宽平台在深挖路堑边坡防护中的应用

■刘志强

（长江勘测规划设计研究有限责任公司，福州 350000）

我国东南部山区高速公路的建设过程中，受制于路线走廊及地形地貌条件等因素，深挖路堑边坡数量多、规模大。 按照JTG D30—2015《公路路基设计规范》的要求，对土质挖方边坡高度大于20 m、石质挖方边坡高度大于30 m 的路堑段落均需进行特殊设计。 由于直临高速公路，深挖路堑边坡一旦发生滑动、崩塌等破坏，轻则中断交通，重则直接威胁人民生命财产安全，因此深挖路堑段边坡的防护设计十分重要。 目前常规的边坡加固技术已较为成熟，在此基础上，本文以福建泉州某山区高速公路边坡防护设计为例，通过对比常规边坡加固方案，进一步对宽平台在岩土质结构深挖路堑边坡防护中的应用展开探讨，以期达到提高边坡防护安全性、经济性的有益效果。

1 工程概况

拟建项目位于福建省泉州市安溪县，道路等级为高速公路。场区属低山丘陵地貌，地形高低起伏较大，植被较为发育。 路堑边坡位于线路桩号K48+970～K49+230 右侧，边坡长度约260 m，为七级二元结构边坡，最大上边坡高度约58 m，平面展示图见图1。场区坡地表层为全风化花岗岩，下伏底层为砂土状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩及中风化花岗岩。 场区未见活动性断裂构造，未见滑坡、崩塌、泥石流、采空区、岩溶等其他不良地质作用，现状整体保持稳定。

图1 深挖路堑平面图

地层岩性分述如下：（1）全风化花岗岩，褐土黄色，岩芯呈砂土状，手折易散，组织结构已大部分破坏，矿物成分除石英外已大部分风化成土状，遇水易软化、崩解，完整程度为极破碎；（2）砂土状强风化花岗岩，土黄色，岩芯呈砂土状，手折易散，原岩结构清晰，风化强烈，遇水易软化、崩解；（3）碎块状强风化花岗岩，灰黄色，岩体风化强烈，岩芯呈3～5 cm 碎块状，组织结构大部分破坏，节理裂隙发育，岩体大都通体风化，锤击易碎，极破碎；（4）中风化花岗岩，浅红色，中细粒结构，块状构造，岩芯呈8～30 cm 中短柱状，岩质较新鲜，节理裂隙发育，为较硬岩；参数见表1。

表1 岩土物理力学参数

2 加固设计原则

路堑边坡设计应该根据外业实地调查以及勘探资料的情况综合确定合理的边坡坡率以及防护类型。 边坡坡率的选取应该结合地形地貌和地质情况，在满足安全性的前提下，因地制宜、顺势而为。路堑边坡应该尽量避免单一坡率一坡到顶，一般采取下陡上缓的过渡式坡率，以抛物线的形式更好地融入周围自然环境。同时，边坡坡度的选择在保证安全的前提下，也应该酌情考虑植物防护的需要。 碎裂式结构以及存在控制性结构面的岩质路堑边坡，通过边坡稳定性分析计算确定边坡的坡度以及防护形式；对于岩土质的二元结构边坡，对土质边坡部分可能出现的滑坡、崩塌等应采取相应的防护措施[1]。

路堑边坡防护设计的目的是确保边坡在高速公路建设及运营过程中保持长期安全，通过一系列工程措施预防边坡产生不利的变形和破坏。 具体措施包括坡面、浅表层、块体和深部变形防护，坡脚应力集中防护和排水处理等。（1）坡面变形防护。中风化及以上岩体，以植草（乔）防护或不防护为主，坡率0.25～0.5；强～中风化岩体，以岩面锚杆镀锌网植草（乔）防护或镀锌网植草（乔）防护为主，坡率0.5～0.75；全～强风化层，以拱形骨架或（锚杆）镀锌网植草（乔）防护为主，坡率0.75～1.0；坡残积层，拱形骨架或液压喷播植草（乔）防护，坡率1.0～1.25；松散土层，液压喷播植草（乔）防护，坡率1.25～1.5。按照“恢复自然景观”的现代化设计理念，防护措施均采用绿色化防护，尽可能利用本土化草种，并做到草乔结合。 （2）浅表层变形防护。 下部的中风化～微风化岩，以系统锚杆防护为主；上部的土层、强风化岩以预应力锚杆框架、地梁防护为主。 （3）块体、深部变形防护。以预应力锚杆框架梁及垫墩防护为主。（4）坡脚应力集中防护。 土质边坡坡脚加固按实际情况设抗滑桩、挡土墙、预应力锚索（杆）框架等。 强风化岩石坡脚加固，采用压力注浆锚杆框架，以预防坡脚产生渐进性破坏。 对设置了锚固工程的路堑边坡，开挖时要严格按照从上到下的施工顺序，逐级开挖，逐级加固，待上级边坡的锚固工程全部实施完毕且生效后，才可进行下级边坡的开挖，以确保坡体稳定和结构安全。

