顺层牵引式路堑滑坡综合整治方案

2020-02-24王玉兰

科学技术与工程 2020年1期

李帅，王玉兰，朱琦，张伟

(山东省交通规划设计院，济南 250031)

滑坡会影响在建及运营高速公路的安全，给国民经济和生命财产造成巨大损失。治理措施也呈现多样性，如锚索格梁护坡、抗滑桩、抗滑挡土墙等，视滑坡类型、成因、地质情况等采用不同的整治措施[1-3]。

目前，研究人员对高速公路滑坡进行了相关研究。张钊瑞等[4]对湘西某新建高速公路滑坡进行勘察和失稳机制分析基础上，利用参数反演和稳定分析，决定采用预应力锚索桩相结合进行综合整治。张燕清[5]针对永宁高速公路K106滑坡的病害进行整治，完工后并进行深孔位移监测，结果滑坡趋于稳定。杨代顺等[6]对蒲阳至虹口新建公路K23+400～K23+510段滑坡进行稳定性分析，并提出整治措施。韩志怀[7]分析了合芜高速公路某段山体滑坡形成的内部和外部条件，提出预应力锚索为主的综合治理方案，实践证明效果很好。陈勃志等[8]对广梧高速K123段路堑滑坡进行分析及稳定性计算，并提出整治方案。邹团结[9]针对衡枣高速某大型滑坡的成因，提出锚杆加抗滑桩为主的综合整治方案。刘国民等[10]对长沙国道绕城高速某牵引式滑坡的成因，提出了排水抗滑等整治措施。祝珣[11]针对陕北某黄土特高挖方边坡垮塌原因进行分析并提出综合整治措施。杨天军[12]针对川藏公路102道班滑坡灾害提出了5个方面的综合整治方案，并对方案进行了比选和评价。上述研究结果表明高速公路滑坡的综合整治措施不尽相同，且针对顺层牵引式路堑滑坡的综合整治案例经验相关报道较少。

选取龙怀高速K167顺层煤系地层边坡滑坡进行研究，对滑坡的区域地质构造、形成机理、边坡稳定性进行分析，提出综合治理方案。对施工后变形沉降进行监测，验证本文提出的综合治理方案的可行性，以期为类似路堑边坡滑坡的综合治理提供参考。

图1 滑坡及原设计示意图Fig.1 The landslide and sketch of design

1 工程概况

1.1 地形地貌

场区地势起伏较大，属构造侵蚀、剥蚀中低山地貌单元，地表植被茂盛。场地地形整体北高、南低，滑坡段山体高程为122.53～198.58 m，相对高差20.0～76.0 m，山体自然坡度较缓，山体坡向呈北东向，坡角20°～35°，总体地形为下陡、中缓上陡，边坡中部有一大型冲沟，山脊与冲沟相间分布，对滑坡的形成有利，线路走向259°，边坡平面示意图如图1所示。

1.2 地质构造

构造运动强烈，岩体破碎，岩层产状变化大、褶曲多，构造裂隙发育，岩体完整程度差，局部见揉皱挤压现象。坡体范围内岩层起伏较大，岩层产状相对较稳定，主要岩层产状有：109°∠28°，线路走向259°泥质砂岩多呈碎块状，其岩体破碎，节理裂隙发育。

1.3 地层岩性

根据现场地质勘查及钻孔情况，地层由上及下为：①粉质黏土：棕褐色，可塑，切面稍粗糙，稍有光泽，黏性一般，韧性中等，可搓条；②全风化泥岩：黄褐色，湿，风化剧烈，原岩结构构造基本破坏，遇水易软化，夹全风化泥质砂岩薄层；③全风化泥质砂岩：棕褐色、棕红色及灰绿色，风化剧烈，原岩结构构造基本破坏，极易软化、崩解，局部夹含高岭石泥岩薄层，风化不均，夹较多强风化碎块，渗水能力强；④强风化泥质砂岩：棕褐色、青灰黑色，泥砂质结构，层状构造，主要成分为石英及长石，风化强烈，节理裂隙发育；⑤全风化炭质页岩：灰黑色，主要成分为黏土矿物，含有机质，风化剧烈，原岩结构构造基本破坏，极易软化、崩解；⑥强风化炭质页岩：深黑色，主要成分为黏土矿物，含有机质，泥质结构，层状构造，风化很强烈，节理裂隙很发育，风化不均，夹中风化薄层，易软化；⑦中风化炭质灰岩：深灰色夹灰白色，隐晶质结构，层状构造，主要成分为方解石，含有机质，风化程度稍强烈，节理裂隙发育，岩性不均，局部夹中风化砂岩薄层。

