應用在高堆石邊坡中，具有良好的成果；目前國內(nèi)邊坡工程中常用信息化[9]和動態(tài)化設計[10?12]，支護的方法有放坡、錨桿、錨桿擋墻、巖石錨噴、錨索框架梁、重力式擋墻、懸臂式擋墻和扶壁式擋墻、樁板式擋墻（抗滑樁）[1,13]等。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，立足城市軌道交通邊坡工程項目，邊坡方案考慮與龍城公園現(xiàn)狀景觀相協(xié)調(diào)，避免較大的劈山、削坡，根據(jù)地層和環(huán)境條件，提出了“強樁弱錨”+錨桿格構(gòu)梁的支護方案。設計過程中驗算了邊坡開挖臨時工況和暴雨工況下的安全性。結(jié)合施工過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)和出現(xiàn)的問題，采用動態(tài)化設計。

1 工程概況

1.1 擬建建筑物概況

龍城公園位于深圳龍崗中心區(qū)域，占地189 公頃，地形地貌為山地丘陵，某停車場基地位于龍城公園西南部藝術(shù)谷范圍內(nèi)，是公園重要的南入口空間。本項目為地下停車場，埋深約13 m，停車場與邊坡支護結(jié)構(gòu)相分離。其地理位置如圖1所示。

圖1 某停車場地理位置圖

1.2 場坪高程及周邊環(huán)境條件

某停車場在龍城公園內(nèi)自東南向西北方向布設，地形起伏較大，三面環(huán)山，一面臨路，周邊環(huán)境條件簡單。南、北兩側(cè)山體現(xiàn)狀高程為80～120 m；西側(cè)緊臨公園路，道路路面高程41～44 m；東側(cè)現(xiàn)狀為低洼池塘，現(xiàn)狀高程46～52 m。

結(jié)合防洪水位、線路坡度、上蓋景觀、土石方盡量小等相關(guān)要求，停車場場坪高程設置為43.5 m，北側(cè)邊坡高達40 m，南側(cè)邊坡高達55.0 m。

1.3 場地工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

邊坡地層為全新統(tǒng)人工填土層、全新統(tǒng)沖洪積層、殘積層，下伏基巖為白堊系燕山四期花崗巖、下石炭統(tǒng)石蹬子組灰?guī)r和測水組砂巖，其中以強風化砂巖為主。強風化巖體呈土狀?碎塊狀結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)面雜亂無序，不存在優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，破壞模式與土質(zhì)邊坡相似，圓弧型滑動一般發(fā)生在強風化巖體的內(nèi)部，由于各分區(qū)邊坡強風化層厚度較大，因此主要可能產(chǎn)生層間圓弧滑動，局部中等風化埋藏相對較淺的部位可能影響圓弧面的形態(tài)，但由于中等風化大部分埋藏較深，且頂面不規(guī)則，一般不會沿中等風化頂面滑動。

擬設計邊坡場地范圍內(nèi)以基巖裂隙水為主?；鶐r裂隙水主要賦存于碎塊狀強風化、中等風化花崗巖及碎塊狀強風化、中等風化砂巖中。含水層厚度變化較大，碎塊狀強風化、中等風化花崗巖層中，水量稍豐富。透水性和富水性因基巖裂隙發(fā)育程度、貫通度、地形條件以及與地表水源的連通性等情況而變化，主要由大氣降水、松散巖類孔隙水補給，以側(cè)向徑流、人工開采方式排泄?？辈炱陂g測得穩(wěn)定水位埋深0.60～55.15 m，穩(wěn)定水位高程48.2～64.5 m，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗地下水位的年平均變化幅度為0.5～2.0 m。典型地質(zhì)剖面圖如圖2所示。

圖2 某停車場邊坡典型地質(zhì)剖面圖

2 風化巖（土）邊坡變形破壞類型

風化巖（土）邊坡，即邊坡主體由全強風化土層或砂土狀強風化組成，根據(jù)其坡體巖土不同風化程度，可以分為三種地質(zhì)模式。

（1）模式A

邊坡開挖切削巖層風化殼，一般為全強風化土層，經(jīng)常發(fā)生風化殼土層依附其下伏相對風化輕微巖層表面的滑動變形和破壞。這種情況，在花崗巖地區(qū)或凝灰?guī)r地區(qū)較為常見。特別是在花崗巖地區(qū)，由于不均勻風化強烈，球狀風化或殼狀風化發(fā)育，其風化物的透水性一般較好，在地表水滲透的情況下，不均勻風化界面容易形成地下水和黏性物質(zhì)的聚集，在特定的形態(tài)組合下產(chǎn)生變形和破壞（見圖3）。

