徐冠蘭XU Guan-lan

（中鐵十四局集團(tuán)第三工程有限公司，濟(jì)南 250000）

0 引言

煤系地層通常是對(duì)炭質(zhì)頁(yè)巖、煤質(zhì)地層、泥巖及含炭砂巖等稱為。煤系地層邊坡的巖性較為復(fù)雜，其坡體內(nèi)地下水大多較為豐富且埋深較淺。由于邊坡開挖導(dǎo)致坡體松弛，地表水通過下滲補(bǔ)給地下水，雨季期間因基底（煤系地層）長(zhǎng)期泡水承載力不足，潛在沿地下水浸潤(rùn)飽水帶發(fā)生大型深層滑動(dòng)，影響高速公路的建設(shè)安全。本文以清云高速TJ3標(biāo)地豆服務(wù)區(qū)AK0+803～K36+315右側(cè)路塹為例，通過地質(zhì)調(diào)查、補(bǔ)充勘探、穩(wěn)定性分析及計(jì)算等方法分析研究煤系地層邊坡的破壞機(jī)理及治理對(duì)策，以及對(duì)存在煤系地層的路塹邊坡治理提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。該邊坡坡頂為緩坡地形，在刷方線外約5m見后緣裂縫，暫未見前緣剪出口，坡面暫未見明顯變形，推測(cè)位于坡腳為揭露煤系地層地段。

1 環(huán)境地質(zhì)條件

1.1 自然地理概況

該邊坡位于廣東省四會(huì)市，屬丘陵山地地段，運(yùn)輸條件較為不便，施工前需修筑運(yùn)輸便道。邊坡所在區(qū)域無大的河流通過。本工程所屬地域?yàn)槟蟻啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)性氣候區(qū)。年平均降雨量約為1850mm，四月至九月為雨期，降雨量占全年的80%左右。存在對(duì)邊坡工程有災(zāi)害性的天氣有春季低溫陰雨與夏季龍舟水。

1.2 地形地貌

該邊坡屬于低山丘陵地貌，山體較高大，形態(tài)復(fù)雜，山坡較陡，山體底部為殘坡積階地溝谷。線路切割的山體呈陡坡狀，塹頂為緩坡地形（圖1），地表植被較為茂盛，自然坡坡度約18°，線路走向222°，坡向132°。

圖1 地豆服務(wù)區(qū)AK0+803～K36+315右側(cè)路塹全貌

1.3 地層巖性

根據(jù)設(shè)計(jì)文件及補(bǔ)充勘探（3個(gè)斷面7個(gè)鉆孔）及開挖揭露，該路塹揭露地層如下：

②1全風(fēng)化變質(zhì)砂巖：芯樣呈土柱狀，巖質(zhì)軟，褐黃色。

②2強(qiáng)風(fēng)化巖。

1）砂土狀強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖：顏色為灰黑色，巖質(zhì)極軟，遇水條件下易崩解風(fēng)化。2）砂土狀強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖：薄層狀構(gòu)造，顏色為褐黃色，巖質(zhì)強(qiáng)度極軟，遇水情況下易崩解風(fēng)化。3）強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖：芯樣呈碎塊狀、角礫狀，顏色為灰褐與灰黑色，巖體較為破碎，巖質(zhì)強(qiáng)度較軟，遇水條件下易崩解風(fēng)化。4）強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖：芯樣呈碎塊狀、角礫狀，褐黃色，變余結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖質(zhì)軟。

②2-3強(qiáng)風(fēng)化夾中風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖：巖芯呈碎塊狀，存在少量短柱狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，顏色為灰褐與灰黑色，局部存在褐黃色變質(zhì)砂巖，巖質(zhì)強(qiáng)度較硬，遇水條件下易風(fēng)化崩解。

②3中風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖：芯樣呈狀短柱狀、有少量碎塊，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，灰褐、灰黑色，巖質(zhì)強(qiáng)度較硬。

通過現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)，坡腳揭露強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖，芯樣照片見圖2、圖3。

圖2 K36+260斷面塹頂全風(fēng)化變質(zhì)砂巖

圖3 K36+260斷面碎落臺(tái)鉆孔強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)地質(zhì)資料，該路塹高邊坡位于廣東省粵西隆起區(qū)東部邊緣吳川－四會(huì)褶斷帶影響范圍區(qū)域。經(jīng)區(qū)域變質(zhì)和動(dòng)力變質(zhì)作用，巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，產(chǎn)狀變化大，巖體破碎。

1.5 水文地質(zhì)條件

該邊坡所屬區(qū)域地下水主要由基巖裂隙水組成，主要由大氣降水下滲補(bǔ)給，巖石裂隙較為發(fā)育，富有一定基巖裂隙水，含水量受季節(jié)變化影響較大。在雨季時(shí)，水量一較大，地下水在坡腳會(huì)以泉水型式滲出，旱季枯竭。邊坡范圍地下水位較高，通過鉆孔勘察孔內(nèi)見穩(wěn)定水位，地下水埋深2～16m。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

