某路堑高边坡稳定性评价及优化设计

2020-03-30曾亮亮任东伟

水利与建筑工程学报 2020年1期

李波，曾亮亮，任东伟，张洪，张朔

(1.云南镇清高速公路建设指挥部，云南临沧 677000；2.云南省交投公路建设第五工程有限公司，云南昆明 650200；3. 安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001)

高速公路的路基建设经常需要通过开挖深路堑边坡来实现，其主要作用是为了缓和道路纵坡或越岭线穿越岭口控制标高[1-3]。云南地区山区高速公路所经地段往往地形地貌复杂多变，很多坡体岩质复杂，破碎带、断层及软弱结构面等不良地质区域穿插在岩层中[4-5]，并且由于这一区域季节性强降雨和强风化地质特点，导致滑坡、泥石流等地质灾害的发生频率和危害程度明显高于其他地区，随之带来较多的路堑高边坡开挖问题[6-7]，因此在路堑高边坡开挖的过程中，开挖方案的选择及安全防护措施的施加至关重要[7-9]。路堑高边坡的安全稳定性及变形控制等是否达标将会严重影响工程建设的顺利进行或者工程建构筑物的安全运行，亟需对其进行科学准确的安全稳定性评价[10-12]。

高陡深挖路堑边坡开挖方案对边坡整体稳定性的影响通常涉及边坡平台位置和宽度、施工顺序、坡率、坡高等多种因素[12-14]。开挖过程中，主被动安全加固措施的选择、加固的强度和深度的选取、加固的及时性和有效性等都时刻影响着边坡的稳定与否[14-16]。

本文以镇清高速公路回龙寨服务区路堑深挖高边坡工程为研究对象，通过开展现场工程地质调查和数值仿真，设计多种开挖及加固方案，并分别对其进行安全稳定性评价，探讨安全防护措施的合理性，解决当前设计措施下存在的问题，为指挥部提供高边坡开挖及加固的决策依据。

1 工程概况及潜在问题

1.1 回龙寨服务区路堑深挖高边坡工程地质条件简介

拟建镇康(南伞)至耿马(清水河)高速公路位于云南省临沧市耿马县、镇康县境内，是云南省中长期高速公路网规划布局(2016—2030)中“五纵五横一边两环二十联”的重要组成部分。回龙寨服务区路堑深挖高边坡工程位于镇清高速K9+700—K9+992左侧，挖方长度约136.6 m，中线最大挖深约52.7 m，形成最大坡高约129.78 m。

边坡基岩上覆残坡积黏土、粉质黏土，基岩产状S0：290°∠25°属斜交坡。地层岩性自新到老分述为：

① 第四系残坡积层粉质黏土，局部夹有碎石，可塑，干强度中等。

② 泥岩及强风化硅质岩(T2h),碎块状构造，碎裂结构，节理裂隙发育，岩芯多呈碎块状，块径约3 cm～8 cm。

③ 泥岩及中风化硅质岩(T2h)，紫红色、灰青色，隐晶质结构，中层厚构造，节理裂隙发育，岩芯多呈柱状，节长多为5 cm～10 cm。

工程地质剖面图见图1。

图1 K9+780工程地质剖面图

1.2 潜在工程安全问题

基于上述工程地质条件，回龙寨服务区路堑深挖高边坡工程建设存在的潜在安全问题包括：

(1) 左幅边坡开挖深度大，开挖距离长，开挖方量大，在开挖过程中坡顶出现四道裂缝。根据原设计，第五级、六级、七级坡采用4束15.2型(即4束公称直径为15.2 mm钢绞线)单根长25 m锚索框格梁防护，在第五级坡防护时，坡顶甘蔗地清理后，发现四条裂缝，裂缝宽度分别约为15 cm、10 cm、10 cm、5 cm，裂缝长度分别约为70 m、65 m、50 m、25 m，详见图2。

图2 坡顶裂缝现状

(2) 坡顶后方存在220 kV高压输电塔(K9+730左侧博南Ⅱ回线#366号)，距坡顶45 m左右。如果边坡处理不当将威胁高压输电塔的稳定性，进而影响电力的正常运营。输电铁塔位置见图3。

图3 坡顶构筑物与边坡现状图

(3) 在施工过程中，强降雨后出现小型浅层土质滑坡。滑坡平面上呈宽弧型，滑坡方向同边坡坡向一致；滑坡后缘出现多条裂缝，裂缝沿坡顶呈圈椅状发育，宽度10 cm～15 cm不等，张拉裂缝与坡顶最大距离为16 m，沿滑坡方向整体呈台阶式张拉，错动高度较小，尚未形成滑坡台坎；在第六级表面可见斜向裂缝，尚未出现横向剪出迹象。滑坡处于挤压-临界滑动阶段，剪入剪出口明确，滑坡方量约300 m3，属小型浅层土质滑坡。

