山区铁路路堑边坡滑塌整治技术研究

董艳辉

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600)

1 引言

随着铁路网的建设，铁路已逐步延伸入山区，山区铁路的建设为人们出行和经济发展提供了重要的交通工具。在山区铁路工程中多以路堑形式通过，路堑边坡的稳定是路基设计的重点，但是受地质条件、水的下渗、冻融作用、人为影响等，施工期间和铁路运营期间路堑边坡常出现滑塌现象[1－3]。对于滑塌的路堑边坡一般采用削坡减载、加固、引排水等措施进行治理[4－6]，以达到稳定路堑边坡的效果，整治方案应根据工程情况具体分析。本文以某铁路路堑边坡滑塌治理工程为例，探究边坡滑塌原因，并制定相应的整治方案[7－9]。

2 工程背景

2.1 工程与水文地质条件

项目所在区域地层岩性主要为第四系上更新统坡、洪积层粉质黏土、碎石土，下伏太古界赞皇群石家栏组黑云斜长片麻岩。粉质黏土厚度为1～2 m，成分为砂岩和片麻岩等；碎石土厚度为5～20 m，颗粒成分以石英、黑云斜长片麻岩为主；黑云斜长片麻岩全风化层厚度约19 m，强风化层厚度约1～3 m，弱风化层节理裂隙较发育。

工程区域地下水类型主要为第四系孔隙潜水、基岩裂隙水。第四系孔隙潜水主要分布于碎石土土层中，随季节性变化，主要接受大气降水及地表水补给，沿坡面向低洼处排泄，形成地表径流，局部渗入到土体内部。基岩裂隙水主要以风化裂隙水为主，多赋存于黑云斜长片麻岩等风化裂隙中，水量较小。

2.2 项目概况

发生滑塌段原设计铁路路堑左侧边坡高为32 m，边坡最下部采用Ⅰ、Ⅱ型两种桩板墙加固，Ⅰ型桩桩长25～26 m，悬臂端长11～12 m；Ⅱ型桩桩长20～22 m，悬臂端长8～10 m。桩板墙前后边坡较矮段设重力式路堑挡土墙，墙高3.0～8.0 m。边坡较高段一、二级边坡采用框架锚杆，其余边坡采用骨架护坡。

2017年10月，桩板墙、挡墙顶上部的边坡滑塌，设计单位对现场进行补充勘探揭示中部粉质黏土层处于饱水状态。经分析，路堑开挖后，2017年9月至10月邢台地区连续降雨，持续降雨最长达一周之多，致使上部松散土层受连续降雨影响处于饱水状态，开挖边坡后土体中地下水不断沿碎石土与粉质黏土交界面排出，土体软化，强度急剧降低，路堑边坡开挖后破坏了山体原有的力学平衡状态，在卸荷和地下水作用的影响下，形成沿碎石土与粉质黏土交界的软弱滑动面(软弱面倾向线路侧)，导致路堑边坡发生滑移。

设计根据现场情况对现场工程进行加固，于路堑边坡中后缘(框架锚杆上方)增设一排37根共3种桩型埋入式抗滑桩，桩长9～28 m，并在原桩板墙、挡墙顶及碎石土与粉质黏土分界面分别设置一排仰斜式排水孔。

2021年7月抗滑桩桩体、挡墙、骨架和框架梁陆续完成施工，10月发现左侧边坡局部发生开裂变形，主要位于边坡中上部埋入式抗滑桩与最下部桩板墙间(见图1)，边坡最下部挡墙墙顶向外推移(见图2)。边坡中上部埋入式抗滑桩以上边坡未发现变形和开裂的现象。

3 原因分析

路堑边坡发生滑塌后，当地村民仍在堑顶耕种，进行生产灌溉且2021年7月至9月降雨较往年频繁，而后续增设的边坡及加固措施施工不及时；通过对现场调查发现，已实施完成的边坡仰斜式排水孔少见或未见施工，碎石土层的含水量变大且长期处于饱水状态，岩土体松软，(雨)水下渗无法快速引排出，土层被多次扰动，造成滑面下移；框架梁等的施工也增加了变形土体的重量。

