黃織鐵路巖溶發(fā)育區(qū)路塹高邊坡設(shè)計(jì)

胡登燦

(中鐵二院貴陽勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550002)

新建黃桶至織金鐵路(簡稱“黃織鐵路”，下同)，為時(shí)速120 km/h的國鐵Ⅱ級客貨共線鐵路，全線巖溶峰叢、洼地、溶洞、漏斗、暗河等分布廣泛。線路在DK56+338～DK56+498段以路基通過，為中低山巖溶地貌，海拔1340 m～1440 m，相對高差20 m～100 m。自然橫坡陡峭(25°～43°)，測區(qū)碳酸鹽巖分布廣，巖溶極其發(fā)育。該段路基為高邊坡工點(diǎn)，坡面部分基巖出露，植被為少量灌木叢。左側(cè)路塹邊坡由于坡面陡峭、溶槽發(fā)育，易引起邊坡失穩(wěn)、基底沉降塌方等工程安全問題，需要采取安全可靠的加固防護(hù)措施進(jìn)行徹底整治、不留后患。

1 工程概況

DK56+302.9～DK56+498段路基工程，線路左側(cè)以挖方通過，右側(cè)以填方或淺挖通過，線路中心挖方最大高度12.6 m，左側(cè)路塹邊坡最大高度36.5 m。路基工程于2006年6月5日開始施工，由于該段路基工程地質(zhì)條件復(fù)雜，現(xiàn)場施工時(shí)在該地段采取了信息化施工、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的原則，在充分掌握地質(zhì)情況的條件下，開展工程設(shè)計(jì)工作，主要地質(zhì)情況如下。

1.1 主要地質(zhì)情況及地震動(dòng)參數(shù)

本測區(qū)上覆粘土、碎石土，下伏基巖為灰?guī)r，地層描述如下:碎石土(Qal+pl4):褐黃色、灰黃色，稍濕～潮濕，松散～中密，碎石含量50%左右，石質(zhì)成分為灰?guī)r質(zhì)，φ2 cm～φ7 cm，厚0 m～10 m，為Ⅲ級硬土，分布在斜坡上。粘土(Qdl+el4):灰黃色、褐黃色，夾有10%左右碎石角礫，石質(zhì)成分為灰?guī)r質(zhì)，主要分布在坡面，厚0 m～17.5 m，屬Ⅱ級普通土。灰?guī)r(P1m):灰黑色、深灰色，弱風(fēng)化，致密結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造，局部方解石脈充填，巖心堅(jiān)硬較完整，多呈柱狀，局部破碎，為Ⅴ級次堅(jiān)石。本段測區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

1.2 水文地質(zhì)特征

地下水主要為少量基巖裂隙水和壤中水;地表為大氣降水，經(jīng)對附近取水分析，水質(zhì)為HCO3-Ca2+，對混凝土無侵蝕性，按照TB 10005-2010鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范為碳化T2環(huán)境。

1.3 巖溶及其他不良地質(zhì)

該段工程范圍為低山溶蝕地貌，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，溶洞、溶槽發(fā)育明顯(見圖1)，在線路DK56+384～DK56+406段、DK56+427～DK56+460段土層較厚，DK56+406～DK56+427段土層較薄，部分基巖出露，植被為淺灌木叢。

上覆全風(fēng)化及粘土層厚度為6 m～12 m，溶槽深度超過18 m，部分呈石筍狀、孤石狀出露。溶洞溶槽內(nèi)充填軟～硬塑狀粘土或潮濕～飽和狀碎石土，部分揭示為空溶洞(見圖2)。

圖1 現(xiàn)場開挖揭示的大型溶槽

圖2 現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的巖溶空洞

綜上，該段地質(zhì)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，地質(zhì)條件十分復(fù)雜，若不采取有效的措施對巖溶病害進(jìn)行徹底整治將給鐵路運(yùn)營埋下巨大的安全隱患。該段路基工程設(shè)計(jì)重點(diǎn)是左側(cè)自然邊坡高達(dá)一百多米，且地形陡峭，線位橫跨兩個(gè)大型溶槽，溶槽內(nèi)充填粘土層厚，局部基底以下仍然有溶洞發(fā)育;因此，左側(cè)路塹邊坡加固措施設(shè)計(jì)是該段路基工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

