复杂地形深挖路堑边坡施工全过程稳定性分析

■丘有贵

（长汀县交通建设质量安全监督站，龙岩 366300）

福建省以山地、丘陵地形为主，素有“八山一水一分田”之称，其中，龙岩市山地丘陵占全市总面积高达94.83%，平均海拔460 m。由于道路展线要求，在山区多采用开挖山体的方式以保证公路工程的顺利进行，这就对山体的平衡状态造成了一定的破坏，在施工中以及施工后都会形成容易失稳的深挖路堑边坡[1-2]。 交通运输部数据统计显示，我国约50%的深挖路堑边坡存在严重的安全隐患，特别是开挖过程中未及时采取支护加固措施的深挖路堑边坡，更易发生失稳现象[3]。 设计与施工的脱节，以及施工工序不尽合理等也经常导致开挖边坡的失稳[4]。 国内外学者虽对深挖路堑边坡的防护设计、稳定性分析方法等做了大量研究[5-9]，并取得了很大进展，但对不同施工工序下施工全过程的稳定性分析较少。本文依托实际工程，运用有限元强度折减法对不同施工工序下深挖路堑边坡施工过程中稳定性进行计算分析，研究结果可为同类工程提供参考。

1 工程概况及地质条件

依托国道319 线长汀河田至城关段公路改建工程一期项目， 项目路线位于龙岩市长汀县境内，地处武夷山脉南段， 属低山丘陵夹山间盆地地貌，全线无填土高度大于20 m 的高填路堤， 以深挖路堑居多。其中，K349+870～K350+280 区间最长，且最大边坡高度达55.1 m（如图1 所示），取该段典型边坡为例进行计算分析。 边坡开挖后形成7 级边坡，边坡坡率依次为：1∶0.75、1∶0.75、1∶1、1∶1、1∶1、1∶1、1∶1.25，边坡分级高度为8 m，边坡平台2 m、4 m、2 m、4 m、2 m、2 m。

图1 原始边坡及边坡开挖加固方案图

场址区属剥蚀丘陵区地貌，为北西质南东向山岭西侧山坡，山坡自然坡度约40°～45°，山顶最大标高412.30 m，植被发育，山坡顶部较平缓，中、下部较陡。据工程地质勘察报告，主要岩土参数如表1 所示。

表1 边坡岩土参数

2 边坡防护加固措施

各级边坡防护加固措施如表2 所示。 其中，第2、3、4 级边坡设置锚索格梁，采用拉力型预应力锚索， 锚索为6 束1×7-A15.24 mm 的无粘结钢绞线，抗拉强度1860 MPa，锚固段长度12 m，设计张拉力600 kN。锚固钻孔直径为130 mm，锚杆倾角25°，锚索水平间距3 m，垂直间距3 m，框架梁采用C25 混凝土现浇，纵、横梁截面尺寸为0.4 m×0.6 m。

表2 各级边坡防护加固措施

3 施工过程稳定性分析

3.1 有限元模型的建立

依据实际工程建立三维有限元模型， 如图2 所示，模型整体尺寸为180 m×50 m×110 m。为降低模型复杂程度，采用板单元来简化模拟人字形骨架，采用梁单元模拟框架梁，并以点对点锚杆模拟预应力锚索的自由段，以Embedded 桩模拟锚索的锚固段[10]。其它各围护结构均采用实体单元进行模拟（喷播植草除外，模型中未予考虑）。 各支护结构参数如表3 所示。

图2 有限元模型

表3 支护结构计算参数

3.2 施工工序

高边坡工程开挖通常采用机械配合人工开挖，要求严格按照从上至下逐级开挖，逐级加固，并且应待上级边坡加固完成并产生加固作用再进行后续施工，直至全部工程施工完毕。 但设计与施工的脱节，以及施工工序不尽合理等经常导致开挖边坡的失稳。 假设按以下3 种施工工序进行开挖，对深挖路堑边坡施工全过程稳定性进行分析，探究不同开挖工序下施工过程中路堑边坡稳定性：（1）直接进行开挖，全部开挖完成后再进行一次性加固；（2）每开挖一级按照相应防护措施对已开挖部分进行防护；（3）开挖与支护同时进行，主要针对第2、3、4级边坡，每开挖3 m 进相应部位的锚索支护。

