山区铁路路基边坡工程防治分区研究

刘亚剑

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司武汉分公司,武汉 430074)

贵州省地形地貌、地质条件复杂,铁路建设过程中,高填方和深路堑边坡时常发生灾变,对人民生命财产构成重大威胁[1-2]。瓮马铁路是一条国铁Ⅱ级单线电气化货运铁路,是贵州省铁路规划网中重要的地方资源外运新通道,同时也是贵州省第一条自建自营的地方货运铁路项目。瓮马铁路南北延伸线马场坪至都匀段上连瓮马铁路和遵义至瓮安铁路,下接黔桂线,正线长39.438km,设站场6处,桥隧比约70%。沿线设路基37段,其中,新建都匀北站DK36+552.34～DK37+430段路基主要为挖方,局部为填方,轴线最大挖深36.3m,右侧最大边坡高65.6m;填方段轴线最大填方高15.0m。由于该段深挖高填,导致其边坡稳定性问题突出。

高边坡稳定性一直都是相关学者研究的重点课题,李隽蓬采用模糊综合评判法进行边坡稳定性分析[3];谢强等发现,铁路边坡开挖将引起坡顶(变坡点)张应力和坡脚剪应力集中,导致边坡破坏[4];钱惠国等发现铁路边坡开挖形成后,受地质和大气环境等因素长期影响,边坡稳定性是一个动态变化过程[5]。因此,应根据边坡工程地质特征,环境影响因素和稳定状态,采取区别对待、分区防治的原则;另外,应根据地质条件的差异和监测反馈的信息及时进行动态设计,指导信息化施工。

1 地质概况

1.1 地形地貌及地层岩性

测区为低山沟谷地貌,地形起伏较大,植被发育。表层为第四系崩坡积黏土、含砾黏土、角砾土、碎石土,局部地段分布残坡积粉质黏土,古崩塌堆积块石土,泥石流堆积块石土及人工堆积素填土;下伏基岩分别为泥盆系上统望城坡组灰岩、白云岩,泥盆系中统独山组灰岩、砂岩,局部夹页岩。

1.2 地质构造及地震动参数

测区位于扬子准地台黔南台陷贵定南北向构造变形区北东部,区内断裂和构造不发育,单斜产状83°～85°∠43°～44°。岩体节理很发育至较发育,岩体极破碎至较完整。地震动峰值加速度为0.05g,地震动反应谱特征周期0.35s,对应抗震设防烈度为Ⅵ度。场地类型为Ⅱ类。

1.3 水文地质条件

测区地表水、地表径流一般发育,受季节影响明显,枯水季节水量较小,汛期地表水、地表径流发育。主要有第四系松散层孔隙水、基岩裂隙水和碳酸盐岩类岩溶水3种地下水类型。

根据地下水试验结果,测段内水质类型为HCO3—Ca2+型,无氯盐侵蚀性,无化学侵蚀性,无盐类结晶破坏作用[6]。

2 不良地质及特殊岩土

2.1 不良地质

根据地质调绘、钻探及物探成果,测区内对路基边坡稳定性影响较大的不良地质体主要为堆积体、泥石流、顺层及不稳定斜坡[7]。

(1)堆积体

对铁路建设有影响的堆积体主要为2处古崩塌和坡积堆积体。DK35+835～DK36+773段堆积体长200～400m,宽938m,厚8～42m;DK36+968～DK37+486段堆积体长160～240m,宽750m,厚5～20m。堆积体现状整体基本稳定,若施工开挖,堆积体易发生失稳,对路线危害较大。

(2)泥石流

测区内发育有2处距铁路较近的泥石流堆积物,DK36+040～DK36+070段泥石流堆积物长150m,宽20～60m,厚1.0～2.0m,体积约9000m3;DK36+500段右侧泥石流堆积物长120m,宽20～30m,厚1.0～2.0m,体积约4000m3。

(3)顺层

DK36+795～DK36+970段边坡长约175m,基岩为灰岩、白云岩,存在软弱夹层,岩层产状85°∠44°,走向与线路夹角为11°,呈小角度斜交,为岩质顺层边坡。边坡开挖后可能发生顺层滑动。

