蒙华铁路平陆站土质高边坡设计及监测分析

李会章

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

1 概述

目前，主要通过定性和定量的方法对土质边坡进行稳定性评价[1]，吴海刚在研究内容中引入特高边坡概念，通过工程比拟法及自然比拟法对特高边坡进行宏观控制及定性分析[2]；王旭等采用基于极限平衡法的蒙特卡洛模拟进行边坡可靠度计算[3]；陈国庆等[4]提出基于动态和整体强度折减法的边坡动态稳定性评价方法；董文文[5]等介绍了近几年国内外边坡变形检测技术的发展及应用现状，主要有分布式光纤传感新型监测技术等；陈效星[6]以深云车辆段岩质高边坡为依托，通过建立长期监测系统，对边坡稳定性进行分析探讨；郭帅杰等[7]对路堑边坡监测数据预处理方法进行了研究，并在长昆客专路堑边坡监测中取得了良好效果。

在蒙华铁路平陆站黄土高边坡设计中，首先对场地地质情况进行深入研究，在满足边坡稳定的前提下进行了优化设计，并建立了长期监测系统。以下以该土质高边坡的优化设计和监测成果为基础，对其稳定性进行分析和探讨。

2 工程概况

2.1 边坡概况

蒙华铁路北起内蒙古浩勒报吉，终至江西省吉安市，全长1 837 km。平陆站位于山西省平陆县境内，该段线路主要以挖方形式通过黄河高阶地，地形起伏较大，整体地形左高右低。线路中心最大挖深41.9 m，左侧边坡最大高度90.1 m。

2.2 地层岩性

场区内地层主要有砂质新黄土(Q3dl+pl)、黏质新黄土(Q3dl+pl)、黏质老黄土(Q2pl)、粉砂(Q2pl)、细砂(Q2pl)。其中，砂质新黄土具湿陷性，湿陷厚度为12～27 m，湿陷性为Ⅲ级(严重)，地震动峰值加速度为0.15g，地震基本烈度为Ⅶ度。以现场地质报告提供的物理力学统计指标为基础，综合考虑该区域既有铁路设计资料，选取的边坡稳定计算参数见表1。

表1 土层稳定计算参数

3 高边坡设计

路堑高边坡设计主要涉及3个因素，坡形、坡率和边坡平台。该段路堑高边坡设计采用安全系数法，同时辅以工程比拟及自然比拟法，在满足稳定的前提下对边坡进行优化[8-10]。

3.1 坡形设计

根据黄土路堑边坡设计原则及区域内黄土自然稳定边坡的坡形结构，确定黄土路堑高边坡的最佳坡形为台阶形。

3.2 坡率设计

根据地勘资料推荐坡率以及工程类比分析，确定设计坡率选取范围介于1∶1.0～1∶1.5之间。采用圆弧滑动法进行计算，对边坡稳定性、边坡高度、占地情况等因素进行综合分析，各种检算结果如表2所示。

表2 不同坡率检算结果

由表2可见，边坡坡率采用1∶1.0、1∶1.15、1∶1.20三种方案时，稳定系数均小于1.25，达不到规范要求，高边坡存在安全隐患；边坡坡率采用1∶1.25、1∶1.5时，边坡稳定系数均满足规范要求，但1∶1.5坡率方案边坡用地及挖方数量较1∶1.25坡率方案明显增加，经济效益差。因此，通过对不同方案的综合分析，拟定坡率为1∶1.25。

3.3 边坡平台设计

根据黄土地区边坡设计经验，高边坡中设置大平台可有效降低坡脚应力集中，有利于边坡稳定，同时便于施工。因此，本项目采用大平台、小平台相结合的设计方式，路堑边坡大平台每3级边坡设置一处，宽10～20 m，每级边坡设置小平台，宽3 m。以下对土方、用地、边坡高度、稳定系数4方面进行综合评价，以选取适宜的平台宽度。检算结果见表3。

表3 不同边坡平台宽度检算结果

当边坡平台设置过小时，稳定系数不满足规范要求；当边坡平台设置过大时，稳定系数满足规范要求，但边坡占地及土方开挖工程量过大。因此，在满足边坡稳定性前提下，选取合适的大平台宽度对边坡优化设计有显著意义。

最终确定的高边坡设计方案：坡形为台阶形，边坡坡率采用1∶1.25，小平台宽3 m，大平台宽度采用15 m、20 m、15 m。考虑坡脚应力集中情况，每级大平台下的三级边坡分别采用一级拱形骨架、两级锚杆格梁进行防护(见图1)[11]。

