老滑坡路段路塹開挖與超前支護(hù)效果

李論基，姚青青，安玉科

甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司,蘭州 730030

0 引言

在“一帶一路”倡議帶動下，大量的公路已經(jīng)或即將投入建設(shè)。在山區(qū)及丘陵地區(qū)公路往往需要以開挖深路塹的方式通過，當(dāng)公路通過老滑坡，且對其坡腳開挖時，老滑坡復(fù)活的可能性大增，極易誘發(fā)新的地質(zhì)災(zāi)害[1-3]。然而，在初期工程地質(zhì)勘察過程中由于未能夠清楚識別老滑坡，往往在施工開挖和強(qiáng)降雨疊加作用下，會出現(xiàn)老滑坡復(fù)活災(zāi)害，嚴(yán)重危害在建路基的安全。然而，中途進(jìn)行改線避讓，不僅增加工程造價，還影響高速公路的整體設(shè)計。為降低老滑坡對高速公路建設(shè)的影響程度，有效的開挖方式和治理措施顯得尤為重要，而甘肅紅層區(qū)老滑坡又多具順傾結(jié)構(gòu)面發(fā)育、存在泥化夾層及軟弱帶、泥巖與砂巖軟硬互層等特征，其滑坡破壞模式多變，如何解決老滑坡段路塹開挖過程中邊坡的穩(wěn)定性是亟待解決的問題[4-7]。

大型滑坡治理措施主要包括抗滑樁支護(hù)，錨索(預(yù)應(yīng)力)、錨桿支護(hù)，以及它們之間的組合方案；超前支護(hù)方案大同小異，可以參考借鑒[8-13]。目前國內(nèi)多采用極限平衡法對滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性評價，指導(dǎo)滑坡治理與路塹開挖設(shè)計；但該方法沒有考慮巖土體內(nèi)部應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，也不能考慮土體與支擋結(jié)構(gòu)的共同作用，因此不能定量評價支擋結(jié)構(gòu)對滑坡的加固效果。而有限單元法則能較好地克服上述弊端[14]。

本文以在建某高速公路路塹施工中的老滑坡為例，進(jìn)行了老滑坡路段路塹開挖與超前支護(hù)效果研究，旨在為老滑坡路段路塹開挖施工提供借鑒參考依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 滑坡區(qū)地質(zhì)概況

該在建高速公路以挖方路塹的形式從斜坡中下部通過，平均挖方深度為15 m，最大挖方深度為40 m。在挖方路塹施工時，坡體產(chǎn)生變形，隨后滑塌(圖1 、圖2)。

圖1 老滑坡全貌與路塹變形現(xiàn)狀Fig.1 Panorama of a old landslide and the deformation status of cutting

圖2 老滑坡出露滑坡體拉裂縫與滑移面Fig.2 Exposed tensile crack and slip surface of the old landslide

工程區(qū)山脊走向為北東45°，地勢總體呈南高北低，高程為2 122～2 178 m，坡體最大高差為56 m。坡體向北東、北和北西向呈放射狀分布，沖溝發(fā)育，把坡體切割成條塊狀，坡體地形較緩，表面呈臺階狀分布，平均坡度約為10°。工程區(qū)位于渭河高階地，后在重力和流水作用下改造成斜坡，地貌類型屬于河流堆積階地侵蝕地貌。

研究區(qū)內(nèi)的老滑坡主要分布于項目路線起終段的河谷高階地前緣沖溝兩岸及低中山溝道一側(cè)，具沿河(溝)連續(xù)群狀分布和集中分布的規(guī)律。自然邊坡的自穩(wěn)坡度一般為10°～35°，老滑坡的自穩(wěn)坡度一般為8°～16°。

1.2 滑坡結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)工程地質(zhì)勘探揭露，滑體、滑帶、滑床的巖土結(jié)構(gòu)如下。

滑體為第四系全新統(tǒng)滑坡堆積層(Q4del)，該層主要包括上層粉質(zhì)黏土和下層卵礫石兩層。粉質(zhì)黏土為淺黃色，稍濕、可塑—硬塑、松散—稍密，該層厚度為3.7～10.5 m；卵礫石為青灰色，松散—中密，局部含漂石。