1.4 气象水文条件

地表水主要为大气降水，粤北山区每年3～7月为雨季，持续降雨，7～9月易受台风暴雨侵袭影响。

1.5 原边坡设计及变形情况

龙怀高速公路K167路堑边坡原设计四级边坡，如图1所示。边坡自然坡度较缓，坡角20°～35°。坡体范围内岩层起伏较大，岩层产状相对较稳定。其中，一、二级、三级边坡采用锚杆格梁护坡，四级边坡采用CF网植草护坡。路堑第二级边坡开挖并施加锚杆格梁后，持续降雨导致其开裂滑塌，第三、四级边坡平台出现贯通裂缝及下沉。采用如下措施：暂停第一级边坡开挖，回填反压护道至一级边坡顶，根据深孔监测资料确定的滑面在第二、三级边坡锚杆格梁内增加三排十字锚索框梁护坡。随着持续降雨，锚索孔多次注浆均未能注满、注浆量很大，第三、四级边坡及平台裂缝继续扩大，将大部分锚杆格梁拉裂。图2所示为格梁断裂。

图2 格梁断裂Fig.2 The lattice beam breaking

图3 边坡平台下错Fig.3 The slope platform falling

边坡堑顶后缘出现拉张裂缝宽约0.4 m、截水沟拉断、坡面两侧沿格梁剪切破坏点呈断续贯通的圆弧状滑坡周界，周界内二三级平台下错、沉陷达1 m，如图3所示。平台水沟推移、扭曲，边坡前缘渗水，坡面羽状裂缝发育，边坡坡脚处路面被挤压，地面隆起开裂，形成滑坡的反翘鼓包，坡脚长期渗水，最终形成了滑坡，导致施工的锚杆锚索拉断剪出。

现场实际圈定滑坡形态总体呈近似弧形，东西长约240 m，南北宽约40 m，边坡塌方(裂缝)总平面面积约为9 600 m2，滑体厚度8～20 m，平均厚约9.0 m，经过估算分析滑坡范围内滑动土体方量约为8.64×104m3，按照《公路工程地质勘查规范》(JTG C20—2011)的分类标准，该滑坡为中层中型牵引式顺层滑坡。

2 滑坡成因分析

经现场调查及分析，造成该滑坡的主要原因为：大气降水及地下水渗入坡体内，造成坡体内部水位升高，岩土体重度增加，下部全风化炭质页岩(劣质煤层)渗水性相对较差，造成岩土体内部的水不能及时排走，坡体易沿着全风化炭质页岩(煤系地层)层面的软弱带发生滑动破坏。除了前述的地形地貌、地质构造、地层岩性、水文条件外，根据勘察成果及施工过程中遇到的特殊情况还有以下诱因也至关重要。

2.1 场区地质构造

本处滑坡于广东省中北部，途径北东向仁化-英德-三水褶断构造带，根据现场地质调绘成果，受构造作用影响明显，场区内在晚近期地壳运动仍然十分频繁，且较为强烈。其运动形式以不均匀上升运动方式进行，在上升的同时，显露出地壳的不稳定性，具有多级地形且变异显著、活动断裂标志明显且呈复活性的特征。

2.2 场区地质构造

滑体为全、强风化泥质砂岩，受褶皱构造影响，岩石破碎、卸荷裂隙发育，锚索钻进时常常会出现坍孔、串风、漏风、卡钻、掉钻，以及注浆量极大、注浆压力不稳等问题，如图4所示。现场采用固壁灌浆和用套管加偏心钻头钻孔的方法解决。边坡在卸载第三级边坡时开挖出水泥浆液与破碎岩体的结合体亦能说明岩体破碎。