3 加固方案研究

3.1 常规加固方案

根据《公路路基设计规范》3.7.7，正常工况下高速公路路堑边坡的稳定安全系数为1.2～1.3，暴雨工况下路堑边坡的稳定安全系数为1.1～1.2，地质条件复杂或破坏后危害严重时稳定安全系数取大值；根据《公路路基设计规范》3.7.8，深路堑边坡宜采用折线式或台阶式，台阶式边坡的中部应该设置平台，平台的宽度不宜小于2 m。

该边坡坡脚地层为碎块状强风化花岗岩，结构面较发育。 按照“固脚强腰”的边坡治理理念，底阶采用非预应力锚杆框架结合TBS 镀锌网植草乔，可有效加固坡脚、防止掉块；第三～五级采用预应力框架锚索，可对岩土体产生挤密作用，提高其整体受力性能，有效提高边坡的稳定性。 故常规防护方案如下：第一级1∶0.75 非预应力锚杆框架结合TBS 镀锌网植草乔，第二级1∶0.75 TBS 植草乔结合系统锚杆，第三～五级1∶1.0 预应力框架锚索结合TBS 植草乔，第六～七级1∶1.0～1∶1.25 拱形骨架喷草植乔防护，每级8 m，设置2 m 平台，如图2 所示。

图2 常规加固方案典型断面

采用GeoStudio 建立模型，计算该边坡支护前后天然和暴雨工况下的稳定系数，结果如图3～6所示。

图3 常规加固方案支护前天然工况下的稳定系数

图4 常规加固方案支护前暴雨工况下的稳定系数

图5 常规加固方案支护后天然工况下的稳定系数

图6 常规加固方案支护后暴雨工况下的稳定系数

以上结果可以得出，开挖后自然边坡天然工况下的稳定系数为1.186，暴雨工况下的稳定系数为0.997，处于不稳定状态；按常规方案进行支护后，边坡天然工况下的稳定系数为1.446， 暴雨工况下的稳定系数为1.247，支护后的边坡稳定性满足设计要求。此时预应力框架锚索支护数量为3 阶，锚索加固长度为（26+28+22+24+24+26）×2/8=37.5 m/m，征地范围（坡脚起算）为80 m，土石方开挖量（坡脚起算）为1 560 m3/m。

3.2 宽平台优化方案

边坡设置宽平台的主要目的是减载，即在不增加边坡高度的情况下，减少滑块下滑力以提高边坡稳定性，同时减少支护数量，节省造价。 陡坡边坡支护中，常规支护方案较宽平台方案可较好地实现收坡，而宽平台的设置导致“拔山皮”现象，边坡级数增加，边坡稳定性降低，如图7～8 所示。 故宽平台不宜应用于陡坡，宜设置于坡顶较平缓的边坡。

图7 陡坡常规方案示意图

图8 陡坡宽平台方案示意图（拔山皮）

3.2.1 宽平台设置原则

宽平台宜设置于边坡中部，以对边坡进行有效分割[2-3]。 平台宽度设置应结合地质情况：在土、岩交界面，交界处的一阶边坡往往为土、石二元结构，常规方案按保守设计原则，边坡宜按性质较差的土质坡进行加固，往往采用设置预应力锚索框架的形式加强支护。 设置宽平台后，可通过加宽平台致二元结构变为岩质，增加了边坡稳定性的同时，上阶可采用岩质坡支护方式，如系统锚杆等，减少了防护数量[4]。 宽平台阶数应根据地质、土石方和用地界限制等情况综合考虑，下面以一阶和二阶为例进行分析，更多阶设置可参照二阶。

3.2.2 一阶宽平台方案

一阶宽平台加固方案的典型断面如图9 所示，第二级坡顶采用10 m 宽平台， 则第三级由二元结构变为岩质，采用1∶0.75 TBS 植草乔结合系统锚杆进行防护，其余防护同常规方案。 计算一阶宽平台方案支护前后天然和暴雨工况下的稳定系数，结果如图10～13 所示。

图9 一阶宽平台加固方案典型断面

图10 一阶宽平台加固方案支护前天然工况下的稳定系数

图11 一阶宽平台加固方案支护前暴雨工况下的稳定系数

图12 一阶宽平台加固方案支护后天然工况下的稳定系数

图13 一阶宽平台加固方案支护后暴雨工况下的稳定系数

可以得出，一阶宽平台优化方案下，支护前边坡天然工况下的稳定系数为1.220， 处于稳定安全系数范围的下限，暴雨工况下的稳定系数为1.031，处于不稳定状态，故应进行进一步的加固处理；支护后，边坡天然工况下的稳定系数为1.455，暴雨工况下的稳定系数为1.303，均满足稳定性要求。 此时预应力框架锚索支护数量为2 阶，锚索加固长度为（22+24+24+26）×2/8=24 m/m，征地范围为88 m，土石方开挖量（坡脚起算）为1 810 m3/m。 对比常规加固支护方案，设置一阶宽平台后，通过增宽平台致第三级由二元结构变为岩质坡，边坡整体稳定性有所提高，且节省了1 阶的预应力框架锚索支护，改为TBS 植草乔结合系统锚杆，节约锚索（26+28）×2/8=13.5 m/m，锚索造价节约36%。 但坡顶用地界外移了8 m，征地费用增加10%，土石方开挖增加了250 m3/m，土石方费用增加16%。