滑帶土為粉質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土混圓礫。粉質(zhì)黏土為淺黃色，稍濕，稍密、可塑，干強(qiáng)度較大，斷面較光滑。土體顏色雜亂，土質(zhì)不均勻，有黃褐色斑點和紅褐色團(tuán)塊，團(tuán)塊為泥巖和砂巖碎屑，發(fā)育光滑面，表面有明顯擦痕。粉質(zhì)黏土混圓礫，圓礫粒徑為2 mm～5 cm，磨圓較好，分選較差，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%～40%，圓礫呈定向排列趨勢，長軸方向和滑動方向一致，在滑坡體后緣和中部露頭處均有出現(xiàn)，其厚度約為0.5 m(圖3)。

圖3 老滑坡滑帶土Fig.3 Slip zone of the old landslide

滑床為上第三系砂巖和泥質(zhì)砂巖(N)，褐紅色，青灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，薄層--厚層狀，錘擊易碎，聲暗啞，遇水易軟化，暴曬易龜裂，巖心多呈短柱狀(圖4)。

圖4 老滑坡滑床Fig.4 Slide bed of the old landslide

1.3 滑坡變形特征

調(diào)查訪問和工程地質(zhì)勘察表明，該斜坡最近20年來處于變形狀態(tài)，課題組分析認(rèn)為陰坡地區(qū)陰濕氣候條件下凍融循環(huán)、地下水反復(fù)上升和下降及偶然的地震因素為主要原因，尤其是岷縣地震后坡體變形現(xiàn)象加劇?；麦w后緣下挫，累計豎向位移為12 m，平均變形速率為0.8 m/a；坡體開挖至第一級坡面頂時，K138+630～655段坡體產(chǎn)生變形，開挖線外坡面產(chǎn)生拉張裂縫，裂縫斷續(xù)長約30 m，寬為5～15 cm，10 d后K138+600～655段坡面產(chǎn)生滑塌，后緣下錯位移達(dá)1.0～1.5 m，裂縫寬為50～120 cm。

1.4 邊坡開挖與防護(hù)設(shè)計

表1給出了臨渭高速典型路塹邊坡原設(shè)計方案和優(yōu)化設(shè)計。其采用的路塹邊坡坡率1:0.75一坡到頂、平臺2 m的設(shè)計方案對于該老滑坡路段路塹邊坡的穩(wěn)定性不利；因此有必要分級放緩坡率，加寬開挖平臺，充分考慮因開挖施工導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的一切可能，反復(fù)論證邊坡防護(hù)措施的有效性，完善排水設(shè)計。同時，對于老滑坡地段的開挖設(shè)計，優(yōu)先采用避讓，如無避讓可能，設(shè)計要考慮一次性根治或者在開挖前采用錨索、抗滑樁等超前支護(hù)措施。該段深路塹設(shè)計平臺寬度3～5 m，坡率按1:0.75→1:1.00→1:1.25 →1:1.50逐級放緩，并配合寬平臺清方卸載+抗滑樁/樁板墻/錨索框格梁進(jìn)行邊坡防護(hù)，以達(dá)到保證路基長期穩(wěn)定的目的(表1)。

2 參數(shù)選取與數(shù)值計算模型

該處路塹邊坡穩(wěn)定性分析主要選取K138+660剖面。依據(jù)施工圖設(shè)計資料，該處路塹邊坡分5步進(jìn)行開挖。利用測量成果，結(jié)合設(shè)計斷面資料采用FLAC3D建模。參數(shù)依據(jù)理正反算、經(jīng)驗值及實驗值綜合確定(表2)。

對于邊界條件，邊坡上部為自由邊界，底部及周邊邊界固定，進(jìn)行位移約束。錨桿、抗滑樁超前支護(hù)布置見圖5，抗滑樁在第2步開挖完成后進(jìn)行施工。

