高速公路高邊坡變形監(jiān)測與分析

王彥章

（山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

高速公路邊坡失穩(wěn)破壞往往會經(jīng)歷一個從漸變到突變的過程，失穩(wěn)前往往會出現(xiàn)變形量增加和變形速度加快等征兆。然而，這些征兆往往不容易被察覺，或在發(fā)現(xiàn)時已出現(xiàn)了較大變形破壞，這就需要借助專業(yè)儀器進行監(jiān)測，及時收集數(shù)據(jù)分析邊坡的穩(wěn)定性[1]。通過監(jiān)測可發(fā)現(xiàn)異常信息，及時預報險情，采取措施進行處理，避免人員和設備的損失，保證施工或運營安全[2]。本文結合某高速公路高邊坡典型路段施工實踐，在高邊坡開挖和支護施工過程中，多處邊坡出現(xiàn)了變形破壞，部分邊坡存在整體失穩(wěn)風險，對施工安全和進度造成了較大影響。為準確掌握邊坡內(nèi)部的變形情況，確定滑動面位置，在支護后開展變形監(jiān)測，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)確定變形趨勢和支護效果，優(yōu)化支護結構設計，改進施工方法。

1 高邊坡支護方案

1.1 邊坡概述

某高速公路K73+125—K73+276段為巖土混合邊坡，邊坡土質(zhì)構成主要為變質(zhì)粉砂巖、粉土和粉質(zhì)黏土等，巖石層間錯動現(xiàn)象發(fā)育，開挖后巖體破碎嚴重，裂隙密集發(fā)育，穩(wěn)定性較差。該高邊坡最大高度為43.5 m，邊坡大部分區(qū)域自然坡度39°～47°，局部較陡路段可達70°～80°，自上而下分6級開挖支護。原始邊坡植被發(fā)育，邊坡頂部結構面由數(shù)個較小的巖塊組成，局部存在危巖。開挖后發(fā)現(xiàn)裂隙節(jié)理發(fā)育，分布有軟弱夾層。暴雨后局部產(chǎn)生滑動變形，邊坡開挖開裂，有產(chǎn)生整體滑動的風險，該路段典型斷面和地質(zhì)結構如圖1所示。

圖1 高邊坡路段典型斷面地質(zhì)結構圖

1.2 高邊坡支護方案

該邊坡穩(wěn)定性相對較好，但在降雨和爆破施工擾動下容易產(chǎn)生變形失穩(wěn)，應采取措施進行加固。原設計方案采用框架砂漿錨桿+錨桿鋼筋網(wǎng)噴射混凝土+植草防護施工，局部不穩(wěn)定采用框架砂漿錨桿加固。在高邊坡開挖和支護施工中，多處邊坡出現(xiàn)了變形破壞，存在滑塌風險。因此，對邊坡支護方案進行優(yōu)化設計，采用框架預應力錨索代替框架砂漿錨桿，并在邊坡上部設置平臺排水溝、急流槽等排水設施。高邊坡具體支護方案為：1～3級邊坡采用預應力錨索支護，錨索長度為25 m，預應力為750 kN，最佳錨桿角度為230°，錨索共計23根。4～5級邊坡采用框架錨桿支護，錨桿長度為8～12 m，6級邊坡采用錨桿鋼筋網(wǎng)噴射混凝土+植草防護。

2 高邊坡變形監(jiān)測方案

2.1 監(jiān)測儀器設備選型

為了確定K73+125—K73+276段高邊坡支護效果，在施工過程中布置測點，分別采用RSM-WYJ（S）型多點位移計、MGH型振弦式錨索測力計、XB338-2型測斜儀等儀器設備對邊坡變形情況進行檢測。根據(jù)高邊坡的地質(zhì)調(diào)查情況確定監(jiān)測部位，分別布置測點對邊坡位移、錨固力和深部位移進行量測，作為分析邊坡穩(wěn)定性，評定邊坡支護結構合理性的主要依據(jù)。

2.2 測點布置

以高邊坡整體穩(wěn)定性監(jiān)測為主，選取關鍵部位，對邊坡坡體的變形情況進行監(jiān)測。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結果，對存在軟弱夾層和巖體開裂部位進行重點監(jiān)測，該區(qū)域存在產(chǎn)生變形失穩(wěn)的風險。選取K73+140、K73+180、K73+220、K73+260等4個斷面作為監(jiān)測斷面，分別布置多點位移計5套、錨索測力計4臺和3個測斜孔。支護完成后分別對邊坡位移、錨固力和深部位移進行監(jiān)測，測點布置示意圖如圖2所示。

圖2 測點布置示意圖

3 高邊坡支護效果反饋分析

通過對高邊坡監(jiān)測結果進行分析，確定邊坡內(nèi)部應力應變的變化情況，分析邊坡的穩(wěn)定性和支護效果，進一步優(yōu)化支護參數(shù)[3]。將監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋給設計、施工單位，對邊坡支護設計進行優(yōu)化，以及對邊坡施工進行動態(tài)施工管理[4]。K73+125—K73+276段高邊坡在施工期間發(fā)現(xiàn)局部有開裂現(xiàn)象，施工前監(jiān)測發(fā)現(xiàn)邊坡開挖后也產(chǎn)生了一定的變形，尤其是在降雨后變形更加明顯。優(yōu)化邊坡支護方案后，在施工過程中布設監(jiān)測儀器，對邊坡坡體位移、錨固力和深部位移進行量測，分析邊坡的變形趨勢，確定邊坡的穩(wěn)定性。

