李志軍

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

山西東有太行，西有呂梁，區(qū)內(nèi)又有大小山系分布，因此境內(nèi)公路多為山區(qū)公路，而且高陡邊坡比例較高，造成后期運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)大、養(yǎng)護(hù)成本高。本文針對(duì)山西某過(guò)境高速公路某段邊坡為例，分析評(píng)價(jià)了其穩(wěn)定性，根據(jù)實(shí)際情況合理確定了加固方案，為類似邊坡處治問(wèn)題，提供了參考。

該山區(qū)高速某段邊坡巖性主要為奧陶系上馬家溝組中風(fēng)化灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r，屬典型性脆硬性巖質(zhì)邊坡。在后期運(yùn)營(yíng)中，坡面局部發(fā)生不同規(guī)模的塊石崩落現(xiàn)象，對(duì)坡腳高速過(guò)往車輛及人員安全形成嚴(yán)重威脅；為消除安全隱患，起到防災(zāi)減災(zāi)的目的；對(duì)該邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，并結(jié)合實(shí)際情況確定了處治措施。

1 邊坡形態(tài)特征及治理概況

該段邊坡長(zhǎng)約104 m，高約66 m，整體傾向42°，坡面平均傾角約70°，立面形態(tài)呈近似三角形，巖性主要為灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，表層覆蓋薄層碎石土。在建設(shè)期間，該段邊坡坡面整體采用布魯克防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)，網(wǎng)格間距為5 m×5 m（見(jiàn)圖1），但是受節(jié)理控制，邊坡巖體破碎，時(shí)有落石發(fā)生，對(duì)高速行駛中車輛及養(yǎng)護(hù)人員造成了很大安全隱患。

圖1 邊坡照片

2 邊坡工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

項(xiàng)目區(qū)所屬地貌單元屬于中山溝谷，溝谷呈“U”字形，高速公路位于“U”字形溝谷底部，公路兩側(cè)多為開(kāi)挖溝谷兩側(cè)山梁而形成的高低、陡緩不等的人工巖質(zhì)邊坡。整個(gè)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)地形起伏較大，海拔最高點(diǎn)位于Ⅳ號(hào)邊坡頂部，高程約760 m，最低點(diǎn)位于項(xiàng)目區(qū)內(nèi)北西高速公路路基位置，高程約631 m，高差達(dá)159 m。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

據(jù)原勘查及設(shè)計(jì)文件并結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查，項(xiàng)目區(qū)內(nèi)無(wú)明顯大的斷層、褶皺等構(gòu)造，地層表現(xiàn)為緩傾單斜構(gòu)造。

2.3 地層巖性

區(qū)域內(nèi)第四紀(jì)松散層覆蓋較少，僅在坡頂和邊坡兩側(cè)覆蓋薄層第四紀(jì)覆蓋層，成分主要為碎石土，區(qū)內(nèi)地層以白云質(zhì)灰?guī)r為主，在邊坡坡面見(jiàn)少量灰?guī)r，現(xiàn)將各地層從新到老巖性分述如下：

a）碎石土 灰褐色，多覆蓋于項(xiàng)目區(qū)內(nèi)梁峁頂部和坡體，沖溝底部覆蓋厚度較厚，約2～3 m，坡頂覆蓋較薄，約0～0.3 m，碎石大小混雜，無(wú)分選，顆粒呈棱角狀，為松散狀態(tài)。

b）灰?guī)r 灰色、深灰色，中等風(fēng)化狀態(tài)，見(jiàn)于Ⅰ號(hào)邊坡坡面南側(cè)，厚度約0.5～2 m，巖體節(jié)理發(fā)育，較為破碎，錘擊聲不清脆，錘擊易碎，無(wú)回彈，為較軟巖，工程性質(zhì)較差。

c）白云質(zhì)灰?guī)r 灰白色，為項(xiàng)目區(qū)內(nèi)主要巖層，厚度很厚，項(xiàng)目區(qū)內(nèi)最厚處可達(dá)100余米，錘擊聲較清脆，有輕微回彈，為較堅(jiān)硬巖，節(jié)理十分發(fā)育，中等風(fēng)化狀態(tài)，較為破碎。