表1 臨渭高速典型路塹邊坡防護(hù)設(shè)計方案

錨索自上而下按1--11道編號，抗滑樁監(jiān)測點從樁頂開始按點1--點9編號。坡體變形跟蹤監(jiān)測點O設(shè)置在滑移面剪出口位置，如圖5所示。滑體重度天然工況下取17.5～18.5 kN/m3，暴雨工況下取20.5～21.5 kN/m3；滑帶土強(qiáng)度采用殘余強(qiáng)度。

表2 滑坡巖土力學(xué)參數(shù)

3 分步開挖過程中邊坡的變形特征與穩(wěn)定性評價

3.1 變形特征

分步開挖邊坡產(chǎn)生的水平位移等值線如圖6所示，可以看出：在第1步開挖的過程中，引起的水平位移相對后續(xù)開挖較小(圖6a)；由于開挖的影響，當(dāng)開挖到第3步時，覆于軟弱帶上部的土壓力減小，相比第2步開挖，引起的水平位移增大(圖6c)；當(dāng)開挖到第4步時，由于切斷了軟弱帶，同時形成臨空面，再者，由于人工削坡坡度較陡，約50°左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了老滑坡的自穩(wěn)坡度，因此相較于第3步開挖，水平位移突然增大(圖6d)。顯然，老滑坡路段路塹開挖過程中存在極大的安全隱患，由于開挖坡腳，切斷軟弱帶就可能導(dǎo)致老滑坡復(fù)活。

3.2 穩(wěn)定性評價

從圖7中的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)(Fs)可以看出，第1步開挖到第4步開挖，路塹邊坡的安全度逐漸降低。當(dāng)開挖到第3步時，邊坡已經(jīng)處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，塑性區(qū)已經(jīng)開始存在向上貫通的趨勢(圖7c)；第4步開挖以后，開挖已切斷軟弱帶，邊坡巖土體剪切破壞加劇，塑性區(qū)貫通，后緣巖土體因受張拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度，產(chǎn)生拉裂縫，邊坡失穩(wěn)(圖7d)。

圖5 研究區(qū)路塹邊坡施工與超前支護(hù)布置圖Fig.5 Construction of cutting and the layout of advanced support in the study area

a. 第1步開挖;b. 第2步開挖;c. 第3步開挖;d. 第4步開挖。圖6 分步開挖邊坡水平位移等值線圖Fig.6 Contour of horizontal displacement about stepped excavation

a. 第1步開挖(Fs=1.86 );b.第2步開挖(Fs=1.42);c. 第3步開挖(Fs=1.07);d. 第4步開挖(Fs=0.82)。Fs為邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。圖7 分步開挖產(chǎn)生的剪應(yīng)變等值線圖(平臺寬2 m)Fig.7 Contour line of shear strain about stepped excavation with 2 m platform

4 平臺寬度與路塹邊坡穩(wěn)定的相關(guān)性

不同開挖步路塹邊坡的穩(wěn)定性評價結(jié)果見表3，可以看出并不是每一步開挖過程中都存在寬平臺(5 m)開挖模式下路塹邊坡的穩(wěn)定性大于窄(2 m)平臺開挖模式下路塹邊坡穩(wěn)定性的現(xiàn)象；第1步開挖與第3步開挖出現(xiàn)反常，是因為雖然開挖并沒有切斷軟弱帶。但是相較寬平臺開挖模式，窄平臺一次性開挖土方量較少，且距離坡體中的軟弱帶較遠(yuǎn)，在重力作用下起到“壓腳”作用，這種效應(yīng)相較有利；而寬平臺開挖模式土方量一次性開挖較大，應(yīng)力松弛程度相較窄平臺要高，同時“壓腳”效應(yīng)也遭到破壞，邊坡巖土體的剪切破壞加劇，邊坡安全度降低，因此這種異常是合理的。

表3 不同開挖平臺邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)