(4)不稳定斜坡

DK37+270～DK37+350段不稳定斜坡位于既有线隧道洞口西侧80m,上覆崩坡积层块石土,厚2.0～7.0m,堆积体长约100m,宽50～80m,厚3.0～8.0m,主要由块石、碎石及黏土组成;下伏基岩为砂岩,强风化层较厚,节理发育,岩体破碎,弱风化层岩体较完整。边坡开挖临空后易发生失稳。

2.2 特殊岩土

测区内特殊岩土主要为膨胀土、软土、松软土及填土。膨胀土分布于DK36+545～DK36+750段,厚3.0～6.0m;软土分布于DK36+750～DK36+800段,厚3.0～5.0m;松软土分布于DK37+100～DK37+500段,厚3.0～5.0m;填土分布于DK35+480～DK35+780段,长280m,宽200m,厚10.0～30.0m。

3 路基工程防治分区

3.1 路基分段特征

根据地质调绘、钻探及物探成果,路基边坡类型可分为土质边坡、岩质边坡及岩土混合边坡。各评价单元的路基类型及边坡基本特征见表1。

表1 路基边坡段落分类统计 m

3.2 推荐岩土体物理力学指标

根据现场勘察及试验成果[8],结合类似工程治理经验,并参照相关规范以及反算结果,推荐物理力学指标见表2。

表2 推荐岩土体物理力学指标参数

3.3 路基边坡稳定性分析

边坡稳定性评价方法主要有定性分析法和定量分析法。其中,定性分析法可分为有过程机制分析法、工程类比法、图解法及岩体质量分级法;定量分析法可分为极限平衡法与数值分析法。定量分析法中,极限平衡法因其物理力学概念清晰,赋予相应的边(滑)坡稳定安全系数标准后进行边(滑)坡稳定分析设计,操作简便,为工程界普遍接受[9-10]。本研究对土质边坡主要采用刚体极限平衡法进行定量分析,采用赤平投影法对岩质边坡进行定性分析[11-12]。

采用刚体极限平衡法计算边坡稳定性时,未考虑动孔隙水压力及静孔隙水压力的作用;降雨对路基稳定性的影响主要体现为增加下滑力和降低抗剪强度,采用勘察成果提供的暴雨工况下的岩土体物理力学指标进行计算;稳定性计算选择的断面应体现区段边坡潜在变形失稳模式、坡度、坡高、地层岩性、坡体结构等特征。

(1)土质边坡

由表1可知,土质边坡共6段,其中挖方边坡和填方边坡各3段。挖方土质边坡开挖临空后极易产生垮塌、滑移失稳;填方路堤若处理不当,易产生变形,侧滑,潜在破坏模式均为弧形滑动。利用Geoslope计算软件计算边坡稳定性系数。天然工况边坡稳定安全系数取1.25,暴雨工况边坡稳定安全系数取1.20。

建模过程中,根据实际工程经验以及研究对象地质情况,计算模型左侧边界至边坡坡脚的距离应≥1.5倍边坡高度,右侧边界至边坡坡顶距离应≥2.5倍边坡高度,模型高度应≥2倍边坡高度,典型断面的地质剖面见图2～图4,模型尺寸见图5～图10。边界条件方面,采用位移边界条件,即模型左右两侧约束X向位移,底部约束X向、Y向位移。

图1 拟建路基全貌

图2 DK36+242地质剖面

图4 DK37+160地质剖面

图5 正常工况 DK36+242稳定性计算结果

图3 DK36+363地质剖面

图6 暴雨工况DK36+242稳定性计算结果

岩土体的重度、黏聚力及内摩擦角取值见表2,弹性模量和泊松比参考规范推荐值和类似工程:块石土弹性模量取0.5GPa,泊松比取0.35;含砾黏土弹性模量取0.3GPa,泊松比取0.35;灰岩弹性模量取10GPa,泊松比取0.3。边坡稳定性计算结果见表3、图5～图10。

图10 暴雨工况 DK37+160稳定性计算结果

表3 土质边坡稳定性计算结果

图7 正常工况 DK36+663稳定性计算结果

图8 暴雨工况DK36+663稳定性计算结果

图9 正常工况 DK37+160稳定性计算结果

(2)岩质边坡

DK36+795～DK36+967段为岩质高边坡,下伏基岩为灰岩,岩层产状83°～85°∠43°～44°,主要发育2组节理(J1:234°∠60°、J2:16°∠60°)。强风化岩体节理裂隙较发育,岩体较破碎;弱风化层岩体较完整,弱风化层结构面结合程度一般。