2.4 水文地質(zhì)條件

項(xiàng)目區(qū)位于主溝西側(cè)的梁峁地帶，區(qū)內(nèi)及附近外圍沒(méi)有地表積水。項(xiàng)目區(qū)內(nèi)沖溝發(fā)育，沖溝與主溝由公路切斷，沖溝無(wú)常年性流水，雨季溝谷內(nèi)可匯集雨水，沿沖溝流入公路西側(cè)的排水溝排泄。由原勘查資料結(jié)合實(shí)地調(diào)查，項(xiàng)目區(qū)內(nèi)地下水位至少位于路面十余米以下，在雨季地表水可沿巖體節(jié)理、裂隙入滲，部分地表水順著節(jié)理和裂隙由西向東從開(kāi)挖坡面排泄，或沿著巖體層理由北向南排入沖溝，最終匯集到路邊排水溝排泄；一部分地表水沿巖體節(jié)理、裂隙繼續(xù)入滲匯入地下水后沿巖體節(jié)理、裂隙由西向東排泄至主溝。

2.5 人類工程活動(dòng)

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)人類工程活動(dòng)主要為修建高速公路開(kāi)山削坡，形成高陡巖質(zhì)人工邊坡，并經(jīng)工程支擋等措施對(duì)坡面、坡體進(jìn)行加固。另外后期過(guò)往車輛的震動(dòng)效應(yīng)對(duì)邊坡也有一定的影響。

3 邊坡現(xiàn)狀和穩(wěn)定性分析

3.1 邊坡工程地質(zhì)條件及破壞現(xiàn)狀

該邊坡坡體巖性主要為厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r，坡面風(fēng)化嚴(yán)重，強(qiáng)風(fēng)化層厚度約1～3 m；邊坡體整體節(jié)理發(fā)育，中等風(fēng)化，錘擊聲較清脆，有輕微回彈，為較堅(jiān)硬巖；局部見(jiàn)石英巖脈沿節(jié)理裂縫充填，坡面結(jié)構(gòu)面類型主要為節(jié)理和層理，結(jié)合差，多被切割成邊長(zhǎng)3～30 cm不等的四邊形，整個(gè)坡面破碎，局部雨后節(jié)理面發(fā)現(xiàn)滲水現(xiàn)象；同時(shí)在前期坡面加固時(shí)，錨索成孔過(guò)程發(fā)現(xiàn)有灰塵從裂隙冒出，說(shuō)明風(fēng)化層內(nèi)巖體裂隙連通性較好。經(jīng)實(shí)地調(diào)查，該段邊坡未發(fā)現(xiàn)明顯的軟弱夾層，巖體基本質(zhì)量級(jí)別為Ⅲ。邊坡破壞主要表現(xiàn)為坡面或淺層破壞，而淺層破壞主要受巖體節(jié)理控制。

該段邊坡上坡段靠近北側(cè)坡面因爆破使該處坡面部分巖體塌落，使坡面在該部位凹向坡面內(nèi)側(cè)，從而使凹面上部巖體出現(xiàn)倒角，形成臨空面，臨空面長(zhǎng)約30 m，高約12 m，走向與坡體走向一致（見(jiàn)圖2）。野外采集到該段邊坡坡面上較為發(fā)育的12組節(jié)理（詳見(jiàn)表1）。

綜合考慮該段邊坡破壞后果的嚴(yán)重性、邊坡類型和坡高等因素，確定其工程安全等級(jí)為二級(jí)。

圖2 陡傾坡體

表1 邊坡采集主要節(jié)理統(tǒng)計(jì)表

3.2 穩(wěn)定性分析

3.2.1 分析方法

巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性主要受節(jié)理面控制，邊坡的破壞主要是由節(jié)理面切割形成的楔形體失穩(wěn)造成的。從野外實(shí)地調(diào)查獲取的區(qū)內(nèi)主要節(jié)理發(fā)育特征與各段邊坡體的空間組合關(guān)系來(lái)看，邊坡結(jié)構(gòu)面可能形成楔形體，邊坡體可能發(fā)生三維楔形體破壞模式，因此，本次邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)方法采用基于野外調(diào)查成果并結(jié)合赤平投影法對(duì)各邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定性分析，在此基礎(chǔ)上，再通過(guò)三維楔形體穩(wěn)定分析理論對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行定量評(píng)價(jià);基于穩(wěn)定性分析結(jié)果，對(duì)易發(fā)生楔形體破壞的邊坡，計(jì)算出其崩塌影響范圍。

3.2.2 剖面的選取

本次剖面的選取原則是：盡可能與邊坡走向垂直，或與地形等高線垂直以計(jì)算評(píng)價(jià)已有嚴(yán)重變形的巖土體穩(wěn)定性為主，適當(dāng)考慮未破壞但存在破壞可能性的部位。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及邊坡的特征，選取坡段穿過(guò)坡面凹陷區(qū)的最不利剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

