高速公路既有高边坡拓宽开挖稳定性及加固方案优化分析

孙冬爽

（中交远洲交通科技集团有限公司，河北 石家庄 050000）

0 引言

边坡失稳是高速公路建设与运营中常见的一类地质灾害。其中，高边坡因为受土壤地质、水文特点、地形地貌等各类因素的影响，出现滑塌的概率更高、危害后果也更为严重。高边坡高速公路在后期的改建、扩建施工中，需要对边坡进行二次开挖或回填，为了保证作业安全和施工效率，必须开展高边坡拓宽开挖的稳定性分析，并采取相应的加固措施，维护坡体稳定，防止出现滑塌现象。因此，在高速公路的新建、改建等工程中，开挖高边坡之前要深入开展地质调研和稳定性分析，在此基础上确定高边坡的加固方案，为后续的拓宽开挖作业提供指导，保证现场作业人员和高速公路工程的安全性。

1 工程概况

某高速公路于2014 年建设完成并投入运行，但随着地区经济发展和车流量的增大，道路通行效率明显下降。为进一步提高道路通行能力，需要将原来的双向四车道扩建为双向八车道（以下简称“四扩八”）。扩建后高速公路设计速度为120km/h，采用分离式路基，每幅宽度为21.0m。经过沿线地质勘测，K1+200—K5+500段穿过山区，区内V 形谷发育，地势变化较大，坡面最大坡度达62°，右侧边坡最大高度达60.7m，属于典型的高边坡路段。另外，该路段所在地区夏季雨水较为集中，加上高边坡植被稀疏，边坡稳定性较差。因此在该公路工程的高边坡拓宽开挖过程中，做好边坡加固尤为重要。

2 高边坡拓宽开挖稳定性分析

2.1 高边坡稳定性原理

现阶段常用的边坡稳定性分析方法有多种，本文以极限平衡法为例对该工程的高边坡稳定性展开分析。其原理为：当高边坡内部出现不稳定滑动面时，覆盖在滑动面上的岩土体服从破坏条件，利用静力平衡分析形成的滑动隔离体得出破坏荷载。在该破坏荷载以内，即可维持高边坡稳定。根据滑动形式的不同，又可以将滑动面分成圆弧滑动、平面滑动、不规则曲面滑动等若干类型。假设高边坡的稳定安全系数为K，当边坡土体的抗剪参数降低K倍后，边坡达到即将滑塌的临界状态，此状态即为极限平衡状态，此时K可通过下式计算得出：

式（1）中：C 和φ 分别为岩土的黏聚力（kPa）和内摩擦角（°），两者共同决定岩土的抗剪强度；b 为土条宽度（m）；W 为土条重力（kN）；θ 为某个土条中点处切线与水平线的夹角（°）。

通过式（1）可计算得出维持高边坡稳定的最佳安全系数，在此基础上进行加固设计，保障边坡防护等级达标，切实保障工程建设安全。

2.2 拓宽开挖方案比选

在高速公路“四扩八”施工中，常用的高边坡拓宽开挖方式有2种：一是坡脚变陡加宽（见图1（a）），即维持边坡顶部开挖面位置不变，以梯形的形式加宽边坡下部，且越靠近边坡底部坡度越大；二是整体开挖加宽（见图1（b）），即维持边坡坡度不变，将整个边坡进行开挖以加宽路基。两种拓宽开挖方案各有优势，前者适用于既有高边坡的坡度比较平缓、边坡土体稳定性良好的情况。在满足拓宽开挖稳定性要求的基础上，能够减少施工量，节约成本；后者则适用于既有高边坡坡度较大、坡面土体稳定性较差的情况，通过整体削坡的方式，降低上部土体对坡脚产生的压力，再辅以坡脚支护，可显著提高边坡稳定性。结合该高速公路的地质条件，综合对比现场施工环境、技术实用性后，决定选择第二种拓宽开挖方案。

图1 两种边坡拓宽开挖方案

2.3 边坡二次开挖稳定性分析

2.3.1 不拆除原支护直接开挖

每拆挖一级防护，进行一阶开挖，开挖完毕后立即进行边坡支护。按照“拆除-开挖-支护”的顺序，自上而下依次完成高边坡的拓宽开挖。整个高边坡共设6级防护，开挖顺序以及边坡下滑力、抗滑力和安全系数如表1所示。

表1 拆挖结合施工下边坡受力情况及安全系数

结合表1数据，在既有高边坡拓宽开挖时，不拆除原来的支护，有助于维持边坡岩土在拓宽开挖期间的稳定性。在逐级开挖时，由于使用了配套的支护措施，使得边坡安全系数也呈现出整体提升的趋势，对进一步保障高边坡的稳定性与安全性发挥了积极作用。另外，从坡顶自上而下进行削坡处理，减轻了上部土体因为自重产生的垂直压力，也有助于增强边坡安全系数。从第五级向第四级开挖，以及从第二级向第一级开挖时，由于此处坡体比较陡峭，挖掉之后安全系数分别提升了0.061和0.067，说明开挖处理后高边坡稳定性得到了显著提升。

