强降雨条件下成绵复线高速公路路堤滑坡应急保通与处治

2021-07-05孔维伟

地质灾害与环境保护 2021年2期

孔维伟

(四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，成都 610041)

山区公路建设由于空间跨度大、平面延展长，为满足不同线形、坡度及地形地质条件，需穿越不同地质类型和地貌单元。特别是高速公路在较高线形要求前提下，不可避免出现大量填方路堤工程[1]。通车运营后，随岩土体流变性质变化和车辆循环重载作用下，势必影响路堤内部应力、应变和位移的时效特征，导致其长期稳定性降低，常出现局部不均匀沉降、纵横向路基开裂、填筑体中下部侧向圆弧剪出，甚至整体失稳滑移等现象，高填方路堤段、填挖交界处、陡斜坡路堤、桥涵台背与路堤填方过渡段及软弱下卧层时尤为突出。究其成因，设计时基底以下处理措施不当或处治效果较差，地基易压缩沉降或挤压变形；或衔接过渡段设计不合理，两侧材料弹性模量相差较大，沉降时变形协调不一致；亦或施工时材料选用劣质、级配不合理或填筑、碾压工序不当，或未分层压实，甚至边沟破损渗润路堤等，均可导致塑性变形和沉陷破坏。

作为典型的路基病害，路堤滑坡具有明显隐蔽性、突发性和环境依赖特征，其所赋存的地质因素、人为影响，和所处的气象水文环境，及在役高速车辆通行保通等应急响应、信息发布等要素，均是路堤滑坡处治方案选用、优化乃至处治效果好坏与否的关键。常用的处治措施主要有换土复填、化学固化剂加固、反压护道加宽、加筋土工材料、钢花管注浆、路肩/坡脚支挡、基底粉喷桩、锚杆/土钉加固、砌体坡面封闭、截排水疏导等[2-4]，施工时大多采用提前导流的断道形式，针对运营期高速公路路堤滑坡考虑保通条件下的应急处治与加固防护则较少见。本文以四川省某已通车运营多年高速为例，在运营期地质勘察揭露路堤填筑体及下覆基底岩土体情况的基础上，分析强降雨致灾环境下路堤滑坡复杂成因，并考虑保通条件下的应急措施和通行安全，以最优措施保障处治方案的及时、高效和成功实施。

1 路堤滑坡概况

由于2018年6月26日～7月11日四川盆地连续强降雨天气，已运营成绵复线高速公路(2012年5月10日通车)路基段K99+900滑坡于7月11日上午开始路面沉降，形成43 m长纵向贯通裂缝。滑坡沿南西方向沉降滑移，与路线走向呈135°的大角度斜交，平面上呈圈椅状。该滑坡已严重影响高速通车安全，高速公路管理主体部门(建设方和省厅高速公路管理局等)第一时间采取交通管制，调整为半幅通行。该段路基原填方高度5～9 m，一级填方边坡，坡比1∶1.50。

路堤滑体内垂直主滑方向裂缝较少，主要在后缘及前缘发育，滑体两侧纵向裂缝较多。后缘宽约45 m，裂缝张开5～30 cm，形成高约0.5～1.5 m错台，两侧坡体发育沿主滑方向纵向裂缝，缝宽约2～7 cm，延伸0.5～5 m不等；滑体前缘裂缝水沟沟壁垮塌，局部田埂小裂缝，长度一般1～3 m，轻微隆起。滑体纵向长度约96 m，宽度约45 m，平均厚度4.5 m，体积19 440 m3，为牵引式土质滑坡，滑床为基岩(图1)。

图1 在役高速路堤滑坡现场

2 地质环境与滑坡成因

2.1 地貌、地层

属侵蚀堆积之高阶地，典型红层丘陵地形，总体地势向南西侧倾斜，地层平缓。优势地层产状195°∠5°，或5°以下。海拔标高550.0～605.0 m，横、纵向高差较小，区内主要发育坳沟，沟谷内多农田，植被较发育。场地距龙门山中央断裂、龙门山前山断裂的直线距离分别约35 km、30 km，受2008年05月12日强烈地震的波及和影响，场区建筑物墙面普遍开裂，部分围墙及建筑年代较久远的房屋倒塌。场区地震动峰值加速度0.10g，地震基本烈度Ⅶ度。

