孫冬爽

（中交遠(yuǎn)洲交通科技集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

邊坡失穩(wěn)是高速公路建設(shè)與運(yùn)營中常見的一類地質(zhì)災(zāi)害。其中，高邊坡因?yàn)槭芡寥赖刭|(zhì)、水文特點(diǎn)、地形地貌等各類因素的影響，出現(xiàn)滑塌的概率更高、危害后果也更為嚴(yán)重。高邊坡高速公路在后期的改建、擴(kuò)建施工中，需要對邊坡進(jìn)行二次開挖或回填，為了保證作業(yè)安全和施工效率，必須開展高邊坡拓寬開挖的穩(wěn)定性分析，并采取相應(yīng)的加固措施，維護(hù)坡體穩(wěn)定，防止出現(xiàn)滑塌現(xiàn)象。因此，在高速公路的新建、改建等工程中，開挖高邊坡之前要深入開展地質(zhì)調(diào)研和穩(wěn)定性分析，在此基礎(chǔ)上確定高邊坡的加固方案，為后續(xù)的拓寬開挖作業(yè)提供指導(dǎo)，保證現(xiàn)場作業(yè)人員和高速公路工程的安全性。

1 工程概況

某高速公路于2014 年建設(shè)完成并投入運(yùn)行，但隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和車流量的增大，道路通行效率明顯下降。為進(jìn)一步提高道路通行能力，需要將原來的雙向四車道擴(kuò)建為雙向八車道（以下簡稱“四擴(kuò)八”）。擴(kuò)建后高速公路設(shè)計(jì)速度為120km/h，采用分離式路基，每幅寬度為21.0m。經(jīng)過沿線地質(zhì)勘測，K1+200—K5+500段穿過山區(qū)，區(qū)內(nèi)V 形谷發(fā)育，地勢變化較大，坡面最大坡度達(dá)62°，右側(cè)邊坡最大高度達(dá)60.7m，屬于典型的高邊坡路段。另外，該路段所在地區(qū)夏季雨水較為集中，加上高邊坡植被稀疏，邊坡穩(wěn)定性較差。因此在該公路工程的高邊坡拓寬開挖過程中，做好邊坡加固尤為重要。

2 高邊坡拓寬開挖穩(wěn)定性分析

2.1 高邊坡穩(wěn)定性原理

現(xiàn)階段常用的邊坡穩(wěn)定性分析方法有多種，本文以極限平衡法為例對該工程的高邊坡穩(wěn)定性展開分析。其原理為：當(dāng)高邊坡內(nèi)部出現(xiàn)不穩(wěn)定滑動(dòng)面時(shí)，覆蓋在滑動(dòng)面上的巖土體服從破壞條件，利用靜力平衡分析形成的滑動(dòng)隔離體得出破壞荷載。在該破壞荷載以內(nèi)，即可維持高邊坡穩(wěn)定。根據(jù)滑動(dòng)形式的不同，又可以將滑動(dòng)面分成圓弧滑動(dòng)、平面滑動(dòng)、不規(guī)則曲面滑動(dòng)等若干類型。假設(shè)高邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為K，當(dāng)邊坡土體的抗剪參數(shù)降低K倍后，邊坡達(dá)到即將滑塌的臨界狀態(tài)，此狀態(tài)即為極限平衡狀態(tài)，此時(shí)K可通過下式計(jì)算得出：

式（1）中：C 和φ 分別為巖土的黏聚力（kPa）和內(nèi)摩擦角（°），兩者共同決定巖土的抗剪強(qiáng)度；b 為土條寬度（m）；W 為土條重力（kN）；θ 為某個(gè)土條中點(diǎn)處切線與水平線的夾角（°）。

通過式（1）可計(jì)算得出維持高邊坡穩(wěn)定的最佳安全系數(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，保障邊坡防護(hù)等級達(dá)標(biāo)，切實(shí)保障工程建設(shè)安全。

