公路改扩建工程既有高边坡防护设计分析

2023-10-16钟伟珊

交通科技与管理 2023年18期

钟伟珊

（广东粤路勘察设计有限公司, 广东广州 510000）

0 引言

公路作为主要的交通运输方式之一，对运输行业的发展极其重要。为满足运输需要，部分公路需要进行改扩建，以适应交通量增加的发展。在改扩建过程中，公路既有高边坡需要进行防护加固处治，保障公路交通安全。当前比较常用的边坡防护技术主要为支挡防护和植被防护。支挡防护的原理是选用挡土墙或者石垛等支挡物保护路基，在边坡周边进行台阶式开挖，之后将石垛层层砌筑在台阶上，达到拱式护坡的目的[1]。但该护坡方法的支挡设施体积往往比较大，美观性相对较差，且与周边环境的协调性欠佳。植被边坡防护方法主要借助地基土壤涵养性的特点，在研究区高边坡处种植树木或铺设草皮，对边坡起到固土作用，但该方法主要适用于高边坡侵蚀不严重的工程，且在植被的选择中，需要严格考察当地的土壤与气候环境，使得护坡流程较为复杂，限制了其实用性。通过以上分析，为确保公路改扩建工程中高边坡的稳定与安全，该文以实际公路工程作为研究案例，通过分析工程地质条件与施工前准备，设计高边坡防护方案，保证公路的畅通性与路基的安全性。

1 工程概况

G235国道丰顺县砂田丰埔桥三合段改建工程位于莲花山脉中部，总体地势北高南低，里程K1985+390至终点高程相对平缓，地形坡度一般为10~25°。项目拟建场地位于一个相对发达且平缓的山区，山体表面多被天然林和人工林覆盖，植被覆盖率一般在90%以上，绿地面积较大，自然环境质量等级较高。斜坡的地质和土壤性质主要为侏罗系上统兜岭群(J3dLπ)和燕山三期花岗岩（Y52(3)），分布于整个过程区域。由于常年经受风沙等侵蚀，形成强风化岩体，呈节理式发育形态，表面存在较多不规则裂缝，岩质较软，可塑性极强；表面岩体受到风力与重力侵蚀较严重，在路堑开挖施工中易出现崩解、软化等现象，继而阻碍施工进程和降低工程质量；斜坡周围岩性为第四系黏性土，其中掺杂少量腐殖土与全风化覆盖层，平均厚度为2.3 cm，由外向内分别为卵石的堆积土、软泥灰岩、重岩土和密实性黄土，植被发育形态良好。根据工程地质勘察报告显示，边坡处一类土与四类土的岩层产状为255~277 °，层面与坡面之间的夹角为52.3 °，角度相对较陡，地层与节理面条件对工程高边坡的稳定性具有较大影响。

对既有边坡的原有防护措施进行检查与分析可知，虽然在水平与垂直设计中最大限度地降低了边坡的高度，但由于一些区段存在较为频繁的开挖与填土交替施工，且自然边坡的坡率较大，极易出现滑坡的危险[2]。因此，为保证路基边坡的稳定性，防止公路边坡发生地质灾害，需要进一步完善高边坡的防护措施，对既有高边坡的加固与防护方案进行综合设计。

2 边坡防护方案设计

既有边坡的防护设计中，通常采用多区域加固的方法，通过增加边坡高度以达到稳定地基的目的，但该施工工程不仅会对原边坡造成破坏，还会影响边坡本身的稳定性。同时，既有边坡的坡率较大，可供开挖的平台面积较小，增大机械上坡开挖的难度，从而导致大量碎石残渣无法被有效处理[3]。除此之外，在公路改扩建施工过程中，公路的主要通道仍需要通车，传统防护技术易对交通车辆造成安全隐患。故通过上述分析，该文对有交通运输需求的改扩建公路工程边坡防护措施进行合理设计。

2.1 边坡计算参数选取

由于工程边坡的土质岩体性质较差，对其开挖后容易降低边坡本身的稳定性，所以为最大程度地保证边坡的安全，施工前需选择边坡计算参数，使边坡防护安全系数指标在合理范围内。