综上所述，滑面下移、饱水层加厚造成土体容重加大，且有边坡防护荷载等因素影响，对边坡最下部的桩板墙与挡土墙的剪力增大，造成边坡及挡墙变形。

4 稳定性分析及加固整治

4.1 边坡稳定性分析

路堑滑移变形曾发生多次牵引式滑动，经现场调查，主要存在两个滑动面:滑面①位于埋入式抗滑桩至挡墙或桩板墙顶的边坡坡脚处；滑面②位于埋入式抗滑桩前至挡墙顶以下1～2 m处(见图3)。

图3 滑面①、滑面②示意

根据现场路堑边坡鼓胀滑移、挡墙出现外倾开裂变形特征及其所发生阶段与发展趋势，并结合滑动体的岩土体性质、滑动面位置与形态等，通过反算法、工程经验类比法确定滑动面合适的抗剪强度指标C、Ф。

滑面①:因中上部埋入式抗滑桩至挡墙或桩板墙顶以上边坡出现鼓胀、开裂、滑移，表明已发生边坡变形失稳，故设定滑面①的安全系数k1＝0.95，滑面黏聚力c＝5 kPa，γ＝19 kN/m3，通过反算法得出滑面①内摩擦角φ＝14.84°。

滑面②:因挡墙出现外倾、局部出现裂缝，表明挡墙尚处于极限平稳状态，故设定滑面②安全系数k2＝1.0，滑面黏聚力c＝5 kPa，γ＝19 kN/m3，通过反算法得出滑面②内摩擦角φ＝16.13°。

从滑面①、②的反算结果可知，滑动面的强度指标滑面①较滑面②稍低，以滑面①的强度指标为主并结合类似工程经验综合考虑，本工点取值c＝5 kPa、φ＝15°。

对抗滑桩前边坡采用减载处理，考虑雨水继续下渗，滑动面可能存在向下发展趋势，对滑面③及滑面④在最不利情况下进行稳定性分析，见图4。

图4 加固整治方案的滑面③、④检算断面

原设计挡墙墙背库伦主动土压力Ea＝171 kN，水平分力Ex＝170 kN，竖向分力Ey＝18 kN。采用Janbu、Morgenstern-Price两种计算方法，计算塌滑体减载后最不利情况下沿滑面③、滑面④的路堑边坡整体稳定性:

滑面③:经计算剩余下滑力F2＝275 kN，大于前述计算的挡墙背库仑土压力Ea＝171 kN及其水平分力Ex＝170 kN，故挡墙背土压力以滑面③的剩余下滑力控制。

滑面④:若不考虑抗滑桩的抗滑作用，路堑边坡整体稳定安全系数K＝1.70>1.25(见图5)，剩余下滑力F3＝31.48 kN，小于前述计算的挡墙背库仑土压力Ea＝171 kN及其水平分力Ex＝170 kN；若考虑抗滑桩的抗滑作用，则K＝2.49，远小于1.25(见图6)，剩余下滑力F3＝0 kN。

图5 滑面④未设置抗滑桩时整体稳定性

图6 滑面④设置抗滑桩后整体稳定性

计算可知，路堑边坡塌滑体减载后沿滑面④在最不利情况下整体处于稳定状态，沿滑面①最不利情况下主要控制路堑边坡整体与挡墙的稳定性。

4.2 挡墙稳定性分析

在墙背剩余下滑力F1＝275 kN的情况下，验算原设计挡墙的抗滑动、抗倾覆能力(见图7)。

图7 加固前挡墙受力分析

(1)抗滑稳定性计算

挡墙抗滑动安全系数:

经验算:滑移力T＝207.96 kN，抗滑力R＝120.77 kN，Kc＝0.58<1.30，故挡墙的抗滑稳定性不满足要求。

(2)抗倾覆稳定性计算

挡墙抗倾覆安全系数:

经验算:挡墙的倾覆力矩M0＝731.58 kN·m，抗倾覆力矩My＝767.41 kN·m，则K′0＝1.05 远小于 1.6，故挡墙抗倾覆稳定性不满足要求。

因此，受滑面③最不利情况下原设计挡墙自身难以抵抗其下滑力，边坡稳定性及挡墙稳定性严重不足。为保证路基工程的长期稳定与运营安全，故尚须采取综合补强加固整治措施。

4.3 挡墙补强加固计算

鉴于原设计边坡稳定性及挡墙在滑面③最不利情况下的稳定性存在不足，需对挡墙进行补强。由于锚杆工程具有易施工、造价低、工作面小的特征，被广泛应用于铁路[10]、公路[11－12]等工程中挡墙的加固，因此本工程拟增设锚杆提供抗力，来补充挡墙的欠稳定力，与挡墙共同作用抵抗剩余下滑力，满足规范要求的挡墙抗滑、抗倾覆稳定的最小安全系数Kc不小于1.3、K0不小于1.6。

(1)抗滑稳定性计算

为满足挡墙抗滑动安全系数K′c≥1.3，计算补强锚杆加固提供的总抗力N(见图8)。

图8 加固后挡墙受力分析

得:N≥105 kN。

(2)抗倾覆稳定性计算

为满足加固后挡墙的抗倾覆安全系数K0≥1.6，假定补强锚杆加固需提供的总抗倾覆力矩为M1，则锚杆对挡墙加固后抗倾覆安全系数，经计算得出需锚杆提供的抗倾覆力矩M1≥401 kN·m。

(3)补强锚杆设计与计算

假定挡墙上增设二排锚杆，上排锚杆距墙顶1.5 m，下排锚杆距墙顶5.0 m，每排纵向间距为2 m，锚杆倾角β＝20°，锚杆与滑动面相交处的滑动面倾角α＝5°，滑面内摩擦角φ＝15°。

①满足挡墙抗滑动稳定性要求时，按补强锚杆加固需提供总抗力N≥105 kN，则需每孔锚杆加固提供抗力Nt1＝N×2/2＝105 kN。

②满足挡墙的抗倾覆稳定性要求时，按锚杆加固需提供的总抗倾覆力矩M1≥401 kN·m以及锚杆布置形式，则需每孔锚杆加固提供抗力的水平分力Nt2＝2M1/[cosβ×(Z1x＋Z2x)＋sinβ×(Z1y＋Z2y)]＝80 kN。

③补强锚杆计算

综上分析，比较Nt1、Nt2大小，取两者最大值即Nt＝105 kN。

锚孔孔径D＝130 mm，锚杆直径d＝28 mm，则每锚孔内锚杆的设置根数n＝2。

锚固长度计算:通过对比锚孔壁与锚固体间抗剪强度、锚杆钢筋与锚固体间粘结强度计算结果，锚杆锚固段长度采用8 m。

根据以上分析结果，对既有挡墙墙面增设框架梁锚杆加固，同时增设排水孔，并于边坡平台设置支撑渗沟以促进排水。目前加固工程已完成施工，边坡鼓胀及挡墙开裂处未发生新的变形。

5 结束语

水是影响路基边坡稳定的重要因素之一，尤其挖方较大的深路堑，而山区铁路受地形地貌控制，深挖方边坡较多，稍有不慎，极易造成边坡溜塌或工程滑坡。本文结合工程实例，通过理论计算、数值模拟对因土方开挖改变原地下水及地表水的径流方式后失稳边坡进行了深入的研究，得到以下结论:

(1)边坡开挖前，应采取临时截排水措施且边坡开挖后防护应及时跟进，务必做到边开挖边防护，避免开挖坡面长时间裸露，减少地表水下渗。

(2)路堑边坡存在饱水层或局部有地下水外渗时，施工方应高度重视，严格按照设计施工，支撑渗沟、仰斜排水孔等引排水设施应及时施作。

(3)边坡稳定性验算过程中，应采用多种方法进行核验，并对验算结果进行逐层分析，为工程设计提供准确的计算依据。

(4)对已实施的处于欠稳固状态的挡墙，在墙面增设框架梁锚杆进行补强加固，可以提高其抗倾覆、抗滑移能力，阻止墙身变形开裂，加固方式简便、有效，可极大减少对既有边坡工程的再次扰动破坏。