高邊坡動態設計方法研究與工程實踐

■王 輝

(1.福建省交通科學技術研究所；2.福建省路翔工程設計有限公司；3.福建省公路工程試驗檢測中心站，福州 350001)

高邊坡動態設計方法研究與工程實踐

■王 輝1,2,3

(1.福建省交通科學技術研究所；2.福建省路翔工程設計有限公司；3.福建省公路工程試驗檢測中心站，福州 350001)

由于高邊坡病害的多樣性、病因的復雜性以及地質鉆探的局限性，初始設計方案往往不能很好的切合實際，高邊坡工程堅持動態設計的設計思想就變得十分重要。只有動態跟蹤設計，才能保證治理工程最合理、最符合病害工點的客觀實際。文中以福建省某高速公路高邊坡設計為例，介紹了高邊坡動態設計的方法，即充分考慮、把握病害類型及成因的時間效應，根據施工過程中監測數據、邊坡實際揭露的地質情況，對高邊坡進行系統分析，及時調整設計方案，同時對高邊坡病害進行一次根治，確保路塹邊坡體穩定和交通運輸安全。

高邊坡 動態設計 動態信息 方案優化

0 前言

根據我國高速公路高邊坡動態設計案例，無論是對高邊坡工程原理的認識還是對工程施工技術的運用都不夠全面。在進行高邊坡工程開挖之前要對其地形、環境、工程情況等實地勘察，但是由于勘察條件限制，通常情況下施工開挖后所呈現的地質現狀與之前勘測的數據資料存在一定的差異，從而給高速公路高邊坡的施工帶來風險，乃至發生較大的工程事故。就此，探尋行之有效的高速公路高邊坡動態設計方法已經成為我國公路建設事業亟待研究的問題之一。

1 工程病害概況

本文以福建省某高速公路K59+620～K59+680為工程背景。該處路基為半挖半填形成的路堤邊坡，共6級，最大坡高54m。2015年8月底至9月初，該工程附近地區連續出現多次強降雨，致該路段已經鋪設好的路面出現開裂變形。該處原地貌為溝槽地帶，路堤邊坡的坡腳位置原為水塘，路堤填方段為匯水位置。填料透水性較好，原坡面形成了相對隔水的地層，匯集的地下水易于在填土和原狀土的交界面附近富集、滯留，形成軟弱滑動帶。填土邊坡上部沿著軟弱帶滑動，在路基面以下的各級平臺位置出現剪出跡象。

2 高邊坡動態設計原理

工程設計是工程項目施工中重要的環節，它是對工程項目的整體情況進行詳細、科學合理的評估，同時還要對工程建設的實際地點進行勘測，將勘測的具體數據、資料保存起來，以便為工程實際施工提供依據，所以工程設計具有一定的前瞻性。但是在施工過程中，實際情況與之前勘測的相關數據資料容易存在一定差異，這就導致工程施工之前的設計失去了時效性。目前，高速公路高邊坡動態工程的主要建造矛盾就是解決勘測情況與實際施工情況之間的問題。最為合理的辦法就是工程施工之前進行勘測，工程施工之后針對之前勘測不相同的地方，以實際施工情況為參考依據，進行設計方案的調整與完善，最終使工程設計與實際情況相符，降低施工風險。

高速公路高邊坡工程的施工要將工程施工前的勘測資料、工程設計資料以及最為重要的工程實際施工資料和施工完成后的檢測資料等整理保存，這些資料共同組成了高速公路高邊坡工程的動態設計資料。在進行高邊坡施工前，工程勘察人員應到工程施工現場查看實際地質情況，在這一項工作當中，最重要的環節是勘察人員要格外注意施工地帶的巖體結構，對巖體結構的類型、特點等進行考察，詳細、準確地記錄相應的數據。

其次，相關設計人員應參考勘察的數據對高邊坡的穩定性與原設計對比推斷，這一項工作主要是運用工程地質類比法，在此基礎上還有工程地質力學綜合法，通過運用這兩種方法的計算能夠對工程的穩定性予以正確合理的判斷。

第三，在對高邊坡的穩定性進行合理判斷之后，就要對其穩定性進一步計算衡量，以此確定其穩定定量，這一計算設計主要運用極限平衡分析法和相對應的數值計算法。

第四，將上述數據推斷計算之后，設計人員就要進行高速公路高邊坡動態設計。

第五，高邊坡工程在施工過程中容易受到施工地質、施工環境等影響，易出現工程薄弱部分，設計人員在進行工程設計的過程中要考慮到這一點，并且針對實際情況設計出工程重點環節的監測方案，以此將工程施工影響降至最低。

第六，工程設計之后要進行具體工程施工。實際工程施工情況一定會與設計方案存在偏差，就此，針對實際工程的相關工程信息、地質信息、環境信息以及施工情況信息等與設計方案進行對比分析，針對工程設計方案當中不合理的地方進行數據調整，保證設計方案與施工情況相符；最后，針對工程勘測、工程設計以及工程施工過程中出現的問題和相關工程資料數據進行整理保存，以此對工程不足之處進行研究分析，探尋解決方法。