1.3 关键技术难题

镇清高速公路回龙寨服务区路堑深挖高边坡工程自施工以来，多次出现局部失稳坍塌滑动问题。经过现场调查和分析，认为主要是以下四个方面的原因：

(1) 没有及时加固，导致部分边坡稳定性出现问题。对于岩层本身相对较差，没有及时加固补强的坡体，可能出现部分边坡失稳。

(2) 加固强度或深度不够，导致部分边坡失稳。坡表出现裂缝等。

(3) 泥岩和泥质粉砂岩和部分硅质岩，岩性不均匀，泥岩以及节理裂隙发育段，岩芯多呈碎块状，岩层强度低，容易出现部分坍滑失稳。

(4) 坡浅层、开挖卸载、风化和雨水作用、坡脚泡水等情况下，强度下降明显的坡体，极容易出现部分坍滑失稳现象。

2 计算模型及参数反分析

2.1 计算模型及开挖方案设计

为探索最优开挖方案和加固方案，本文利用Slide5.0软件进行建模，依据规范采用Bishop极限平衡法进行安全稳定系数计算，台阶式放坡，将边坡从上到下依次分为7级，一级坡至六级坡每层坡高10 m，七级坡坡高8 m。计算模型示意图见图4。为解决实际问题共设计3个开挖方案。开挖方案1：七级坡至五级坡坡率为1.00∶1.00，四级坡和三级坡坡率为1.00∶0.75，二级坡和一级坡坡率为1.00∶0.50，各台阶宽度均为2 m。开挖方案2：七级坡至五级坡坡率为1.00∶0.75，五级坡坡脚处台阶宽度8.22 m，其余各坡坡率和台阶宽度均不变。开挖方案3：四级坡至三级坡坡率为1.00∶0.50，四级坡坡脚处台阶宽度7 m，其余各坡坡率和台阶宽度均不变。

图4 计算模型示意图

2.2 基于边坡目前稳定状态的岩层强度参数反分析

根据业主提供的勘察设计资料、文献查询和工程类比，综合确定了该地区计算涉及土层的物理力学性质指标，试算参数统计表见表1。

表1 清路堑高边坡试算参数统计表

根据现场勘察及目前边坡的裂缝分布情况，采用K9+760断面进行计算。目前该边坡五、六、七级坡已开挖完成，且七级坡和六级坡按照设计完成加固。考虑浅层滑面(剪入口控制在第四道裂缝处，剪出口控制在粉质黏土坡面)和深层滑面(剪入口控制在第四道裂缝处，剪出口控制在五级坡坡面)并且结合坡体现状的临界稳定状态和保守原则将安全系数设置为1.0左右进行岩土力学参数的反分析计算。实际中，由于降雨、地震和风化等因素的影响，边坡表层岩土材料参数比深层强度参数要低，即随着埋深有渐变规律。因此，针对本次分析，考虑后续四级到一级坡，泥岩的强度参数较反分析参数有所提高，且结合现场调查综合确定岩石力学参数结果如表2所示。

表2 各级边坡岩土力学参数表

3 自然开挖方案下高边坡稳定性评价

3.1 边坡安全控制标准

参考《建筑边坡工程技术规范》[17](GB 50330—2013)(一级永久边坡滑动安全系数控制标准为1.35，考虑地震作用下安全系数控制标准为1.15)、《三峡库区三期地质灾害防治工程设计技术要求(2004年12月)》[18](非涉水工程考虑暴雨工况的安全系数控制标准为1.2)、《公路路基设计规范》[19](JTG D30—2015)(高速公路滑坡体安全系数控制标准为1.2～1.3)以及相关的滑坡防治工程技术要求，并考虑其可能造成的危害，这里考虑边坡的安全系数达到1.20可满足工程稳定性要求。

3.2 自然开挖状态下边坡稳定性评价

对原设计开挖方案1自然条件下，无加固措施高边坡进行稳定性分析，利用Slide软件的Bishop极限平衡法计算各级边坡开挖时的安全系数，计算结果见表3。

从表3可以看出，在不采取加固措施的情况下直接进行开挖，由于七级坡和六级坡上覆土层岩土力学性质较差，边坡无法保证自稳，安全系数远低于边坡安全控制标准，因此若不采取加固措施直接进行开挖不满足工程稳定性需求，需要在开挖的过程中施加主动或被动加固，以确保边坡安全。

表3 自然开挖状态下边坡安全系数

4 不同开挖方案下边坡加固措施安全稳定性分析

4.1 开挖方案1加固措施安全稳定性分析

根据原设计方案，各级坡均采用4束15.2型单根长25 m锚索框格梁防护，其中单根长 25 m的锚索拉拔力为450 kN，锚固段长度18 m，锚索间距4 m×5 m。

根据表2的反分析岩土力学参数开展开挖方案1下的边坡稳定性分析，锚索加固方案为初始设计方案，其中剪入口在七级坡坡顶自动搜索，剪出口分别控制在六级坡至一级坡坡面。因篇幅限制各开挖方案均只展示最危险潜在滑面搜索。开挖方案1潜在滑面搜索见图5。开挖方案1初始加固设计下各次级边坡安全系数见表4。