2 邊坡的破壞模式及加固措施選擇

2.1 邊坡破壞模式

根據(jù)該邊坡地形陡峭、溶槽內(nèi)土層厚薄不一、土石界面處積水排泄路徑不同的特點(diǎn)，路塹邊坡可能存在兩種深層破壞模式:沿土石界面滑移破壞(見圖3)、沿深厚土層的圓弧滑動(dòng)破壞(見圖4)。

圖3 土石界面滑移

圖4 土層圓弧滑動(dòng)

以下是采用著名的巖土軟件FLAC對DK56+440斷面進(jìn)行的穩(wěn)定性分析，采用摩爾庫侖模型、運(yùn)用強(qiáng)度折減法［1］計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)地質(zhì)參數(shù)計(jì)算得原自然邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)為1.12(見表1，圖5)，開挖后邊坡坡率更陡峭，從施工開挖后自然邊坡垮塌可以看出，必須采取深層加固措施保證邊坡的穩(wěn)定性。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

2.2 加固措施選擇

根據(jù)我院山區(qū)鐵路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國內(nèi)施工技術(shù)條件，一般可以選用的路塹支擋加固措施主要有:重力式擋土墻、土釘墻(錨桿擋土墻)、錨固(索)樁間結(jié)合擋土墻、土釘墻或樁間擋土板等?？梢赃x用的防護(hù)措施主要有:噴錨網(wǎng)、錨桿(索)框架梁、截水骨架內(nèi)灌草護(hù)坡、片石護(hù)坡、噴混植生、掛三維土工網(wǎng)植草護(hù)坡、噴播植草護(hù)坡等。根據(jù)支擋、防護(hù)措施適用條件和前述兩種可能的破壞模式，必須采取深層加固與淺層防護(hù)結(jié)合的措施。

1)深層加固措施。

圖5 DK56+440剪應(yīng)變云圖

為防止邊坡發(fā)生深層滑動(dòng)破壞，保證路塹邊坡施工安全及久永性穩(wěn)定，需要采用預(yù)加固樁(錨固樁)進(jìn)行深層加固，且為了避免“剝山皮”現(xiàn)象，挖方邊坡較高時(shí)需要采用高懸臂段錨固樁(15 m)收坡，高懸臂段的錨固樁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意滿足 TB 10025-2006鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定［2］的錨固點(diǎn)不大于1 cm及樁頂位移不大于10 cm的規(guī)范要求。

由于該段地下水為碳化環(huán)境，故懸臂較高時(shí)采用錨固樁上設(shè)錨索以減小樁頂和錨固點(diǎn)位移，錨索錨固段深入弱風(fēng)化灰?guī)r內(nèi)。樁間采用外掛式擋土板加固樁間巖(土)體。

2)淺層防護(hù)措施。

深層穩(wěn)定性加固措施確定后，仍然需要加強(qiáng)坡面防護(hù)設(shè)計(jì)，防止淺層坡面滑移和危巖體失穩(wěn)破壞。根據(jù)土層厚度、巖層完整程度、橫向地形坡度結(jié)合各類防護(hù)措施適用條件，在土層較厚地段采用錨索框架內(nèi)噴播植草防護(hù)，防止深厚土層發(fā)生越頂滑移破壞;土層較薄地段采用錨桿框架梁內(nèi)噴播植草防護(hù)，防止發(fā)生淺表坍塌破壞;在破碎巖層內(nèi)采用錨桿框架梁內(nèi)噴錨網(wǎng)防護(hù)的措施，防止破碎巖層掉落、小型巖體失穩(wěn)破壞。

3 錨固(索)樁設(shè)計(jì)

3.1 錨固(索)樁懸臂段外力計(jì)算

1)土石界面滑移失穩(wěn)的推力計(jì)算。

土石界面滑移為相互變化不大的折線型滑面，按照傳遞系數(shù)法［3］計(jì)算，選擇代表性斷面DK56+440。剩余下滑力計(jì)算公式如下:

