广州地铁南沙停车场高边坡加固方案设计

徐顺明，梁海莹，邓超荣，周会媛 （广州地铁集团有限公司，广东 广州 510330）

1 工程概况

广州地铁南沙停车场位于金隆路西侧，南侧为莞佛高速公路、北侧紧邻高陡边坡山体，车场按贯通式布置，出入线分别自东西两侧接入场内。总用地面积约为19.95hm2。南沙停车场与新造车辆段共同承担四号线配属车辆的运用与检修任务，停车场停车规模近期30列位，远期51列位,场址现状主要为山体林地，东南方向有几栋厂房建筑，拟建停车场内由于历史采石作业的原因形成的人工山塘，山塘面积约为48000 m2,山塘底部最深处深约有15m。该场址用地规划性质为林地、防护绿地及农村城市化用地，停车场初拟场坪标高为7.79m。由于人工采石作业形成的，坡顶标高约27m～105m，坡底标高约8m～12m，边坡高度约为80m～100m。见图1、2。

图1 场地地理位置图

图2 场地现状图

2 地质概况与边坡灾害分析

2.1 地表水及地层岩性

地表水南沙停车场高边坡南侧所在场地中间有一个大水塘，开采石场形成的水塘面积约为48000 m2，水塘底部最深处深约15m，地层岩性见表1。

2.2 岩坡划分

按工程地质纵断面将场地山体坡面划分为以下两种。

①岩质边坡：据钻孔连线得出，标高为30m～80m区间为混合花岗岩，属于8H～9H，岩石抗压强度较高，天然极限单轴抗压强度为 25.36MPa～66.75MPa，属于极硬岩，为典型的以强度为主控制堑坡的稳定。

②土质及类土质边坡：其余地段为全风化混合花岗岩和残积土层，属于5H-2～7H，岩芯极为破碎，以土体内部的粘聚力和岩体强度控制堑坡的稳定。

按上述岩坡的划分，坡高直陡的岩质边坡区域是本项目加固和防护的重点，土质及类土质边坡区域在山体顶部，设计原则为刷方减重，降低边坡高度，避免土质及类土质边坡因雨水冲刷等外力作用而滑塌，岩体划分情况见图3。

图3 岩坡划分区域示意图

2.3 场地地震效应与地质灾害分析

本工程为地铁工程，为大型公用建筑设施，为重点设防类（乙类建筑）。按国家标准《建筑抗震设计规范》抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第一组。

南沙停车场高边坡所在地区域地貌为剥蚀低丘陵，场区山体整体稳定，无明显地质构造，现山体边坡为采石场采石形成的高边坡，采石坡面主要为岩质边坡，背坡面主要为山体林地和荔枝林，缺少泥石流形成条件，无可溶岩分布，无地下采空区，未发现地面塌陷地质灾害，局部存在危岩崩塌及滑坡等。通过统计分析，场地地质灾害主要为崩塌、滑坡、危险性较小。

2.4 边坡稳定性分析

根据区域地质资料及现场地质勘察资料，本项目停车场山体整体稳定性高，但山体斜坡存在多处崩塌，其中停车场出入线起点位置为土质崩塌，原采石场东北角崩塌为岩质崩塌，局部出现岩石沿顺坡节理坍塌，因此，可以判断停车场周围自然斜坡局部出现不稳定状态。如遇强降雨易使岩体结构面软化，降低结构面强度，预测北侧采石高边坡在工程建设过程中和建设完工后可能遭受边坡崩塌、滑坡地质灾害的危害。其中边坡崩塌地质灾害对停车场的危险性为中一大。因此，对北侧山体边坡需进行加固防护。

岩土施工工程分级表 表1

3 加固方案设计

3.1 工程地质比拟法

该法是将已有的自然稳定边坡的坡角、坡率作为参考，根据勘察报告本区山体自然状况如下：

①土质及花岗岩全风化残积层（5H-2及7H）：场地西侧及东侧为自然山坡，坡角约30°，坡高约15m～20m，土质边坡，状态基本稳定，坡率约1:1.73。

②岩层（8H及9H）：场地北侧大部分基岩出露，北侧自然山坡角50°～55°，坡高约50m～110m，边坡状态基本稳定，坡率约1:0.7～0.83，坡顶土质边坡不稳定，目前存在一土体滑塌，方量约250m3。

③开采面：(9H):场地北侧开采面平均边坡角73.3°，局部80°～85°，坡率1:0.2～0.3，岩坡局部可见岩石顺坡节理坍塌，坡面病害明显。

综上，对于土质及花岗岩全风化残积层（5H-2及7H），稳定坡率采用不陡于1:1.75，岩层（8H及9H）稳定坡率采用不陡于1:0.75，完整基岩（9H）稳定坡率采用不陡于1:0.5。