3.2.3 定性分析及評(píng)價(jià)

該段邊坡坡頂與坡腳高差可達(dá)66 m，且坡面較陡，約70°，坡體節(jié)理十分發(fā)育，分析其主要結(jié)構(gòu)面與邊坡空間關(guān)系，初步判斷可形成三維楔形體，存在發(fā)生三維楔形體破壞的可能性。邊坡上部靠北側(cè)坡面凹陷區(qū)域?yàn)楸酒露蔚闹攸c(diǎn)災(zāi)害隱患點(diǎn)，凹陷坡面上部巖體形成倒角，該部分巖體受一組相交節(jié)理和層理控制出現(xiàn)三面臨空，易發(fā)生局部或整體崩塌，鑒于該部分巖體體積較大，一旦發(fā)生整體崩塌可能導(dǎo)致防護(hù)網(wǎng)失效，甚至拽拉掉整個(gè)防護(hù)網(wǎng)，對(duì)整個(gè)坡面的穩(wěn)定形成威脅，進(jìn)而威脅到行人、車輛安全。

經(jīng)采用赤平極射投影分析及結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)分析知：邊坡節(jié)理結(jié)構(gòu)面的投影交點(diǎn)處于開(kāi)挖邊坡和天然邊坡之間，存在發(fā)生楔形體破壞的可能性。

3.2.4 定量分析及評(píng)價(jià)

本次定量分析采用三維楔形體穩(wěn)定分析理論，對(duì)邊坡在最優(yōu)節(jié)理控制下坡體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，對(duì)于某些已采用布魯克網(wǎng)進(jìn)行護(hù)面防護(hù)的坡段不考慮布魯克網(wǎng)的影響，僅針對(duì)邊坡最危險(xiǎn)情形下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013），項(xiàng)目區(qū)內(nèi)各邊坡結(jié)構(gòu)面類型為硬性結(jié)構(gòu)面，且結(jié)合程度差，出于保守考慮計(jì)算參數(shù)取低值，φ值取27°，c值取0.05 MPa。

經(jīng)三維楔形體穩(wěn)定分析計(jì)算，其安全系數(shù)F=1.010；表明邊坡發(fā)生楔形破壞的可能性較大，在沒(méi)有布魯克網(wǎng)防護(hù)的天然工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

4 處治方案探討

基于以上穩(wěn)定性分析并結(jié)合實(shí)地現(xiàn)狀結(jié)果，原治理工程出現(xiàn)的新的主要問(wèn)題為邊坡坡面整體較為破碎，原布魯克網(wǎng)眼尺寸過(guò)大，仍存在落石風(fēng)險(xiǎn)；而且局部存在臨空面（倒角），整體穩(wěn)定性差，有發(fā)生滑塌風(fēng)險(xiǎn)。因此本次治理方案秉承“分段治理，區(qū)別對(duì)待”的原則，在保證安全第一的前提下兼顧經(jīng)濟(jì)合理性。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和穩(wěn)定性分析結(jié)果，特提出兩套方案供比選：方案一擬采用在布魯克網(wǎng)防護(hù)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上以預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁進(jìn)一步加固的治理措施；方案二擬采用削坡+布魯克網(wǎng)護(hù)面的治理措施。

4.1 具體工程治理措施

4.1.1 方案一

該方案對(duì)該段邊坡采用在布魯克網(wǎng)現(xiàn)狀防護(hù)基礎(chǔ)上采用預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁，局部采用16B槽鋼+預(yù)應(yīng)力錨索的治理措施。

a）錨索 錨索鉆孔直徑為φ110，錨索自由段長(zhǎng)14 m，錨固段深度6 m，采用3根φ15.2鋼絞線，錨具用OVM15——6型。自由段鋼絞線涂抹黃油并外套波紋管防腐，錨固段架線環(huán)與緊箍環(huán)每隔1 m間隔設(shè)置，緊箍環(huán)系16號(hào)鉛絲繞制，不少于兩圈，自由段每隔3 m設(shè)置一道架線環(huán)以保證鋼絞線順直，注漿材料用1∶1水泥砂漿，水灰比0.45，砂漿體強(qiáng)度不小于25 MPa，待砂漿體強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%后方可進(jìn)行錨索張拉，錨索設(shè)計(jì)荷載350 kN，鎖定拉力為210 kN（見(jiàn)圖3）。

