桑偉寧，吳紅波

（1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

高速公路的建設(shè)，從前期設(shè)計、到施工、至竣工驗收完畢，有著漫長的周期。作為公路工程的技術(shù)核心，設(shè)計是在前期收集資料以及現(xiàn)場勘探的基礎(chǔ)上進行的，后期在施工過程中，現(xiàn)場情況與設(shè)計時會有所差別，或隨著時間推移，有些現(xiàn)場數(shù)據(jù)發(fā)生變化，又或是在施工中因施工不當或山區(qū)暴雨等自然因素造成邊坡失穩(wěn)等超出原設(shè)計的情況發(fā)生。動態(tài)設(shè)計本質(zhì)是尊重施工實際，體現(xiàn)的是設(shè)計與施工的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，作為理念與實際的結(jié)合貫穿于工程施工的全過程，根據(jù)施工現(xiàn)場的實時反饋，不斷完善優(yōu)化設(shè)計方案，通過動態(tài)設(shè)計讓設(shè)計方案更符合施工實際狀況，方便施工，保證工程順利完成。

山區(qū)高速公路建設(shè)中線路經(jīng)過會對山體削切產(chǎn)生高邊坡，由于山體本質(zhì)是地殼運動的結(jié)果，山區(qū)地形地貌差異較大，地質(zhì)構(gòu)造復雜，公路路線沿線山體巖石種類、節(jié)理、風化程度裂隙狀況和順逆層邊坡，有無斷層或不良地質(zhì)都對高邊坡路段的穩(wěn)定性有較大影響，同時山區(qū)氣候條件多變降雨量大、水文和水文地質(zhì)條件以及施工不當都會對山體開挖后的高邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。因此公路路基設(shè)計規(guī)范規(guī)定，高邊坡挖方段應按獨立工點進行勘察設(shè)計分析，邊坡支護按專項進行設(shè)計確保邊坡穩(wěn)定。

邊坡穩(wěn)定性分析應遵循“以定性分析為基礎(chǔ)、定量計算為手段”的原則。進行邊坡穩(wěn)定性計算時，應根據(jù)邊坡工程地質(zhì)條件或已經(jīng)出現(xiàn)的變形破壞跡象，定性判斷邊坡可能的破壞形式和邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)。目前，邊坡穩(wěn)定性分析方法主要有以剛體極限平衡理論為基礎(chǔ)的極限平衡法和以有限元（FEM）、有限差分（FDM）為基礎(chǔ)的數(shù)值分析法。極限平衡法是建立在剛體極限狀態(tài)時的靜力基礎(chǔ)上，分析邊坡各種破壞模式下的受力狀態(tài)來評價其穩(wěn)定性。由于該方法可以給出物理意義明確的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)以及可能的破壞面，力學模型簡單而得到了廣泛應用。

本文針對皖南山區(qū)某高速公路施工中因地質(zhì)條件變化、施工不當及連續(xù)暴雨原因?qū)е率Х€(wěn)的高邊坡路段，采用較為成熟的不平衡推力法計算、GEO5軟件建立模型模擬采用折線滑動面分析與計算，進行暴雨不利條件三種工況下邊坡開挖和錨索（桿）加固變形的穩(wěn)定性分析，動態(tài)設(shè)計調(diào)整高邊坡支護方案，指導實際工程的施工，確保了該高邊坡的實際情況與動態(tài)設(shè)計調(diào)整后的邊坡防護方案相符合，施工完成后該高邊坡工程穩(wěn)定，達到了設(shè)計與施工的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，研究成果可為類似的山區(qū)高速公路高邊坡工程提供相應參考。

1 工程實例

1.1 工程介紹

本項目高速公路工程位于皖南山區(qū)，線路中間經(jīng)過的縣城至今未通高速，經(jīng)濟發(fā)展滯后，常年屬于國家級貧困縣，本項目是安徽省“縣縣通”高速公路重點工程，對推動沿線區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展將發(fā)揮重要作用。公路沿線區(qū)域地勢總體特征為南高、北地，地形起伏較大，項目區(qū)屬皖南中低山區(qū)，微地貌類型主要有河漫灘及一級階地、山地斜地、低丘、高丘、低山和中山，地形條件復雜，高速公路修筑過程中不可避免將會遇到數(shù)量眾多的路塹邊坡，在重力、風化作用、地表水下滲作用和地下水侵蝕作用等不利條件下，邊坡存在整體或局部坡面坍塌的可能性。本次設(shè)計高邊坡支護工程樁號K57+037.3～K57+163.1右側(cè)，開挖山體長度125.8m，邊坡高度38.75m，邊坡類型為巖質(zhì)路塹邊坡。