岩体强度参数是根据地质调查数据和以往类似工程的经验确定的，确定岩体强度参数的过程涉及地质调查数据和以往类似工程的经验。地质调查数据包括对岩石结构、岩性特征、岩体内存在的节理和裂缝等进行详细观测和测试的结果。同时，以往类似工程的经验也是确定岩体强度参数的重要依据。通过研究相似岩体的行为和反应，人们可以获得宝贵的经验数据，并将其应用于当前工程项目中。确定合适的岩体强度参数，将其用于工程设计和分析，以确保项目的安全性和成功实施。该工程设计计算指标采用值如表1所示：

表1 边坡计算参数

通过表1可知，岩土类型的凝聚力值范围为20 kPa到45 kPa，内摩擦角在18~46 °之间变化，且容重有所差异，表明了不同岩土类型之间在凝聚力、内摩擦角和容重方面存在较大的变化。这些参数的差异影响岩土的力学特性和稳定性。将表1中的边坡计算参数作为边坡的控制断面指标，用于边坡不同层次防护方案的参考数值[4]。此外，考虑到该工程现有边坡土体多为风化砂岩，透水性强，易发生局部坍塌，在初步确保边坡整体稳定的条件下，采用一定措施对坡脚进行加固防护，以同时满足边坡整体与局部稳定性的要求。

2.2 拟定边坡防护设计方案

工程项目路堑边坡的数量多达206处，且边坡高度均不相同，为简化施工流程，强化防护效果，方案设计时根据边坡类别与高度，将所有边坡划分为H≥30 m和H<30 m两部分，参照高边坡防护工程的技术原则，结合边坡计算指标的选择，为保证高边坡安全的同时兼顾与周边环境的协调性，拟在第一层和第二层采用预应力锚索，第三层和第四层采用预应力钢筋与钢丝网进行防护，如图1所示。

图1 改扩建公路既有边坡的防护设计方案

上述边坡防护设计方案可减少开挖土方量和现有混凝土拆除量，减少施工项目对周围环境的不利影响。根据边坡防护方案，接下来研究其施工技术。

3 边坡防护施工工艺

施工期间检查现场条件和机械设备，确保施工过程不会影响交通。根据设计的边坡防护方案，该工程边坡防护施工技术主要包括边坡钻爆开挖、钻孔、钢筋布置、预应力锚索张拉、钢锚管加工和灌浆。具体流程如下：

3.1 边坡钻爆开挖

爆破开挖主要采用递进式水平台阶开挖。钻爆开挖前，应严格根据边坡的爆破作业程序和开挖原则进行钻爆，台阶的高度应控制在30~50 cm之间，宽度为高度的1/3，利用凿钻机在台阶上均匀钻孔，相邻孔距不得超过5 cm。炮孔方向要与台阶壁位于同一水平面上，且其方向的延长线要与土层的节理方向尽可能大角度相交。

岩石开挖后，对边坡进行处理，保证边坡表面始终为光滑、平直状态，且边坡上没有碎石与松动的岩体。当边坡开挖部分影响到其余部分的岩体稳定性时，应利用堆砌岩石进行加固修复[5]。当开挖深度达到3~5 cm后，采用人工或专用器械修正开挖坡面，硬岩和次硬岩边坡采用爆破孔法和明装药法清理，同时清除危岩和松动岩，保证清理后的石质路堑边坡不陡于设计值。

3.2 钻孔

钻孔与锚杆材料质量的选择是边坡防护技术的核心部分，对于放置锚栓的孔，可以选择气枪钻孔，以保证锚栓轴线能够与边坡岩体破裂面的相交角度达到最大值。钻孔期间要保证钻进方向始终与坡面垂直，使得成孔之后的孔状为圆形[6]。孔径大小控制在15~18 mm范围内，孔深最大允许偏差为50 mm。钻孔完成后，应清理孔，并使用高压风管清理孔内的残余灰尘和碎屑，以确保孔的整体清洁。

3.3 布设钢筋

钢筋的放置应在现场监理的监督下进行。所有钢筋均应在现场统一制作，钢筋放置过程中误差不得超过50 mm，以确保其整齐和准确；钢丝网采用2 mm的普通镀锌铁丝网，网间距20 cm；绑线应为Φ1 mm的普通钢线。锚杆钻孔、安装钢丝网骨架前，应按设计要求进行挂线放线，确保施工质量[7]。根据设计要求，将钢丝网骨架水平放置在边坡的预应力锚杆上，将两者的接触部位利用尼龙绳进行绑扎，然后沿着铁丝网的长度，每30 m直接焊接一个衬砌框架，这样锚筋可以在一个截面中组装，从而将锚杆的拔出力控制在最低，防止对钢筋网造成损坏。此外，注浆管应等间距地安装在锚杆上，并利用铁丝将注浆管与锚杆进行牢固捆绑，同时在锚杆表面涂抹工业用防水胶，以防止泥土或其他碎屑侵蚀锚杆。

