路基高边坡锚杆组合支护防滑移施工技术

鲜超 XIAN Chao；王朝齐 WANG Chao-qi

（中交路桥建设有限公司，北京 100000）

0 引言

我国高速公路交通建设里程长、规模大和投资大，在近几年飞速发展，备受人们的关注。随着国家西部大开发的持续深入，对交通的要求越来越高，为了适应日益增长的交通量，不断增大的行车密度，以及高速公路、一级公路等高等级公路沿线工程建设的需要，我们必须对既有高速公路、一级公路进行改造。河北地区的基础设施建设如火如荼，交通、水利、市政等项目建设取得了显著成就[1-2]。我国地质条件复杂，加之人类工程活动影响，使得我国公路高边坡地质灾害频发。由于其中滑坡、崩塌等地质灾害一直是我国公路建设中的一个重大工程难题。因此，需要保证既有道路的行车安全、畅通和提高通行能力[3]。如何对高边坡进行支护设计和施工已成为高速公路建设的重要课题之一。目前国内的高速公路边坡工程主要采用预应力锚杆、锚索、抗滑桩等支挡结构进行加固和稳定处理，但传统支挡结构受环境、气候等因素影响较大，支护效果不能满足要求[4-5]。

锚杆组合支护防滑移施工技术就是针对既有道路安全保障能力差，特别是在我国一些山区或多雨地区公路高边坡工程中经常出现山体滑坡、滑移等地质灾害的情况而研发出来的。该技术以锚杆为主要支护结构，能够有效地防止边坡滑动变形和滑坡等地质灾害发生[6]。锚杆组合支护技术适用于各种土质、多种坡度、多种环境条件下的岩质和土坡等各种类型的边坡工程，尤其是对高边坡、大坡道工程具有较好的效果[7-8]。该技术以其在山区复杂地质条件下施工进度快、工程质量好、工程成本低和安全性能高等优点而成为我国山区公路高边坡加固改造的首选措施之一。本研究提出了一种新型的路基高边坡锚杆组合支护防滑移施工技术，并应用于某高速公路路基高边坡工程中。

1 锚杆组合支护防滑移施工技术研究

1.1 路基高边坡稳定性计算

在路基高边坡稳定性计算中，传统的施工技术中主要使用的是有限单元法和数值分析方法，这两种计算方法在实际使用的过程中计算速度快，能够弥补极限平衡法和有限单元法的不足。由于采用了可靠度理论进行边坡稳定性验算，可以使计算结果更加符合实际情况[9]。在实际工程中，边坡稳定主要考虑以下几个方面：第一、天然状态下的边坡稳定性。天然状态下的边坡不会出现失稳破坏现象，只需要考虑边坡自身重力作用下的稳定[10-12]。第二、地震作用下的边坡稳定。当地震发生时，地震波以上百公里每秒的速度进行传播，速度快，强度大，严重影像路基高边坡的稳定性。当遇到极端的暴雨天气时，也容易导致边坡失稳破坏。针对以上考虑，对边坡稳定性进行计算，使用圆弧法模拟路基高边坡的滑移状态，稳定系数如下：

上式中，存在：

其中，Ks为边坡稳定系数，Gi为第i 计算条块的单位岩土体的重量，Gbi表示第i 滑体地表建筑的单位宽度，pwi表示第i 条块的动水压力，ai表示岩土体内摩擦角标准值，θi表示地面倾角，Ri表示滑体的抗滑力。

在高边坡设计中需要考虑的因素比较多，既要考虑其整体稳定性、局部稳定性和抗滑稳性，还要考虑其地震作用、降雨作用等影响因素。在计算时需要从多个方面进行综合考虑，才能保证边坡稳定[13]。对于不同的边坡岩体情况、坡体结构类型、坡体坡度和坡体高度等都会对边坡稳定系数产生不同程度的影响。另外，边坡岩土体参数和土性参数等都会对边坡稳定系数产生一定影响。因此，在对边坡进行稳定性计算时要综合考虑各方面因素来确定计算方法和计算参数。

