轨道交通停车场超高山体边坡工程设计与实践

2021-08-19宋克英薛润坤

岩土工程技术 2021年4期

宋克英张启薛润坤

（1.北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101；2.城市轨道交通深基坑岩土工程北京市重点实验室，北京 100101）

0 引言

我国山脉绵延分布，边坡是一种常见的地表形态。在经济建设的过程中，产生经人工挖、填的土工建筑边坡不可避免[1−2]。

边坡上的部分岩体或土体在自然或人为因素的影响下，沿某一明显界面发生剪切破坏向坡下运动的现象称为滑坡或边坡破坏。边坡一旦失稳破坏，其产生的灾害将非常严重[3−4]。小型边坡失稳破坏，可能导致大量人员伤亡；中型边坡失稳破坏，可能危及城镇中居民、建筑、道路等安全；大型边坡失稳破坏，其后果更不堪设想。许多地质灾害如滑坡、危岩崩塌均与边坡有密切关系。

边坡的稳定性是高速公路、铁路、机场、高层建筑深基坑开挖以及露天矿坑和土坝等土工工程建设中十分重要的问题[5−6]。国内外学者对此进行了大量研究，如：Chen 等[7]总结并分析容许安全系数设计（ASFD）、极限状态设计（LSD）和BTD 等可应用到边坡工程中的可靠性分析方法；Li 等[8]将离散元应用在高堆石边坡中，具有良好的成果；目前国内边坡工程中常用信息化[9]和动态化设计[10−12]，支护的方法有放坡、锚杆、锚杆挡墙、岩石锚喷、锚索框架梁、重力式挡墙、悬臂式挡墙和扶壁式挡墙、桩板式挡墙（抗滑桩）[1,13]等。

本文在前人研究的基础上，立足城市轨道交通边坡工程项目，边坡方案考虑与龙城公园现状景观相协调，避免较大的劈山、削坡，根据地层和环境条件，提出了“强桩弱锚”+锚杆格构梁的支护方案。设计过程中验算了边坡开挖临时工况和暴雨工况下的安全性。结合施工过程中的监测数据和出现的问题，采用动态化设计。

1 工程概况

1.1 拟建建筑物概况

龙城公园位于深圳龙岗中心区域，占地189 公顷，地形地貌为山地丘陵，某停车场基地位于龙城公园西南部艺术谷范围内，是公园重要的南入口空间。本项目为地下停车场，埋深约13 m，停车场与边坡支护结构相分离。其地理位置如图1所示。

图1 某停车场地理位置图

1.2 场坪高程及周边环境条件

某停车场在龙城公园内自东南向西北方向布设，地形起伏较大，三面环山，一面临路，周边环境条件简单。南、北两侧山体现状高程为80～120 m；西侧紧临公园路，道路路面高程41～44 m；东侧现状为低洼池塘，现状高程46～52 m。

结合防洪水位、线路坡度、上盖景观、土石方尽量小等相关要求，停车场场坪高程设置为43.5 m，北侧边坡高达40 m，南侧边坡高达55.0 m。

1.3 场地工程地质及水文地质

边坡地层为全新统人工填土层、全新统冲洪积层、残积层，下伏基岩为白垩系燕山四期花岗岩、下石炭统石蹬子组灰岩和测水组砂岩，其中以强风化砂岩为主。强风化岩体呈土状−碎块状结构，其结构面杂乱无序，不存在优势结构面，破坏模式与土质边坡相似，圆弧型滑动一般发生在强风化岩体的内部，由于各分区边坡强风化层厚度较大，因此主要可能产生层间圆弧滑动，局部中等风化埋藏相对较浅的部位可能影响圆弧面的形态，但由于中等风化大部分埋藏较深，且顶面不规则，一般不会沿中等风化顶面滑动。

拟设计边坡场地范围内以基岩裂隙水为主。基岩裂隙水主要赋存于碎块状强风化、中等风化花岗岩及碎块状强风化、中等风化砂岩中。含水层厚度变化较大，碎块状强风化、中等风化花岗岩层中，水量稍丰富。透水性和富水性因基岩裂隙发育程度、贯通度、地形条件以及与地表水源的连通性等情况而变化，主要由大气降水、松散岩类孔隙水补给，以侧向径流、人工开采方式排泄。勘察期间测得稳定水位埋深0.60～55.15 m，稳定水位高程48.2～64.5 m，根据地区经验地下水位的年平均变化幅度为0.5～2.0 m。典型地质剖面图如图2所示。