1.2 地質(zhì)概況

該高邊坡段場地地層主要由志留系下統(tǒng)霞鄉(xiāng)組（Sx）粉砂巖組成。場地地層具體工程地質(zhì)特性分述如下：

①碎石土：雜色，稍密～密實，成分主要為粉砂巖，棱角狀，厚度0.20～1.00m，屬于Ⅲ級硬土。

②全風化粉砂巖：灰色、灰黃色，巖石組織結(jié)構(gòu)已完全破壞，巖石風化呈砂土狀，局部夾強風化碎石。層厚2.40～5.40m，屬于Ⅲ級硬土。

③強風化粉砂巖，灰色、灰褐色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，巖石組織結(jié)構(gòu)部分已破壞，巖性軟，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體極破碎，多呈碎塊狀和塊狀，層厚5.10～12.10m，屬于Ⅳ級軟石。

④中風化粉砂巖，灰色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，巖性軟硬不一，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈柱狀為主及少量塊狀，層厚12.30～22.90m（未揭穿），屬于Ⅴ級次堅石。

場地粉砂巖夾頁巖，巖層受構(gòu)造影響，場地內(nèi)基巖節(jié)理裂隙發(fā)育，主要節(jié)理裂隙有3組，詳細見表1。

產(chǎn)狀一覽表 表1

1.3 水文地質(zhì)

邊坡位于山體斜坡處，當大氣降水時，向山凹及低洼處匯集排泄，并沿地表以較快的速度流入河網(wǎng)。

地下水類型主要為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，主要受大氣降雨控制。地下水的影響主要體現(xiàn)在增加坡體自重、產(chǎn)生靜水壓力、降低軟弱結(jié)構(gòu)面強度等方面。

2 高邊坡支護方案動態(tài)設(shè)計

2.1 原設(shè)計方案

原邊坡的坡形坡率設(shè)計主要依據(jù)自然地形條件及地質(zhì)條件，采用與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)的生態(tài)防護方案。邊坡原加固方案見表2。

高邊坡防護原設(shè)計方案一覽表 表2

現(xiàn)場施工中依次完成了五、四、三、二級邊坡的防護施工，未見異常。

根據(jù)現(xiàn)場施工開挖情況，三、四級邊坡的錨索入巖深度8～10m，錨索張拉預應力為400kN，邊坡存在孤石現(xiàn)象，圍巖較破碎，完整性較差。二級坡孤石較多，邊坡中部有6m長孤石，K57+057～K57+070段（二級坡邊部），錨桿入巖深度5～6m；K57+070～K57+145段（二級坡中部），錨桿入巖深度8～9m；K57+120～K57+145段（二級坡邊部），錨桿入巖深度4～5m。二級邊坡邊部整體較中部風化更嚴重，且邊坡邊部的地質(zhì)情況相似，錨桿入巖深度均在5m左右。

在完成該高邊坡上面四級邊坡防護后八月初進行一級邊坡開挖施作路塹墻施工，在大樁號側(cè)邊坡沿縱向開挖長度約25m完成后，發(fā)現(xiàn)二級邊坡頂出現(xiàn)縱向裂縫，裂縫寬度約3cm，裂縫長度約35m，二、三、四、五級邊坡在大樁號側(cè)均出現(xiàn)2～3cm寬不同程度的橫向裂縫。現(xiàn)場立即停止施工，立刻組織一級邊坡回填反壓處理，裂縫采取防水處理。