1.2 设计锚杆组合支护模型

在对边坡进行锚杆加固之前，要先对边坡进行稳定性计算，以此确定锚杆的数量、间距和倾角。其次，根据设计要求对锚杆的材料进行选择。对于高边坡，在选择锚杆时，可以优先选用钢筋锚杆和钢铰线锚杆，并且要对其长度、直径以及抗拉强度进行合理计算[14]。再次，确定预应力的大小。最后，在对锚杆的布置方式进行设计时，应该结合岩质边坡的结构特征、土体性质以及坡面形态等因素来确定。本文采用MC 模型来描述土体和延时的剪切破坏，如图1 所示。

图1 MC 模型示意图

图1 中，在确定了支护方式之后，屈服函数从A 到B的破坏包络线表示为：

上式中，σ1、σ3表示不同面上的主应力，c 为粘聚力，Nϕ表示弹性增量。应根据现场的实际情况进行合理设计。主要包括以下几个方面：首先要对锚杆的排距以及长度进行确定，并且要保证其锚固深度和间距都能满足要求。要根据现场实际情况对锚杆的倾角进行合理设计，采用分段式加固方案进行设计。在此基础上，需要考虑到边坡坡面的坡度以及地质条件等因素。在施工前还应该对预应力锚杆进行试压。对于边坡部分来说，在进行加固之前首先要对坡面进行处理，这样才能保证后期加固的效果；其次是在坡面上铺设砂砾垫层来增加边坡的稳定性；最后还要设置排水孔和泄水孔等设施来排除坡体内多余的水。在对边坡进行加固之后还应该在坡面上设置排水系统以及泄水孔等设施。如果坡面有过多的水流或者是地下水源通过的话，那么就应该及时排除这些积水；另外，在边坡加固完成之后还需要对坡面进行洒水养护工作。

为了防止边坡在受到外部荷载的时候产生变形现象，还应该在边坡上部设置一定数量的护坡措施。一般情况下采用挡墙等防护设施来达到这个目的。如果是一些较为复杂的岩质边坡工程的话，那么可以采用锚杆支护和混凝土挡墙等防护措施来实现防护目的。

1.3 锚杆框架梁支护防滑移施工

锚杆框架梁施工前，应按设计要求对锚杆框架梁进行复核，并做好标记[15]。防滑移施工技术如图2 所示。

图2 防滑移施工技术

根据路基高边坡工程的特点，选择锚杆框架梁类型作为合适的解决方案。锚杆框架梁具有良好的承载能力和稳定性，能够有效地抵抗边坡的滑坡和塌方等地质灾害，并提供可靠的支撑和固定。根据实际情况，边坡高度为20m。采用1∶1.5 的边坡坡度来平衡边坡的稳定性和美观性。根据工程要求，每一层边坡设定锚杆数量为20 根，锚杆的间距为2m。总共需要设置10 层锚杆。选择直径为25mm 的钢筋作为锚杆材料，并将其埋入边坡内部至少6m 深度，以确保牢固的固定效果。根据结构设计，框架梁的尺寸为1.2m 高、0.8m 宽，使用优质的混凝土材料进行施工。在框架梁上预留适当的孔洞，通过螺栓将锚杆牢固地连接到框架梁上，以提供稳定的支撑作用。

至此完成路基高边坡锚杆组合支护防滑移施工技术的设计。

2 工程实例分析

2.1 工程背景

以河北省承德市某高速公路中某施工合同段建设工程为研究对象，项目地处承德市下辖境内村镇，总体里程较长且地势陡峭。所处区域路堑区出露岩层为震旦系白云质灰岩（Z2t），岩层面产状130∠39°，受构造影响，节理裂较发育，岩芯表面溶蚀现象较明显。路堑区属构造剥蚀低山地貌，山体自然坡度较陡。项目内斜坡高程范围641.6～720.3m，相对高差约为78.7m，整体地形坡度23°～45°，延伸宽度为3～8m，存在一定安全隐患。