图4 岩体破碎、注浆量极大等现象Fig.4 The serious rock fragmentation and grouting

2.3 全风化炭质页岩滑带贯通

所述滑坡位于褶皱构造区内，构造作用及岩层间挤压错动强烈，岩体中的原生软弱夹层和构造作用形成的破碎岩体一起组成抗风化能力极差的薄弱带，地表水经土体孔隙、岩层裂隙下渗，边坡土层长期处于饱和状态，使粉质黏土和全风化泥质砂岩与中、强风化的接触带长期处于过湿软塑状态，形成一软弱结构面，该状态下c(黏聚力)、φ(内摩擦角)持续降低，发展为贯穿的软弱夹层甚至泥化夹层，最终贯穿形成一个连续的潜在危险面。边坡在实施第二级边坡锚索钻进13～16 m时出现全风化炭质页岩泥化层，与地质钻孔剖面基本吻合，如图5所示。

图5 泥化现象Fig.5 Phenomenon of mudding

2.4 中风化隔水层滑床

深层潜在滑动面位于全风化炭质页岩与强-中风化炭质灰岩接触面，该部位强风化泥质粉砂岩节理裂隙很发育，降雨经上层砾粉质黏土下渗和裂隙到达接触面，使得接触带中的亲水矿物产生溶解、软化，下部中风化炭质灰岩透水性差，相当于隔水层，使上部岩土体常年处于饱和状态，降低了岩土体的抗剪强度，同时，连续降雨使滑体容重增大，下滑力也增大，其岩土体处于临界稳定状态。

2.5 工程因素

由于开挖路堑，坡脚处抗滑段刷去土方，减小抗滑力，边坡变陡、形成临空面，破坏了土体内部应力平衡状态，路堑开挖是诱发古滑坡复活的因素之一[13]。

综上所述，该滑坡是因边坡开挖形成临空面，坡脚应力集中造成的，同时表层全、强风化泥质砂岩岩体破碎、裂隙发育为雨水入渗通道，滑床强-中风化炭质灰、页岩为隔水层，在强降雨情况下，增加了边坡土体的重度，并且在强-中风化顶面大量聚集，致使全风化炭质页岩层发展为贯穿的软弱夹层甚至泥化夹层，坡体抗剪强度指标不断降低，进而在不断增大的下滑力作用下产生滑动。定性判断滑坡失稳模式为基于坡脚开挖-滑体岩体破碎-全风化炭质页岩滑带贯通-灰岩顶面的顺层牵引式路堑滑坡。

3 滑坡机制及稳定性分析

3.1 滑动面的分析确定

3.1.1 浅层滑动面

第二次变更时一级边坡中部出现明显的剪切面，剪切口附近可以见到含有劣质煤层的全风化炭质页岩及含有泥化软弱夹层的全风化泥质砂岩被明显挤出，如图6所示。

图6 浅层滑面剪切口Fig.6 The shear port of shallow sliding surface

堑顶裂缝发育，呈近似圆弧状，原设计布设的深孔位移监测位移拐点明显，如图7所示。从图7中可以看出，二级平台顶以下9 m处、三级边坡平台以下13 m均出现滑动，并且二级平台处测斜孔发生剪断破坏，这与一级边坡坡脚垮塌失稳临空是有关系的。

以上构成此滑坡的浅层滑动面，滑面外缘裂缝呈弧形，包围滑坡体。

图7 二级三级平台测斜孔位移变化图Fig.7 Displacement of oblique hole on grade level 2,level 3 platform

3.1.2 深层滑动面

浅层滑动发生后立即组织施工单位对坡脚填土反压，反压高度为8 m、宽为10 m。经验算后在已经实施完毕的二、三级边坡锚杆格梁内补强施加十字型锚索加固边坡，实施过程中，遭遇持续强降雨，堑顶出现新增裂缝，且裂缝发育极快，沿山脊线延伸至冲沟顶部，但未跨越冲沟，堑顶裂缝方向与北东向30°构造垂直，如图8所示。根据监测数据，因实施反压护道，目前只显示垂直路线方向的滑动，判定新增裂缝为沿堑顶平缓台地应力集中形成的张拉裂缝。因此选取堑顶平缓台地上升处为后缘张拉裂缝，剪切口位于坡脚软弱层，深层滑动面位于全-强风化炭质页岩与下伏强-中风化页岩的分界面，滑带土为全风化炭质页岩。

