某路塹高邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 波，曾亮亮，任東偉，張 洪，張 朔

(1.云南鎮(zhèn)清高速公路建設(shè)指揮部， 云南 臨滄 677000；2.云南省交投公路建設(shè)第五工程有限公司， 云南 昆明 650200；3. 安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 安徽 淮南 232001)

高速公路的路基建設(shè)經(jīng)常需要通過開挖深路塹邊坡來實(shí)現(xiàn)，其主要作用是為了緩和道路縱坡或越嶺線穿越嶺口控制標(biāo)高[1-3]。云南地區(qū)山區(qū)高速公路所經(jīng)地段往往地形地貌復(fù)雜多變，很多坡體巖質(zhì)復(fù)雜，破碎帶、斷層及軟弱結(jié)構(gòu)面等不良地質(zhì)區(qū)域穿插在巖層中[4-5]，并且由于這一區(qū)域季節(jié)性強(qiáng)降雨和強(qiáng)風(fēng)化地質(zhì)特點(diǎn)，導(dǎo)致滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻率和危害程度明顯高于其他地區(qū)，隨之帶來較多的路塹高邊坡開挖問題[6-7]，因此在路塹高邊坡開挖的過程中，開挖方案的選擇及安全防護(hù)措施的施加至關(guān)重要[7-9]。路塹高邊坡的安全穩(wěn)定性及變形控制等是否達(dá)標(biāo)將會(huì)嚴(yán)重影響工程建設(shè)的順利進(jìn)行或者工程建構(gòu)筑物的安全運(yùn)行，亟需對(duì)其進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的安全穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[10-12]。

高陡深挖路塹邊坡開挖方案對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性的影響通常涉及邊坡平臺(tái)位置和寬度、施工順序、坡率、坡高等多種因素[12-14]。開挖過程中，主被動(dòng)安全加固措施的選擇、加固的強(qiáng)度和深度的選取、加固的及時(shí)性和有效性等都時(shí)刻影響著邊坡的穩(wěn)定與否[14-16]。

本文以鎮(zhèn)清高速公路回龍寨服務(wù)區(qū)路塹深挖高邊坡工程為研究對(duì)象，通過開展現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查和數(shù)值仿真，設(shè)計(jì)多種開挖及加固方案，并分別對(duì)其進(jìn)行安全穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，探討安全防護(hù)措施的合理性，解決當(dāng)前設(shè)計(jì)措施下存在的問題，為指揮部提供高邊坡開挖及加固的決策依據(jù)。

1 工程概況及潛在問題

1.1 回龍寨服務(wù)區(qū)路塹深挖高邊坡工程地質(zhì)條件簡介

擬建鎮(zhèn)康(南傘)至耿馬(清水河)高速公路位于云南省臨滄市耿馬縣、鎮(zhèn)康縣境內(nèi)，是云南省中長期高速公路網(wǎng)規(guī)劃布局(2016—2030)中“五縱五橫一邊兩環(huán)二十聯(lián)”的重要組成部分?；佚堈?wù)區(qū)路塹深挖高邊坡工程位于鎮(zhèn)清高速K9+700—K9+992左側(cè)，挖方長度約136.6 m，中線最大挖深約52.7 m，形成最大坡高約129.78 m。

邊坡基巖上覆殘坡積黏土、粉質(zhì)黏土，基巖產(chǎn)狀S0：290°∠25°屬斜交坡。地層巖性自新到老分述為：

① 第四系殘坡積層粉質(zhì)黏土，局部夾有碎石，可塑，干強(qiáng)度中等。

② 泥巖及強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)巖(T2h),碎塊狀構(gòu)造，碎裂結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯多呈碎塊狀，塊徑約3 cm～8 cm。

③ 泥巖及中風(fēng)化硅質(zhì)巖(T2h)，紫紅色、灰青色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中層厚構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯多呈柱狀，節(jié)長多為5 cm～10 cm。