3.3 结果分析

边坡工程稳定性分析通常侧重于给出潜在滑动面和安全系数，并不关注位移矢量，且由于采用有限元强度折减法，其基本原理是构建理想的弹塑性模型， 逐渐对土体抗剪强度参数进行折减并计算，直至到边坡达到破坏临界状态，因此，最终得到的位移量并无实际意义。 尽管如此，仍能用来近似判断边坡潜在失稳区域。

3.3.1 潜在滑动面

图3、4 分别为路堑山坡开挖过程中加固及不加固情况下的潜在滑移范围。 由于第7 级、第6 级边坡开挖后加固处理方式为喷播植草，对边坡稳定性影响相对较小，模拟中未予考虑，故从第5 级边坡开挖开始分析。 由图3 可知，边坡开挖过程中未作任何加固处理的情况下，在第4 级边坡开挖之前，潜在滑动面均发生在原边坡表层。 随着边坡开挖高度的增加，第4 级边坡开挖之后，潜在滑动面转移至开挖之后形成的边坡；并且，随着边坡的开挖潜在滑动面逐渐扩大。 将图4 与图3 对比分析可知，每级边坡开挖完成后立即做相应边坡加固处理，可显著降低边坡位移量，减小潜在滑动面。 尤其采用锚索格梁加固后，路堑边坡的整体失稳得到了有效控制，潜在滑动面几乎消失。

图3 路堑边坡开挖过程（未加固）潜在滑移范围

图4 路堑边坡开挖过程（加固）潜在滑移范围

3.3.2 安全系数

图5 为路堑边坡按不同施工工序开挖过程中边坡安全系数变化图。由图可知，在第7 级和第6 级边坡开挖过程中，边坡安全系数变化不大；第5 级边坡开挖之后， 随着路堑边坡高度的持续增加，不同施工工序下边坡安全系数整体均呈现下降的趋势，但在施工过程中每一次的加固措施会使安全系数呈现局部增加的现象。

图5 不同施工工序下路堑边坡开挖过程中安全系数变化

在第（1）种施工工序下，随着路堑边坡的开挖，开挖至第1 级边坡时，边坡安全系数降低至最小值0.897，表明边坡可能已经处于失稳状态。 之后一次性进行整体边坡加固，安全系数增加至1.263。

在第（2）种施工工序下，由于边坡每开挖一级进行相应的边坡支护，边坡开挖过程中安全系数变化曲线呈现局部波动整体下降的趋势，开挖至第一级边坡时，安全系数降至最小值1.176，随着最后一级边坡支护施工，安全系数增加至1.324，分别较第（1）种施工工序下增加31.10%和4.83%。

在第（3）种施工工序下，边坡开挖至具备边坡支护条件时即进行相应支护，与第（2）种工况类似，边坡开挖过程中安全系数变化曲线呈现局部波动整体下降的趋势，但波动频率略有增加，波动幅度略有减小。 同样开挖至第1 级边坡时安全系数降至最小值1.207，随着最后一级边坡支护施工，安全系数后增加至1.364，分别较第（1）种施工工序下增加34.56%和8.00%。

综合分析可知，虽然边坡加固方案不变，但不同施工顺序对边坡稳定性存在较大影响。 在深挖路堑工程中， 除了应进行合理的边坡加固方案设计外，施工过程中及时进行边坡加固也是防止工程事故发生的重要手段。

4 总结

本文以实际工程为例， 运用有限元强度折减法，研究了深挖路堑边坡在不同施工工序下施工全过程稳定性，主要得出以下结论：（1）深挖路堑边坡开挖与加固施工交替过程中， 边坡安全系数呈波动状态，期间随着边坡局部的加固安全系数会有所增加，但整个边坡开挖过程中安全系数整体呈降低趋势；（2）在边坡加固方案相同的情况下，边坡加固时机不同，对边坡稳定性有较大影响。 深挖路堑边坡开挖过程中，逐级开挖逐级加固和每具备加固方案实施条件时及时进行边坡加固处理，比全部开挖完成后再进行加固处理，安全系数最小值有显著提高；（3）实际施工过程中应严格按照从上至下逐级开挖，逐级加固，并且应待上级边坡加固完成并产生加固作用再进行后续施工。 为进一步提高深挖路堑边坡施工全过程边坡稳定性，建议开挖过程中每具备加固方案实施条件时及时进行边坡加固处理。