其中，Ks為安全系數(shù)(一般為 1.05 ～1.25，本工點(diǎn)取 1.25)，ψi為傳遞系數(shù)，其余參數(shù)符號見文獻(xiàn)［3］。

滑面參數(shù)按照地質(zhì)提供的地層力學(xué)參數(shù)，與該斷面原自然坡面反算值［4］比較，取最小值作為計(jì)算參數(shù):φ =26.5，c=10 kPa。推力計(jì)算結(jié)果見表2。

2)土層圓弧滑動(dòng)推力計(jì)算。

圓弧滑面法計(jì)算原理及相關(guān)要求見文獻(xiàn)［1］;經(jīng)過計(jì)算最大出口推力為908 kN/m。設(shè)計(jì)中還應(yīng)將土層摩擦角φ和粘聚力c換算成綜合內(nèi)摩擦角后，按照庫侖土壓力公式計(jì)算土壓力，以上3種計(jì)算方法得出的滑力最大值作為錨固(索)樁懸臂段的外力荷載值。

經(jīng)計(jì)算分析，DK56+440斷面按照傳遞系數(shù)法計(jì)算的出口下滑力最大:下滑力值為1924.2 kN/m，水平推力1729.4 kN/m。由于為土層邊坡，可以假定樁懸臂段按照三角形分布，合力作用點(diǎn)位于錨固點(diǎn)以上1/3懸臂高度處。

3.2 錨固(索)樁內(nèi)力計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡要介紹

樁的內(nèi)力計(jì)算分為:懸臂段內(nèi)力計(jì)算和錨固段內(nèi)力計(jì)算。樁的懸臂段計(jì)算較為簡單，不在贅述。以下主要簡單介紹錨固段內(nèi) 力計(jì)算過程。

表2 DK56+440斷面?zhèn)鬟f系數(shù)法計(jì)算

表3 地層物理力學(xué)參數(shù)

圖6 DK56+440圓弧滑面安全系數(shù)等值線圖

樁錨固段計(jì)算根據(jù)樁周土體地基系數(shù)的變化情況，可以分為K法(K為地基系數(shù))和m法(m為地基系數(shù)沿樁埋置深度的變化率)，由于本工程樁錨固段在巖層內(nèi)，一般認(rèn)為地基系數(shù)為常數(shù)，采用K法。首先根據(jù)假定的樁尺寸(矩形樁的計(jì)算寬度為實(shí)際寬度+1 m)及樁的變形剛度按下式確定樁是彈性樁，還是剛性樁:

βh≤1，屬于剛性樁;βh＞1，屬于彈性樁。

根據(jù)不同樁形，結(jié)合樁與土體的協(xié)調(diào)變形、樁在外力作用下的擾曲線方程以及樁底(一般按照自由端考慮)和樁頂約束條件，求得樁在不同埋置深度范圍內(nèi)的內(nèi)力和變形。

錨索樁計(jì)算內(nèi)力時(shí)，還要考慮錨索節(jié)點(diǎn)處錨索、樁、土體的變形協(xié)調(diào)和力學(xué)平衡關(guān)系，以確定樁錨索的初始預(yù)應(yīng)力值。

組織的硬度與組織的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，組織結(jié)構(gòu)在很大程度上取決于組織的分子構(gòu)成以及這些分子構(gòu)成的組織形式。然而，傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像模式（包括超聲、x－射線、計(jì)算機(jī)斷層掃描、磁共振）都無法提供組織的硬度信息。因此，超聲彈性成像(ultrasounic elastography，UE)這一可以提供組織硬度的新技術(shù)被Ophir等[1]人提出來后，得到了廣泛關(guān)注并快速發(fā)展，已成為超聲領(lǐng)域的一個(gè)研究熱潮。

內(nèi)力計(jì)算完成后，按照現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);一般情況下，荷載分項(xiàng)系數(shù)可采用1.35［2］。

