炭质泥岩路堑高边坡变形破坏及工程处治典型案例分析

2016-10-21班鹰

铁道勘察 2016年2期

关键词：炭质路堑坡顶

班　鹰

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉　430063)

炭质泥岩路堑高边坡变形破坏及工程处治典型案例分析

班鹰

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063)

通过一个典型炭质泥岩路堑高边坡变形破坏及工程处治的工程案例，分析炭质泥岩边坡变形破坏的原因及工程处治的重点，指出工程勘察设计及施工时应注意的关键点。

炭质泥岩路堑高边坡变形破坏处治方案

炭质泥岩是一种在我国西南、华南山区广泛分布的软弱岩层，在山区公路、铁路建设中多有揭露。炭质泥岩具有风化快、强度低、遇水易软化、崩解严重等特点。我国西南山区雨水充沛，对已揭露的炭质泥岩边坡非常不利，变形破坏、滑塌事故时有发生。因此，针对炭质泥岩边坡变形破坏、滑塌事故原因分析及工程处治措施开展深入研究，对于保证炭质泥岩地区工程建设和运营安全具有重要的社会意义和经济效益。

21世纪初期以来，随着我国高等级公路、铁路建设逐渐进入高潮，尤其是山区高等级公路、铁路建设越来越多，遇到的炭质泥岩路堑边坡不在少数。黄晓华等[1]、李小和等[2]、李吉东[3]、李敏等[4]、杨永红等[5]、张芳枝[6]、谭详韶[7]、周翠英等[8]均结合工程实际针对炭质泥岩路堑边坡开展了系列研究，研究成果归纳为：①风化后的炭质泥岩在埋深较大时，测量的各种力学强度指标较高，但一旦暴露在大气中，或者遇水软化后，其强度将大大降低。②抗滑桩等强力支挡措施是炭质泥岩路堑边坡最有效的加固手段。③预应力锚索加固手段的应用应视情况而定，当风化炭质泥岩岩层较薄，下部为坚硬岩层时，可按正常路堑边坡对待，采用地梁锚索或框架锚索进行加固；当风化炭质泥岩岩层较厚时，不宜采用地梁锚索或框架锚索进行加固，此时应降低每级边坡的坡高，放缓坡率；若一定要采用锚索加固，则应对锚索锚固段岩体进行注浆加固。

以贵州省某高速公路一处典型的炭质泥岩路堑高边坡变形破坏事故为例，分析事故原因，指出工程处治的重点，提出有针对性的处治方案。

1　工程概况

贵州省某高速公路K92+820～K93+091段路基走向199°，为挖方路基。地质勘探资料表明，该段岩土体为典型的炭质泥岩，路基成形后，右侧将形成路堑高边坡，坡向约109°，坡长271 m，最大坡高50.49 m，分为五级边坡，各级边坡设计坡率及加固措施如下。

一级边坡：最大坡高10 m，坡率1∶0.75，路堑式挡土墙，改路从一级边坡顶部平台通过。

二级边坡：最大坡高10 m，坡率1∶0.75，部分坡段框架锚杆支护，锚杆长9 m，拉伸网植草防护；其余坡段窗式护面墙防护；二级边坡顶部布置9根抗滑桩。

三级边坡：最大坡高10 m，坡率1∶1.00，部分坡段地梁锚索加固，锚索长28～30 m，锚固段10 m，人字骨架植草防护；部分坡段框架锚杆支护，锚杆长9 m，拉伸网植草防护；其余坡段窗式护面墙防护；三级边坡顶部(中段)布置6根抗滑桩(2 m×3 m×30 m)。

四级边坡：最大高度10 m，坡率1∶1.00，中间坡段地梁锚索支护，锚索长26～30 m，锚固段10 m，人字骨架植草防护；其余坡段窗式护面墙防护。

五级边坡：最大坡高10.31 m，坡率1∶1.25，窗式护面墙防护。

边坡典型剖面如图1、图2所示。

图1　边坡典型剖面(一)(桩号K92+989)

图2　边坡典型剖面(二)(桩号K92+941)

2　边坡变形破坏过程

2011年10月，该路堑高边坡三级边坡以上部分基本开挖成形，支护结构基本完成后，边坡开始出现变形、开裂，致使第四级边坡地梁顶部出现脱空、部分锚索失效(如图3所示)。经过第四级边坡及以上卸载、第三级边坡坡顶和第二级边坡坡顶的抗滑桩加固后，边坡变形逐渐趋于稳定。

图3　第四级边坡坡顶开裂

随着该路堑边坡继续开挖至设计高程后，第二级边坡和第三级边坡坡顶的抗滑桩桩顶也开始缓慢变形，尤其是经历了2012年6、7月间的持续强降雨后，边坡变形加剧，边坡所有地梁锚索全部失效。截至2012年7月23日，第三级边坡坡顶的抗滑桩桩顶最大变形达4.27 m，第二级边坡坡顶抗滑桩桩顶的最大变形达3.70 m(如图4所示)，且该边坡坡脚运梁通道对侧也出现地坪隆起、开裂现象(如图5所示)，表明边坡具有滑塌趋势。

