五盂高速公路深挖路堑边坡设计

王晓飞

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

近些年，随着基础设施大规模的建设，建设速度加快，机械化施工程度提高，人类改造自然的力度和广度空前增大，在山区高速公路的建设中不可避免遇到深挖路堑边坡，处治不当容易引起滑坡[1]。本文主要介绍山西在建的五盂高速公路K21+910—K22+070段深挖路堑边坡设计方案。

1 边坡概况及地质条件

五台至盂县高速公路K21+910—K22+070段深挖路段位于盂县梁家寨镇长一铺村东侧，全长160 m，线路中心最大挖深22.3 m，边坡最大挖方高度120 m，最大边坡高度15级。

根据地质调查与钻探表明，该深挖路段边坡地层主要由太古界龙华河群会理组黑云斜长片麻岩夹绢云母片岩构成，地表覆盖为第四系全新统残坡积碎石土。地表覆土厚度为1～3 m，黑云斜长片麻岩，主要成分为黑云母、石英及少量长石，夹绢云母片岩薄层或条带，全—中风化，片麻状构造，节理发育，全—强风化的绢云母片岩为软弱夹层。地层为向南西倾斜的单斜构造，岩层视倾向与边坡同向，为最不利的顺层坡，岩层倾角介于22°～25°之间。

2 边坡稳定性分析及推力计算

2.1 稳定性分析

该段地质钻孔布设在两条代表性断面，位于K21+980和K22+021。从地质断面上分析，与路堑上边坡稳定性有关的绢云母片岩有两层，第一层位于K22+021断面尚未开挖的第五级边坡处，厚约4.5 m，岩体破碎，全风化呈砂土状，为潜在的滑动面。第二层位于尚未开挖的第一级和第二级边坡之间，厚度不一，K21+980断面上厚约6.7 m，夹薄层强风化黑云斜长片麻岩，K22+021断面上厚不足1 m，岩芯破碎，呈砂土状，如工程开挖形成高陡临空面，极易引发顺层滑坡。因此，该段边坡稳定性差。

2.2 推力计算

本段参数确定根据经验与反算结合，选取横断面K22+021为计算断面，设计参数为c=7.4 kPa，反算得到Φ=22°，采用传递系数法计算推力，安全系数K=1.3，潜滑面1滑体剩余下滑力为8 169 kN/m，潜滑面2滑体下滑力为2 639 kN/m。计算模型如图1、图 2。

图1 初拟状态滑体

图2 削坡后潜滑体

3 设计方案

由于潜滑面（软弱夹层）位置较深，岩体风化严重，岩层倾角较缓，故采用放缓边坡结合主动锚固的设计思路。

3.1 边坡坡率

由于滑体体积较大，边坡坡率的确定应结合滑体推力确定，适度放缓，本段落第一级边坡采用1∶0.75，第二至第七级边坡坡率为1∶1.25，平台宽度为2 m，七级以上边坡坡率为1∶1.5，平台宽度为6 m。

3.2 预应力框架锚索设计

3.2.1 锚索类型

目前国内广泛采用的锚索类型为注浆压力型和注浆压力分散型两种，拉力型锚索主要靠锚固段来提供一定抗拔力，锚索结构简单，施工便捷，但锚固段受力不尽合理，较容易产生应力集中，使得锚固段浆体拉裂。压力分散型锚索采用的无黏结钢绞线，主要靠一定间距的钢质承载体将较大的拉力传递到几个承载体上，能使整个锚固体长度上的黏结摩阻力应力分布均匀[2]。本段边坡内岩体较破碎，因此采用压力分散型预应力锚索。