圖3 風化巖（土）邊坡工程地質(zhì)模式A

（2）模式B

邊坡主體由坡殘積層及風化層組成，甚至局部夾強風化至中等風化巖體，由于地質(zhì)構(gòu)造作用和影響，常見一些強烈風化軟弱帶，如果其產(chǎn)狀傾向坡面，在邊坡開挖切削坡角支撐并致使其軟弱帶臨空暴露的情況下，極易產(chǎn)生上覆風化巖土體沿其下伏基巖面產(chǎn)生較大規(guī)模的滑動變形和破壞（見圖4）。

圖4 風化巖（土）邊坡工程地質(zhì)模式B

（3）模式C

邊坡土體由坡殘積土層及砂土狀強風化層組成，由于其原巖結(jié)構(gòu)面發(fā)育，常見一組或多組陡傾角和緩傾角的長大貫通，并存在傾向臨空的緩傾角結(jié)構(gòu)面，在各不利結(jié)構(gòu)面作用下，經(jīng)常發(fā)生陡緩裂面切割塊體沿其下伏緩傾角裂面的變形和破壞（見圖5）。

圖5 風化巖（土）邊坡工程地質(zhì)模式C

3 邊坡支護設計

3.1 邊坡支護設計方案

邊坡支護工程在安全可靠的基礎(chǔ)上，綜合考慮場外排水系統(tǒng)、景觀要求，同時盡可能減少對既有山體破壞，確定超高邊坡支護設計方案[14?16]。

超高邊坡南側(cè)典型剖面坡頂高程98.5 m，場坪設計高程43.5 m，邊坡高達55 m（見圖6）。擬建停車場上蓋覆土后高程53 m，邊坡支擋結(jié)構(gòu)與停車場主體結(jié)構(gòu)距離約4 m。為確保上蓋景觀與公園景觀的流暢銜接，同時保證邊坡的安全穩(wěn)定，邊坡支護下部采用排樁錨桿擋墻支擋結(jié)構(gòu)，上部采用分級放坡開挖錨桿格構(gòu)梁的支護體系。邊坡典型剖面設計參數(shù)如下。

圖6 超高邊坡南側(cè)典型剖面圖

（1）邊坡下部直立段排樁錨桿擋墻

樁長21 m，嵌固深度11 m，樁徑2 m，樁間距2.5 m；3 道預應力樁上錨索，錨索水平間距2.5 m，錨固體直徑150 mm，均采用1860 級15.2 mm 鋼絞線，錨索設計參數(shù)見表1，樁前設置300 mm 厚擋土板，預留泄水孔。

表1 南側(cè)邊坡典型剖面錨索參數(shù)表

（2）邊坡上部緩坡開挖

每級邊坡坡高10 m，設置分級3 m 寬平臺，下三級邊坡坡率1∶1.25，上兩級邊坡坡率1∶1.5；坡面采用3 m×3 m 的菱形格構(gòu)梁，構(gòu)造錨桿長8 m，間距6 m；格構(gòu)梁內(nèi)噴混植生，客土噴播復綠（見圖7）。

圖7 邊坡復綠景觀效果鳥瞰圖

3.2 設計驗算

本工程設計使用年限為50年，邊坡安全等級為一級，邊坡支護結(jié)構(gòu)采用以分項系數(shù)表示的極限狀態(tài)設計法：

邊坡支護結(jié)構(gòu)采用平面應變分析，先采用理正巖土邊坡穩(wěn)定性分析模塊計算上部邊坡穩(wěn)定性，再用理正深基坑模擬施工開挖工況，最后采用理正巖土建坡?lián)跬翂δK，對支護結(jié)構(gòu)體系進行一般工況和地震工況下的穩(wěn)定性驗算。

邊坡變形標準控制：支護結(jié)構(gòu)坡頂最大水平位移≤邊坡開挖高度的1/500 或20 mm。

（1）上部緩坡穩(wěn)定性驗算

采用圓弧滑動法計算支擋結(jié)構(gòu)上部邊坡穩(wěn)定性。孔隙水壓力采用靜水壓力近似計算，不考慮滲透力作用；地震烈度為7 度，水平地震系數(shù)0.10，地震力作用位置為質(zhì)心處。

經(jīng)計算，一般工況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.525>1.35，地震工況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.431>1.15。

（2）邊坡開挖工況模擬

荷載分項系數(shù)按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009）規(guī)定取值，對于永久荷載控制的基本組合，分項系數(shù)取1.35。邊坡開挖不利工況包絡圖見圖8。

圖8 邊坡開挖不利工況包絡圖

邊坡支護結(jié)構(gòu)坡頂計算最大水平位移為9.27 mm<20 mm，整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.422>1.35。