4 工程措施

1)主要工程措施。

a.DK56+342～DK56+494左側(cè)長152 m路塹設(shè)樁板墻加固，共設(shè)樁26根;其中DK56+354～DK56+378左側(cè)、DK56+452左側(cè)為錨索樁板墻，其余為一般錨固樁板墻;最大懸臂段高度15 m、最小懸臂段高度8 m，最大樁長35 m、最小樁長16 m;最大樁截面尺寸為2 m×3.5 m，樁間距6 m～7 m;樁身采用C30混凝土澆筑，樁間設(shè)C30混凝土外掛式擋土板。錨索樁上設(shè)兩孔錨索(并在兩錨索孔中部預(yù)留一個(gè)錨索孔)，共設(shè)樁錨索12孔，單孔錨索設(shè)計(jì)錨固力為1200 kN，初始預(yù)拉力值計(jì)算確定。

b.DK56+338～DK56+380路塹左側(cè)樁頂以上邊坡按1∶1刷坡、DK56+380～DK56+416和DK56+424～DK56+498路塹左側(cè)樁頂以上邊坡按1∶1.25刷坡后設(shè)錨索框架梁防護(hù)，錨索坡面間距4 m×4 m，共設(shè)置坡面錨索185孔，每孔錨索采用6束φ15.24 mm高強(qiáng)度、低松弛鋼絞線制作，每束鋼絞線抗拉強(qiáng)度級別不小于1860 MPa。

c.DK56+416～DK56+424左側(cè)路塹邊坡采用錨桿框架梁內(nèi)噴錨網(wǎng)防護(hù)。錨桿間距4 m×4 m，錨桿長8 m，共12根。錨孔直徑110 mm，采用 M30水泥砂漿灌注，注漿壓力不小于0.4 MPa。框架梁采用C30混凝土現(xiàn)場立模施工。框架梁內(nèi)采用噴錨網(wǎng)防護(hù)。

d.DK56+342～DK56+358左側(cè)路塹樁頂邊坡、DK56+380～DK56+460錨索(錨桿)框架梁護(hù)坡以上邊坡采用人字形截水骨架內(nèi)液壓噴播植草防護(hù)。

2)變形及受力監(jiān)測。

a.選取2孔樁錨索設(shè)置量程不小于1600 kN的GMS錨索測力計(jì);選取10孔坡面錨索設(shè)置量程不小于1200 kN的GMS錨索測力計(jì)。

b.分別于錨索樁樁頂、錨固樁樁頂及坡面、坡頂?shù)湫蛿嗝嫣幑苍O(shè)置10處邊坡位移變形監(jiān)測點(diǎn)。

3)施工完成后現(xiàn)場照片見圖7。

圖7 施工完成后現(xiàn)場圖

5 結(jié)語

黃織鐵路于2008年建成通車，該高邊坡經(jīng)過了多年汛期考驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)邊坡失穩(wěn)破壞等現(xiàn)象，表明原設(shè)計(jì)方案是安全可靠的。設(shè)計(jì)總結(jié)主要有以下幾點(diǎn):

1)巖溶地區(qū)地質(zhì)情況。

難以查明，需要施工過程中加強(qiáng)信息反饋，按照信息化施工、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的原則進(jìn)行，必要時(shí)需要根據(jù)實(shí)際巖溶發(fā)育變化情況調(diào)整設(shè)計(jì)方案。

2)巖溶地區(qū)高邊坡巖土破壞模式多樣，需要根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，得出多種可能的邊坡破壞模式，并根據(jù)多種破壞模型計(jì)算邊坡安全穩(wěn)定性及推力計(jì)算分析，最終按照最危險(xiǎn)滑面及最大推力值進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

3)深路塹高邊坡工程施工完成后，在運(yùn)營階段也應(yīng)加強(qiáng)樁身、坡面、坡頂位移監(jiān)測及錨索有效受力的監(jiān)測工作，持續(xù)時(shí)間一般不少于一個(gè)汛期。

［1］鄭穎人，陳祖煜，王恭先，等.邊坡滑坡與工程治理［M］.第2版.北京:人民交通出版社，2010.

［2］TB 10025-2006，J 127-2006，鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］李海光，周德培，李安洪，等.新型支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程實(shí)例［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］鐵道部第一勘測設(shè)計(jì)院.鐵路工程技術(shù)手冊 路基(修訂版) ［M］.北京:中國鐵道出版社，1992.