3.2.2 锚索最优锚固角

从锚索受力最佳的角度来考虑，采用经验公式计算最优锚固角：

根据施工工艺要求锚固角一般采用下倾15°～30°，本设计段落锚固角采用30°。

3.2.3 设计锚固力

根据《路基设计规范》5.5.3设计锚固力公式分别计算两个潜滑体的设计锚固力[3]，公式如式（2）、式（3）：

3.2.4 锚索间距及数量

锚索采用标准的高强度低松弛钢绞线，标准强度为1 860 MPa，当永久性锚固时，设计应力为钢绞线保证强度的50%，单根钢绞线设计张拉力为1 040 kN。横、纵向间距均为3 m，每级边坡可以布置4根锚索，由于第一、二级边坡锚固时自由端长度太短，故从第三级开始锚固，第三到第十级边坡进行锚固才能保证两层潜滑面不滑动。

3.2.5 锚固段长度

根据经验及地勘资料并结合规范中的推荐值，选定岩体与注浆体界面黏结强度为420 kPa，地层与注浆体之间的黏结长度为：

根据规范中的推荐值，选定注浆体与锚杆体间黏结强度为3.4 MPa，注浆体和锚杆体黏结长度为：

实际的锚固长度应采用两者中的大值，一般锚固段长度不小于3 m，不大于10 m，本段边坡锚索锚固段长度为10 m，即锚固段要进入潜滑面下10 m，根据实际断面情况可以确定每级边坡不同位置锚索的长度，本段落最大锚索长度为32.7 m。

3.2.6 锚索试验及监测

锚索试验包括基本试验和验收试验，基本试验锚索数量不得少于3根，基本试验最大的试验荷载不宜超过锚索体承载力标准值的0.9倍，在锚索施工前应进行基本试验。验收试验锚索数量不少于总数的5%，最大张拉值为拉力设计值的1.5倍[4]。

监测锚索的数量为总锚索量的5%，在每个锚索的工作锚和锚垫板之间安装测力计，以便张拉期及长期观测。

3.3 微型抗滑桩设计

根据K21+980地质断面可知，在路肩外存在不稳定体，为确保下边坡的稳定及运营安全，经过计算确定本段路基中心右侧18.0 m处设置两排微型抗滑桩进行支挡。微型抗滑桩主体为P50的旧钢轨，梅花型布置，桩长12.5 m，嵌入潜滑面下6 m，桩间距3 m。

3.4 其他防护

本段落岩体风化严重，各级边坡在开挖后都应封闭，以防雨水下渗，使得坡体饱水产生滑动，因此，本段落框架锚索的框架中采用浆砌片石封闭，其他边坡采用拱形骨架护坡封闭防护。

3.5 排水设计

在刷坡后的边坡顶面以上5 m处设置截水沟，每级平台设置平台截水沟，并通过截水沟急流槽把水引入自然沟谷和附近的涵洞中。在施工过程中和工程完工时，应清除截水沟、平台截水沟、急流槽中的杂物和施工垃圾，使水流畅通。

4 施工注意事项

路堑高边坡的施工，是一个破坏山体原有力学平衡又用支挡加固工程重建新的力学平衡的过程，施工方法和工艺极大地影响堑坡的稳定，在施工过程中一定要注意施工顺序，边坡开挖由上至下进行施工，开挖一级防护一级，施工顺序一定要分清，以免引起施工事故。预应力锚索工程应选择具有专业资质及丰富锚索施工经验的施工队伍进行施工，即应由上而下，逐台施工，每开挖一台，即进行预应力锚索施工，当预应力锚索施工完毕起到作用后再进行下一级边坡的开挖。高边坡处治施工较为复杂，施工时应结合实际制定出完善的施工组织计划。在进行预应力锚索防护施工前首先要进行锚索基本试验，待满足设计锚固力时，方可施工。

5 结语

对于地质条件较差的顺层路堑边坡在选线时应该尽量避免，但在山区公路的建设中往往不可避免地遇到顺层深挖路堑边坡，设计时应充分利用地勘资料并结合稳定性分析提出合理方案，本文介绍的工程实例五盂高速公路K21+910—K22+070段深挖路堑边坡为顺层边坡，设计中采用卸载结合锚固的思路，处治效果良好，边坡施工完成一年后未见任何异常，很好地避免地质灾害的发生，防患未然，值得借鉴。