第2步與第4步開挖后邊坡的穩(wěn)定性和以往的研究相符。即寬平臺開挖模式明顯優(yōu)于窄平臺開挖，寬平臺開挖模式使邊坡的安全度得到了整體的提高。

綜上，結(jié)合工程經(jīng)驗認(rèn)為，寬平臺開挖模式明顯優(yōu)于窄平臺開挖模式。但是當(dāng)路塹邊坡坡體中存在沿坡體分布的軟弱帶時，寬平臺的應(yīng)力卸荷會起到反作用，尤其在距離軟弱帶較近時，易產(chǎn)生更明顯的應(yīng)力松弛現(xiàn)象，導(dǎo)致邊坡在開挖的過程中及早失穩(wěn)。同時，寬平臺對于牽引式滑坡以及具有膨脹性質(zhì)的巖土邊坡作用較小，因一次性開挖坡腳土方量較大，滑帶土出現(xiàn)卸荷膨脹現(xiàn)象，尤其在開挖過程中在強(qiáng)降雨作用下，滑帶土或者軟弱夾層軟化崩解，阻滑力減小，滑坡安全度驟降。

5 主動防護(hù)-錨索超前支護(hù)

錨索布置見圖5，在FLAC3D中采用錨索單元進(jìn)行模擬，共設(shè)置11道錨索，錨索間距取3 m，傾角20°，錨固段穿過滑面延伸至穩(wěn)定地層。通過設(shè)置端頭、自由段、錨固段賦不同的屬性值來實現(xiàn)錨索各段的作用效果，端頭的錨固參數(shù)設(shè)置為極大值來模擬托盤，達(dá)到錨索在受力時端頭不會發(fā)生滑動的效果。

5.1 邊坡變形特征

圖8給出了先支護(hù)再開挖與完全開挖后再支護(hù)兩種工況下邊坡的變形趨勢，選取坡面滑帶出露點(86.0，0.5，26.0)進(jìn)行其水平位移和總位移的跟蹤監(jiān)測，可以看出先支護(hù)再進(jìn)行開挖的開挖模式有效地推遲了邊坡產(chǎn)生較大水平位移的時間(圖8a)；隨著開挖的進(jìn)行，錨索超前支護(hù)能夠有效約束邊坡變形，且邊坡巖土體產(chǎn)生的總位移明顯受到了抑制(圖8b)。

圖8 監(jiān)測點 (86.0，0.5，26.0)的位移時程曲線Fig.8 Displacement time history curves of monitoring points (86.0, 0.5, 26.0)

5.2 穩(wěn)定性評價

圖9給出了錨索支護(hù)開挖過程中邊坡巖土體正在破壞的區(qū)域。可以看出，第1次支護(hù)后第2步開挖，塑性剪切區(qū)主要在坡腳處，并從坡腳開始向坡頂向上擴(kuò)展，但這種塑性區(qū)的擴(kuò)展在一定程度上受到了約束(圖9a)。對于第3步開挖以后立即進(jìn)行錨索支護(hù)、再進(jìn)行第4步開挖的過程中，塑性區(qū)擴(kuò)展受到了限制(圖9c)。再根據(jù)穩(wěn)定性系數(shù)情況，顯然，相較未采取支護(hù)措施的開挖模式，錨索超前支護(hù)開挖模式對路塹邊坡的整體穩(wěn)定性提高明顯。

a.第1次支護(hù)后第2步開挖(Fs=4.00);b. 第2次支護(hù)后第3步開挖(Fs=1.95);c. 第3次支護(hù)后第4步開挖(Fs=1.84)；d. 第3次支護(hù)后第5步開挖(Fs=1.71)。圖9 錨索支護(hù)開挖過程中邊坡巖土體正在破壞的區(qū)域Fig.9 Areas of plastic failure in the process of excavation with anchor cable support

5.3 錨索支護(hù)效應(yīng)

在第1次支護(hù)后進(jìn)行第2步開挖的過程中，結(jié)合邊坡正在破壞的區(qū)域(圖9a)和錨桿布置圖(圖5)可知，破壞區(qū)域主要分布在第1次錨索支護(hù)1、2、3道錨索之間以及附近的巖土體。圖10給出了開挖過程中錨索軸力的變化。從第2步開挖支護(hù)過程中錨桿軸力的變化(圖10a)來看：隨著開挖的進(jìn)行，第1、2、3道錨索已經(jīng)開始起作用，軸力逐漸從0開始增大，最終處于穩(wěn)定狀態(tài)；3根錨索均處于受拉狀態(tài)，第2、3道錨索受拉狀態(tài)基本一致，并明顯大于第1道錨索所承受的拉力。