經(jīng)業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理及各方專家對失穩(wěn)邊坡進行多次現(xiàn)場考察會議討論，確定邊坡失穩(wěn)原因為該高邊坡二級坡圍巖較破碎，完整性較差，一級邊坡路塹墻施工時需大面積開挖邊坡坡腳，開挖形成了較大的臨空面，外加皖南山區(qū)六七月份雨季，降雨量較大，雨水沿著邊坡表面向內(nèi)滲入至坡體的內(nèi)部，巖土體受到孔隙水影響，降低了巖土體的強度參數(shù)，增大了邊坡的下滑力，同時也破碎的圍巖發(fā)生軟化，綜上原因?qū)е逻吰戮植渴Х€(wěn)下滑開裂。根據(jù)現(xiàn)場施工實際情況，原設(shè)計方案無法滿足施工安全及邊坡穩(wěn)定性要求，需要對原設(shè)計方案進行動態(tài)設(shè)計調(diào)整。

圖1 高邊坡原設(shè)計防護方案

2.2 邊坡穩(wěn)定性分析

對該高邊坡采用國內(nèi)外較有代表性的不平衡推力計算法，運用較為成熟可靠的GEO5邊坡計算軟件建立模型模擬采用折線滑動面分析與計算，進行暴雨不利條件三種不同工況下邊坡開挖和錨索（桿）加固變形的穩(wěn)定性分析，動態(tài)設(shè)計調(diào)整高邊坡支護方案，指導實際工程的施工，各狀態(tài)安全系數(shù)見表3。

各狀態(tài)安全系數(shù) 表3

計算參數(shù)根據(jù)勘察報告、路基規(guī)范及地區(qū)經(jīng)驗確定，本次計算巖土體參數(shù)選取見表4。

巖土體參數(shù) 表4

取邊坡的現(xiàn)場典型的破壞斷面（K57+137）及最高斷面（K57+098），對暴雨條件下的這兩處斷面分別分以下三種工況進行分析。

工況1：此工況為現(xiàn)狀邊坡在現(xiàn)有防護情況下的邊坡穩(wěn)定性分析（一級坡未開挖）。

工況2：此工況為現(xiàn)狀邊坡在現(xiàn)有防護情況下對一級邊坡進行開挖后的邊坡穩(wěn)定性分析。

工況3：此工況為采取此次調(diào)整后的加固措施后的邊坡穩(wěn)定性分析。

2.2.1 破壞斷面（K57+137）穩(wěn)定性分析

圖2 工況1穩(wěn)定性分析（破壞斷面K57+137）

圖3 工況2穩(wěn)定性分析（破壞斷面K57+137）

圖4 工況3穩(wěn)定性分析（破壞斷面K57+137）

2.2.2 最高斷面（K57+098）穩(wěn)定性分析

圖5 工況1穩(wěn)定性分析（最高斷面K57+098）

圖6 工況2穩(wěn)定性分析（最高斷面K57+098）

2.2.3 穩(wěn)定性評價

破壞斷面（K57+137）及最高斷面（K57+098）的穩(wěn)定性計算結(jié)果見表5。

邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果 表5

圖7 工況3穩(wěn)定性分析（最高斷面K57+098）

工況1：此工況為現(xiàn)狀邊坡在現(xiàn)有防護情況下的邊坡穩(wěn)定性分析（一級坡未開挖）。

工況2：此工況為現(xiàn)狀邊坡在現(xiàn)有防護情況下對一級邊坡進行開挖后的邊坡穩(wěn)定性分析。

工況3：此工況為采取此次調(diào)整后的加固措施后的邊坡穩(wěn)定性分析。

通過定量計算，本段高邊坡在現(xiàn)有防護情況下且未開挖一級坡時基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，在現(xiàn)有防護情況下對一級邊坡進行開挖，形成臨空面，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，采取調(diào)整后的加固措施后的邊坡穩(wěn)定性得到提升，處于較穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 動態(tài)設(shè)計后優(yōu)化方案

結(jié)合邊坡現(xiàn)狀調(diào)查及穩(wěn)定性計算結(jié)果，可以判明該邊坡在一級邊坡未開挖的條件下基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，但二級邊坡的邊部較中部風化更嚴重，邊部錨桿入巖深度較短，不能有效發(fā)揮錨桿框架的作用，且一級邊坡大面積開挖形成臨空面將導致邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。針對該段邊坡的實際情況，設(shè)計采用錨索框架及十字形錨墩進行加固高邊坡防護。

