魏永幸 劉會(huì)娟 王占盛 褚宇光 周 成

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

支擋結(jié)構(gòu)在山區(qū)鐵路、公路工程中應(yīng)用廣泛，其安全關(guān)乎山區(qū)道路建設(shè)安全、運(yùn)輸安全和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。山區(qū)道路支擋結(jié)構(gòu)的建設(shè)環(huán)境極其復(fù)雜，受地質(zhì)、水文、技術(shù)、材料等因素及勘察、設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)等環(huán)節(jié)的影響，支擋結(jié)構(gòu)安全問題時(shí)有發(fā)生。如何量化識(shí)別山區(qū)道路支擋結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn)，科學(xué)評(píng)估山區(qū)道路支擋結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn)，并從工程建設(shè)源頭—工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)做好山區(qū)道路支擋結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn)防控，是山區(qū)道路建設(shè)與運(yùn)營維護(hù)亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。

1 研究思路與技術(shù)路線

中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司歷時(shí)十余年，圍繞支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)、支擋結(jié)構(gòu)安全性能提升開展系統(tǒng)研究[1-8]，在支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)量化識(shí)別、極限狀態(tài)設(shè)計(jì)參數(shù)匹配優(yōu)化、安全保障與性能提升技術(shù)等方面取得突破，形成了支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與防控成套技術(shù)。支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與防控研究技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與防控研究技術(shù)路線圖

2 支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

系統(tǒng)開展支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的研究，建立山區(qū)道路常用支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)庫，提出支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)“量化識(shí)別+綜合評(píng)估”方法和山區(qū)道路常用支擋結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)防控對策。

2.1 支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)庫

支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)可采取正向分析和反向分析兩種途徑。所謂正向分析就是從影響支擋結(jié)構(gòu)安全的因素入手，分析安全風(fēng)險(xiǎn)因素可能導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)事件；所謂反向分析則是從已知支擋結(jié)構(gòu)可能的風(fēng)險(xiǎn)事件入手，分析導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)因素。影響支擋結(jié)構(gòu)安全的因素，可歸納為環(huán)境、技術(shù)、材料三大類，共14項(xiàng)，如表1所示。

表1 支擋結(jié)構(gòu)安全影響因素表

支擋結(jié)構(gòu)可能的風(fēng)險(xiǎn)事件通常包括：結(jié)構(gòu)失穩(wěn)出現(xiàn)垮塌、傾覆，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)超出預(yù)期的變形，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂等損傷，不滿足使用功能要求等。

結(jié)合具體支擋結(jié)構(gòu)，可利用分解分析法、圖解法等風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法，分析可能導(dǎo)致支擋結(jié)構(gòu)發(fā)生潛在風(fēng)險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)因素，也可從支擋結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的潛在風(fēng)險(xiǎn)事件入手，分析影響支擋結(jié)構(gòu)安全的風(fēng)險(xiǎn)因素。以常用的樁板式擋土墻為例，從影響樁板式擋土墻安全的風(fēng)險(xiǎn)因素入手，分析潛在風(fēng)險(xiǎn)事件，其樹狀層次分析圖如圖2所示；或從樁板式擋土墻傾覆破壞風(fēng)險(xiǎn)事件入手，分析可能風(fēng)險(xiǎn)因素，樹狀層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 樁板式擋土墻安全影響因素分析樹狀層次分析圖

圖3 樁板式擋土墻傾覆安全風(fēng)險(xiǎn)因素樹狀層次分析圖

2.2 支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)估

應(yīng)用層次分析法、敏感性分析法、專家打分法等可對影響支擋結(jié)構(gòu)安全的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析，識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)的大小，并對風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行排序，也可對支擋結(jié)構(gòu)某一風(fēng)險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行排序。樁板式擋土墻發(fā)生傾覆的風(fēng)險(xiǎn)因素排序如表2所示。

表2 樁板式擋土墻傾覆風(fēng)險(xiǎn)因素排序表

必要時(shí)，也可采用仿真分析法、模型試驗(yàn)法，對影響支擋結(jié)構(gòu)安全的風(fēng)險(xiǎn)因素做進(jìn)一步的研究分析。如針對高速鐵路線下基礎(chǔ)工后毫米級(jí)沉降標(biāo)準(zhǔn)的限制要求，中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司開展了“高速鐵路樁板式擋土墻基于路基面沉降控制的設(shè)計(jì)研究”，采用數(shù)值模擬和室內(nèi)模型試驗(yàn)對高速鐵路樁板式擋土墻風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別，找出風(fēng)險(xiǎn)的主控因素為錨固樁側(cè)向變形，進(jìn)而提出限制錨固樁側(cè)向變形的工程措施。