3.4 预应力锚索张拉

预应力锚索张拉施工时，应注意锚具的摆放、使用及处理等工作流程。在张拉过程中，根据锚具的质量与技术参数，严格控制锚索的伸长值。对于该工程而言，施工中选取的锚具质量约为90 kg，最大矫正值为3.2，故张拉值取矫正值的1/3，即1.2左右，并采用分级张拉的方式，且保证每次张拉工程中的相关值均在合理范围内。预应力锚索张拉施工完成2 d后，进行一次补偿张拉，之后锁定。

3.5 钢锚管加工

首先，锚杆框架采用两根3.2 m×2.5 m的钢筋预制网格梁，网格梁之间采用3束钢绞线绑扎，同时，保证锚固段不小于10 m，锚杆钢筋直径为Φ32 mm。在钢锚管底部无缝焊接一个直径6 mm、厚度3 mm的钢板，且在钢板中央预留一个Φ20~22 mm的圆孔；其次，将由钢筋制作的Φ16 mm三角支架置于钢板下方，起到支撑固定作用，并采用专用胶带在钢锚管表面缠缚2~3层，防止孔内出现渗水现象。缠缚时应注意管壁的清洁，并利用抹刀压平胶带；最后，对注浆管进行处理[8]。注浆管采用两根Φ20~22 mm PVC管，在管内距管口6 mm处布设一排矩形孔洞，洞径3~5 mm即可。两根注浆管利用螺纹钢丝连接。灌浆（劈裂灌浆）时，钢锚管口用钢盖密封，并预留排气阀。

3.6 注浆

预应力锚索施工与钻孔施工完成后，先采用0.2~0.4 MPa的高速风压机对孔内进行清理，使后续机械能注浆施工。浆液材料主要为M40水泥砂浆，原材料包括30.6 R的高强度水泥、粗砂与自来水，含泥量不超过300。水灰比宜为0.38~0.5，灰砂比宜为0.8~1.5，应通过试验确定，可在其中加入少量速凝剂与早强剂，加速浆液拌制。灌浆应在成孔后6 h内进行，且应混合均匀，确保随时可用。灌浆采用孔底返浆法进行，即灌浆过程中，灌浆管从孔底缓慢抽出，孔口灌浆10~15 s后才能停止灌浆。第一次锚杆注浆的压力控制为1.0~1.2 MPa。第二次注浆的压力为1.5~1.8 MPa。分段灌浆法可以缓解应力集中，大大改善黏结内锚段的应力状态，防止内锚头损坏，提高锚固效率，增强锚固效果。

4 施工效果分析

为整体评价利用设计的边坡防护方案对该改扩建公路工程边坡进行防护后的边坡稳定性，在施工区段的各级边坡平台设立2个边坡观测点，对边坡剖面进行稳定性监测。

公路改扩建工程既有边坡防护稳定性评价标准主要按照相关工程设计技术规范，采取边坡稳定性系数Fs这一指标对上述施工效果进行评估。稳定性系数是衡量边坡稳定性的指标，表示边坡的抗滑能力与滑动力之间的平衡关系。稳定性系数越大，边坡的稳定性越好，其计算公式如下：

式中，B——高边坡的最大宽度；H——高边坡的后缘高度。

由于该文所研究的工程为锅炉改扩建项目，因此，参照设计要求，确定在正常工况下，边坡的安全系数为1.25，非正常工况下（气候条件为暴雨或者连续降雨），边坡的安全系数为1.15。通过计算，得到施工后该工程边坡稳定性安全系数如表2所示：

表2 边坡稳定性分析结果

通过表2中的数据可知，在正常工况下，剖面1的稳定性系数为1.34，剖面2为1.42，剖面3为1.47；在非正常工况下，稳定性系数分别为1.21、1.26和1.33；该改扩建公路工程边坡采用防护方案进行加固后，边坡在正常工况下和非正常工况下的稳定性安全系数均满足规范要求，边坡处于较稳定状态。说明采用设计的边坡防护方案是合理可行的。