图8 后缘牵引裂缝Fig.8 Traction crack at the trailing edge

3.2 稳定性分析计算方法

计算采用加拿大岩土分析软件GEO-Studio中SLOPE/W模块Morgenstern-Price法[14-15]。根据地质资料，边坡滑动稳定性分析计算选用K167+478断面为计算断面。该滑坡破坏形式分两种，一是浅层滑动面，沿全风化泥质砂岩与强风化泥质砂岩接触面附近滑动，滑面呈三段折线型；二是深层潜在滑动面，沿全风化炭质页岩与强-中风化炭质灰岩接触面附近滑动，滑面呈三段折线型。

3.2.1 计算工况及计算参数的确定

根据路基规范要求，边坡稳定性计算时应考虑天然状态工况、暴雨状态工况及地震荷载作用下的工况。该区域地震动峰值加速度系数为0.05g，因此不考虑地震荷载作用，场区降雨量充沛，按暴雨状态考虑。

受取样代表性、取样试验条件的限制，滑带土室内土工试验参数数据与实际存在一定偏差，本次计算以反算参数为主。依据该滑坡当前滑体与滑面的变形活动特点，分析评价各可能滑体与滑面的稳定系数，其稳定程度分析计算成果表1所示，指标反算参数表2所示。对于浅层滑坡：变形破坏严重，后缘与侧界裂缝及前缘剪切口清晰。对于深层滑坡：侧界与后缘裂缝连续可见，炭质页岩滑带土贯通。

表1 滑坡稳定程度分析计算成果Table 1 Results of landslide stability analysis

表2 指标反算参数Table 2 Parameters of index inverse calculation

3.2.2 计算模型及计算结果

Geo-Slope/W边坡计算模型如图9所示，按照深层滑面剩余下滑力计算结果如表3所示。

图9 深层滑面 Geo-Slope/W边坡计算模型Fig.9 Geo-Slope/W slope calculation model of deep sliding surface

以潜在深层滑动面作为设计治理措施的控制滑面，边坡沿深层潜在滑面(全风化炭质页岩软弱层)滑动的稳定安全系数Fs=1.2时剩余下滑力F=2 100 kN。采用反算参数指标计算K167+496断面按照适当卸载加固方案安全系数达到路基规范规定的安全系数1.2时剩余下滑力为960 kN/m，需提供960 kN/m抗力才能保证边坡稳定，为保证线路正常通车需对该处滑坡进行加固处理。

表3 稳定性计算结果Table 3 Stability calculation results

4 整治措施的优化及安全性评价

4.1 整治方案比选

经过对该边坡治理的综合考虑，提出了三种整治方案：大卸载方案、微型桩方案、抗滑桩方案。抗滑桩和微型桩两种方案均能达到对边坡加固的良好效果同时均符合规范的要求。

滑坡所处区域征拆困难，多次因征拆事项阻路，施工滞后，大卸载方案因征用林地较多，协调难度较大，难以满足年底通车的需要。再者大卸载方案按照设计方案刷坡后会牵引后缘形成新的滑坡体，下滑力较大，治理难度不低，所以不采用大卸载方案。

微型桩施工所需要的施工场地较小，一般平面尺寸为0.6 m×1.8 m，净空高度为2.1～2.7 m即可施工。但是微型桩主要依靠压力注浆使微型桩与地基土紧密结合，桩和土结为一体，但是注浆工艺较难控制，常常难以达到预期加固效果。

因主滑区域全风化炭质页岩滑带土全部贯通，从深孔监测数据看，滑面位于坡面以下16 m，滑面较深，经计算下滑力较大，适当卸载后下滑力达960 kN，抗滑桩能一劳永逸治理滑坡，采用旋挖钻机施工进尺效率高，能极大缩短工期，桩质量能得到保证。

综上所述，推荐采用挖钻机施工抗滑桩加固方案。

图10 滑坡处置典型横断面图Fig.10 Typical cross-sectional view of landslide treament

4.2 整治方案设计及实施

4.2.1 坡面加固设计

一级边坡坡高为8 m，坡率为1∶1，取消原设计未实施坡面锚杆格梁防护，采用M7.5浆砌片石护坡，坡脚增设重力式抗滑挡土墙固脚。

二级边坡坡高为8 m，坡率为1∶1，坡面采用三排五束锚索框架梁+5～6 cm挂网客土喷播防护。在实施钻进过程中，出现楔形体滑坡，裂缝距离二级边坡顶外约8 m位置，纵向长约25 m，这是因为边坡裂隙发育，土体松散造成。为避免裂缝牵引影响三、四级边坡，在距裂缝外边缘50 cm处设置三排竖向微型桩应急处置，微型桩顶设置系梁，桩头设置锚索，采用二次劈裂注浆；在裂缝位置采用三排φ48 mmPVC袖阀管压密注浆，注浆采用M30水泥浆，注浆材料采用42.5普通硅酸盐水泥，水灰比为1∶1。微型桩及压密注浆均穿越全风化炭质页岩泥化层，提高滑体及滑带土的抗剪强度。