2.3 山區(qū)道路常用支擋結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)防控對策

基于山區(qū)道路支擋結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)估，研究規(guī)避或降低支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)的對策和工程措施。針對具體的支擋結(jié)構(gòu)或具體的某一風(fēng)險(xiǎn)事件，研究制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)防控對策。山區(qū)道路常用支擋結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)防控對策如表3所示。

表3 山區(qū)道路常用支擋結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)防控對策表

3 支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開展支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)研究[9-11]，提出山區(qū)道路常用支擋結(jié)構(gòu)基于安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的設(shè)計(jì)分項(xiàng)系數(shù)及基于參數(shù)“自洽”匹配的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，提出基于風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、參數(shù)“自洽”的支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。

3.1 支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)內(nèi)容

根據(jù)GB 50153-2008《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》，支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)需考慮承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。山區(qū)道路常用支擋結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)形式、受力特點(diǎn)等可分為明挖基礎(chǔ)、錨固樁、錨桿(索)三類支擋結(jié)構(gòu)。其極限狀態(tài)設(shè)計(jì)內(nèi)容如表4所示。

表4 支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)內(nèi)容表

3.2 基于安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的設(shè)計(jì)分項(xiàng)系數(shù)

合理設(shè)置各類作用、效應(yīng)的設(shè)計(jì)分項(xiàng)系數(shù)對支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)十分重要，可使支擋結(jié)構(gòu)在各類作用、效應(yīng)的共同作用下處于同一可靠程度，避免出現(xiàn)系統(tǒng)短板。

依據(jù)支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)因素的識(shí)別結(jié)果，支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)可從提高、增加主控風(fēng)險(xiǎn)因素的可靠性出發(fā)，調(diào)整相應(yīng)的設(shè)計(jì)分項(xiàng)系數(shù)。如傾覆風(fēng)險(xiǎn)是樁板式擋土墻的主要風(fēng)險(xiǎn)之一，其排序位列前兩位的風(fēng)險(xiǎn)因素是地質(zhì)環(huán)境及其特性和地基穩(wěn)定性，因此，樁板式擋土墻極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)調(diào)低地基橫向抗力的設(shè)計(jì)分項(xiàng)系數(shù)，以增加錨固樁的錨固深度，提高樁板式擋土墻抗傾覆的可靠性。

3.3 基于參數(shù)“自洽”的支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法

工程結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)涉及材料、作用、抗力等設(shè)計(jì)參數(shù)。對于鐵路支擋結(jié)構(gòu)而言，這些設(shè)計(jì)參數(shù)之間普遍存在著一定的相關(guān)性，其一方面可表現(xiàn)為物理層面的相關(guān)，另一方面也可表現(xiàn)為數(shù)理層面的相關(guān)。物理層面的相關(guān)如重力式擋土墻的滑動(dòng)力和抗滑力，其來源分別與土壓力的水平分力和垂直分力，即作用和抗力本質(zhì)同源，相關(guān)性不言而喻；數(shù)理層面的相關(guān)主要是指物理層面上相關(guān)并不明確，但在統(tǒng)計(jì)意義上有數(shù)值關(guān)系的情況(在鐵路支擋結(jié)構(gòu)中較常見)。參數(shù)相關(guān)性從性質(zhì)上可分為正相關(guān)、不相關(guān)和負(fù)相關(guān)，從程度上可分為強(qiáng)相關(guān)、弱相關(guān)和不相關(guān)。

相關(guān)性的存在使得某一參數(shù)調(diào)整時(shí)，其他參數(shù)存在協(xié)調(diào)性和匹配性的問題；參數(shù)相關(guān)性性質(zhì)與程度的不同，又使得支擋結(jié)構(gòu)可靠度與各設(shè)計(jì)參數(shù)之間的敏感性存在差異。因此，在進(jìn)行極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，必須保證這些參數(shù)間的“自洽”，這也是確保設(shè)計(jì)結(jié)果可靠的重要前提。研究表明，采用相關(guān)性參數(shù)的支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)結(jié)果誤差較小，校驗(yàn)結(jié)果符合性較好。基于參數(shù)“自洽”的支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法的核心要義是：首先進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的相關(guān)性分析，并由此確定“自洽”匹配的設(shè)計(jì)參數(shù)，試設(shè)計(jì)結(jié)果校驗(yàn)良好的設(shè)計(jì)參數(shù)才可用于后續(xù)設(shè)計(jì)。基于參數(shù)“自洽”的支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 基于參數(shù)“自洽”的支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)流程圖

