山區高速公路路塹邊坡防護設計

李 聰

山區高速公路路塹邊坡防護設計

李 聰

針對山區高速公路因受地形限制和復雜地質條件的影響,設計難度較大的情況,以湖南省龍山—永順高速公路為實例,對山區高速公路路塹邊坡防護設計形式分類介紹,并對設計要點進行了實例分析,以期為山區高速公路路塹邊坡防護設計提供一些幫助。

高速公路,山區,邊坡,防護,設計要點

1 項目概況

湖南省龍山—永順高速公路主線全長 91.3 km,設計速度80 km/h,路基寬度24.5m,地處湘西武夷山腹地,呈南北向縱貫湘西地區,位于湘西自治州龍山縣、永順縣,為湘鄂兩省西部地區一條重要的出省通道。本項目的建設將縮短沿線地區與外界溝通的時空距離,可帶動湘西地區的經濟發展,有利于推動該地區實現脫貧致富,保障湖南省全面建設小康社會。

2 項目特點

本項目穿越湘西山區,路線走廊帶內沿線高差大,峽谷和山溝眾多,坡地植被發育,地質條件復雜,所經區域屬中亞熱帶季風濕潤氣候區,四季分明,熱量較足,雨量充沛。本項目受地形和地貌控制,初步設計階段橋隧比達 60%,高填深挖路段多,工程概算達 1.4億/km,被稱為湖南省設計最復雜、施工最困難、造價最高的高速公路。山區高速公路中,高橋墩、大跨徑橋梁是設計的重點,同時高填深挖路基設計也是勘察設計中最為復雜的部分,特別是路塹邊坡防護設計,是路基設計的關鍵部分,需引起足夠的重視。筆者以龍永路為實例,對山區高速公路路塹邊坡防護設計進行探討,具有典型性和代表性。

3 路塹邊坡防護設計的分類

結合地質條件和邊坡高度可按路塹邊坡的穩定性分為兩類。

3.1 穩定邊坡和基本穩定邊坡

這類邊坡通常直接進行普通防護設計就能滿足路塹邊坡穩定性要求,一般直接采用草灌護坡、三維網植草灌護坡、客土噴播護坡、漿砌片石骨架護坡、漿砌片石窗式護面墻等。

3.2 欠穩定邊坡和不穩定邊坡

這類邊坡需要綜合考慮地形、地質情況、邊坡受水的影響程度、邊坡受力荷載分析,采用治理與防護設計相結合的方式,保證邊坡安全。一般首先采取“治水”措施,采取坡頂截水、坡面排水、坡體排水(地下排水),有效控制水對邊坡穩定性的影響。有條件的地段可同時采用邊坡放緩、清方減載和壓力注漿等治理措施。對于這類路塹邊坡,需要采用鋼筋混凝土方格骨架錨桿護坡、路塹擋土墻、樁板墻、抗滑樁、預應力錨索護坡、SNS掛網護坡等邊坡防護設計,甚至多種防護形式相結合的設計方案。

4 本項目路塹邊坡防護設計介紹

4.1 路塹草灌護坡

適用于邊坡穩定、坡面沖刷輕微,邊坡高度不大于 3.0m,坡比不陡于 1∶1,且宜于草類植物生長的土質或強風化的巖石路塹邊坡。草灌護坡施工簡便,價格低廉,在路塹邊坡防護設計中被廣泛使用。

4.2 路塹三維網植草灌護坡

適用于邊坡高度 3m＜H≤6m、坡比一般不陡于 1∶1的土質或耐沖刷性差的巖石路塹邊坡,邊坡綠化效果較好,成本低。

4.3 客土噴播護坡

適用于邊坡高度大于 6m,坡比一般不陡于 1∶0.75的穩定巖石路塹邊坡,可在多級邊坡中使用。客土噴播是將含有植物生長所需營養的基質材料混合膠結材料噴附在巖基坡面上,在巖基坡面上創造出宜于植物生長硬度、牢固且透氣、與自然表土相近的土板塊,種植出可粗放管理的植物群落,最大程度地恢復自然生態。客土噴播可以改善邊坡土質條件,水、土、肥均可以保持,綠化效果非常好,成本較高。

4.4 漿砌片石拱型骨架內草灌護坡

適用于邊坡高度大于6m,坡比一般不陡于 1∶1,單靠植草不能維持邊坡長期穩定的路塹邊坡。漿砌片石厚度一般為 0.4m,每隔 10m～15m應留一道伸縮縫,縫寬約 2 cm。骨架內草皮采用花格草皮內播草籽,當邊坡不適宜草皮(噴草籽)生長時,骨架應露出地面 10 cm,邊坡鑿槽、回填種植土厚 10 cm,草綠化后,可以栽植灌木。龍永路沿線石料資源非常豐富,漿砌片石拱型骨架內草灌護坡,不但能維持邊坡穩定,而且造型美觀,是本項目路塹邊坡防護設計使用最多的防護形式之一(見圖 1)。