图1 边坡检算示意

4 边坡自动化监测分析

4.1 监测项目及测点布置

为了及时掌握施工期及运营期路堑边坡的稳定性和变形情况，需要对边坡变形、锚固拉力、含水量等项目进行监测；根据监测数据分析变形发展趋势及边坡稳定状态，为铁路安全运营提供预警保障[12-14]。

平陆站高边坡监测主要针对边坡高陡、地质情况复杂段落，一般沿线路方向每隔30～50 m设置一个监测断面，局部可根据地形、岩性和支护结构等情况进行调整。每个监测断面一般设置2～3个深层监测孔，按照纵、横断面呈十字布置，形成合理的测网。监测孔应设在变形敏感位置，钻孔深度需结合边坡滑动弧面确定(达到稳定地层不少于2 m)。锚杆测力计布设在边坡较高段落的锚固工程中，通过拉力计监测锚杆应力变化，进而分析边坡变形情况。

本工程共布设监测断面20个，深部位移监测点226个，锚杆测力计6个，含水量计24个，各监测项目数据均采用远程自动化采集传输。

4.2 监测数据分析

(1)含水量分析

含水量计于2016年9月安装，监测数据截止2018年6月，代表性测点的含水量变化曲线见图2。

图2 含水量变化曲线

在五级平台和十级平台的2 m和8 m深度设置含水量计。如图2所示，不同位置处含水量不尽一致，整体表现为十级边坡处含水量高于五级边坡处；边坡表层2 m处含水量随时间变化出现大幅波动，边坡中部8 m处含水量随时间变化不明显。边坡表层含水量剧烈变化时间与当地雨季时间较为吻合。

根据边坡表层和深部含水量随时间变化的情况可知，深层土受降雨影响较小，含水量较稳定，表层土含水量受降雨影响较大，但雨季过后，坡体含水量又趋于稳定。针对坡体含水量变化规律，边坡开挖后应及时进行防护，并做好临时排水，减少雨水下渗对坡体产生的影响。

(2)钻孔测斜仪数据分析

两批钻孔测斜仪分别于2016年9月和2017年5月安装，监测数据截止2018年6月，代表性测斜数据见图3～图5。

图3 二级平台深孔位移曲线

图4 五级平台深孔位移曲线

图5 十级平台深孔位移曲线

代表性断面设置在二级、五级和十级平台，每级平台测斜孔深度根据边坡高度以及潜在滑动面综合确定。

钻孔测斜仪监测数据显示，每级边坡变形情况不尽相同。十级边坡变形较大，最大值约为10 mm，边坡变形量随钻孔深度的增加明显减小，其原因为十级边坡位于高边坡顶部，地层主要为砂质新黄土，土体相对松散，随着边坡开挖累计变形量逐渐增大，但当边坡整体开挖结束，变形速率有所减小并逐渐趋于稳定。五级边坡总体位移变化较小，但边坡9月～12月有变形加剧情况出现，主要原因是受降雨影响，雨水下渗后土体含水率增大，强度降低，变形有所增加。二级边坡位移总体较小，但前期位移有较大突变，造成突变的主要原因是5月～11月施工单位进行一级边坡开挖，开挖卸荷后应力重新分布所致。

由图3～图5可知，边坡曾出现局部位移突变情况，但逐渐趋于稳定，边坡最大水平位移及坡体变形速率均在规范预警范围内，边坡整体处于稳定状态。

(3)锚杆测力计数据分析

两批锚杆测力计分别于2016年9月和2017年5月安装，监测数据截止2018年6月，代表性锚杆测力计监测数据见表4。

表4 锚杆测力计数据变化

在二级、五级边坡锚杆格梁护坡处设置锚杆测力计。根据表4中锚杆测力数据可以看出，五级平台锚杆拉力普遍较小，锚杆轴力变化幅度不大；二级边坡测点数据随时间变化有较大变动，主要原因是一级边坡开挖卸荷后边坡局部位移增大，由于锚杆格梁具有变形限制作用，锚杆拉力随着坡体开挖逐渐增大，当土方施工结束后，边坡变形增量逐渐减小，锚杆轴力也逐渐趋近稳定。

锚杆测力计监测数据表明，锚杆拉力小于设计值，锚杆工作正常，各测点附近不存在边坡失稳情况。总体来说，锚杆作为一种被动支护措施，只有在土体锚固范围内有破坏或存在破坏趋势时，锚杆轴力才会出现持续增大情况。

5 结论

平陆站高边坡段落各项监测数据的分析结果显示，高边坡坡体表层及深部无明显位移，锚杆、格梁受力合理，边坡处于稳定状态。