3.2 铁路标准及工程参数

铁路相关标准规定路堑边坡高度不宜超过30m。相关边坡参数，软岩坡高控制在20～30m，硬岩30～50m，以下是汇集中外对岩石高边坡的坡高及坡率的经验参数，作为这次南沙停车场高边坡设计的参考资料，并作为分析稳定山坡的总平均坡率数值借鉴，见表4。

结合以往中外边坡处理经验，根据停车场工程性质和陡边坡的地质特点，采取坡面的稳定坡率（9H）确定为1:0.5～0.75，每一级边坡的高度在40m 以内控制。

3.3 力学检算法

基于天然陡坡的地质情况多变，到现在为止极少建设者对复杂边坡中做力学方面的计算，经勘查，边坡岩质（非构造、非破碎、非风化控制）较完整，所以设计中，稳定坡高、坡率的采用齐姆巴列维奇空间要素法（齐氏法），公式：

完整、均质的坡体岩质，岩体内基本无长大裂面时，此时岩层以抗剪强度C为主控制堑坡设计，φ取0，公式简化为：

C——岩层平均最大内聚力

坚硬岩石在不同高度与风化、破碎条件下的边坡数值表 表2

完整岩石按坚硬程度确定边坡的参考数值 表3

不同岩体结构的路堑边坡坡度与高度的参考数值表 表4

C0的1/7～1/15（1/7～1/15是岩石内的不均匀系数）

γ——岩层单位容重（t/m3）；

h——切割堑坡的垂直高（m）；

α——切割的坡脚角度（°）；

m——设计所采用的安全系数，

①稳定坡率计算：9H层中，当C=100 t/m2，r=2.65t/m3，m=3 时，已知切坡高度时稳定坡率计算结果表5。

稳定坡率计算结果表 表5

稳定坡高计算结果表 表6

综上：边坡高为40m以下设置稳定坡率数值为1：0.3～0.5，高为40m 以上时设置稳定坡率为1：0.5～0.75。

②稳定坡高反算：9H层中，当C=100 t/m2，r=2.65t/m3，m=3 时，已知边坡角时稳定坡高计算结果见表6。综合：9H层，边坡每一级的高度应该不超过50m，保持的原来坡度比率，边坡高为70m以内控制。

③确定平台：9H中，70m以下的边坡，稳定坡率设置为1:0.4～0.5时，土石分界处70m的平台宽是S=（0.4（或0.5）-0.3）×70=7m～14m ，边坡 40m处中部，平台宽是 S=（0.4（或 0.5）-0.3）×40=4m～8m。

3.4 边坡稳定性计算

对于较完整（非构造、非破碎、非风化控制）的岩质边坡，边坡稳定性的定量分析采用极限平衡法，计算采用经典的滑动力学公式如下：

自重沿滑面的下滑力：

沿滑面的抗滑力：

图4 方案1横断面设计示意图

图5 方案2横断面设计示意图

图6 方案3横断面设计示意图

Gi————为各断滑面上的岩土自重；

θi————为各段滑面与水平线的夹角；

fi=tanФi————为裂面间摩阻系数；

Фi————为各段滑面间的内摩擦角；

∑CiLi————为沿滑面的抗滑力。

根据极限平衡状态，当K等于1时，将各种外力（地震力、裂面间的水动、静压力等）的可能组合与面间C值的可能的变化，代入公式求得面间的综合内摩擦角Ф，然后按各种短暂出现的外力组合与破坏性质，予以不同的安全系数K倍大的下滑力求出可能的推力，按最大推力平衡设计。

依工程的重要性、外界条件（如地震、雨水等因素以及滑动的后果及整治的难易等因素）综合考虑边坡稳定系数，本次设计根据相关规范K取1.25。

9H层中，自场平标高以上75m处变坡，设置10m 大平台，当C=100 t/m2，r=2.65t/m3，m=1.5～3，τ=500kpa 时，稳定平均坡率取1:0.75 即θ=53.13°，选取代表性断面G2K0+301计算，根据以式计算剩余下滑力约为4900kN～1380kN。

