高速公路既有高边坡二次开挖稳定性及施工方法分析

赵志

（广佛高速公路有限公司，广东 广州 510168）

高速公路既有高边坡二次开挖是高速公路道路加宽或者路面改动施工中的一项重要工序，在二次开挖施工过程中由于受到施工条件的影响，其中包括周围岩石应力场影响因素、施工活动等，从而增加了二次开挖施工难度。随着城市建设进程的不断加快，高速公路施工工程量逐渐增多，这对高速公路既有高边坡施工提出了更高的要求，不仅需要具有较高的施工质量和施工效率，还要保证施工安全、有序推进。现有施工方法采取的施工技术和设备比较落后，且施工理念也比较陈旧，在实际施工中会出现支护结构承载性能较差、高边坡失稳等问题，为此，本文针对高速公路既有高边坡施工要求，提出了一套二次开挖稳定性分析和施工方法，为高速公路施工提供了理论依据。

一、高速公路既有高边坡二次开挖稳定性分析

（一）构建高速公路既有高边坡受力模型

在构建高速公路既有高边坡受力模型前，首先要按照通用条分法的基本原理划分高速公路土质边坡，再通过构建既有高边坡受力模型分析边坡的稳定性。根据施工现场的实际情况，将高速公路既有高边坡中失去稳定性的滑动体从左到右划分为x条垂直区域，从中选取第n条进行受力分析。第x条边坡条块的受力分析如图1所示。

图1 第x条边坡条块的受力分析图

图1中，di表示为边坡条块宽度；hg表示为后一边坡条块与该条块的重合范围；Ti表示为边坡斜面长度；ai表示为边坡条块底部坡角；Ui表示为条块底部孔隙水压力；Ni表示为条块底部有效法向力。由于在具体施工的过程中，边坡滑动部位的面积、形状已知，因此划分边坡条块后，条块的底长、宽、中心平均高度、底部坡角等参数均可确定。对于整体高速公路既有高边坡而言，需求解出的未知量为：每条条块的底部切向力及有效法向力；相邻两个条块分界面上的法向条间力和切向条间力。在分析稳定性的过程中，假设每块滑体与整个高速公路既有高边坡的安全稳定系数均相同。

（二）边坡二次开挖极限平衡方程计算

完成构建高速公路既有高边坡受力模型后，根据需要确定在边坡静止状态下，高速公路既有高边坡的极限平衡分析方程。

第x条边坡条块底部切向力方向平衡方程如式（1）所示：

式（1）中，Q表示为边坡水平方向地震力，其他物理量与图1相符。为方便后续分析出高速公路既有高边坡的稳定性，按照常用思维逻辑简化假定。

定义1：简化后的假定应满足高速公路既有高边坡的力学特征和施工过程中的合理要求，通过上述方式划分多条边坡条块，当每条边坡条块垂直方向上的安全稳定系数大于划分条块的侧面剪应力时，边坡侧面未达到极限平衡状态。

定义2：根据Tresca屈服准则和Mises屈服准则，当边坡抗剪强度指标降低到与安全系数相同数值的倍数后，边坡会逐渐达到极限平衡状态。

定义3：考虑到边坡约束条件，当边坡条块的宽度足够小时，边坡端点两侧作用力的合力平行于该条块顶点位置。

对于已知的边坡滑动面，条块侧面的剪切力与法向力均在土质边坡的破坏强度线以下的应力圆上。因此，高速公路既有高边坡中条块之间的相互作用力存在相互影响。根据边坡侧边的力矩平衡要求得出回力平衡限度，通过式（1）计算得出高速公路既有高边坡安全稳定系数，并调整得到最终满足要求的稳定参数数值，从而完成对公路土质边坡稳定性的分析。

二、高速公路既有高边坡二次开挖施工方法

（一）边坡二次开挖整体施工流程设计

将高速公路既有高边坡二次开挖施工看作一个系统工程，通过明确对应的建设管理、勘察设计、施工及监管部门，形成各部门间的高效技术交流通道，以实现信息化的边坡二次开挖整体施工。在具体施工过程中，二次开挖与一次开挖相比对稳定性的要求更高，因此不仅要保障施工安全顺利进行，同时还需要确保施工质量。

具体的信息化边坡二次开挖整体施工流程为：首先，对高速公路既有高边坡二次开挖现场进行地质勘查，勘查过程中应采用现代化防接触勘查手段，防止对边坡结构造成二次破坏。其次，通过勘查结果确定该施工边坡的具体坡体结构特征，并预测其未来可能产生的破坏问题。再次，在明确可能存在的问题后，将其作为基础设计方案，并根据不同结构特点分级、分区域开挖加固施工，实时记录施工过程中产生的钻探信息，为后续确定检测方案提供数据参考。最后，根据检测二级结果确定各等级边坡的稳定性，并将信息反馈到施工方案设计中，再次修改不完善设计内容，按照新的施工方案完成对高速公路既有高边坡二次开挖。

（二）开挖与支护

为避免在高速公路既有高边坡二次开挖处出现沉降方面的质量问题，可在高速公路开挖衔接处铺设道路格栅，以提高施工过程的稳定性。在路基开挖过程中，将旧路基的边坡挖成台阶状，挖除待衔接的道路两边的硬路肩，处理好地下水的渗漏工作后进行排水设施的施工，并将路基顶面延伸到80cm～90cm，完成对高速公路原有路基的预处理。为避免边坡倾斜度对高速公路道路施工工程造成质量问题，在原有路基顶层下15cm～25cm处铺设一层复合型格栅，宽度控制在5.0m～6.0m之间，并且要求每延米的横（道路中车辆行驶正向方向）与纵（垂直道路方向）可承担的最大断裂力可满足20kN／m～60kN／m的要求。考虑到可能受到二次开挖滑坡的影响，应预留约20cm的边坡平台，并将平台设置成大于或等于5.0%的排水坡。

在完成高速公路既有高边坡二次开挖后，结合公路设置的标准化标高计算施工道路的伸长系数，当伸长系数小于0.5时，需要在二次开挖路基60m段处再次铺设一层格栅进行公路施工支护；当伸长系数在0.5～0.8之间时，仅铺设60m段处格栅支护即可；当系数大于0.8时，无需持续铺设土木格栅。

三、结语

为提升高速公路施工的质量与效率，本文开展了高速公路既有高边坡二次开挖稳定性分析，并结合结果调整了高速公路的施工方法。此次课题的研究成果，可以保障施工行为的规范化及施工成果的高质量。因此，在同类型工程施工中扩展应用该施工方法，可以保障道路的施工质量。