某高速运营中岩质边坡稳定性分析及加固方案探讨

李志军

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

山西东有太行，西有吕梁，区内又有大小山系分布，因此境内公路多为山区公路，而且高陡边坡比例较高，造成后期运营风险大、养护成本高。本文针对山西某过境高速公路某段边坡为例，分析评价了其稳定性，根据实际情况合理确定了加固方案，为类似边坡处治问题，提供了参考。

该山区高速某段边坡岩性主要为奥陶系上马家沟组中风化灰岩及白云质灰岩，属典型性脆硬性岩质边坡。在后期运营中，坡面局部发生不同规模的块石崩落现象，对坡脚高速过往车辆及人员安全形成严重威胁；为消除安全隐患，起到防灾减灾的目的；对该边坡的稳定性进行了分析评价，并结合实际情况确定了处治措施。

1 边坡形态特征及治理概况

该段边坡长约104 m，高约66 m，整体倾向42°，坡面平均倾角约70°，立面形态呈近似三角形，岩性主要为灰岩及白云质灰岩，节理裂隙发育，岩体较破碎，表层覆盖薄层碎石土。在建设期间，该段边坡坡面整体采用布鲁克防护网进行防护，网格间距为5 m×5 m（见图1），但是受节理控制，边坡岩体破碎，时有落石发生，对高速行驶中车辆及养护人员造成了很大安全隐患。

图1 边坡照片

2 边坡工程地质条件

2.1 地形地貌

项目区所属地貌单元属于中山沟谷，沟谷呈“U”字形，高速公路位于“U”字形沟谷底部，公路两侧多为开挖沟谷两侧山梁而形成的高低、陡缓不等的人工岩质边坡。整个项目区内地形起伏较大，海拔最高点位于Ⅳ号边坡顶部，高程约760 m，最低点位于项目区内北西高速公路路基位置，高程约631 m，高差达159 m。

2.2 地质构造

据原勘查及设计文件并结合野外实地调查，项目区内无明显大的断层、褶皱等构造，地层表现为缓倾单斜构造。

2.3 地层岩性

区域内第四纪松散层覆盖较少，仅在坡顶和边坡两侧覆盖薄层第四纪覆盖层，成分主要为碎石土，区内地层以白云质灰岩为主，在边坡坡面见少量灰岩，现将各地层从新到老岩性分述如下：

a）碎石土 灰褐色，多覆盖于项目区内梁峁顶部和坡体，冲沟底部覆盖厚度较厚，约2～3 m，坡顶覆盖较薄，约0～0.3 m，碎石大小混杂，无分选，颗粒呈棱角状，为松散状态。

b）灰岩 灰色、深灰色，中等风化状态，见于Ⅰ号边坡坡面南侧，厚度约0.5～2 m，岩体节理发育，较为破碎，锤击声不清脆，锤击易碎，无回弹，为较软岩，工程性质较差。

c）白云质灰岩 灰白色，为项目区内主要岩层，厚度很厚，项目区内最厚处可达100余米，锤击声较清脆，有轻微回弹，为较坚硬岩，节理十分发育，中等风化状态，较为破碎。

2.4 水文地质条件

项目区位于主沟西侧的梁峁地带，区内及附近外围没有地表积水。项目区内冲沟发育，冲沟与主沟由公路切断，冲沟无常年性流水，雨季沟谷内可汇集雨水，沿冲沟流入公路西侧的排水沟排泄。由原勘查资料结合实地调查，项目区内地下水位至少位于路面十余米以下，在雨季地表水可沿岩体节理、裂隙入渗，部分地表水顺着节理和裂隙由西向东从开挖坡面排泄，或沿着岩体层理由北向南排入冲沟，最终汇集到路边排水沟排泄；一部分地表水沿岩体节理、裂隙继续入渗汇入地下水后沿岩体节理、裂隙由西向东排泄至主沟。