工程地質(zhì)剖面圖見圖1。

圖1 K9+780工程地質(zhì)剖面圖

1.2 潛在工程安全問題

基于上述工程地質(zhì)條件，回龍寨服務(wù)區(qū)路塹深挖高邊坡工程建設(shè)存在的潛在安全問題包括：

(1) 左幅邊坡開挖深度大，開挖距離長，開挖方量大，在開挖過程中坡頂出現(xiàn)四道裂縫。根據(jù)原設(shè)計(jì)，第五級(jí)、六級(jí)、七級(jí)坡采用4束15.2型(即4束公稱直徑為15.2 mm鋼絞線)單根長25 m錨索框格梁防護(hù)，在第五級(jí)坡防護(hù)時(shí)，坡頂甘蔗地清理后，發(fā)現(xiàn)四條裂縫，裂縫寬度分別約為15 cm、10 cm、10 cm、5 cm，裂縫長度分別約為70 m、65 m、50 m、25 m，詳見圖2。

圖2 坡頂裂縫現(xiàn)狀

(2) 坡頂后方存在220 kV高壓輸電塔(K9+730左側(cè)博南Ⅱ回線#366號(hào))，距坡頂45 m左右。如果邊坡處理不當(dāng)將威脅高壓輸電塔的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響電力的正常運(yùn)營。輸電鐵塔位置見圖3。

圖3 坡頂構(gòu)筑物與邊坡現(xiàn)狀圖

(3) 在施工過程中，強(qiáng)降雨后出現(xiàn)小型淺層土質(zhì)滑坡?；缕矫嫔铣蕦捇⌒停路较蛲吰缕孪蛞恢?；滑坡后緣出現(xiàn)多條裂縫，裂縫沿坡頂呈圈椅狀發(fā)育，寬度10 cm～15 cm不等，張拉裂縫與坡頂最大距離為16 m，沿滑坡方向整體呈臺(tái)階式張拉，錯(cuò)動(dòng)高度較小，尚未形成滑坡臺(tái)坎；在第六級(jí)表面可見斜向裂縫，尚未出現(xiàn)橫向剪出跡象?；绿幱跀D壓-臨界滑動(dòng)階段，剪入剪出口明確，滑坡方量約300 m3，屬小型淺層土質(zhì)滑坡。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)難題

鎮(zhèn)清高速公路回龍寨服務(wù)區(qū)路塹深挖高邊坡工程自施工以來，多次出現(xiàn)局部失穩(wěn)坍塌滑動(dòng)問題。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查和分析，認(rèn)為主要是以下四個(gè)方面的原因：

(1) 沒有及時(shí)加固，導(dǎo)致部分邊坡穩(wěn)定性出現(xiàn)問題。對(duì)于巖層本身相對(duì)較差，沒有及時(shí)加固補(bǔ)強(qiáng)的坡體，可能出現(xiàn)部分邊坡失穩(wěn)。

(2) 加固強(qiáng)度或深度不夠，導(dǎo)致部分邊坡失穩(wěn)。坡表出現(xiàn)裂縫等。

(3) 泥巖和泥質(zhì)粉砂巖和部分硅質(zhì)巖，巖性不均勻，泥巖以及節(jié)理裂隙發(fā)育段，巖芯多呈碎塊狀，巖層強(qiáng)度低，容易出現(xiàn)部分坍滑失穩(wěn)。

(4) 坡淺層、開挖卸載、風(fēng)化和雨水作用、坡腳泡水等情況下，強(qiáng)度下降明顯的坡體，極容易出現(xiàn)部分坍滑失穩(wěn)現(xiàn)象。

2 計(jì)算模型及參數(shù)反分析

2.1 計(jì)算模型及開挖方案設(shè)計(jì)