4 復(fù)雜環(huán)境路基支擋安全性能提升

基于安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)研究，提出了消除風(fēng)險(xiǎn)隱患、強(qiáng)化薄弱環(huán)節(jié)、提升系統(tǒng)可靠性的山區(qū)道路支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)對策，創(chuàng)新了支擋結(jié)構(gòu)列車動(dòng)力效應(yīng)控制、支擋結(jié)構(gòu)變形控制、超常荷載特殊支擋結(jié)構(gòu)、既有支擋補(bǔ)強(qiáng)加固等安全保障和性能提升技術(shù)。

4.1 支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)對策

支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)防控的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)。由前述支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)的分析可知，防控風(fēng)險(xiǎn)需從風(fēng)險(xiǎn)的三大來源，即環(huán)境、技術(shù)、材料入手，從消除風(fēng)險(xiǎn)、減低風(fēng)險(xiǎn)、控制風(fēng)險(xiǎn)三個(gè)維度防控風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合具體的支擋結(jié)構(gòu)，采取對應(yīng)的防控對策，以系統(tǒng)提升支擋結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)防控思路如圖5所示，安全風(fēng)險(xiǎn)防控對策如表5所示。

表5 支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)防控對策表

圖5 支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)防控思路圖

4.2 支擋結(jié)構(gòu)列車動(dòng)力效應(yīng)控制

高速鐵路列車高速度運(yùn)行對線下基礎(chǔ)提出了高平順性、高可靠性、高穩(wěn)定性的要求。列車動(dòng)荷載對路基支擋結(jié)構(gòu)的影響受到工程界的廣泛關(guān)注。中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司開展了列車動(dòng)荷載對支擋結(jié)構(gòu)影響的研究，通過理論計(jì)算與分析、實(shí)尺動(dòng)態(tài)大模型試驗(yàn)等手段，對列車動(dòng)荷載作用及其對重力式擋土墻和衡重式擋土墻結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并取得了以下認(rèn)識(shí)：

(1)數(shù)值分析、彈性理論和模型試驗(yàn)的墻背荷載土壓力分布圖形較為接近，均呈中上部偏大、底部較小的曲線分布形式。

(2)隨著荷載作用距離的變化，動(dòng)荷載和靜荷載對擋土墻的影響程度不同。當(dāng)荷載距離較近時(shí)，動(dòng)荷載土壓力大于同等幅值靜荷載所產(chǎn)生的土壓力；當(dāng)荷載距離較遠(yuǎn)時(shí)，靜荷載土壓力大于同等幅值動(dòng)荷載所產(chǎn)生的土壓力。

(3)動(dòng)荷載土壓力與荷載作用距離之間基本符合線性關(guān)系。室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果表明，在目前高速鐵路路基面標(biāo)準(zhǔn)寬度條件下，列車動(dòng)荷載對擋墻的影響不大。

(4)動(dòng)荷載土壓力實(shí)測結(jié)果沿深度的衰減速率明顯高于計(jì)算結(jié)果。在2.0 m深度以下，動(dòng)荷載土壓力實(shí)測值很小，甚至可忽略。因此，可認(rèn)為列車動(dòng)荷載土壓力的影響范圍為路肩式擋土墻墻頂以下2.5 m。

基于上述研究，為避免列車動(dòng)荷載循環(huán)作用對路基支擋結(jié)構(gòu)造成損傷，設(shè)計(jì)時(shí)可優(yōu)化支擋結(jié)構(gòu)的布設(shè)位置，將支擋結(jié)構(gòu)布設(shè)在列車動(dòng)荷載影響范圍之外。如圖6所示。

圖6 考慮列車動(dòng)荷載循環(huán)作用的支擋結(jié)構(gòu)布設(shè)優(yōu)化圖

4.3 支擋結(jié)構(gòu)變形控制

過大變形會(huì)影響支擋結(jié)構(gòu)的正常使用。高速鐵路對線下基礎(chǔ)沉降變形有嚴(yán)格的限制標(biāo)準(zhǔn)，如路基工后沉降不大于15 mm，路基與橋梁、隧道等構(gòu)筑物之間的過渡段差異沉降不大于5 mm。路基支擋結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形會(huì)引起路基面沉降變形，因此，對于高速鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)，應(yīng)研究路基面豎向沉降變形與支擋結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的映射關(guān)系，計(jì)算基于路基面沉降控制的支擋結(jié)構(gòu)側(cè)向變形限值。路基面豎向沉降變形與樁板式擋土墻側(cè)向變形的映射關(guān)系如圖7所示。