2.2 拓寬開挖方案比選

在高速公路“四擴(kuò)八”施工中，常用的高邊坡拓寬開挖方式有2種：一是坡腳變陡加寬（見圖1（a）），即維持邊坡頂部開挖面位置不變，以梯形的形式加寬邊坡下部，且越靠近邊坡底部坡度越大；二是整體開挖加寬（見圖1（b）），即維持邊坡坡度不變，將整個(gè)邊坡進(jìn)行開挖以加寬路基。兩種拓寬開挖方案各有優(yōu)勢，前者適用于既有高邊坡的坡度比較平緩、邊坡土體穩(wěn)定性良好的情況。在滿足拓寬開挖穩(wěn)定性要求的基礎(chǔ)上，能夠減少施工量，節(jié)約成本；后者則適用于既有高邊坡坡度較大、坡面土體穩(wěn)定性較差的情況，通過整體削坡的方式，降低上部土體對坡腳產(chǎn)生的壓力，再輔以坡腳支護(hù)，可顯著提高邊坡穩(wěn)定性。結(jié)合該高速公路的地質(zhì)條件，綜合對比現(xiàn)場施工環(huán)境、技術(shù)實(shí)用性后，決定選擇第二種拓寬開挖方案。

圖1 兩種邊坡拓寬開挖方案

2.3 邊坡二次開挖穩(wěn)定性分析

2.3.1 不拆除原支護(hù)直接開挖

每拆挖一級防護(hù)，進(jìn)行一階開挖，開挖完畢后立即進(jìn)行邊坡支護(hù)。按照“拆除-開挖-支護(hù)”的順序，自上而下依次完成高邊坡的拓寬開挖。整個(gè)高邊坡共設(shè)6級防護(hù)，開挖順序以及邊坡下滑力、抗滑力和安全系數(shù)如表1所示。

表1 拆挖結(jié)合施工下邊坡受力情況及安全系數(shù)

結(jié)合表1數(shù)據(jù)，在既有高邊坡拓寬開挖時(shí)，不拆除原來的支護(hù)，有助于維持邊坡巖土在拓寬開挖期間的穩(wěn)定性。在逐級開挖時(shí)，由于使用了配套的支護(hù)措施，使得邊坡安全系數(shù)也呈現(xiàn)出整體提升的趨勢，對進(jìn)一步保障高邊坡的穩(wěn)定性與安全性發(fā)揮了積極作用。另外，從坡頂自上而下進(jìn)行削坡處理，減輕了上部土體因?yàn)樽灾禺a(chǎn)生的垂直壓力，也有助于增強(qiáng)邊坡安全系數(shù)。從第五級向第四級開挖，以及從第二級向第一級開挖時(shí)，由于此處坡體比較陡峭，挖掉之后安全系數(shù)分別提升了0.061和0.067，說明開挖處理后高邊坡穩(wěn)定性得到了顯著提升。

2.3.2 拆除全部支護(hù)后開挖

將既有高邊坡支護(hù)全部拆除后，現(xiàn)場勘測并計(jì)算其穩(wěn)定性，然后再進(jìn)行逐級開挖，并在開挖過程中重新采取支護(hù)措施，以保證作業(yè)安全和邊坡穩(wěn)定。拆除防護(hù)以及分級開挖和完全支護(hù)后的邊坡下滑力、抗滑力以及安全系數(shù)如表2所示。

表2 先拆后挖施工下邊坡受力情況及安全系數(shù)

結(jié)合表2數(shù)據(jù)，在既有高邊坡的各類防護(hù)完全拆除以后，安全系數(shù)僅為1.003，達(dá)到最低值，說明原有防護(hù)在穩(wěn)定邊坡方面仍然發(fā)揮了一定作用。在沒有任何防護(hù)的情況下，隨著開挖作業(yè)的不斷進(jìn)行，邊坡下滑力和抗滑力也呈現(xiàn)出整體升高的趨勢。這是因?yàn)橹鸺夐_挖后，越靠近坡腳位置的邊坡巖土，承受的上部土體壓力越大。在第一級開挖完畢后，重新進(jìn)行支護(hù)，最終安全系數(shù)達(dá)到了1.130，高邊坡穩(wěn)定性良好。需要注意的是，在第三級向第二級開挖時(shí)，出現(xiàn)了安全系數(shù)降低的情況，分析其原因認(rèn)為是此處有較多的巖石，挖除以后形成凹陷，導(dǎo)致穩(wěn)定性下降。