2.3.1 設(shè)計方案

①根據(jù)現(xiàn)場情況，增強大樁號側(cè)邊坡防護強度，在二、三、四級邊坡大樁號側(cè)各增加一片高錨索框架，延伸防護范圍。

②為保護小樁號側(cè)橋梁墩臺安全，向小樁號方向延伸防護范圍，具體設(shè)計為：在三級邊坡小樁號側(cè)增加三片錨索框架、四級邊坡小樁號側(cè)增加兩片錨索框架，在二級邊坡小樁號側(cè)增加五片錨索框架。

③二級坡錨桿入巖深度較短，且邊坡的邊部較中部風化嚴重，未有效發(fā)揮錨桿框架的作用，在錨桿框架的框格中間增設(shè)十字形錨墩，錨墩縱向間距3m。K57+057.6～K57+069.6 段 、K57+129.6～K57+141.6段，框格間均設(shè)置兩排十字形錨墩；K57+072.6～K57+126.6段，框格間設(shè)置一排十字形錨墩，按梅花形布置。

④為控制一級坡施工期間的開挖，保證施工安全及邊坡穩(wěn)定性，一級坡原設(shè)計路塹墻調(diào)整為錨索框架設(shè)計。錨索框架高6m，調(diào)整后坡率1:0.4。

⑤邊坡兩側(cè)及坡頂采用掛網(wǎng)客土噴播，錨索框架間采用植生袋碼砌進行綠化并做好坡面外圍截水溝，防止雨水沖刷滲入坡面。具體方案詳見如下圖8邊坡立面設(shè)計圖。

圖8 立面設(shè)計圖

2.3.2 十字形錨墩設(shè)計

十字形錨墩節(jié)點處設(shè)計一根錨索，采用6束Φj15鋼絞線，錨索長度為20m。豎肋、橫梁長度均為1.5m，截面尺寸為0.5×0.6m，采用C25混凝土澆筑，混凝土應夯搗密實，錨頭待錨索張拉鎖定后用C20混凝土封填。施工時先施工錨索再施工錨墩，待錨固體及框架混凝土強度達到其設(shè)計強度的80%后，方可進行錨索張拉、鎖定。單孔錨索拉力設(shè)計值為400kN。

2.3.3 錨索框架設(shè)計

①二、三、四級坡的錨索框架與原設(shè)計保持一致，錨索框架均高8m，采用6束Φj15鋼絞線。二、三級坡坡率1:0.75，錨索長度為20m；四級坡坡率1:1，錨索長度為25m。每框架由三根肋柱和三根橫梁組為一片，對順層邊坡，錨索安裝傾角為25°，以利于錨索穿過更多的層面?？蚣芰?、豎肋截面尺寸為0.5×0.6m，豎肋橫向間距3m，每片框架橫向?qū)挾?m。

②一級坡的錨索框架高6m，坡率1:0.4。每片框架由三根肋柱和兩根橫梁組為一片，每片框架設(shè)置6根錨索及3根錨桿（上兩層節(jié)點處設(shè)置錨索，每根豎肋底部以上1m位置設(shè)置錨桿）。錨索長度為18m，采用6束Φj15鋼絞線。錨桿長度為12m，由1根Φ28鋼筋制成，單孔錨桿拉力設(shè)計值為110kN。錨索及錨桿的安裝傾角均為25°?？蚣芰骸⒇Q肋截面尺寸為0.5×0.6m，豎肋橫向間距3m，每片框架橫向?qū)挾?m。

2.3.4 高邊坡穩(wěn)定檢測方案設(shè)計

邊坡開挖后應進行變形監(jiān)測，施工過程中加強施工安全監(jiān)測，治理施工完成后一年內(nèi)進行治理效果檢查監(jiān)測，治理施工完成后較長時間內(nèi)的雨季或暴雨季節(jié)，還應加強巡視和檢查工作。檢驗高邊坡治理效果，同時為今后滑坡的監(jiān)測預警提供依據(jù)。

本高邊坡工程治理施工完成后監(jiān)測項目應包括坡頂水平位移和垂直位移、地表裂縫、降雨洪水與時間關(guān)系、錨桿拉力、支護結(jié)構(gòu)變形、地下水滲水及降雨關(guān)系，支護結(jié)構(gòu)變形可作為選測項目。監(jiān)測頻率見表6，邊坡監(jiān)測應符合下列規(guī)定：