在第2次支護(hù)后進(jìn)行第3步開挖(圖9b)的過程中，邊坡巖土體正在剪切破壞的區(qū)域突然收縮變小，說明錨索支護(hù)對約束巖土體剪切破壞的效果明顯。相比第2步開挖，第1、2、3道錨索的軸力總體呈明顯增大的趨勢(圖10b)。

在第3次支護(hù)后進(jìn)行第4步、第5步開挖(圖9c，d)的過程中，錨索支護(hù)對塑性破壞區(qū)自上而下的貫通起到了明顯的阻止作用。結(jié)合圖10d、e可以看出，隨著開挖的進(jìn)行，錨索軸力均相較上一步開挖有所增加，且相比距離坡腳較遠(yuǎn)的第1道錨索，距離坡腳位置最近的錨索起作用最大。因此，在錨索支護(hù)的過程中應(yīng)該注重錨索抗拉強(qiáng)度的試驗，尤其是在外力突然增加時錨索的抗拉能力；同時，應(yīng)采用有效措施提高設(shè)置在坡腳處錨索的抗拉強(qiáng)度，如施加預(yù)應(yīng)力。

綜上，錨索超前支護(hù)開挖模式有效地限制了邊坡發(fā)生大面積的變形破壞，及因開挖切斷軟弱帶或者滑帶后邊坡產(chǎn)生明顯的應(yīng)力松弛，降低了邊坡在施工過程中整體失穩(wěn)的可能。改善效果最明顯的位置主要有兩處，第一處主要是對邊坡軟弱帶或滑帶及附近區(qū)域，第二處是路塹邊坡后緣。

6 被動防護(hù)-抗滑樁超前支護(hù)

圖11、圖12給出了抗滑樁的變形和樁體最大軸力隨深度變化的情況。樁體頂部位移一般較大，而切穿滑帶嵌入穩(wěn)定地層的位置，樁體變形幾乎為0(圖11)。從樁體受拉壓情況(圖12)來看，抗滑樁受力正常，說明抗滑樁未發(fā)生支護(hù)失效的跡象；樁體承受最大拉力部位出現(xiàn)在滑體與滑床交接處，承受壓力最大部位出現(xiàn)在滑移面以下穩(wěn)定地層中。

a. 第1次支護(hù)第2步開挖(第1、2、3道錨索)；b. 第2次支護(hù)第3步開挖(第1、2、3道錨索)；c. 第2次支護(hù)第3步開挖(第4--7道錨索)；d. 第3次支護(hù)第4步開挖(第1、2、3道錨索)；e. 第3次支護(hù)第4步開挖(第4--7道錨索)；f. 第3次支護(hù)第4步開挖(第8--11道錨索)。圖10 開挖過程中錨索軸力變化Fig.10 Changes of axial force of anchor cable during excavation

圖11 樁體水平位移變化Fig.11 Horizontal displacement of pile

圖12 樁體最大軸力隨深度的變化Fig.12 Variation of the maximum axial force of pile with depth

圖13、圖14給出了在超前支護(hù)開挖工況和無支護(hù)開挖工況下路塹邊坡監(jiān)測點O附近巖土體的體積應(yīng)變和變形變化過程，結(jié)合圖15、圖16關(guān)于邊坡整體穩(wěn)定性的計算結(jié)果可以看出，抗滑樁超前支護(hù)路塹施工開挖工況對于抑制老滑坡的復(fù)活變形和提高深路塹邊坡的整體穩(wěn)定性方面起到了明顯的效果，降低了因老滑坡復(fù)活威脅在建路基安全的可能。

圖13 監(jiān)測點O處的體積應(yīng)變增量Fig.13 Volumetric strain increment at monitoring point “O”

圖14 監(jiān)測點O處位移時程曲線Fig.14 Displacement time history curves at monitoring point “O”