為探索最優(yōu)開挖方案和加固方案，本文利用Slide5.0軟件進(jìn)行建模，依據(jù)規(guī)范采用Bishop極限平衡法進(jìn)行安全穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算，臺(tái)階式放坡，將邊坡從上到下依次分為7級(jí)，一級(jí)坡至六級(jí)坡每層坡高10 m，七級(jí)坡坡高8 m。計(jì)算模型示意圖見圖4。為解決實(shí)際問題共設(shè)計(jì)3個(gè)開挖方案。開挖方案1：七級(jí)坡至五級(jí)坡坡率為1.00∶1.00，四級(jí)坡和三級(jí)坡坡率為1.00∶0.75，二級(jí)坡和一級(jí)坡坡率為1.00∶0.50，各臺(tái)階寬度均為2 m。開挖方案2：七級(jí)坡至五級(jí)坡坡率為1.00∶0.75，五級(jí)坡坡腳處臺(tái)階寬度8.22 m，其余各坡坡率和臺(tái)階寬度均不變。開挖方案3：四級(jí)坡至三級(jí)坡坡率為1.00∶0.50，四級(jí)坡坡腳處臺(tái)階寬度7 m，其余各坡坡率和臺(tái)階寬度均不變。

圖4 計(jì)算模型示意圖

2.2 基于邊坡目前穩(wěn)定狀態(tài)的巖層強(qiáng)度參數(shù)反分析

根據(jù)業(yè)主提供的勘察設(shè)計(jì)資料、文獻(xiàn)查詢和工程類比，綜合確定了該地區(qū)計(jì)算涉及土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，試算參數(shù)統(tǒng)計(jì)表見表1。

表1 清路塹高邊坡試算參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)現(xiàn)場勘察及目前邊坡的裂縫分布情況，采用K9+760斷面進(jìn)行計(jì)算。目前該邊坡五、六、七級(jí)坡已開挖完成，且七級(jí)坡和六級(jí)坡按照設(shè)計(jì)完成加固?？紤]淺層滑面(剪入口控制在第四道裂縫處，剪出口控制在粉質(zhì)黏土坡面)和深層滑面(剪入口控制在第四道裂縫處，剪出口控制在五級(jí)坡坡面)并且結(jié)合坡體現(xiàn)狀的臨界穩(wěn)定狀態(tài)和保守原則將安全系數(shù)設(shè)置為1.0左右進(jìn)行巖土力學(xué)參數(shù)的反分析計(jì)算。實(shí)際中，由于降雨、地震和風(fēng)化等因素的影響，邊坡表層巖土材料參數(shù)比深層強(qiáng)度參數(shù)要低，即隨著埋深有漸變規(guī)律。因此，針對(duì)本次分析，考慮后續(xù)四級(jí)到一級(jí)坡，泥巖的強(qiáng)度參數(shù)較反分析參數(shù)有所提高，且結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查綜合確定巖石力學(xué)參數(shù)結(jié)果如表2所示。

表2 各級(jí)邊坡巖土力學(xué)參數(shù)表

3 自然開挖方案下高邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1 邊坡安全控制標(biāo)準(zhǔn)

參考《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[17](GB 50330—2013)(一級(jí)永久邊坡滑動(dòng)安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)為1.35，考慮地震作用下安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)為1.15)、《三峽庫區(qū)三期地質(zhì)災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)技術(shù)要求(2004年12月)》[18](非涉水工程考慮暴雨工況的安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)為1.2)、《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[19](JTG D30—2015)(高速公路滑坡體安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)為1.2～1.3)以及相關(guān)的滑坡防治工程技術(shù)要求，并考慮其可能造成的危害，這里考慮邊坡的安全系數(shù)達(dá)到1.20可滿足工程穩(wěn)定性要求。

3.2 自然開挖狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

對(duì)原設(shè)計(jì)開挖方案1自然條件下，無加固措施高邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，利用Slide軟件的Bishop極限平衡法計(jì)算各級(jí)邊坡開挖時(shí)的安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表3。

從表3可以看出，在不采取加固措施的情況下直接進(jìn)行開挖，由于七級(jí)坡和六級(jí)坡上覆土層巖土力學(xué)性質(zhì)較差，邊坡無法保證自穩(wěn)，安全系數(shù)遠(yuǎn)低于邊坡安全控制標(biāo)準(zhǔn)，因此若不采取加固措施直接進(jìn)行開挖不滿足工程穩(wěn)定性需求，需要在開挖的過程中施加主動(dòng)或被動(dòng)加固，以確保邊坡安全。

表3 自然開挖狀態(tài)下邊坡安全系數(shù)