4.5 漿砌片石窗式護面墻

適應于易風化或較破碎的巖石路塹邊坡以及坡面易受侵蝕的土質路塹邊坡,坡比不陡于 1∶0.75。護面墻除自重外,不擔負其他荷載,亦不承受墻后的土壓力;修筑護面墻前,對所防護的邊坡,應清除風化層至新鮮巖面,并立即修筑;護面墻的頂部應用原土夯填,以免邊坡水流沖刷,滲入墻后引起破壞。護面墻的頂寬和底寬均為 1.0m,漿砌片石厚度一般為 0.5m,單級護面墻的高度不宜超過 10m,每隔 10m～20m應留一道伸縮縫。

4.6 路塹擋土墻和樁板墻

擋土墻是一種能夠抵抗側向土壓力,防止墻后土體坍塌,增加邊坡穩定性的構造物,同時也常被用于處理路基邊坡滑坡、崩塌等路基病害。在本項目路塹邊坡防護設計中,大量的擋土結構得到了廣泛應用。擋土墻按斷面的幾何形狀及特點,常見的形式有：重力式、錨桿式、懸臂式、扶臂式、柱板式和豎向預應力錨桿式等。各種擋土墻都有其特點及適用范圍,在處理實際擋土工程時,應對可能提供的一系列擋土體系的可行性作出評價,選取合適的擋土結構形式,做到安全、經濟、可行。山區高速公路,自然邊坡較為陡峭,在邊坡坡率和邊坡防護設計時,要注意結合原始邊坡坡率、地質情況綜合考慮。可以采用路塹擋土墻或樁板墻的設計,增強邊坡穩定,同時達到大大降低邊坡開挖高度和挖方工程量,最大限度的減少對原始邊坡破壞的效果。

實例分析：本項目 K 40為分離式路基,左幅左側有段 110 m路塹邊坡,自然邊坡陡峭,地形坡度約為 35°～40°。該邊坡地質由強 ～中 ～微風化砂質頁巖組成,以薄層狀為主,巖層傾向與邊坡呈大角度相交,邊坡較穩定,但淺部強風化裂隙發育,裂隙傾角較陡,巖質較軟,邊坡開挖后,結構面遇水強度降低,坡體淺部巖石沿陡傾角裂隙可能會產生局部塌坍,下部中～微風化巖組成的邊坡較穩定。若按常規坡比設計,第 1級,第 2級坡比采用 1∶0.75,第 3級～第 5級坡比采用 1∶1,路基橫斷面顯示,邊坡高度達到 50m (見圖 2左),對原有山體擾動較大,也增加了防護面積。在這種情況下,設計時應增加主動工程防護措施,盡量放陡邊坡,減少邊坡高度。優化設計后第 1級采用8m路塹擋土墻,第 2級,第 3級坡比為 1∶0.75并采用鋼筋混凝土方格骨架錨桿護坡設計進行邊坡加固,邊坡高度降低到 30m左右(見圖 2右),減少了對原始邊坡的破壞。同時采用坡頂截水溝,平臺截水溝,防止雨水沖刷,該路塹邊坡總體防護效果良好。

4.7 抗滑樁

抗滑樁是一種能迅速、經濟、有效地整治滑坡的工程結構物,它主要通過錨固在滑床的樁體,同時在有些情況下通過發揮受力段樁前土力來抵抗滑坡體的下滑力。抗滑樁埋入滑面以下的部分稱為錨固段,滑動面以上的部分稱為受力段,承受滑坡推力,并通過樁身傳遞到錨固段,依靠錨固段地層反力來嵌住樁身,如果樁身強度及錨固段地層強度能夠承受住滑坡的下滑力,那么抗滑樁就能阻止樁背滑體的滑動。抗滑樁的突出優點是：抗滑能力強,尤其適用于滑坡推力大、滑動帶深的滑坡;樁位靈活,可設置在滑坡中最利抗滑的部位;開挖量小,不易惡化滑坡狀態;圬工量小,節省材料,設備簡單,施工方便。抗滑樁是目前工程中滑坡處置應用最廣的工程方法,技術成熟,效果明顯,但造價較高。

4.8 鋼筋混凝土方格骨架錨桿護坡

適用于邊坡坡率 1∶0.75～1∶1.25的頁巖、泥質砂巖、泥巖等巖質邊坡,主要是防止邊坡坍塌和頁巖泥化剝落,是加強路塹邊坡穩定的一種重要而又成熟的防護設計形式,也是本項目中對欠穩定邊坡采用的最主要的防護設計形式之一(見圖 3)。

實例分析：本項目 K60左側有段 120m的路塹邊坡,地質條件為該路塹山體由碎石和頁巖組成,巖層產狀：124°∠28°。巖層走向與路線走向呈小角度相交,對邊坡穩定較不利。頁巖節理裂隙發育,易風化碎落。針對地質情況本項目采用的邊坡坡比和防護設計為：第 1級,第2級坡比為 1∶0.75,第 3級,第 4級坡比為 1∶1級,第 1級,第 2級,第 3級邊坡采用鋼筋混凝土方格骨架錨桿護坡,第 4級邊坡采用漿砌片石方格骨架內草灌護坡,坡頂設置截水溝。