图2 某停车场边坡典型地质剖面图

2 风化岩（土）边坡变形破坏类型

风化岩（土）边坡，即边坡主体由全强风化土层或砂土状强风化组成，根据其坡体岩土不同风化程度，可以分为三种地质模式。

（1）模式A

边坡开挖切削岩层风化壳，一般为全强风化土层，经常发生风化壳土层依附其下伏相对风化轻微岩层表面的滑动变形和破坏。这种情况，在花岗岩地区或凝灰岩地区较为常见。特别是在花岗岩地区，由于不均匀风化强烈，球状风化或壳状风化发育，其风化物的透水性一般较好，在地表水渗透的情况下，不均匀风化界面容易形成地下水和黏性物质的聚集，在特定的形态组合下产生变形和破坏（见图3）。

图3 风化岩（土）边坡工程地质模式A

（2）模式B

边坡主体由坡残积层及风化层组成，甚至局部夹强风化至中等风化岩体，由于地质构造作用和影响，常见一些强烈风化软弱带，如果其产状倾向坡面，在边坡开挖切削坡角支撑并致使其软弱带临空暴露的情况下，极易产生上覆风化岩土体沿其下伏基岩面产生较大规模的滑动变形和破坏（见图4）。

图4 风化岩（土）边坡工程地质模式B

（3）模式C

边坡土体由坡残积土层及砂土状强风化层组成，由于其原岩结构面发育，常见一组或多组陡倾角和缓倾角的长大贯通，并存在倾向临空的缓倾角结构面，在各不利结构面作用下，经常发生陡缓裂面切割块体沿其下伏缓倾角裂面的变形和破坏（见图5）。

图5 风化岩（土）边坡工程地质模式C

3 边坡支护设计

3.1 边坡支护设计方案

边坡支护工程在安全可靠的基础上，综合考虑场外排水系统、景观要求，同时尽可能减少对既有山体破坏，确定超高边坡支护设计方案[14−16]。

超高边坡南侧典型剖面坡顶高程98.5 m，场坪设计高程43.5 m，边坡高达55 m（见图6）。拟建停车场上盖覆土后高程53 m，边坡支挡结构与停车场主体结构距离约4 m。为确保上盖景观与公园景观的流畅衔接，同时保证边坡的安全稳定，边坡支护下部采用排桩锚杆挡墙支挡结构，上部采用分级放坡开挖锚杆格构梁的支护体系。边坡典型剖面设计参数如下。

图6 超高边坡南侧典型剖面图

（1）边坡下部直立段排桩锚杆挡墙

桩长21 m，嵌固深度11 m，桩径2 m，桩间距2.5 m；3 道预应力桩上锚索，锚索水平间距2.5 m，锚固体直径150 mm，均采用1860 级15.2 mm 钢绞线，锚索设计参数见表1，桩前设置300 mm 厚挡土板，预留泄水孔。

表1 南侧边坡典型剖面锚索参数表

（2）边坡上部缓坡开挖

每级边坡坡高10 m，设置分级3 m 宽平台，下三级边坡坡率1∶1.25，上两级边坡坡率1∶1.5；坡面采用3 m×3 m 的菱形格构梁，构造锚杆长8 m，间距6 m；格构梁内喷混植生，客土喷播复绿（见图7）。

图7 边坡复绿景观效果鸟瞰图

3.2 设计验算

本工程设计使用年限为50年，边坡安全等级为一级，边坡支护结构采用以分项系数表示的极限状态设计法：

边坡支护结构采用平面应变分析，先采用理正岩土边坡稳定性分析模块计算上部边坡稳定性，再用理正深基坑模拟施工开挖工况，最后采用理正岩土建坡挡土墙模块，对支护结构体系进行一般工况和地震工况下的稳定性验算。