2.5 人类工程活动

项目区内人类工程活动主要为修建高速公路开山削坡，形成高陡岩质人工边坡，并经工程支挡等措施对坡面、坡体进行加固。另外后期过往车辆的震动效应对边坡也有一定的影响。

3 边坡现状和稳定性分析

3.1 边坡工程地质条件及破坏现状

该边坡坡体岩性主要为厚层状白云质灰岩，坡面风化严重，强风化层厚度约1～3 m；边坡体整体节理发育，中等风化，锤击声较清脆，有轻微回弹，为较坚硬岩；局部见石英岩脉沿节理裂缝充填，坡面结构面类型主要为节理和层理，结合差，多被切割成边长3～30 cm不等的四边形，整个坡面破碎，局部雨后节理面发现渗水现象；同时在前期坡面加固时，锚索成孔过程发现有灰尘从裂隙冒出，说明风化层内岩体裂隙连通性较好。经实地调查，该段边坡未发现明显的软弱夹层，岩体基本质量级别为Ⅲ。边坡破坏主要表现为坡面或浅层破坏，而浅层破坏主要受岩体节理控制。

该段边坡上坡段靠近北侧坡面因爆破使该处坡面部分岩体塌落，使坡面在该部位凹向坡面内侧，从而使凹面上部岩体出现倒角，形成临空面，临空面长约30 m，高约12 m，走向与坡体走向一致（见图2）。野外采集到该段边坡坡面上较为发育的12组节理（详见表1）。

综合考虑该段边坡破坏后果的严重性、边坡类型和坡高等因素，确定其工程安全等级为二级。

图2 陡倾坡体

表1 边坡采集主要节理统计表

3.2 稳定性分析

3.2.1 分析方法

岩质边坡的稳定性主要受节理面控制，边坡的破坏主要是由节理面切割形成的楔形体失稳造成的。从野外实地调查获取的区内主要节理发育特征与各段边坡体的空间组合关系来看，边坡结构面可能形成楔形体，边坡体可能发生三维楔形体破坏模式，因此，本次边坡稳定性分析评价方法采用基于野外调查成果并结合赤平投影法对各边坡稳定性进行定性分析，在此基础上，再通过三维楔形体稳定分析理论对边坡的稳定性进行定量评价;基于稳定性分析结果，对易发生楔形体破坏的边坡，计算出其崩塌影响范围。

3.2.2 剖面的选取

本次剖面的选取原则是：尽可能与边坡走向垂直，或与地形等高线垂直以计算评价已有严重变形的岩土体稳定性为主，适当考虑未破坏但存在破坏可能性的部位。

根据现场调查及边坡的特征，选取坡段穿过坡面凹陷区的最不利剖面进行稳定性分析。

3.2.3 定性分析及评价

该段边坡坡顶与坡脚高差可达66 m，且坡面较陡，约70°，坡体节理十分发育，分析其主要结构面与边坡空间关系，初步判断可形成三维楔形体，存在发生三维楔形体破坏的可能性。边坡上部靠北侧坡面凹陷区域为本坡段的重点灾害隐患点，凹陷坡面上部岩体形成倒角，该部分岩体受一组相交节理和层理控制出现三面临空，易发生局部或整体崩塌，鉴于该部分岩体体积较大，一旦发生整体崩塌可能导致防护网失效，甚至拽拉掉整个防护网，对整个坡面的稳定形成威胁，进而威胁到行人、车辆安全。

经采用赤平极射投影分析及结构面统计分析知：边坡节理结构面的投影交点处于开挖边坡和天然边坡之间，存在发生楔形体破坏的可能性。

3.2.4 定量分析及评价

本次定量分析采用三维楔形体稳定分析理论，对边坡在最优节理控制下坡体的稳定性进行分析，对于某些已采用布鲁克网进行护面防护的坡段不考虑布鲁克网的影响，仅针对边坡最危险情形下的稳定性进行分析。据《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013），项目区内各边坡结构面类型为硬性结构面，且结合程度差，出于保守考虑计算参数取低值，φ值取27°，c值取0.05 MPa。

经三维楔形体稳定分析计算，其安全系数F=1.010；表明边坡发生楔形破坏的可能性较大，在没有布鲁克网防护的天然工况下处于欠稳定状态。

4 处治方案探讨

基于以上稳定性分析并结合实地现状结果，原治理工程出现的新的主要问题为边坡坡面整体较为破碎，原布鲁克网眼尺寸过大，仍存在落石风险；而且局部存在临空面（倒角），整体稳定性差，有发生滑塌风险。因此本次治理方案秉承“分段治理，区别对待”的原则，在保证安全第一的前提下兼顾经济合理性。