雖然超前支護(hù)開挖有效地抑制了路塹邊坡的整體變形，但抗滑樁穿過滑移面或軟弱帶，切斷原有連續(xù)滑體，邊坡在樁前樁后應(yīng)力重分布明顯，尤其是樁前土體，下一步開挖施工對其變形影響極大，因開挖產(chǎn)生的應(yīng)力松弛現(xiàn)象更加明顯，巖土體會產(chǎn)生更大剪應(yīng)變和體積應(yīng)變，坡腳塑性破壞加劇。樁前土體一旦發(fā)生大的變形或者整體滑移，在抗滑樁樁長較短沒有插入到穩(wěn)定地層一定深度的情況下，就有可能使樁發(fā)生傾倒變形，失去支護(hù)，老滑坡也會復(fù)活。圖15證明了樁長較短的情況下邊坡的安全度較低；同時，樁長對邊坡穩(wěn)定性的影響存在臨界值。因此，抗滑樁樁位的選取和樁前土體的強(qiáng)度處理顯得尤為重要，建議抗滑樁采用錨拉之后再進(jìn)行下一步開挖；樁前土方量一次性開挖不能過大，坡體中滑帶進(jìn)行超前注漿。抗滑樁應(yīng)該布設(shè)在老滑坡體下部。且滑面較平緩的地段，當(dāng)滑動面長、推力大時，而受制于下一步開挖老滑坡復(fù)活的可能，有必要沿著滑動方向布置多排抗滑樁。

圖15 抗滑樁長與邊坡穩(wěn)定系數(shù)的相關(guān)性Fig.15 Correlation between pile length and slope safety

圖16 抗滑樁樁距與與邊坡穩(wěn)定系數(shù)的相關(guān)性Fig.16 Correlation between pile spacing and slope safety

由圖16可知，隨著樁距的增大，穩(wěn)定系數(shù)減小，邊坡穩(wěn)定性逐漸降低。分析認(rèn)為由于樁間距不斷增大，群樁效應(yīng)不斷減弱，最后單樁抵抗滑坡變形。同時，隨著抗滑樁間距的增大，樁間土土拱效應(yīng)逐漸減弱，最后樁間土滑動下錯，因此樁間土破壞變形成了邊坡穩(wěn)定性的控制性因素。

7 結(jié)論與建議

1)對于老滑坡路段路塹開挖，開挖會切斷滑帶，產(chǎn)生明顯的應(yīng)力松弛現(xiàn)象，導(dǎo)致老滑坡復(fù)活，路塹邊坡失穩(wěn)。

2)一般寬平臺開挖模式能提高邊坡的整體穩(wěn)定性。然而，對于存在具有膨脹性質(zhì)的滑帶土的牽引式老滑坡，坡腳采用寬平臺刷方減重不利于邊坡的穩(wěn)定。因此，在開挖之前需嚴(yán)格論證，采取合適的開挖模式，或交互采用寬平臺與窄平臺這兩種開挖模式進(jìn)行削坡開挖。

3)錨索超前支護(hù)有利于路塹施工過程中邊坡的整體穩(wěn)定性，能夠有效抑制邊坡變形。應(yīng)注重錨索抗拉強(qiáng)度試驗，尤其是在外力突然增加時錨索的抗拉能力，同時采用有效措施提高設(shè)置在坡腳處錨索的抗拉強(qiáng)度。

4)抗滑樁超前支護(hù)應(yīng)注意以下問題：一是抗滑樁樁位的選擇要依據(jù)老滑坡復(fù)活產(chǎn)生的下滑力和開挖引起邊坡失穩(wěn)兩個方面進(jìn)行嚴(yán)格論證；二是樁長、樁距的優(yōu)化設(shè)計。上述問題處理不當(dāng)將引起抗滑樁傾倒變形，抗滑失效，安全隱患巨大。建議抗滑樁支護(hù)采用錨拉，或樁前坡體中的滑帶進(jìn)行注漿，有必要在沿著老滑坡主滑方向布置多排抗滑樁，或采用h型樁體設(shè)計。

5)老滑坡路段路塹開挖設(shè)計，不能只考慮坡率和平臺設(shè)計，必須要配合采用超前支護(hù)，如錨索、抗滑樁等，必要時要進(jìn)行清方卸載，同時要注重信息化指導(dǎo)施工。