图4　第三级边坡坡顶抗滑桩变形情况

图5　边坡坡底运梁通道对侧地坪隆起开裂

3　边坡变形破坏原因分析

根据地质勘察资料，该路堑高边坡原坡面绝大部分为粉质黏土覆盖层，植被良好，具有较好的隔水效果；下部依次为全风化、强风化、中风化炭质泥岩，其中全、强风化炭质泥岩节理裂隙发育，风化剧烈，非常破碎。

该路堑边坡原支护设计考虑到炭质泥岩的特殊性，采取了较强的支护加固措施，包括抗滑桩和地梁锚索。设计抗滑桩绝大部分锚固于中风化炭质泥岩地层，设计地梁锚索的锚固段也位于中风化炭质泥岩地层。如果中风化炭质泥岩能够保持原有的强度，则该设计是基本合理的。

边坡开挖后，破坏了原始边坡坡面的相对隔水层，加上当地雨水相对丰富，使得首先揭露的全、强风化炭质泥岩地层受雨水的侵蚀作用而软化，于2011年10月开始在已开挖的边坡部分出现变形、开裂现象，并导致第四级边坡地梁锚索部分脱空、失效。经过坡顶卸载，第二、第三级边坡坡顶抗滑桩施工等措施后，使边坡上部的变形得到控制，逐渐趋于稳定。

随着边坡的继续开挖，中风化炭质泥岩逐渐出露，由于对坡面的封闭措施跟进不及时，致使中风化炭质泥岩暴露时间过长，风化程度加剧，同时由于2012年6、7月间的持续强降雨作用，入渗进入岩体中的雨水使中风化炭质泥岩力学性能急剧劣化，抗剪强度迅速降低，对抗滑桩的支挡作用和对锚索锚固段的锚固作用逐渐丧失，使地梁锚索失效，抗滑桩倾倒变形，边坡出现滑塌趋势。

边坡变形破坏过程：首先由于炭质泥岩遇水软化，导致原第四级边坡地梁锚索的锚固体失效，从而导致整个地梁锚索失效；其次，由于炭质泥岩遇水软化后，抗剪强度急剧降低，加上原设计抗滑桩只考虑了在中风化炭质泥岩地层中的嵌固深度，而没有考虑在路基面以下的嵌固深度，致使抗滑桩作用有限，变形过大，边坡逐步破坏，滑动面逐渐向深部发展。根据推测，最新滑动面已位于抗滑桩桩底以下(如图6所示)。

图6　高边坡变形破坏过程分析示意

4　处治方案

4.1处治原则

根据该边坡现场实际，并考虑到炭质泥岩的特殊性，该边坡变形破坏事故的处治原则为：

(1)边坡下部的强力支挡，以抗滑桩为宜；

(2)通过防排水措施，逐步提高坡体下部炭质泥岩的抗剪强度，至少不应使其继续降低。

4.2处治方案

根据边坡变形破坏情况及处治原则，通过各种加固处治方案比选，并综合相关各方意见，该边坡最终处治方案为“片石混凝土抗滑挡墙+抗滑桩+片石混凝土挡墙”方案，将一级边坡分为四段。

K92+893～K92+947段设置8根抗滑桩支挡，桩长24 m，桩顶位于一级边坡坡顶平台；K92+947～K92+989段采用C20片石混凝土抗滑挡墙支挡，墙底设8排10 m长微型钢管桩，进行深层抗滑，钢管桩排距1 m，间距1 m，嵌入挡墙内2 m。两侧采用C20片石混凝土普通挡墙支挡。一级边坡设2排20～25 m深仰斜式排水孔。

二级边坡放坡至1∶2后，采用50 cm厚满铺式护坡，设置2排20～25 m深仰斜式排水孔。

三级边坡放坡至1∶2后，采用50 cm厚满铺式护坡。

四级边坡放坡至1∶2后，10 cm厚挂网喷射混凝土绿化。

五、六级边坡分别放坡至1∶2、1∶1.25后，8 cm素喷绿化。

处治方案立面如图7所示，典型剖面如图8所示。

图7　处理方案立面

图8　处治方案典型剖面

5　结束语

该路堑高边坡于2012年7月底开始处治施工，至10月底完工。现场监测表明，该路堑高边坡变形破坏事故的处治是成功的，一方面抗滑桩和抗滑挡墙发挥了重要的支挡作用，边坡变形已经稳定；另一方面，边坡防排水措施得力，使得边坡下部的炭质泥岩强度未出现继续降低的情况。除了封闭坡面，防止雨水入渗外，仰斜式排水孔发挥了重要作用。

从该边坡变形破坏事故的原因分析及处治方案的效果来看，勘察设计和施工单位应该充分重视炭质泥岩边坡的特点，勘察设计时应有针对性地采取强力支挡措施，在没有绝对把握时，不宜采用地梁锚索或框架锚索加固边坡，且抗滑桩等支挡结构应深入可靠的稳定地层中。施工时一方面严格按照开挖一级支护一级的工序施工，严禁一挖到底；另一方面应及时做好坡面防护，防止雨水入渗导致炭质泥岩强度的劣化。

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BAN Ying