地层为第四系全新统人工填筑土(Q4me)、滑坡堆积层(Q4del)，中更新统冰水堆积层(Q2fgl)及零星出露白垩系下统剑阁组(K1jn)。其中成绵高速复线路基填筑土为中-强风化砂、卵石及少量块、碎石构成，稍密-中密，潮湿，渗透性较好，在滑坡范围内厚5～7m；滑坡堆积层(Q4del)分布于右幅路基及下边坡，由路基填筑体及Q2fgl层上部粉质粘土构成。钻孔ZK5揭露厚度为9.40 m[5]。冰水堆积层(Q2fgl)广泛分布于路基两侧，由表部薄层粉质粘土和卵石组成。下伏基岩白垩系下统剑阁组(K1jn)为暗紫红色粉砂质泥岩，钙泥质胶结，粉泥质结构，薄层-中厚层状构造(图2)。

图2 路堤滑坡工程地质平面图

2.2 路堤滑坡成因分析

场地附近无大的地表水体，刚大雨过后，坳沟涵洞沟渠内有流水，流量随雨量变化而变化，场地分布一些农用灌溉水塘，距滑坡较远。人工填土(Q4me)卵石透水性好，赋存条件较差，补给源有限，富水性一般。中更新统冰水堆积层(Q2fgl)透水性及富水性差，地下水较贫乏；卵石厚度小，多呈透镜状，富水性总体不强。裂隙水则赋存于K1jn地层全-强风化带裂隙含水层中，粉砂质泥岩相对完整，结构致密，形成有效隔水层。

成绵复线在该段以NE66°方向近垂直丘坡而行，路基段处于丘间坳沟内，为场地原地表水排泄通道。路基中线处填方高度7.5 m，右侧边缘最大填方高度9 m。滑塌前，场地斜坡坡度为5°～15°浅丘缓坡，路基填筑段稍陡，坡表填筑体砂、卵石具大孔隙、易冲蚀等特性，为大气降水和地表汇水提供较好下渗通道。路基外斜坡多被垦为旱地或水田，果木茂密，自然状态下稳定性好。

加载后原地基粘土层产生压密作用，改变原有地下水排泄通道，在原地基中形成富水盆地。特别是场区6月底至7月中旬连续暴雨导致路基两侧边沟水毁严重，地表径流遇阻、路堤坡脚水位抬升叠加填土结构疏松，大量地表水渗入路基填筑体，含水量自上而下逐渐增大，近原地面则呈饱水状态。导致填方土体荷重增加，下部路堤坡脚所汇集的地表水与地下水排泄不畅，场地内深部厚约3～6 m的基底下Q2fgl层粘土趋于饱和、软化，土体以软塑-可塑状为主，降低其抗剪强度。在抗剪强度降低及荷载增加影响下，导致K99+870～K99+915段右侧Q2fgl层粘土层沿基岩面产生侧向蠕动，进而牵引右幅路堤沉降变形、滑移，形成现有路堤滑坡的变形特征，裂缝亦表现为顺路线走向张拉形式。

3 应急保通方案

现有资料和成果中应急保通、抢通方案大多为水毁、崩滑灾害等造成通行道路中断或“5·12”汶川地震后为抢险生命通道所采取的措施，以确保后续抢险救灾工作的快速开展。多采用重快速响应、重指挥体系、重多部门协作、重交通组织、重机械设备等方式[6-9]，或改移道路等，才能保证整个过程有序、高效与安全实施。但针对在役高速保通条件下的路堤滑坡处治技术及复杂运营环境下安全施工与防控方案研究则较少。

成绵高速复线项目本路段路堤滑坡发生后，考虑线路为成都平原经济区两大城市成都、绵阳间重要城际直达高速，同时鉴于路基病害现状变形特征，中央分隔带另一侧尚未裂缝出现，暂可小型客车通行，并基于过程控制的动态设计理念，采用应急保通措施+永久处治工程分步实施。于当天第一时间即给出应急保通方案，并由建设方和主管部门进行信息报送、新闻网和新媒体公众号发布，及广播电台滚动播报等，并紧急调运多台挖土机和装载机等以备待用。

首先对路面开裂处灌浆封闭，并用防水彩条布及时路表覆盖，以防雨水渗入既有裂缝进一步侵袭填筑坡体，进而冲刷带走充填的细颗粒物质，造成路堤沉降和变形加剧。同时在K99+870～K99+915路基病害段坡脚反压并作为施工平台，采用3排φ300 mm C80预制管桩应急加固(图3)，纵横间距1 m，梅花形布设，以免滑体进一步扩大甚至整体滑出，影响对侧运营车道行驶安全。预制管桩施工完毕后，经现场观测，路堤滑移段已趋于稳定，并截除反压平台以上露出桩体。但因预制管桩不能有效打入基岩内，仅起到临时坡脚加固作用。