圖3 錨索大樣圖

b）格構(gòu)梁 格構(gòu)梁的尺寸沿坡面均為4 m×4 m，橫梁和豎梁的截面尺寸均為寬400 mm，厚400 mm。單根橫梁和豎梁長(zhǎng)度均為8 m，采用鋼筋混凝土澆筑，混凝土采用C40商品混凝土，縱向主筋采用φ20的HPB335，箍筋采用φ12的HPB235。坡底設(shè)置基礎(chǔ)，基礎(chǔ)采用漿砌片石砌筑，基礎(chǔ)寬0.6 m，高0.4 m。

c）槽鋼采用16B槽鋼，高160 mm，腿長(zhǎng)65 mm，腰厚8.5 mm。槽鋼梁采用C20細(xì)石混凝土進(jìn)行封閉。

4.1.2 方案二

該方案對(duì)該段邊坡采用削坡+布魯克網(wǎng)護(hù)面的治理措施。削坡前須對(duì)坡面掛上的布魯克網(wǎng)進(jìn)行拆除，拆除時(shí)要配合削坡進(jìn)度逐段進(jìn)行拆除。

a）削坡 設(shè)計(jì)邊坡為5級(jí)坡，單級(jí)坡率均為1∶0.4，平臺(tái)寬度為1.5 m，綜合坡率為1∶0.48。

b）布魯克網(wǎng)防護(hù) 該系統(tǒng)主要有柔性鋼繩錨桿、支撐繩和鋼繩網(wǎng)構(gòu)成。縱橫交錯(cuò)并進(jìn)行依次預(yù)張力的φ16支撐繩與4.5 m×4.5 m正方形標(biāo)準(zhǔn)模式，網(wǎng)格內(nèi)鋪設(shè)一張4 m×4 m的DO/08/300型鋼繩網(wǎng)，每張鋼繩網(wǎng)與四周支撐繩間用φ8縫合繩縫合連接并進(jìn)行第二次預(yù)張拉。

4.2 方案對(duì)比

從造價(jià)和工藝來(lái)看，方案二造價(jià)較低，且工藝簡(jiǎn)單，經(jīng)削坡后，凌空部分及局部危巖體將被清除，杜絕了后患；整體坡面采用經(jīng)預(yù)張拉的布魯克網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)，該預(yù)張拉工藝能使系統(tǒng)對(duì)坡面施以一定的法向預(yù)緊壓力。從而提高表層土體的穩(wěn)定性，控制危巖體的移動(dòng)。該系統(tǒng)各構(gòu)成部分在每一獨(dú)立的防護(hù)區(qū)域內(nèi)為一互相聯(lián)系的共同作用整體，一旦坡面巖土體發(fā)生局部的變形或位移則系統(tǒng)將不是局部而是以整體的形式發(fā)揮作用，從而達(dá)到降災(zāi)目的。但是本方案在施工過(guò)程需采用爆破施工，對(duì)場(chǎng)地要求較高，該路段車流量較大，嚴(yán)重影響了雙向行車安全。

方案一雖然對(duì)工藝要求較高，但是在封閉一個(gè)車道的前提下可以進(jìn)行正常施工，對(duì)公路行車影響較小，各工序可以在腳手架上進(jìn)行有序施工，且在布魯克網(wǎng)的基礎(chǔ)上采用預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁，局部采用槽鋼+預(yù)應(yīng)力錨索，結(jié)構(gòu)整體剛度較強(qiáng)，提高了整體坡體的穩(wěn)定性，格構(gòu)梁和布魯克網(wǎng)相互作用降低了落石風(fēng)險(xiǎn)。

因此經(jīng)各方面論證比選，推選方案一。

5 結(jié)論

通過(guò)分析該巖質(zhì)高陡邊坡的工程地質(zhì)條件，評(píng)價(jià)了其穩(wěn)定性，通過(guò)定性分析及定量計(jì)算，得出穩(wěn)定性系數(shù)小于相關(guān)規(guī)范要求，根據(jù)實(shí)際條件，最終確定了主要采取預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁，局部危巖體部位采用槽鋼加預(yù)應(yīng)力錨索加固的方案。事實(shí)表明本文采取的評(píng)價(jià)方法合理，確定的治理方案分區(qū)對(duì)待，操作靈活，在較小影響車輛運(yùn)營(yíng)的條件下能夠順利地實(shí)施加固方案，達(dá)到預(yù)期效果，為類似破壞形態(tài)的高陡巖質(zhì)邊坡的處治方法，提供了參考。