（3）不同工況下的穩(wěn)定性驗算

一般工況下，各荷載分項系數(shù)均取1.35；地震工況下，地震作用荷載分項系數(shù)取1.30。地震烈度為7 度，水平地震系數(shù)0.10，水上地震角為1.5 度，水下地震角為2.5 度，孔隙水壓力采用靜水壓力近似計算，不考慮滲透力作用。計算結(jié)果見表2。

表2 不同工況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計算表

4 動態(tài)設計

（1）處理局部坍塌

上部緩坡坡體范圍內(nèi)主要為碎塊狀強風化砂巖，在削坡開挖過程中，局部揭露一層黑色黏性土層，且由于連續(xù)降雨導致遇水軟化后局部坍塌。經(jīng)與勘察單位核實，局部坍塌區(qū)域土呈黑灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，主要成份為黏土礦物地層，經(jīng)判定為強風化炭質(zhì)頁巖。為避免坍塌進一步擴大，在連續(xù)降雨期間采用防水彩條布對邊坡坡面進行覆蓋防水，待降雨停止適當曬干后，降低局部邊坡坡率，挖出坍塌區(qū)域土體，采用C15 素混凝土回填后及時施作格構(gòu)梁錨桿。

（2）調(diào)整嵌固深度

排樁錨桿擋墻設計采用直徑2 m 的灌注樁，樁長21 m，嵌固段長11 m。局部灌注樁施工至19～20 m 時，旋挖機出現(xiàn)施工困難、鉆進速率明顯減緩甚至無法鉆進。設計方收到信息反饋后，要求施工方利用大直徑旋挖機取出該深度巖樣與鄰近勘察鉆孔同一深度下巖芯樣本進行比較。經(jīng)核實，當前旋挖鉆孔施工深度范圍內(nèi)巖層呈灰色，巖芯采取率較高，經(jīng)判定為中等風化砂巖。設計人員及時調(diào)整原設計模型及輸入?yún)?shù)進行重新計算，驗算結(jié)果表明，當嵌固段進入中等風化砂巖0.5 m 時，其穩(wěn)定性、位移等計算結(jié)果均已滿足規(guī)范要求，因此將嵌固深度由11 m 調(diào)整為進入中等風化砂巖層0.5 m。

（3）對周邊環(huán)境的應急響應

停車場出入線明挖段利用邊坡支護樁兼作臨時樁撐體系，第一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐的設計軸力為729 kN。在明挖段開挖至基底時，靠近邊坡支護樁的第一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐軸力監(jiān)測值為4000 kN，遠遠超過設計值，監(jiān)測單位根據(jù)三級預警體系進行了報警。而該區(qū)域邊坡支護樁樁頂水平位移、沉降以及其他內(nèi)支撐軸力監(jiān)測均未出現(xiàn)異常。勘察單位已確認現(xiàn)場揭露地層與勘察報告一致，不存在軟弱土層區(qū)域。

經(jīng)現(xiàn)場踏勘，發(fā)現(xiàn)邊坡支護樁樁上錨索未能及時施作導致超挖是產(chǎn)生內(nèi)支撐軸力過大的根本原因。為避免內(nèi)支撐軸力進一步擴大導致更嚴重的后果，設計方要求施工單位對該區(qū)域進行回填，及時施作錨索并完成張拉后再按要求開挖。當完成第三排錨索的張拉鎖定后，內(nèi)支撐軸力趨于穩(wěn)定。

5 邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)

龍城公園停車場南側(cè)超高邊坡自2019年6月10日開始施工，施工過程中對高邊坡支護結(jié)構(gòu)的水平位移、沉降進行實時監(jiān)測。目前龍城公園南側(cè)超高邊坡已經(jīng)完成開挖施工，監(jiān)測成果見圖9、圖10。由監(jiān)測成果可知，邊坡累計水平位移最大值為10.2 mm，支護樁深層水平位移最大值約為4.4 mm，水平位移變化趨于穩(wěn)定，且小于規(guī)范或設計要求值。

圖9 南側(cè)典型邊坡支護結(jié)構(gòu)坡頂水平位移監(jiān)測曲線

圖10 南側(cè)典型邊坡測斜管最終狀態(tài)曲線圖

6 結(jié)論

（1）基于地質(zhì)勘察和周邊環(huán)境條件，提出的樁錨+坡面錨桿格構(gòu)梁支護方案是有效的，對同類邊坡工程有一定的借鑒作用。

（2）超高山體邊坡支護設計方案在安全可靠的基礎(chǔ)上，應綜合考慮場外排水系統(tǒng)、景觀要求及盡可能減少對既有山體破壞。

（3）堅持動態(tài)設計：施工時如出現(xiàn)與設計考慮情況不符或遇到不明地層時，應及時反饋設計，進行設計確認、驗算和變更。