4.9 預應力錨索護坡

適用于巖體松散破碎地段或局部承載能力較低,粘結式錨桿不能滿足穩定需要的路塹邊坡。預應力錨索護坡能適應坡比不陡于 1∶0.5的路塹欠穩定邊坡。非順層坡路段錨索垂直于坡面設置,順層坡地段錨索與坡面間夾角視巖層傾角等因素確定。立柱斷面尺寸為800mm×600mm,采用C30澆筑,鋼筋混凝土保護層為 35mm,搭接長度 35d。立柱與立柱之間采用厚層基材噴射植被護坡。預應力錨索護坡,通常與路塹擋土墻、樁板墻配合設計,處治較復雜的欠穩定和不穩定的路塹邊坡,實際效果好,但對施工工藝要求較高。

4.10 SNS柔性網防護系統

SNS(Safety Netting System)系統是一種以鋼絲網為主要構成部分來防止崩塌落石危害的柔性防護系統,它和以圬工結構為代表的傳統防護方法的主要差別在于系統本身具有柔性和高強度,更能適應抗擊集中荷載和高沖擊荷載,且在大量的室內外試驗和理論分析計算基礎上建立的標準化部件形式,使系統的設計計算原理趨于科學化和標準化。此外,系統設置后的較小視覺干擾和最大限度的維持原始地貌和植被,同時可進行人工植被綠化,在美化環境方面的社會效益是其他方法無法比擬的。該系統包括覆蓋(主動防護)和攔截(被動防護)兩大基本類型,主動防護系統通過錨桿和支撐繩固定方式將鋼繩網覆蓋在有潛在危害的坡面上,從而實現阻止和限制崩塌落石危害的目的(見圖4)。

實例分析：本項目 K54左側有段長 200 m的路塹邊坡,自然邊坡陡峭,地形坡度約為 50°～55°,地質條件：該路塹山體主要由灰巖組成,薄層狀,方解石脈較發育,巖層產狀：288°∠57°,巖層走向與路線走向雖呈小角度相交,但巖質堅硬,巖石較完整,邊坡較穩定。由于該段邊坡離隧道進口不遠,隧道棄渣數量大,路線周邊有大量居民區,很難找到合適的棄土場,若采用 1∶0.75和 1∶1放坡,邊坡高度將達到60m。結合挖方工程量和地質條件綜合考慮后,決定將邊坡放陡,坡比按1∶0.5設計,邊坡高度降低到 34m,大量減少了棄方和防護工程量。由于邊坡開挖爆破的施工過程中,擔心會對邊坡穩定造成擾動,從安全的方面考慮,本項目對該路塹邊坡采用SNS掛網主動防護系統,防止崩塌落石危害,同時坡頂設置截水溝,防止雨水沖刷。

5 動態設計與動態施工

設計人員應根據施工過程中的信息反饋,不斷修改和調整設計,對原有路塹邊坡設計進一步完善與優化,實現“動態設計、動態施工”。在設計階段盡管對邊坡的地質情況做了大量調查工作,但要想徹底搞清楚是很難的,時間和財力也是不允許的。而邊坡挖開后能對邊坡地質情況有直觀明了的認識,再結合現場的施工情況和監測單位反饋的信息,重新審視原先設計,合理之處可以得到印證和總結提高,不妥之處及時修正,從而有效避免因防護不足而導致邊坡失穩的情況發生,或防護過當而造成的浪費,使路塹邊坡設計更為合理。

6 結語

我國是個多山的國家,山區高速公路因受地形的限制和復雜地質條件的影響,設計難度大大增加,在進行路塹邊坡設計時必須結合實際地形、地質情況、邊坡受水的影響程度等因素綜合考慮,從而制定合理的路塹邊坡開挖坡率和防護設計方案,同時要注意“動態設計與動態施工”的原則在施工過程中進一步完善和優化設計。本文以湖南省龍山—永順高速公路為實例,分類介紹了山區高速公路路塹邊坡防護設計形式,并對幾段邊坡防護設計進行實例分析,希望能使讀者在高速公路路塹邊坡防護設計中得到一點幫助。

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The design ofm ountainous area depressed highway slope protection

LICong

For the influence of terrain restrictions and comp lex geological condition tohighway and the difficulty of design situation,take the examp le of Longshan to Yongshun highway,introduce themountainous area depressed highway slope cut slope protection design forms and analysis the design essentials examp les in order to p rovide some help tomountainous area highway cut slope protection design.

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U 412.36

A

1009-6825(2011)09-0138-03

2010-12-02

李 聰(1978-),男,工程師,湖南省交通規劃勘察設計院,湖南長沙 410008