预应力锚索设计锚固力计算公式：

Pt—设计锚固力（kN）；

F—滑坡剩余下滑力（kN）；

Ф—滑动面内摩擦角（°）；

α—锚索与滑动面相交处滑动面倾角（°）；

β—锚索与水平面的夹角；

λ—折减系数。

根据公式算得每孔锚索锚固力Pt=520kN～700kN；每孔锚索钢绞线根数4根～5根，锚固段长度L=6m～10m，锚索间距3m～5m。

3.5 防护方案

根据工程地质资料、力学检算以及经验参考值等方法，遵循“一次根治，不留后患”的原则，遵循刷方减重、强腰固脚，尽量减少扰动既有岩质边坡的设计原则，综合拟定自场平标高7.79m以上75m处（即土石分界处）边坡，设计以下3种方案。

①方案1

坡脚设置高5m、顶宽2m的挡墙，其上按原坡面清除松动岩块及绿化水泥板，对坡面进行嵌补整平，对坡面岩体破碎、节理裂隙发育的地段采用不低于42.5m的水泥浆将裂隙封灌，土石分界75m处设10m大平台，其上按1:1～1.5放坡开挖，岩质坡面采用独立锚索+张口式帘式网+钢筋混凝土盛土槽，锚索间距3m×4m（竖向×纵向），锚索长度15m～30m，盛土槽竖向间距15m，槽内培土种植小灌木+爬墙虎，见图4。

②方案2

坡脚设置高5m、顶宽2m的挡墙，其上按原坡面清除松动岩块及绿化水泥板，对坡面进行嵌补整平，土石分界75m处设10m大平台，其上按1:1～1.5放坡开挖，全坡面采用框架锚索+挂网喷植被混凝土防护，锚索间距3m×3m，锚索长度15m～30m，锚索横梁形式稍作修改以便培土种植灌木，框架梁间距横向6m，纵向3m，见图5。

③方案3

坡脚设置高5m、顶宽2m的挡墙，其上按原坡面清除松动岩块及绿化水泥板，对坡面进行嵌补整平，对坡面岩体破碎、节理裂隙发育的地段采用不低于42.5的水泥浆将裂隙封灌，土石分界75m处设10m大平台，其上按1:1～1.5放坡开挖，岩质坡面采用独立锚索+主动网，锚索间距3m×4m（竖向×纵向），锚索长度15m～30m，采用坡脚和平台处种植攀爬或垂吊植物绿化坡面，见图6。

工程造价估算及比较表 表7

图7 传统主动防护系统（GPS2）

广州地区雨水较多，又多强降雨及暴雨，根据北侧山体地形，坡顶设反坡，这样阻止雨水冲刷坡面、渗入边坡的坡体，坡脚要设置边沟与将来建设的道路排水系统连接，在每级边坡平台设截排水沟与坡脚边沟等组成综合地表排水系统。

④方案工程造价及比较，见表7。

主动网和帘式网优缺点：

主动网：采用的是“包裹”理念，使防护网主动“包裹”落石，从而起到防护的目的，但会使落石在防护区域高处堆积，很难维护清理，形成二次落石危害，见图7。

帘式网：防护理念是控制、引导、衰耗，即允许落石在山体与防护网之间有序滚动，通过降低落石的能级和控制运动轨迹，最终进入预设的收集区来达到防护目的。帘式防护网实现了主、被动相结合的防护效果，大大的提升了防护能力，见图8。

4 结论与建议

图8 新型帘式网

①优化场区内的土石方调配工作，最大限度利用边坡挖石、挖土进行水塘及场地的回填，减少弃方和土石外购，从而降低工程总造价。

②由于地质条件的隐蔽性、多变性及复杂性，加之勘探测试的局限性，同时岩石边坡力学分析难度较大，施工过程中不确定因素很多，因此需要施工时及时反馈，跟踪动态设计，根据地质条件的变化，及时进行安全稳定和经济分析，调整设计方案，确保工程稳定的前提下降低工程造价。

③由于本边坡高度超高，分级大放坡方案为了能保证边坡的使用年限及安全，坡率往往比较缓，因此带来的土石方量巨大，经对比分析，分级大放坡方案，并不经济。

④场地受红线限制，能开挖的破体范围受限，对于放坡不足的区段需设置拉锚结构，以保证坡体稳定。若采用小坡率分级放坡，需采用预应力锚杆+格构梁支护形式。

⑤为减少坡面、坡脚被雨水冲刷的,边坡采用草、灌木配合绿化，并为灌木的生长提供良好的温湿环境，草种的选择以狗牙根为主，在冷季施工可适当添加黑麦草。

⑥在治理工作开展前，建议尽量对现状边坡减少爆破和开挖扰动，扰动后使岩块松动，节理裂隙张开，遇雨后容易坍塌。

⑦建议在规划停车场建筑物时应尽量使建筑物远离坡脚，一般距离控制在15m以外为宜，同时为了安全期间，要定期对高边坡进行跟踪监测。