2.2 工程参数

在实际路基的防滑施工过程中，传统的锚固方式无法满足支撑需求，因此应充分的考虑到支护的各项参数，具体如下：

①锚杆长度：以钻机直径30mm 为例，综合考虑到拉断力、摩擦力、间排距等因素，最终选取规格为2.5m。

②锚杆直径：根据现场的施工环境条件进行选择，且要保证钻孔杆体差值，确定直径长度为22mm。

③预紧力：要求预紧力在屈服荷载45%以上，保证整体的承载能力，设定为65kN。

④金属网喷：按照实际需求设置金属网片规格和连接方式，喷层厚度进行调整，保证岩体位置的稳固。

在不同支护项目中由于环境因素的不同，可根据实际情况进行各项参数的调整，确保施工和运行的安全稳定。

2.3 防滑移性能分析

在工程进行前需要布控观测站，用于记录表面位移，形变程度和锚索受力状态等，在坡面一侧布置5 处不同点位，进行标记作为观测目标，每处锚杆位置配有测力计装置，每日对各项数据进行观察记录。分析各处活动状态和变化规律，判断锚杆框架的应用效果，也为后续设计施工修改提供相应的参考依据，观测示意图见图3。

图3 边坡模型示意图

锚杆防护在整体施工过程中相对简单便捷，但是效果显著，是防滑移的重要手段。

按照上述方式方法进行观测，对收集到的数据信息进行整理分析结果如下：

由图4 图5 可以看出，抽取的观测点A、C、E 在项目初期形变较为明显，随着时间的推移，形变速率呈现下降趋势，最后逐渐保持稳定。

图4 位移速度变化曲线

图5 位移累计变化曲线

锚杆C 点最大的形变速率可以达到21mm/d，结合周边环境了解到此时处于回风较大阶段。及时在形变严重的初期三处平均形变仍然可以控制在14mm/d 以内。一月内整体的平均累计变化量为106.8mm。

图5 中曲线在时间在19d 之后趋于相对平衡，形变速率较小，路基高边坡达到稳定状态。

由图6 可以看出锚杆不同位置的荷载分布并不均匀，从整体曲线变化趋势表现判断出中间位置为最大的承重点，两侧相对较小。伴随着时间的延长锚杆受力也在逐渐增加，起到有效的防护作用。

图6 锚杆B 应变力变化曲线

在图7 中埋设21 天时，应力曲线变化加剧，而其他时段受力平缓稳定，表明此处可能遭受撞击，失去保护作用，应及时处理恢复支护效果。

图7 锚杆D 应变力变化曲线

图8 选取了不同预埋时间锚固力变化曲线，可以看出在同一时段，随着锚杆位置深度的增加，锚固力呈现下降趋势，锚杆顶部受拉力较大，而锚杆深度形变较小，整体平衡稳定，达到持续支护作用，本文设计施工技术可以有效的控制路基高边坡的移滑。

图8 锚杆不同深度锚固力

3 结束语

近年来，锚杆组合支护防滑移施工技术得到了快速发展，它不仅能够有效地控制高边坡变形破坏，而且还能大大提高施工效率和质量，节省工程造价。因此，在我国山区高边坡加固工程中广泛采用锚杆组合支护防滑移施工技术进行治理，具有重要的现实意义。锚杆组合支护防滑移施工技术虽然不是一项独立的技术，但它和其他一些技术方法如挡土墙、锚固桩等综合应用能够较好地解决不同土质边坡的加固问题。同时，由于锚杆的固定性较强，所以它还能够在一定程度上提高边坡的稳定性，有效地解决了边坡滑移现象。尤其是在我国一些山区或多雨地区，由于受到自然环境、地质条件及施工工艺等因素的限制，采用锚杆组合支护防滑移施工技术来加固高边坡是非常有效的措施之一。另外，采用锚杆组合支护防滑移施工技术还能够提高边坡工程质量，使之更好地适应高等级公路的需要。总之，随着锚杆组合支护防滑移施工技术在我国山区或多雨地区高边坡加固改造工程中的广泛应用，将会对我国公路交通事业发展产生深远影响。