图3 坡脚预制管桩施工现场图

为保证后续永久处治施工安全和开挖扰动影响左幅通行车道，增设滑坡后缘处微型钢管灌注桩。通过φ180 mm潜孔锤形成垂直小型钻孔，并φ140 mm×6.5 mm无缝钢管管壁钻孔及连接备制，而后钢管下孔就位，再孔底注浆法进行压力注浆(灌注材料M30水泥砂浆，注浆压力0.2～0.4 MPa)。作为新型抗滑措施，在快速抢险中具快捷、高效、场地要求低、无需大型机械等诸多优势，“钢管+内注水泥砂浆+周侧注浆加固体”所形成的复合结构，嵌入稳定岩土层一定深度，桩周和桩间土体注浆填充、渗透等方式固结成“结石体”，桩土间黏聚力和抗剪强度得到较大提高，增强土体自稳能力，协同钢管自身刚度及其岩土体内竖向“加筋”作用，共同承受较大剪力和弯曲应力，并地表浇注框架系梁，把多排钢管桩整体联结，以类似复合挡土墙形式充分发挥钢管灌注桩的整体抗滑性能。

钢管灌注桩采用群桩形式，呈空间刚架体系形成统一整体。处治范围K99+864～K99+896段，横断面方向两排，横向间距1.5 m，纵向间距2.0 m，桩顶C25混凝土框架梁，梁截面尺寸0.3 m×0.5 m。为减小钻孔和钢管下孔过程中对路基的扰动和邻孔干扰，采用跳孔施工方法，框架梁开挖尽量减少对路堤破坏。钻孔为干作业法成孔，禁止冲水钻进。基于场地不同土体渗透性质，注浆需先现场试验，确定水灰比、灌浆压力、浆液粘度及浆液扩散半径、单孔注浆量等，保证一定流动性和注浆效果。每段地梁节点必须一次浇注成型，砼中加早强剂，以争取工期。整个应急保通施工过程中，密切监测路面及路堤边坡变形情况，无新增裂缝及裂缝扩大趋势，沉降未见加剧，对侧单向双车道通行路况好，起到了很好的保通作用。

4 滑坡综合治理

考虑到场地路堤滑体自稳性差，滑动面埋深大，且7处钻探孔揭露滑坡滑体范围明晰，但仍处于缓慢蠕变期，ZK3、ZK4、ZK5孔(滑面上部约1 m)粘土试样残剪强度较低(C=23 kPa、φ=6°，液性指数为0.35)，并结合滑坡稳定性反演计算，得暴雨工况滑带土强度参数C=8 kPa、φ=6°，验算滑坡推力也较大。路基填筑土体成分虽明确，但结构松散，加上雨水多，填筑体遇水浸泡，粗颗粒间细砂多、粒间胶结程度差，并含水量大、地下水位亦偏高(先期钢管灌注桩钻孔时孔内积水较多且易塌孔)，同时抢险项目施工工期要求紧，并基于单纯人工挖孔施工速度慢且存在较大安全风险等多因素考虑，需采用机械旋挖成孔，故确定圆截面抗滑桩挡防路堤。

相较于滑坡治理中常用的矩形抗滑桩，圆形抗滑桩受整体截面限制，虽存在有效惯性矩和刚度相对较小、桩间土易挤出、桩后土拱效应难以形成、整体受力性能较差、配筋空间有限等缺陷。但不少文献对圆形抗滑桩的计算模式、土拱效应、受力性状、配筋方式及应用范围等进行了探讨、研究[10-14]，并已在市政工程、滑坡治理和地下工程中有较多应用，特别是土压力或滑坡推力不是十分较大的情况下，选用圆形抗滑桩亦可有效发挥支挡作用。该方式相对于人工挖孔桩施工具有不需泥浆护壁、环境污染小、成孔速度快、开挖安全性高、能较好适应地下水丰富及场地复杂环境的优点。以上所述，在路堤滑坡岩土层次和滑动方向已明确的条件下，针对本工点水文、地质环境条件和施工安全性及抢险保通要求等，经分别验算天然、暴雨、地震等多工况条件下桩位处最大滑坡推力为421.5 kN/m，圆形抗滑桩具有很好的合理性和适宜性(图4)。