图5 开挖方案1初始加固设计下潜在滑面

表4 开挖方案1初始加固下边坡安全系数

由表4可知，开挖方案1在初始加固设计方案下，滑面搜索至二级坡以下位置时，边坡整体处于欠稳定状态，考虑到外界降雨等因素影响，若按此加固措施，1级坡和2级坡后期可能会发生滑动，因此初始加固措施不满足工程稳定性要求。

原始开挖方案下准备加固五级坡时，坡顶出现4道裂缝，开挖四级坡时，平台出现垮塌，目前五、六级坡已加强(每条竖梁中间增加一根6束15.2型根长42 m锚索，锚索拉拔力为650 kN，锚固长度为35 m)，为满足安全稳定性要求，四级坡和三级坡的锚索更换为10束单根长42 m锚索，锚索拉拔力为1 000 kN，锚固段长度35 m。二级坡和一级坡的锚索更换为10束单根长35 m锚索，锚索拉拔力为450 kN,锚固段长度25 m。更改加固措施后边坡安全系数见表5。

表5 开挖方案1更改加固下边坡安全系数

修改加固措施后，经试算各次级安全系数均满足安全稳定性要求，坡体处于稳定状态。开挖方案1的最终防护措施横断面图如图6所示。锚索参数见表6。

图6 开挖方案1最终防护横断面图

表6 开挖方案1锚索参数设置一览表

4.2 开挖方案2加固措施安全稳定性分析

开挖方案2与开挖方案1在七级坡至五级坡上的加固措施相同，四级坡和三级坡采用6束15.2型单根长42 m锚索，锚索拉拔力600 kN，锚固段长度30 m。二级坡采用4束15.2型单根长30 m锚索，锚索拉拔力为450 kN，锚固段长度20 m。一级坡采用4束15.2型单根长25 m锚索，锚索拉拔力450 kN，锚固段长度18 m。锚索间距均为3 m×3 m。开挖方案2潜在滑面搜索如图7所示。开挖方案2加固后安全系数见表7。

图7 开挖方案2加固设计下潜在滑面

表7 开挖方案2加固后边坡安全系数

由表7可知，在该加固方案下开挖方案2各边坡均满足安全稳定性要求。开挖方案2采用宽平台陡坡率的设计方案，台阶宽度的增大意味着边坡上部更多的土体被移除，减轻了土重，实现了“削坡减重”，这在一定程度上有助于边坡稳定性的提高。相较于开挖方案1的加固措施，加固方案2的锚索用量明显的减少，锚索设置一览表见表8。

表8 开挖方案2锚索参数设置一览表

4.3 开挖方案3加固措施安全稳定性分析

开挖方案3与开挖方案1在七级坡至五级坡上的加固措施相同，四级坡和三级坡均采用6束15.2型单根长42 m锚索，锚索拉拔力为700 kN，锚固段长度30 m，其中四级坡设置三排锚索，三级坡设置四排锚索。二级坡采用6束15.2型单根长32 m锚索，锚索拉拔力为650 kN，锚固段长度25 m，锚索间距3 m×3 m。一级坡采用4束15.2型单根长25 m锚索，锚索拉拔力为450 kN，锚固段长度18 m，锚索间距3 m×3 m。开挖方案3潜在滑面搜索如图8所示。开挖方案3加固后安全系数见表9。

图8 开挖方案3加固设计下潜在滑面

表9 开挖方案3加固后边坡安全系数

由表9可知，在该加固方案下开挖方案3各边坡均满足安全稳定性要求。开挖方案3锚索设置一览表见表10。

表10 开挖方案3锚索参数设置一览表

5 不同开挖方案和加固措施费效比分析

为综合对比各开挖和加固方案下的优劣，选择最优的处置方案，本文对不同的开挖方案和加固措施进行费效比分析。由于开挖方案中锚索的横向间距存在3 m和4 m的两种施加方案，因此选取12 m的宽度展开开挖方量和加固措施的费效性对比分析，表11列出了各开挖方案所需的锚索种类和数量。

表11 不同开挖方案下边坡加固所需锚杆数量

考虑边坡开挖单价为17 元/m3，钢绞线单价为4 000元/t，钻孔相关费用为350 元/m。其中拉拔力为450 kN～600 kN的锚索均为4束15.2型，拉拔力为650 kN～700 kN的锚索均为6束15.2型，700 kN以上的锚索均为10束15.2型。考虑锚索钻孔比锚索长度增加0.5 m。据此计算每种开挖及加固方案所需的费用如表12所示。

表12 不同开挖及加固方案所需费用

从表12可以看出方案1与方案3在开挖方量上大致相同，但在锚索用量上，方案3较方案1相比增加较多，导致所需费用最高。方案2相较于方案1和方案3，开挖方量最多，但锚索用量最少，且所需费用较低。在边坡稳定性方面，方案2和方案3由于采用“宽台阶陡坡率”的设计方法，一方面有利于边坡的整体稳定性，另一方面宽台阶的施加相当于使高边坡分解为两个次级边坡，降低边坡的高度，提高边坡的自稳能力。综合考虑，方案2为最优设计方法。