3.2.3 二阶宽平台方案

二阶宽平台加固方案的典型断面如图14 所示，第二、五级采用10 m 宽平台，底阶采用1∶0.75非预应力锚杆框架结合TBS 镀锌网植草乔，第二、三级采用1∶0.75TBS 植草乔结合系统锚杆，第四～七级采用1∶1～1∶1.25 拱形骨架喷草植乔防护。 计算二阶宽平台加固方案天然和暴雨工况下的稳定系数，结果如图15～16 所示。

图14 二阶宽平台加固方案典型断面

图15 二阶宽平台加固方案天然工况下的稳定系数

图16 二阶宽平台加固方案暴雨工况下的稳定系数

可以得出，设置2 个宽平台后，土石方开挖量（坡脚起算）为1 950 m3/m，土石方开挖量更大，边坡减载更加明显，边坡稳定性大幅提高，不使用预应力锚索框架而采用拱形骨架支护的情况下在天然和暴雨工况均能满足设计要求。 较常规方案，锚索节约37.5 m/m，用地界增加了18 m，征地费用增加22.5%，土方开挖增加了390 m3/m，土石方费用增加25%。

3.3 方案选择

常规方案使用预应力锚索框架数量较多，造价高，但征地范围小，土石方开挖量较小，适用于用地紧张、弃土场寻找困难的情况；宽平台方案通过平台加宽，减少了预应力锚索框架的使用，且进一步提升了边坡的稳定性，方案更加经济，但土石方数量和征地范围会有所增加，适用于用地较为宽松，弃土场较易寻找的情况。 其中，设置一阶宽平台即可对边坡稳定性有一定提高，减少了部分防护工程量，锚索造价节约36%，征地费用增加10%，土石方费用增加16%，兼顾了安全性和经济性；二阶宽平台对于提高边坡稳定性、 降低防护工程量效果显著，无需使用预应力锚索框架支护，但征地费用增加22.5%，土石方费用增加25%，征地及寻找弃土场较为困难。 加固方案对比及优缺点分析如表2 所示。

表2 加固方案对比

由此可得各加固方案的适用条件：常规加固方案加固工程量大，费用高，但占地和土石方工程量少，在用地、土石方限制严格段最为适用；二阶宽平台对于降低防护工程量效果显著， 经济性最好，且边坡稳定性满足设计要求，在用地、土石方条件宽松的情况下最为适用；一阶宽平台方案，既可对边坡稳定性有一定程度的提高，也可减少部分防护工程量，兼顾了安全性和经济性，在用地、土石方条件有一定限制时最为适用。

该路堑边坡用地较为宽松， 弃土处理难度一般，一阶宽平台方案可保证边坡稳定的同时经济性较好，故选择一阶宽平台方案为优选方案。

4 结论

常规支护方案加固后的边坡可以达到稳定状态，且征地范围较小，土石方开挖量较少，但其支护工程量较大，经济性一般。 针对上述不足，研究了宽平台的优化方案，得出宽平台方案具有以下运用条件及优化效果：（1）宽平台方案适用于坡顶较平缓的边坡。 若陡坡设置宽平台，可能导致边坡出现“拔山皮”现象，边坡级数增加，稳定性降低。 （2）土、石二元结构边坡，通过加宽平台致上级由二元结构变为岩质，增加了边坡的稳定性，减少了防护数量。（3）宽平台方案优化效果：对比常规加固方案，一阶宽平台加固方案下，边坡天然、暴雨工况下的稳定系数分别由1.446 增加到1.459，1.247 增加到1.303，锚索节约13.5 m/m，锚索造价节约36%，但征地费用增加10%，土石方费用增加16%；二阶宽平台加固方案下，无需使用预应力锚索框架支护，边坡天然、暴雨工况下的稳定系数即可达到1.459、1.236，锚索节约37.5 m/m，锚索造价节约100%，但征地费用增加22.5%，土石方费用增加25%。 （4）各加固方案适用条件：常规加固方案加固工程量大，费用高，但占地和土石方工程量少，在用地、土石方限制严格段最为适用；二阶宽平台对于降低防护工程量效果显著，经济性最好，且边坡稳定性满足设计要求，在用地、土石方条件宽松的情况下最为适用；一阶宽平台方案， 既可对边坡稳定性有一定程度的提高，也可减少部分防护工程量， 兼顾了安全性和经济性，在用地、土石方条件有一定限制时最为适用。