根据现场调查和稳定性分析结果，特提出两套方案供比选：方案一拟采用在布鲁克网防护现状基础上以预应力锚索格构梁进一步加固的治理措施；方案二拟采用削坡+布鲁克网护面的治理措施。

4.1 具体工程治理措施

4.1.1 方案一

该方案对该段边坡采用在布鲁克网现状防护基础上采用预应力锚索格构梁，局部采用16B槽钢+预应力锚索的治理措施。

a）锚索 锚索钻孔直径为φ110，锚索自由段长14 m，锚固段深度6 m，采用3根φ15.2钢绞线，锚具用OVM15——6型。自由段钢绞线涂抹黄油并外套波纹管防腐，锚固段架线环与紧箍环每隔1 m间隔设置，紧箍环系16号铅丝绕制，不少于两圈，自由段每隔3 m设置一道架线环以保证钢绞线顺直，注浆材料用1∶1水泥砂浆，水灰比0.45，砂浆体强度不小于25 MPa，待砂浆体强度达到设计强度80%后方可进行锚索张拉，锚索设计荷载350 kN，锁定拉力为210 kN（见图3）。

图3 锚索大样图

b）格构梁 格构梁的尺寸沿坡面均为4 m×4 m，横梁和竖梁的截面尺寸均为宽400 mm，厚400 mm。单根横梁和竖梁长度均为8 m，采用钢筋混凝土浇筑，混凝土采用C40商品混凝土，纵向主筋采用φ20的HPB335，箍筋采用φ12的HPB235。坡底设置基础，基础采用浆砌片石砌筑，基础宽0.6 m，高0.4 m。

c）槽钢采用16B槽钢，高160 mm，腿长65 mm，腰厚8.5 mm。槽钢梁采用C20细石混凝土进行封闭。

4.1.2 方案二

该方案对该段边坡采用削坡+布鲁克网护面的治理措施。削坡前须对坡面挂上的布鲁克网进行拆除，拆除时要配合削坡进度逐段进行拆除。

a）削坡 设计边坡为5级坡，单级坡率均为1∶0.4，平台宽度为1.5 m，综合坡率为1∶0.48。

b）布鲁克网防护 该系统主要有柔性钢绳锚杆、支撑绳和钢绳网构成。纵横交错并进行依次预张力的φ16支撑绳与4.5 m×4.5 m正方形标准模式，网格内铺设一张4 m×4 m的DO/08/300型钢绳网，每张钢绳网与四周支撑绳间用φ8缝合绳缝合连接并进行第二次预张拉。

4.2 方案对比

从造价和工艺来看，方案二造价较低，且工艺简单，经削坡后，凌空部分及局部危岩体将被清除，杜绝了后患；整体坡面采用经预张拉的布鲁克网进行防护，该预张拉工艺能使系统对坡面施以一定的法向预紧压力。从而提高表层土体的稳定性，控制危岩体的移动。该系统各构成部分在每一独立的防护区域内为一互相联系的共同作用整体，一旦坡面岩土体发生局部的变形或位移则系统将不是局部而是以整体的形式发挥作用，从而达到降灾目的。但是本方案在施工过程需采用爆破施工，对场地要求较高，该路段车流量较大，严重影响了双向行车安全。

方案一虽然对工艺要求较高，但是在封闭一个车道的前提下可以进行正常施工，对公路行车影响较小，各工序可以在脚手架上进行有序施工，且在布鲁克网的基础上采用预应力锚索格构梁，局部采用槽钢+预应力锚索，结构整体刚度较强，提高了整体坡体的稳定性，格构梁和布鲁克网相互作用降低了落石风险。

因此经各方面论证比选，推选方案一。

5 结论

通过分析该岩质高陡边坡的工程地质条件，评价了其稳定性，通过定性分析及定量计算，得出稳定性系数小于相关规范要求，根据实际条件，最终确定了主要采取预应力锚索格构梁，局部危岩体部位采用槽钢加预应力锚索加固的方案。事实表明本文采取的评价方法合理，确定的治理方案分区对待，操作灵活，在较小影响车辆运营的条件下能够顺利地实施加固方案，达到预期效果，为类似破坏形态的高陡岩质边坡的处治方法，提供了参考。