3 高邊坡拓寬開挖過程中的加固方案優(yōu)化

3.1 錨桿長度選擇

在高邊坡加固中，錨桿支護(hù)加固法操作簡便且實(shí)用性良好，其中錨桿長度對加固效果有直接影響。理論上來說，錨桿長度越大，插入土體越深，則加固效果越好，但在實(shí)際施工中還需要考慮土層厚度和材料成本等因素。在本次工程中，邊坡最大高度達(dá)60.7m，為了選擇最佳長度的錨桿，分別挑選了10.5m, 17.5m,24.5m, 31.5m 和38.5m 共5 種不同長度的錨桿，對邊坡穩(wěn)定性的影響結(jié)果分別如表3所示。

表3 不同長度錨桿的安全系數(shù)對比

根據(jù)表3 可知，錨桿長度與安全系數(shù)成正比關(guān)系。錨桿從10.5m 增加至38.5m 后，其安全系數(shù)也從最初的1.063 升高至1.328，可以發(fā)現(xiàn)38.5m 的錨桿對于高邊坡的支護(hù)加固效果更為理想。需要注意的是，在錨桿長度從10.5m 增加至17.5m 時(shí)，安全系數(shù)增幅為14.2%；從17.5m 增加至24.5m 時(shí)，安全系數(shù)增幅為8.73%。隨著錨桿長度的繼續(xù)增加，安全系數(shù)的增長趨勢不明顯，因此，對比來看選擇24.5m 的錨桿可以在加固效果和經(jīng)濟(jì)成本之間達(dá)到最佳。

3.2 錨固角的優(yōu)化

錨固角是錨桿與坡面之間的角度，在同一坡面的相同位置分別以不同角度插入相同類型的錨桿，測得其安全系數(shù)。假設(shè)A為高邊坡坡面上的一個(gè)定點(diǎn)，坡面到滑動(dòng)面的垂直距離為AB，通過調(diào)整錨固角，錨頭在滑動(dòng)面上的位置不斷改變，分別為A1, A2, …, An，其中必然存在一個(gè)最佳錨固角，記為AC，如圖2所示。

圖2 最佳錨固角確定示意圖

圖2 中，α 為坡面傾角；β 被滑動(dòng)面傾角；δ 水平面與AC 夾角；λ 為滑動(dòng)面與AC 夾角。試驗(yàn)表明，當(dāng)錨固角在30°以內(nèi)時(shí)，隨著角度的增加，安全系數(shù)也同步升高，在30°時(shí)有最大值，此時(shí)安全系數(shù)為1.134；但當(dāng)錨固角超過30°后，隨著角度增加，安全系數(shù)開始降低，在60°時(shí)僅為1.046。因此，本次工程的錨桿支護(hù)加固中，將錨固角設(shè)定為30°。

3.3 錨桿間距優(yōu)化

施工經(jīng)驗(yàn)表明，錨桿排布過于密集或過于稀疏，都會影響加固效果。為達(dá)到最理想的加固效果，對錨桿距離進(jìn)行調(diào)整（錨桿間距調(diào)整=H·V·S），對比不同間距下的安全系數(shù)，如表4所示。

表4 不同的錨桿間距組合

按照上述間距組合進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明水平間距和垂直間距的調(diào)整對于安全系數(shù)的影響并不明顯。例如，將水平間距1.8×2.4×1.2m調(diào)整為2.4×2.4×1.2m后，安全系數(shù)不變，均為1.106。但第一排錨桿與開挖頂面距離的調(diào)整，對安全系數(shù)的影響十分明顯。因此本工程中錨桿間距宜設(shè)定為2.4×2.4×1.2m。

4 結(jié)語

高速公路改建、擴(kuò)建施工中，對于高邊坡的拓寬開挖，邊坡穩(wěn)定性是施工安全和施工效益的主要影響因素。通過合理選擇開挖作業(yè)方式，以及在開挖過程中選擇錨桿支護(hù)加固，能夠有效保證邊坡穩(wěn)定。其中，錨桿長度、插入角度及間隔距離等對支護(hù)加固效果的影響顯著，在實(shí)際施工中應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場情況而定，以保障高邊坡拓寬開挖作業(yè)的順利開展。