3.1 坡體位移監(jiān)測結果分析

選取K73+180斷面多點位移計監(jiān)測結果作為研究對象，收集監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制不同深度邊坡累積位移與時間變化曲線如圖3所示。

圖3 K73+180斷面不同深度邊坡累積位移與時間變化曲線

分析圖3所示不同深度邊坡累積位移與時間變化曲線，K73+180斷面坡體變形可劃分為快速發(fā)展階段、緩慢變形階段和穩(wěn)定階段，監(jiān)測完成后邊坡變形已基本穩(wěn)定。監(jiān)測時間0～75 d為快速發(fā)展階段，該階段坡體位移變化速度較快，75 d邊坡最大累積變形達到55.3 mm；監(jiān)測時間76～195 d為緩慢變形階段，該階段預應力錨索開始施工，逐步開始發(fā)揮作用，坡體變形速度逐步放緩，該階段累積變形量最大增加幅度為16.3 mm；監(jiān)測時間196～435 d為穩(wěn)定階段，該階段預應力錨索已完成張拉，有效控制了坡體變形，監(jiān)測期間變形量最大增量僅為3.2 mm，說明坡體已基本趨于穩(wěn)定。

3.2 錨索錨固力監(jiān)測結果分析

仍以K73+180斷面作為研究對象，MGH型振弦式錨索測力計鎖定噸位為834 kN，安裝高程為985 m，在錨索加載過程中對錨索錨固力進行監(jiān)測，繪制錨固力隨時間變化曲線如圖4所示。

圖4 K73+180斷面錨索錨固力隨時間變化曲線

分析圖4所示錨索錨固力隨時間變化曲線，錨索在初期預應力損失較大，前5 d損失達到16.4%。預應力錨索按照10%進行超張拉，以抵消由于鋼索松弛、錨索孔周邊巖體的蠕變等原因造成的預應力損失。該處預應力損失超過了16%，已經(jīng)超出了超張拉值，分析原因是由于施工過程中坡體出現(xiàn)了局部破壞，對錨索施工效果造成了較大影響。另外，結合監(jiān)測數(shù)據(jù)，在預應力張拉70 d后，預應力損失達到最大值23%，錨固力最小值為642 kN，較張拉后5 d增加了7%。監(jiān)測70 d以后，錨索錨固力逐步增加，說明坡體內(nèi)部的應力狀態(tài)發(fā)生了變化，坡體的變形使錨索拉力增加。監(jiān)測70～395 d，錨索錨固力從642 kN增加到705 kN，增加了9.8%。分析原因是由于坡體前緣支護力大于坡體后緣，坡體后緣存在向坡腳方向的微小位移，且在時間上存在滯后效應，使錨索拉力增加，錨固力不斷提高。監(jiān)測時間395～435 d以后，錨固力增加量很小，說明錨索受拉狀態(tài)基本沒有發(fā)生變化，坡體變形基本穩(wěn)定。

3.3 深部位移監(jiān)測結果分析

邊坡坡體深部位移采用埋設測斜管，使用測斜儀進行監(jiān)測。選取K73+220斷面作為研究對象，測斜孔長度為33.5 m，監(jiān)測深度為30 m，使用XB338-2型測斜儀進行監(jiān)測，收集數(shù)據(jù)繪制不同監(jiān)測時間測斜管各深度邊坡深部位移變化曲線如圖5所示。

圖5 K73+220斷面坡體深部位移變化曲線

分析圖5所示坡體深部位移變化曲線，測斜孔以下14～16 m位置存在明顯的突變，分析是由于出現(xiàn)了滑動帶。在滑動帶的作用下，滑坡體有向順坡方向滑動的趨勢，最大滑動位移達到52 mm。另外，測斜孔下17～19.5 m范圍內(nèi)由于臨近滑動帶，滑動帶滑動過程中對該區(qū)域產(chǎn)生了一定的擾動?；瑒用嬉陨细鞅O(jiān)控時間變形趨勢一致，呈現(xiàn)整體滑動。結合地質(zhì)調(diào)查結果，邊坡以下14～16 m位置存在軟弱破碎帶，含水量較高，也是導致邊坡出現(xiàn)滑動變形的主要原因。結合后幾次深部位移監(jiān)測結果，位移變化量相差很小，說明滑動變形已得到有效控制。

4 結語

以某高速公路高邊坡施工為研究對象，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結果優(yōu)化了支護方案，布置測點對邊坡坡體位移、錨索錨固力和坡體深部位移進行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結果分析支護結構的有效性，確定支護效果。分析多點位移計監(jiān)測結果得出坡體位移發(fā)展可劃分為快速發(fā)展階段、緩慢變形階段和穩(wěn)定階段，且監(jiān)測完成后邊坡變形已基本穩(wěn)定。錨索預應力前期損失較大，而后由于坡體變形移動出現(xiàn)了一定幅度的增加，最終穩(wěn)定在700 kN左右。與地質(zhì)調(diào)查結果一致，坡體深部位移監(jiān)測發(fā)現(xiàn)邊坡內(nèi)部存在軟弱破碎帶，使邊坡坡體產(chǎn)生了較大的位移。將監(jiān)測結果反饋給設計單位，作為修改設計方案，優(yōu)化支護參數(shù)的主要依據(jù)，也可為運營管理提供技術數(shù)據(jù)，便于開展動態(tài)施工管理。