以DK36+897横断面为例(见图11),根据边坡设计方案,按1∶1.5坡率放坡后,右侧边坡最高为65.6m,边坡岩土类型为Ⅱ类,安全等级为一级。岩层走向与线路夹角11°,呈小角度斜交,路基开挖后右侧形成的顺向坡,岩层面视倾角大于开挖坡面角度,无不利结构面及结构面组合。受J1、J2结构面组合切割的影响,边坡岩体较破碎,易发生崩落,掉块,见图12。

图11 DK36+897右边坡地质剖面

图12 DK36+897右边坡赤平投影

(3)岩土混合边坡

岩土混合边坡有DK36+967～DK37+070、DK37+285～DK37+430两段,边坡主要以岩质为主,土层厚0～9.5m。上覆土体较松散,开挖临空后土体极易产生垮塌失稳,破坏模式为圆弧形滑动,岩质边坡部分开挖临空的基岩为弱风化灰岩,岩层面视倾角大于开挖坡面角度,有利于边坡稳定。岩土混合边坡潜在滑体主要为表层覆盖层,潜在滑带为覆盖层与基岩过渡带,定量计算主要是针对表层覆盖层的稳定性,不考虑基岩结构面。以DK37+000、QDK0+210横断面(见图13,图14)为例,计算正常工况(天然状态)和非正常工况I(暴雨或连续降雨状态)稳定性系数,稳定性计算结果见表4。

图13 DK37+0000地质剖面

表4 岩土混合边坡计算结果

图14 QDK0+210地质剖面

3.4 路基工程防治分区

(1)路基工程防治分区的原则

开展铁路路基工程防治分区,有利于针对不同路基工程分区特点,有针对性地采取工程措施,规避工程风险。根据贵州省地形地貌复杂、边坡灾害多发的工程实际,结合铁路建设所面临的路基高填深挖边坡的安全稳定问题,确定铁路路基工程防治分区原则如下。

①第一级路基工程防治分区:按照边坡工程地质条件、岩土体特征、边坡类型、路基设计断面、稳定性和剩余下滑力,进行铁路路基工程防治分区。

②第二级防治工程分区是防治亚区:考虑边坡失稳的危害性和危险性,按照“区内相似,区际相异”和“就高不就低”的分区原则,进一步细分亚区。

(2)依托工程防治分区

根据分区原则和计算分析结果,瓮马铁路南北延伸线马场坪至都匀段DK36+552.34～DK37+430段路基边坡防治工程分区包括重点防治区(Ⅰ)、次重点防治区(Ⅱ)、一般防治区(Ⅲ)3种区级,在此基础上细分为9个亚区,分区及特征见表5及图15。

图15 边坡防治分区平面示意

表5 路基工程防治分区

4 路基工程处理措施建议

根据既有研究成果[13-15]及相关规范[16-17],结合剩余下滑力等路基分区特征,对各类防治分区提出下列处治措施建议。

(1)重点防治区(Ⅰ):放缓边坡,在路基右侧分级设置抗滑支挡(锚索桩/桩板墙)对坡体进行加固,并施作坡面防护,同时加强坡面截排水措施。

(2)次重点防治区(Ⅱ):在路基两侧设置抗滑支挡(桩/挡墙),桩顶以上放缓边坡并加固,同时完善防排水措施。

(3)一般防治区(Ⅲ):在路基两侧设置支挡(桩/挡墙)措施,加强坡面防护,并设计完善的防排水措施。

5 结语

(1)利用Geoslope计算软件,采用刚体极限平衡法对土质边坡及岩土混合边坡进行定量分析,采用赤平投影法对岩质边坡进行定性分析,获取边坡稳定性状态。

(2)根据贵州省地形地貌复杂、边坡灾害多的工程实际,结合铁路建设所面临的路基高填深挖边坡的安全稳定问题,提出铁路路基工程防治分区原则。按照边坡工程地质条件、岩土体特征、边坡类型、路基设计断面、稳定性和剩余下滑力,划分第一级铁路路基工程防治分区;考虑边坡失稳的危害性和危险性,按照“区内相似,区际相异”和“就高不就低”的分区原则,进一步细分亚区。