監(jiān)測頻率表 表6

①坡頂位移觀測，應在每一典型邊坡段的支護結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置少于3個觀測點的觀測網(wǎng)，觀測位移量、移動速度和方向，并不少于3個觀測斷面。

②錨索拉力損失監(jiān)測，應選擇有代表性的錨索，測定錨索應力和預應力損失。

③非預應力錨桿的應力監(jiān)測根數(shù)不宜少于錨桿總數(shù)的5%。

④監(jiān)測方案可根據(jù)設(shè)計要求、邊坡穩(wěn)定性、周邊環(huán)境和施工進程等因素確定。當出現(xiàn)險情時應加強監(jiān)測。

2.4 高邊坡支護動態(tài)設(shè)計方案實施效果

本項目高邊坡支護工程于2020年9月實施，2020年底基本按方案施工完成。施工前在各級坡頂相應的監(jiān)測點設(shè)置位移監(jiān)測點，施工期間按監(jiān)測頻率表加強邊坡的變形監(jiān)測，各項數(shù)值均在設(shè)計范圍內(nèi)，確保了施工的安全進行。施工結(jié)束后繼續(xù)進行邊坡的變形監(jiān)測，通過對邊坡變形-地表位移、深層水平位移及錨索（桿）應力監(jiān)測，均在設(shè)計范圍以內(nèi)。通過半年以來的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，支護結(jié)構(gòu)累計最大水平位移11.5mm（＜20mm），累計最大豎向位移10mm，各項監(jiān)測指標數(shù)值已趨于穩(wěn)定，位移值變化速率趨于平緩，近三個月來未見位移值較大偏差，高邊坡未發(fā)現(xiàn)失穩(wěn)跡象，各項數(shù)據(jù)表明本次高邊坡支護工程動態(tài)設(shè)計調(diào)整方案安全有效可靠。

3 結(jié)語

本文結(jié)合具體工程實例，針對山區(qū)高速公路巖質(zhì)路塹高邊坡支護工程在施工過程中遇到的邊坡失穩(wěn)情況進行動態(tài)設(shè)計調(diào)整高邊坡支護方案，采用不平衡推力計算法，運用較為成熟可靠的GEO5邊坡計算軟件建立模型模擬采用折線滑動面分析與計算，進行暴雨條件下三種不同工況選取破壞斷面（K57+137）和最高斷面（K57+098）邊坡開挖和錨索（桿）加固下變形的穩(wěn)定性分析，調(diào)整高邊坡支護方案，指導現(xiàn)場施工。得到相關(guān)結(jié)論如下：

①動態(tài)設(shè)計已廣泛應用于公路建設(shè)中，并越來越凸顯其必要性和重要性。設(shè)計單位技術(shù)人員組成的設(shè)計代表長期堅守在建設(shè)工地，為動態(tài)設(shè)計創(chuàng)造了有利條件。高速公路建設(shè)中，結(jié)合現(xiàn)場實際情況對項目因地制宜進行動態(tài)設(shè)計，將原設(shè)計進行優(yōu)化、調(diào)整和完善，保證了設(shè)計方案的合理可行，指導了施工，確保了工程的安全可行及質(zhì)量。

②針對山區(qū)高速公路高邊坡失穩(wěn)原因，利用軟件模擬分析，在不利的暴雨工況下，對破壞斷面及最高斷面安全系數(shù)分別為1.32及1.30，均能夠達到邊坡設(shè)計的規(guī)范要求，設(shè)計十字形錨墩、錨索框架梁加固失穩(wěn)邊坡，一級邊坡支護調(diào)整路塹墻為錨索框架減少開挖，確保施工安全及邊坡穩(wěn)定性，同時做好邊坡外圍及坡面的防排水工作。

③高邊坡支護設(shè)計具有復雜性，應根據(jù)高邊坡山體開挖后的實際地質(zhì)情況判別破壞形式，同時考慮山區(qū)雨水較多及施工過程的影響，以定性分析為基礎(chǔ)定量計算為手段，采用多種形式組合支護，施工過程中及完成后變形監(jiān)測數(shù)據(jù)良好，高邊坡未出現(xiàn)失穩(wěn)跡象，說明動態(tài)設(shè)計調(diào)整后的支護方案是合理的，為山區(qū)高速公路高邊坡治理工程中的應用提供了實踐經(jīng)驗及參考依據(jù)。