三级边坡坡高为8 m，坡率为1∶1.25，坡面采用3排锚杆格梁+5～6 cm挂网客土喷播防护。三级边坡平台宽度为15 m，为防止平台积水，平台设置坡率为1∶10的缓坡，中部设排水沟，内侧设截水沟，平台采用10 cm厚C15混凝土封闭。

四级边坡坡率为1∶1.5，坡面采用4排锚杆格梁+5～6 cm挂网客土喷播防护。滑坡处置典型横断面如图10所示。

4.2.2 抗滑桩设计

在一级边坡顶平台布设一排直径为2 m的抗滑桩，考虑土拱效应并结合现场实际情况，桩中心间距为4 m，抗滑桩桩头设置5束φ15.24 mm锚索，桩顶设系梁，桩顶系梁尺寸为1.2 m×2.0 m，采用旋挖钻机施工，桩身材料采用C30混凝土。因抗滑桩截面为圆形，将圆形截面桩按照等效刚度原则换算成等效矩形截面桩进行计算。根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)，圆形断面的等效矩形宽度为a=1.76r(r为圆形截面半径)，有效高度h0=1.6r。故直径为2.0 m时，计算可知a=1.76 m，h0=1.6 m。据此将φ2 000 mm直径的圆形断面等效为1.76 m×1.6 m的矩形断面进行配筋计算。

配筋：抗滑桩背侧(靠滑坡侧)纵向受力主筋采用直径32 mm的HRB400螺纹钢筋，箍筋采用直径25 mm的HRB400螺纹钢筋，间距为20 cm，布设两排，排距为20 cm。抗滑桩配筋构造如图11所示。

图11 抗滑桩钢筋构造Fig.11 Reinforcement structure of anti-slide pile

冠梁：为加强抗滑桩工作的整体性，每3～4根之间采用冠梁连接组成一联，系梁断面尺寸为2.0 m(宽)×1.2 m(高)，采用C30现浇钢筋混凝土。全部抗滑桩共分成七联，各联之间设伸缩缝。如图12所示。

图12 系梁钢筋构造图Fig.12 Structure of tied beam steel bar

4.2.3 锚杆、锚索设计

锚杆钻孔直径为130 mm，锚杆采用φ32 mm的HRB400钢筋。锚杆长为11.5 m，设计抗拔力为100 kN。采用一次注浆，灌注强度为M30的水泥浆，注浆压力不小于0.6 MPa。锚杆格梁截面尺寸0.3 m×0.3 m，采用C25砼浇筑，每片锚杆的横梁和锚索的横梁长为6 m，施工时横梁间设置伸缩缝。

预应力锚索钻孔直径为150 mm，锚索体采用5束φ15.24 mm，标准抗拉强度为1 860 MPa的高强度低松弛的普通预应力钢绞线编制。锚固段长为8 m，深入中风化基岩，锚索设计张拉力为500 kN，锁定拉力为550 kN。采用二次劈裂注浆，灌注强度为M30的水泥浆，注浆压力不小于2.0 MPa。锚索框梁截面尺寸0.4 m×0.4 m，采用C25混凝土浇筑，每片锚杆的横梁和锚索的横梁长为6 m，施工时横梁间设置伸缩缝。

4.2.4 排水设计

水是影响边坡稳定的主要因素之一，许多高边坡滑塌不稳定事故大都是由水所引发，因而排水防水成为加固边坡的一种措施。一级边坡坡脚设置边沟，边坡下部设置碎石渗沟，每级边坡平台均设置平台截水沟，堑顶开口线5 m外设置堑顶截水沟，采用C20预制块砌筑。一级坡坡脚、三、四级坡坡脚分别设置一排斜孔排水，孔径φ130 mm，间距为10 m，孔深按照穿过全风化炭质页岩泥化层为终孔原则。排水孔填充硬塑透水管(φ110 mm)，内端头用2层无纺布包裹。