4 不同開挖方案下邊坡加固措施安全穩(wěn)定性分析

4.1 開挖方案1加固措施安全穩(wěn)定性分析

根據(jù)原設(shè)計(jì)方案，各級(jí)坡均采用4束15.2型單根長25 m錨索框格梁防護(hù)，其中單根長 25 m的錨索拉拔力為450 kN，錨固段長度18 m，錨索間距4 m×5 m。

根據(jù)表2的反分析巖土力學(xué)參數(shù)開展開挖方案1下的邊坡穩(wěn)定性分析，錨索加固方案為初始設(shè)計(jì)方案，其中剪入口在七級(jí)坡坡頂自動(dòng)搜索，剪出口分別控制在六級(jí)坡至一級(jí)坡坡面。因篇幅限制各開挖方案均只展示最危險(xiǎn)潛在滑面搜索。開挖方案1潛在滑面搜索見圖5。開挖方案1初始加固設(shè)計(jì)下各次級(jí)邊坡安全系數(shù)見表4。

圖5 開挖方案1初始加固設(shè)計(jì)下潛在滑面

表4 開挖方案1初始加固下邊坡安全系數(shù)

由表4可知，開挖方案1在初始加固設(shè)計(jì)方案下，滑面搜索至二級(jí)坡以下位置時(shí)，邊坡整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，考慮到外界降雨等因素影響，若按此加固措施，1級(jí)坡和2級(jí)坡后期可能會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，因此初始加固措施不滿足工程穩(wěn)定性要求。

原始開挖方案下準(zhǔn)備加固五級(jí)坡時(shí)，坡頂出現(xiàn)4道裂縫，開挖四級(jí)坡時(shí)，平臺(tái)出現(xiàn)垮塌，目前五、六級(jí)坡已加強(qiáng)(每條豎梁中間增加一根6束15.2型根長42 m錨索，錨索拉拔力為650 kN，錨固長度為35 m)，為滿足安全穩(wěn)定性要求，四級(jí)坡和三級(jí)坡的錨索更換為10束單根長42 m錨索，錨索拉拔力為1 000 kN，錨固段長度35 m。二級(jí)坡和一級(jí)坡的錨索更換為10束單根長35 m錨索，錨索拉拔力為450 kN,錨固段長度25 m。更改加固措施后邊坡安全系數(shù)見表5。

表5 開挖方案1更改加固下邊坡安全系數(shù)

修改加固措施后，經(jīng)試算各次級(jí)安全系數(shù)均滿足安全穩(wěn)定性要求，坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。開挖方案1的最終防護(hù)措施橫斷面圖如圖6所示。錨索參數(shù)見表6。

圖6 開挖方案1最終防護(hù)橫斷面圖

表6 開挖方案1錨索參數(shù)設(shè)置一覽表

4.2 開挖方案2加固措施安全穩(wěn)定性分析

開挖方案2與開挖方案1在七級(jí)坡至五級(jí)坡上的加固措施相同，四級(jí)坡和三級(jí)坡采用6束15.2型單根長42 m錨索，錨索拉拔力600 kN，錨固段長度30 m。二級(jí)坡采用4束15.2型單根長30 m錨索，錨索拉拔力為450 kN，錨固段長度20 m。一級(jí)坡采用4束15.2型單根長25 m錨索，錨索拉拔力450 kN，錨固段長度18 m。錨索間距均為3 m×3 m。開挖方案2潛在滑面搜索如圖7所示。開挖方案2加固后安全系數(shù)見表7。

圖7 開挖方案2加固設(shè)計(jì)下潛在滑面

表7 開挖方案2加固后邊坡安全系數(shù)

由表7可知，在該加固方案下開挖方案2各邊坡均滿足安全穩(wěn)定性要求。開挖方案2采用寬平臺(tái)陡坡率的設(shè)計(jì)方案，臺(tái)階寬度的增大意味著邊坡上部更多的土體被移除，減輕了土重，實(shí)現(xiàn)了“削坡減重”，這在一定程度上有助于邊坡穩(wěn)定性的提高。相較于開挖方案1的加固措施，加固方案2的錨索用量明顯的減少，錨索設(shè)置一覽表見表8。