該段邊坡自然狀態(tài)下穩(wěn)定較好，邊坡開挖后，將使山體的受力情況重新分布，將會(huì)導(dǎo)致坡腳應(yīng)力集中，在大氣降水，尤其是突發(fā)性強(qiáng)降雨情況，孔隙水壓力將會(huì)增大，邊坡巖體自重增加，巖體結(jié)構(gòu)層面抗剪強(qiáng)度會(huì)顯著降低，若出現(xiàn)坡腳受力集中和巖體抗剪強(qiáng)度不足而產(chǎn)生的沿相對(duì)軟弱面的坍塌滑動(dòng)變形，這對(duì)邊坡的穩(wěn)定是不利的。

另外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果，結(jié)合已開挖路塹揭露的巖層進(jìn)行地質(zhì)描述，坡腳巖體揭露出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖（見圖4），小里程段顯示出露位置較高，局部地段為順傾層面，砂巖具有透水性，炭質(zhì)頁(yè)巖具有隔水阻水特點(diǎn)，坡腳地下水位較高，埋深12~24m，若基底煤系地層在雨季期間長(zhǎng)期被水浸泡，將導(dǎo)致承載力不足，在變質(zhì)砂巖與炭質(zhì)頁(yè)巖交界面處有潛在發(fā)生大型深層軟弱層面滑移問題。

圖4 一級(jí)邊坡揭露煤系地層、坡腳地下水位較高

3 破壞機(jī)理分析

3.1 原設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)度低

通過對(duì)原設(shè)計(jì)邊坡加固形式分析，該路塹為四級(jí)坡，最大坡高40m，邊坡分級(jí)高度為10m，一～三級(jí)坡比為1:1，四級(jí)坡比為1:1.25，分級(jí)平臺(tái)寬度為2m。第一、二級(jí)邊坡加固均采用4排Φ32錨桿（長(zhǎng)度8.5～11.5m）框架梁，第三級(jí)坡坡面采用預(yù)制混凝土人字形骨架+噴薄植草，第四級(jí)坡采用噴薄植草，該邊坡原設(shè)計(jì)支護(hù)斷面圖見圖5。

圖5 K36+260原設(shè)計(jì)斷面圖

3.2 巖體結(jié)構(gòu)本身強(qiáng)度不夠

①根據(jù)地勘資料結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，邊坡上部為碎塊狀、角礫狀強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖體破碎；下部為強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖、煤層、泥巖（煤系地層），這些巖石的自身強(qiáng)度就比較低，在外力作用下很容易發(fā)生變形。②煤系地層巖性極為軟弱，遇水易崩解軟化，其巖體強(qiáng)度較低。③坡腳揭露強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖、煤層、泥巖（煤系地層），揭露位置較高，巖質(zhì)極軟。④邊坡位于褶斷帶影響范圍內(nèi)，在區(qū)域變質(zhì)和動(dòng)力變質(zhì)作用下，基巖節(jié)理裂隙發(fā)育，產(chǎn)狀變化較大，巖體破碎，很大程度上降低了邊坡的整體自穩(wěn)定性。

3.3 地下水降低了巖體強(qiáng)度

①根據(jù)地質(zhì)勘探資料，地下水埋深較淺，勘探孔揭示位于孔口以下2～16m，若基底煤系地層在雨季期間長(zhǎng)期被水浸泡，將導(dǎo)致承載力不足，潛在沿地下水浸潤(rùn)飽水帶（軟弱帶）發(fā)生大型深層滑移問題。②根據(jù)地勘資料結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，邊坡上部為強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖體破碎，宜于地下水下滲，在其下部的強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖、煤層、泥巖等組成的隔水層阻擋下，坡體飽水后增大了下滑力，降低了邊坡抗滑力，邊坡開挖后在水的作用下易產(chǎn)生坍塌溜滑。

3.4 邊坡開挖使坡腳失去支撐

道路施工、路塹開挖，導(dǎo)致坡腳失去側(cè)向約束，使原自然坡面的自穩(wěn)定性平衡狀態(tài)被破壞，從而導(dǎo)致邊坡下滑力急劇增加。綜上所述，由于巖體比較松散，邊坡巖質(zhì)松弛，地表水易通過下滲途徑向地下水補(bǔ)給，隨著邊坡向坡腳路槽開挖，揭露的炭質(zhì)頁(yè)巖、煤層、泥巖（煤系地層）巖性較差，長(zhǎng)期受水后其巖土體強(qiáng)度急劇降低，因基底承載力不足極易沿地下水浸潤(rùn)飽水帶（軟弱帶）發(fā)生大型深層滑坡，滑動(dòng)后果危害極大，可能會(huì)掩埋整幅路基。