圖7 路基面豎向沉降變形與樁板式擋土墻側(cè)向變形映射關(guān)系圖

為有效控制支擋結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形，對于高大支擋結(jié)構(gòu)，可采取限制支擋結(jié)構(gòu)后背填土側(cè)向變形的構(gòu)造措施，如后背填土采用加筋土(豎向間隔一定高度水平鋪設(shè)土工格柵)或改良土(摻入3%水泥改良)等，如圖8所示。

圖8 高大支擋結(jié)構(gòu)后填土側(cè)向變形措施圖

4.4 超常荷載特殊支擋結(jié)構(gòu)

超常荷載特殊支擋結(jié)構(gòu)包括承受大推力的框架式抗滑樁、椅式樁板墻、樁基礎(chǔ)懸臂擋土墻等，主要滿足高大邊坡處治、巨型滑坡治理的需要，如圖9所示。

圖9 超常荷載特殊支擋結(jié)構(gòu)示意圖

對巨型滑坡多排抗滑錨固結(jié)構(gòu)、長大邊坡多級(jí)支擋和高烈度地震區(qū)支擋結(jié)構(gòu)減震，應(yīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)方法。

(1)巨型滑坡治理常采用多排抗滑錨固結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)應(yīng)注重多排抗滑錨固結(jié)構(gòu)協(xié)同分擔(dān)滑坡下滑力，合理確定多排抗滑錨固結(jié)構(gòu)的下滑力分擔(dān)比例。

(2)長大邊坡常采用多級(jí)支擋。應(yīng)采用“分級(jí)支擋、協(xié)同支擋”的支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

(3)從汶川“5.12”地震震害調(diào)查看，強(qiáng)震區(qū)邊坡錨索加固的效果總體是好的，但也有錨索錨頭脫落、損傷的情況出現(xiàn)。高烈度地震區(qū)支擋結(jié)構(gòu)應(yīng)采取減輕強(qiáng)震作用的措施，如錨索減震錨具，遭遇強(qiáng)震時(shí)可吸收地震作用，起到保護(hù)錨索、避免錨索損壞的作用[12]。

4.5 既有支擋結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固

上個(gè)世紀(jì)90年代以前修建的鐵路，限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，加之環(huán)境的自然營力作用，部分路基支擋結(jié)構(gòu)存在不同程度的劣化現(xiàn)象，提升其可靠性需采取補(bǔ)強(qiáng)加固措施。

既有支擋結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固措施應(yīng)以其安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果為基礎(chǔ)。通過現(xiàn)場勘察、測試及理論計(jì)算分析，可將既有支擋安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為“穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、欠穩(wěn)定、不穩(wěn)定”四級(jí)，對應(yīng)穩(wěn)定安全系數(shù)如表6所示。

表6 既有支擋安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分表

針對具體的既有路基支擋結(jié)構(gòu)類型，其補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)有重力式擋土墻錨桿注漿加固、幫寬加固、抗滑樁加固技術(shù)，樁板式擋土強(qiáng)錨桿注漿加固、增設(shè)錨索加固技術(shù)，加筋土擋土墻錨桿注漿加固技術(shù)等。歸納而言，可分為注漿改良支擋結(jié)構(gòu)后背巖土體加固技術(shù)、幫寬補(bǔ)強(qiáng)支擋結(jié)構(gòu)加固技術(shù)和增設(shè)抗滑樁或錨索加固技術(shù)三類，如圖10所示。

圖10 既有支擋結(jié)構(gòu)三類補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)措施圖

5 結(jié)論

支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與防控成套技術(shù)的核心關(guān)鍵技術(shù)包括：

(1)建立山區(qū)道路常用支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)庫，提出支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)“量化識(shí)別+綜合評(píng)估”方法，提出山區(qū)道路常用支擋結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)防控對策表，建立支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與防控技術(shù)體系。

(2)基于支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，提出考慮風(fēng)險(xiǎn)的支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)分項(xiàng)系數(shù)及基于參數(shù)“自洽”的支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)程式，構(gòu)建基于風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、參數(shù)“自洽”的支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法體系。

(3)基于安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)研究，創(chuàng)新支擋結(jié)構(gòu)列車動(dòng)力效應(yīng)控制、支擋結(jié)構(gòu)變形控制、超常荷載特殊支擋結(jié)構(gòu)、既有支擋結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固等復(fù)雜環(huán)境、特殊條件的路基支擋安全保障和性能提升技術(shù)。