2.3.2 拆除全部支护后开挖

将既有高边坡支护全部拆除后，现场勘测并计算其稳定性，然后再进行逐级开挖，并在开挖过程中重新采取支护措施，以保证作业安全和边坡稳定。拆除防护以及分级开挖和完全支护后的边坡下滑力、抗滑力以及安全系数如表2所示。

表2 先拆后挖施工下边坡受力情况及安全系数

结合表2数据，在既有高边坡的各类防护完全拆除以后，安全系数仅为1.003，达到最低值，说明原有防护在稳定边坡方面仍然发挥了一定作用。在没有任何防护的情况下，随着开挖作业的不断进行，边坡下滑力和抗滑力也呈现出整体升高的趋势。这是因为逐级开挖后，越靠近坡脚位置的边坡岩土，承受的上部土体压力越大。在第一级开挖完毕后，重新进行支护，最终安全系数达到了1.130，高边坡稳定性良好。需要注意的是，在第三级向第二级开挖时，出现了安全系数降低的情况，分析其原因认为是此处有较多的岩石，挖除以后形成凹陷，导致稳定性下降。

3 高边坡拓宽开挖过程中的加固方案优化

3.1 锚杆长度选择

在高边坡加固中，锚杆支护加固法操作简便且实用性良好，其中锚杆长度对加固效果有直接影响。理论上来说，锚杆长度越大，插入土体越深，则加固效果越好，但在实际施工中还需要考虑土层厚度和材料成本等因素。在本次工程中，边坡最大高度达60.7m，为了选择最佳长度的锚杆，分别挑选了10.5m, 17.5m,24.5m, 31.5m 和38.5m 共5 种不同长度的锚杆，对边坡稳定性的影响结果分别如表3所示。

表3 不同长度锚杆的安全系数对比

根据表3 可知，锚杆长度与安全系数成正比关系。锚杆从10.5m 增加至38.5m 后，其安全系数也从最初的1.063 升高至1.328，可以发现38.5m 的锚杆对于高边坡的支护加固效果更为理想。需要注意的是，在锚杆长度从10.5m 增加至17.5m 时，安全系数增幅为14.2%；从17.5m 增加至24.5m 时，安全系数增幅为8.73%。随着锚杆长度的继续增加，安全系数的增长趋势不明显，因此，对比来看选择24.5m 的锚杆可以在加固效果和经济成本之间达到最佳。

3.2 锚固角的优化

锚固角是锚杆与坡面之间的角度，在同一坡面的相同位置分别以不同角度插入相同类型的锚杆，测得其安全系数。假设A为高边坡坡面上的一个定点，坡面到滑动面的垂直距离为AB，通过调整锚固角，锚头在滑动面上的位置不断改变，分别为A1, A2, …, An，其中必然存在一个最佳锚固角，记为AC，如图2所示。

图2 最佳锚固角确定示意图

图2 中，α 为坡面倾角；β 被滑动面倾角；δ 水平面与AC 夹角；λ 为滑动面与AC 夹角。试验表明，当锚固角在30°以内时，随着角度的增加，安全系数也同步升高，在30°时有最大值，此时安全系数为1.134；但当锚固角超过30°后，随着角度增加，安全系数开始降低，在60°时仅为1.046。因此，本次工程的锚杆支护加固中，将锚固角设定为30°。

3.3 锚杆间距优化

施工经验表明，锚杆排布过于密集或过于稀疏，都会影响加固效果。为达到最理想的加固效果，对锚杆距离进行调整（锚杆间距调整=H·V·S），对比不同间距下的安全系数，如表4所示。

表4 不同的锚杆间距组合

按照上述间距组合进行稳定性试验，试验数据表明水平间距和垂直间距的调整对于安全系数的影响并不明显。例如，将水平间距1.8×2.4×1.2m调整为2.4×2.4×1.2m后，安全系数不变，均为1.106。但第一排锚杆与开挖顶面距离的调整，对安全系数的影响十分明显。因此本工程中锚杆间距宜设定为2.4×2.4×1.2m。

4 结语

高速公路改建、扩建施工中，对于高边坡的拓宽开挖，边坡稳定性是施工安全和施工效益的主要影响因素。通过合理选择开挖作业方式，以及在开挖过程中选择锚杆支护加固，能够有效保证边坡稳定。其中，锚杆长度、插入角度及间隔距离等对支护加固效果的影响显著，在实际施工中应结合现场情况而定，以保障高边坡拓宽开挖作业的顺利开展。