4 防治對(duì)策研究

4.1 新處治方案

綜合考慮該邊坡頂?shù)匦屋^平緩，具備刷方減載條件，對(duì)本邊坡采用放緩坡率（1:1.5～1:2.5）+降低坡高（8m）+加寬平臺(tái)（20m）+固腳（擋墻+斜向鋼錨管）的處治方案（圖6）。較原設(shè)計(jì)，作了以下修改：增加了坡級(jí)數(shù)量、放緩了邊坡坡率、降低了坡高、增設(shè)了坡腳擋墻、用錨管代替了錨桿、將原兩級(jí)錨桿框架改為單級(jí)錨管框架。新處治方案設(shè)計(jì)圖見圖6。

圖6 新處治方案設(shè)計(jì)圖

4.2 受力計(jì)算

剩余下滑了力計(jì)算選取三個(gè)典型斷面為例進(jìn)行計(jì)算，安全系數(shù)按1.2考慮。

巖土計(jì)算參數(shù)主要根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告中的指標(biāo)反算結(jié)果，并結(jié)合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 巖土參數(shù)計(jì)算結(jié)果

需要說明的是，采用鋼錨管并經(jīng)過劈裂注漿，坡體軟弱層的巖土力學(xué)參數(shù)可顯著提高。

根據(jù)巖土力學(xué)參數(shù)進(jìn)行剩余水平下滑力計(jì)算，以下分別計(jì)算K0+415、K36+260、K0+455斷面剩余水平下滑力，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 剩余水平下滑力計(jì)算結(jié)果

4.3 坡形坡率

擋墻以上分級(jí)坡高均為8m，一級(jí)坡坡率1:1.5，二～六級(jí)坡坡率1:2.5，一級(jí)平臺(tái)寬20m，其余分級(jí)平臺(tái)寬度均為2m。

4.4 加固防護(hù)工程

第一、二級(jí)坡揭露地層主要為煤系地層（炭質(zhì)頁(yè)巖、煤層、泥巖），巖質(zhì)軟，泡水易風(fēng)化崩解?？紤]在坡腳設(shè)4m高擋墻，埋入地下1.5m，外露2.5m，擋墻墻頂以上第一級(jí)坡邊坡采取3排Φ50×4.5鋼錨管框架支護(hù)，鋼錨管設(shè)計(jì)長(zhǎng)度范圍為10～14m，水平間距3.0m。

框架內(nèi)及坡面采用客土噴播植草綠化防護(hù)。一級(jí)寬平臺(tái)采用8～10cm厚的C15混凝土封閉。

4.5 排水措施

①根據(jù)補(bǔ)充勘探，鉆孔內(nèi)地下水埋深2～16m，在坡腳均有地下水出露。故考慮在坡腳設(shè)2排仰斜排水孔，孔深15m，水平方向間距3.0m。②完善地表排水措施。該邊坡在采用以上方案進(jìn)行加固處理后，未見明顯變形，地表位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明邊坡整體較為穩(wěn)定。

5 結(jié)論

①煤系地層干燥時(shí)為較堅(jiān)硬狀態(tài)，強(qiáng)度較高；遇水后極易崩解軟化，強(qiáng)度很大程度降低，屬易滑地層；邊坡開挖導(dǎo)致坡體松弛，地表水易于通過下滲向地下水補(bǔ)給，坡腳揭露的炭質(zhì)頁(yè)巖、煤層、泥巖（煤系地層）巖性較差，長(zhǎng)期受水浸泡巖體強(qiáng)度會(huì)急劇降低，因基底承載力不足極易沿地下水浸潤(rùn)飽水帶（軟弱帶）發(fā)生大型深層滑坡，滑動(dòng)后危害極大，可能會(huì)掩埋整幅路基。②該邊坡利用塹頂為緩坡大平臺(tái)的有利地形進(jìn)行減載，減少了邊坡發(fā)生大規(guī)模深層滑動(dòng)的可能性，對(duì)坡腳采用擋墻+斜向鋼錨管注漿框架固腳，保證了邊坡的整體穩(wěn)定。③邊坡的穩(wěn)定性主要受控于其層面及發(fā)育的節(jié)理裂隙情況，并受水因素的影響較大，由于勘察鉆孔及地質(zhì)描繪工作的局限性，在施工階段應(yīng)加強(qiáng)邊坡區(qū)域的地質(zhì)工作，根據(jù)開挖后坡面巖層產(chǎn)狀、節(jié)理裂隙產(chǎn)狀、軟弱結(jié)果面產(chǎn)狀等加強(qiáng)邊坡的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)工作。④本項(xiàng)目結(jié)合了路塹邊坡的環(huán)境地質(zhì)條件、地質(zhì)調(diào)查、穩(wěn)定性分析及計(jì)算結(jié)果對(duì)煤系地層邊坡進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，并采取坡面防護(hù)及坡面防、截、排水加以輔助，防止地表水下滲，使巖體抗剪強(qiáng)度降低；而完善地下深層排水系統(tǒng)的目的是為了截?cái)嗟叵滤畬?duì)煤系地層巖體強(qiáng)度的削減，防止巖體軟化，是對(duì)存在煤系地層路塹邊坡病害的有效防治。