图4 桩体结构内力分析图(18 m桩长)

因本工点为在役高速应急抢险工程，及时采取单向通行方式，除采用主体防护措施外，施工过程中涉及到现场临时或永久占用土地、交通组织、交安工程等其它问题或调整、变化，故采用动态设计。

具体处治措施和施工工序如下：

(1) 跳槽施工路堤圆形抗滑桩。直径2.0 mC30混凝土圆截面桩体，路堤桩板墙形式，锚固段为稳固强-中风化层粉砂质泥岩地层，受荷段以下采用水下混凝土，桩间距5 m，以非均布配筋方式(圆截面梁受压区 180°范围与受拉局部 145°范围)改善其桩体正截面承载力受力性状。桩型分3种，计19根。其中桩长14 m 6根，桩长18 m 7根，桩长16 m6根。现浇内挂挡土板形式，厚0.4 m(图5)。

图5 综合治理典型横断面图

(2) 自上而下开挖桩后路堤部分土体，并开挖宽大台阶，开挖后至回填前对侧运营车道禁大货车通行。

(3) 因工点附近砂砾石料较易获取，运距短，且透水性好，待路堤桩板墙桩体到达设计强度后及时回填桩后砂砾石。路面结构层以下增设土工格栅形成加筋路堤，柔性筋材受拉材料可有效约束侧向变形，以防新老路堤填筑衔接处固结期无法保证而产生不均匀沉降与开裂变形。

(4) 铺筑碎石垫层及路面结构层。因附近水稳层较难找到，且工点用量少，用40 cm厚素混凝土替代，但需提前拉毛并刷涂粘层油后再行施工路面面层。此外，路面结构层应与两侧原有路面植筋搭接，并纵向锯缝采用沥青充填。

(5) 最后疏通区域范围内排水体系，对道路两侧已损毁截、排水沟进行修补、恢复。在填方路堤边坡施作菱形网格护坡，并植草防护，同时恢复相应标志、标牌、标线等交安工程。

圆形抗滑桩施工仅用一个月即恢复高速双向正常通行，时效性较强。经完工后两年多时间，特别是2020年场区内大范围、高强度降雨过程考验，路堤现状稳定，未见变形位移和不均匀沉降现象，坡体未出现隆起和裂缝，圆形抗滑桩支挡稳固，表明所采取的工程措施合理可靠，社会效益较好，为类似在役高速路堤滑坡综合治理提供参考借鉴。

5 路堤滑坡应急保通与处治理论框架

以上所述，与一般滑坡治理不同，成绵复线高速路堤滑坡抢险过程中需全过程考虑通车运营和复杂水文条件、施工环境与施工工艺等，基于此，对在役高速保通条件下的路堤滑坡病害应急保通和处治思路与理论框架加以提炼、探讨和总结，形成基于过程控制的动态设计方法和防控体系(图6)，使工程设计更具合理性和最优化，以期为工程决策和统筹管理提供科学有效的服务。

图6 在役高速病害应急处治框架与决策支持系统模型图

地质病害体形成和外在表现形式受多种复杂要素影响，具有明显“地质过程控制”特性，其数学-力学稳定分析归根结底也是“变形稳定体”问题，多表现出动态演化的时空效应。以边坡地质结构和变形破坏迹象精细描述等为基础的灾害场景体系为地质病害体分析的关键内因，也是灾害成生机理、设计参数选取、地质计算模型建构及量化评价结果准确与否的基础支撑，特别对已经过人工剧烈改造的在役高速公路项目。工程施工扰动下，岩土体发生被动适应性调整变化，常表现滞后破坏特征，施工机具与施工工艺、工序等亦是工程抢险方案选择和适宜性评价的重要考虑因素。

不同于以往主要依靠施工现场查看和经验判断，施工过程是动态的，地质改造和力学状态动态调整过程的内外应力环境和位移变化等实时监控量测，应力强度理论和变形监测数据相结合，其多源信息获取和感知系统、数据处理技术及大数据可视化呈现，直接影响到治理效果评析的精准和针对性，故监控信息反馈的实时性、可靠性和准确性既是工程场地地质体与工程结构相互作用“原位模型试验”的真实体现，更是基于过程控制动态设计方法和安全防控理论体系的核心。而及时有效、合理的早期预警机制和防灾备灾系统则是病害抢险工程的物资和组织、后勤保障。