表8 開挖方案2錨索參數(shù)設(shè)置一覽表

4.3 開挖方案3加固措施安全穩(wěn)定性分析

開挖方案3與開挖方案1在七級(jí)坡至五級(jí)坡上的加固措施相同，四級(jí)坡和三級(jí)坡均采用6束15.2型單根長42 m錨索，錨索拉拔力為700 kN，錨固段長度30 m，其中四級(jí)坡設(shè)置三排錨索，三級(jí)坡設(shè)置四排錨索。二級(jí)坡采用6束15.2型單根長32 m錨索，錨索拉拔力為650 kN，錨固段長度25 m，錨索間距3 m×3 m。一級(jí)坡采用4束15.2型單根長25 m錨索，錨索拉拔力為450 kN，錨固段長度18 m，錨索間距3 m×3 m。開挖方案3潛在滑面搜索如圖8所示。開挖方案3加固后安全系數(shù)見表9。

圖8 開挖方案3加固設(shè)計(jì)下潛在滑面

表9 開挖方案3加固后邊坡安全系數(shù)

由表9可知，在該加固方案下開挖方案3各邊坡均滿足安全穩(wěn)定性要求。開挖方案3錨索設(shè)置一覽表見表10。

表10 開挖方案3錨索參數(shù)設(shè)置一覽表

5 不同開挖方案和加固措施費(fèi)效比分析

為綜合對(duì)比各開挖和加固方案下的優(yōu)劣，選擇最優(yōu)的處置方案，本文對(duì)不同的開挖方案和加固措施進(jìn)行費(fèi)效比分析。由于開挖方案中錨索的橫向間距存在3 m和4 m的兩種施加方案，因此選取12 m的寬度展開開挖方量和加固措施的費(fèi)效性對(duì)比分析，表11列出了各開挖方案所需的錨索種類和數(shù)量。

表11 不同開挖方案下邊坡加固所需錨桿數(shù)量

考慮邊坡開挖單價(jià)為17 元/m3，鋼絞線單價(jià)為4 000元/t，鉆孔相關(guān)費(fèi)用為350 元/m。其中拉拔力為450 kN～600 kN的錨索均為4束15.2型，拉拔力為650 kN～700 kN的錨索均為6束15.2型，700 kN以上的錨索均為10束15.2型。考慮錨索鉆孔比錨索長度增加0.5 m。據(jù)此計(jì)算每種開挖及加固方案所需的費(fèi)用如表12所示。

表12 不同開挖及加固方案所需費(fèi)用

從表12可以看出方案1與方案3在開挖方量上大致相同，但在錨索用量上，方案3較方案1相比增加較多，導(dǎo)致所需費(fèi)用最高。方案2相較于方案1和方案3，開挖方量最多，但錨索用量最少，且所需費(fèi)用較低。在邊坡穩(wěn)定性方面，方案2和方案3由于采用“寬臺(tái)階陡坡率”的設(shè)計(jì)方法，一方面有利于邊坡的整體穩(wěn)定性，另一方面寬臺(tái)階的施加相當(dāng)于使高邊坡分解為兩個(gè)次級(jí)邊坡，降低邊坡的高度，提高邊坡的自穩(wěn)能力。綜合考慮，方案2為最優(yōu)設(shè)計(jì)方法。

6 結(jié)論與建議

(1) 通過數(shù)值模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在不采取加固措施的情況下直接開挖以及原設(shè)計(jì)開挖加固方案在開挖至二級(jí)坡和一級(jí)坡時(shí)，均不符合邊坡安全穩(wěn)定性要求，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

(2) 開挖方案2和開挖方案3通過增大坡率的方法在高邊坡中部施作寬平臺(tái)，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了“削坡減重”，將高邊坡分割成兩個(gè)高度相對(duì)較低的次級(jí)邊坡，能有效的提高邊坡的自穩(wěn)能力。

(3) 通過不同開挖方案加固措施的費(fèi)效性對(duì)比發(fā)現(xiàn)：開挖及加固方案2在滿足安全穩(wěn)定的前提下，錨索用量最少，總費(fèi)用相對(duì)較低，為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。