边坡变形标准控制：支护结构坡顶最大水平位移≤边坡开挖高度的1/500 或20 mm。

（1）上部缓坡稳定性验算

采用圆弧滑动法计算支挡结构上部边坡稳定性。孔隙水压力采用静水压力近似计算，不考虑渗透力作用；地震烈度为7 度，水平地震系数0.10，地震力作用位置为质心处。

经计算，一般工况下边坡稳定安全系数Ks=1.525>1.35，地震工况下边坡稳定安全系数Ks=1.431>1.15。

（2）边坡开挖工况模拟

荷载分项系数按《建筑结构荷载规范》（GB 50009）规定取值，对于永久荷载控制的基本组合，分项系数取1.35。边坡开挖不利工况包络图见图8。

图8 边坡开挖不利工况包络图

边坡支护结构坡顶计算最大水平位移为9.27 mm<20 mm，整体稳定安全系数Ks=1.422>1.35。

（3）不同工况下的稳定性验算

一般工况下，各荷载分项系数均取1.35；地震工况下，地震作用荷载分项系数取1.30。地震烈度为7 度，水平地震系数0.10，水上地震角为1.5 度，水下地震角为2.5 度，孔隙水压力采用静水压力近似计算，不考虑渗透力作用。计算结果见表2。

表2 不同工况下边坡稳定安全系数计算表

4 动态设计

（1）处理局部坍塌

上部缓坡坡体范围内主要为碎块状强风化砂岩，在削坡开挖过程中，局部揭露一层黑色黏性土层，且由于连续降雨导致遇水软化后局部坍塌。经与勘察单位核实，局部坍塌区域土呈黑灰色，泥质结构，层状构造，主要成份为黏土矿物地层，经判定为强风化炭质页岩。为避免坍塌进一步扩大，在连续降雨期间采用防水彩条布对边坡坡面进行覆盖防水，待降雨停止适当晒干后，降低局部边坡坡率，挖出坍塌区域土体，采用C15 素混凝土回填后及时施作格构梁锚杆。

（2）调整嵌固深度

排桩锚杆挡墙设计采用直径2 m 的灌注桩，桩长21 m，嵌固段长11 m。局部灌注桩施工至19～20 m 时，旋挖机出现施工困难、钻进速率明显减缓甚至无法钻进。设计方收到信息反馈后，要求施工方利用大直径旋挖机取出该深度岩样与邻近勘察钻孔同一深度下岩芯样本进行比较。经核实，当前旋挖钻孔施工深度范围内岩层呈灰色，岩芯采取率较高，经判定为中等风化砂岩。设计人员及时调整原设计模型及输入参数进行重新计算，验算结果表明，当嵌固段进入中等风化砂岩0.5 m 时，其稳定性、位移等计算结果均已满足规范要求，因此将嵌固深度由11 m 调整为进入中等风化砂岩层0.5 m。

（3）对周边环境的应急响应

停车场出入线明挖段利用边坡支护桩兼作临时桩撑体系，第一道钢筋混凝土内支撑的设计轴力为729 kN。在明挖段开挖至基底时，靠近边坡支护桩的第一道钢筋混凝土内支撑轴力监测值为4000 kN，远远超过设计值，监测单位根据三级预警体系进行了报警。而该区域边坡支护桩桩顶水平位移、沉降以及其他内支撑轴力监测均未出现异常。勘察单位已确认现场揭露地层与勘察报告一致，不存在软弱土层区域。

经现场踏勘，发现边坡支护桩桩上锚索未能及时施作导致超挖是产生内支撑轴力过大的根本原因。为避免内支撑轴力进一步扩大导致更严重的后果，设计方要求施工单位对该区域进行回填，及时施作锚索并完成张拉后再按要求开挖。当完成第三排锚索的张拉锁定后，内支撑轴力趋于稳定。

5 边坡监测数据

龙城公园停车场南侧超高边坡自2019年6月10日开始施工，施工过程中对高边坡支护结构的水平位移、沉降进行实时监测。目前龙城公园南侧超高边坡已经完成开挖施工，监测成果见图9、图10。由监测成果可知，边坡累计水平位移最大值为10.2 mm，支护桩深层水平位移最大值约为4.4 mm，水平位移变化趋于稳定，且小于规范或设计要求值。