3 動態設計工作思路

動態設計是指在設計中充分考慮、合理把握時間因素對設計工作可能的影響。高邊坡病害整治工程動態設計的工作思路分為設計前階段、施工設計階段和施工階段三個階段。

3.1 設計前階段

在設計之初對病害工點的病害類型、產生原因等進行客觀、動態地把握。做到“一次根治，不留后患”。只有這樣才能在治理工程設計時有的放矢。

對病害工點的全面動態了解，貫徹設計與地質工作的緊密結合。從事設計的工程技術人員，應做到經常深入工地現場，全面了解病害的發生、發展過程，認識的深淺對病害治理工作影響很大。

對病害發生時的狀態與設計周期內可能出現最不利的情況進行動態比較，注意降雨引起的巖土體重度、地下水位等變化及由此引發的巖土體物理力學作用隨時間的變化。考慮風化作用因素，做到動態選取設計參數。

3.2 施工設計階段

設計工作尤其應堅持動態思維。這在設計參數的選取、設計狀態的把握、計算方法的使用、計算模式的選擇、基礎資料的分析、安全系數的選擇以及施工組織等方面尤為重要。

整個設計過程始終貫穿一個動態的過程。從方案設計到最后的施工圖設計，任何一項設計內容都可能因為對病害認識的進一步深入而有所變化。即使在施工圖文件已定的情況下，這種變動在病害治理工程中也是比較平常的事情。它同前期地質勘察和設計工作一樣，任一階段的工作在整個病害治理工作中都是同等重要的。設計人員在整個設計過程中應多深人到病害工點現場，實地考察所選工程措施的適用性和合理性。這對設計的合理性以及減少后續工作量很重要。

3.3 施工階段

當施工開始后，動態設計似乎比設計的任一階段都顯得微不足道。然而，事實并非如此。因為施工過程不僅是施工單位對設計的實施過程，同時也是設計人員對設計的合理性進行檢驗的過程。

前期對病害工點進行的勘察工作，只是基于某種勘探手段的一種推測與判斷。因此，在此基礎上的病害治理工程設計也存在許多有待驗證及完善之處。與之相比，施工開挖使設計范圍內的地層情況得到了最大限度的揭露，從而可以更加準確地判定控制性結構面、軟弱夾層、泥化條帶等的產狀。施工過程中的開挖面具有隱蔽性或多解性。設計人員必須及時對施工現場的情況加以了解、掌握。根據實際情況對設計進行驗證，并及時對不合理、不完善的地方進行補充或修改。這樣不僅可以避免原設計中可能存在的安全隱患，同時也有可能降低工程造價。

實際工作中，設計人員往往是在施工單位反映現場出現新的變形或不穩定跡象時才到現場處理。這種做法對病害治理非常不利。尤其是長大公路建設項目，本身線路長、工點多、工期緊。如果適逢雨季，這種工作方法往往會導致非常嚴重的后果：一是由于施工技術人員不可能對現場出現的與設計有關的信息進行全面的了解與掌握，有些細微的變形跡象不易察覺。當變形跡象明顯時，坡體病害已進一步惡化，或者設計變更的最佳時機已錯過，或者導致已做工程出現破壞，給后續設計工作帶來較大困難，新增加了工程量；二是雖然在設計時考慮了施工因素，并對施工應注意事項提出了嚴格的要求。但有時現場施工不能完全按設計要求進行施工。特別是在高邊坡病害治理中，施工程序、施工方式對設計的影響更大，一旦出現問題，設計人員應及時做出變更處理。總之，動態設計在施工階段的貫徹，體現了設計工作的延續性以及設計人員的責任心。應在病害治理工作中大力提倡，動態設計方法如圖1所示。

4 動態設計在實際工程中的應用

4.1 設計前對病害的動態認識

因該高速公路動態設計內容較多，僅選取K59+620～K59+680左側邊坡進行分析。該邊坡坡體主要由粉質粘土、凝灰熔巖風化層組成，邊坡最大開挖高度約為48.5m，邊坡表層為粉質粘土，厚度約為2.20～2.50m，其下為全風化凝灰質砂巖，厚度約為21.90～28.60m。路塹區路段內分布粉質粘土、全風化巖，遇水易軟化、崩解，邊坡穩定性較差，須采用安全坡率。

4.2 動態設計內容

(1)坡率及加固工程布置

圖1 高邊坡動態設計方法

邊坡設計最高為6級，各級邊坡設計坡率及防護加固工程措施為：第一級1:1，采用漿砌片石護面墻防護；第二至四級1:1，采用錨索框架植草防護；第五、六級1: 1.25，采用拱形骨架植草防護。兩側坡率據其坡高及地形地質條件適當調整。

(2)防護工程

坡面視坡率及地質條件采用漿砌片石護面墻、錨索框架植草、拱型骨架植草灌、植草灌等措施進行防護。

(3)坡體排水工程

邊坡第一至四級坡腳向上30cm處布置仰斜式排水孔，深15m，間距5m，仰角8～15°。

4.3 施工后動態信息收集和分析

(1)動態信息獲取

邊坡設計信息的獲取以現場觀察和監測為核心，多渠道獲取信息來完成。本標段建成深部位移監測孔10個，布置示意圖如圖2所示。

(2)孔位移監測

在施工過程中，有專人記錄邊坡開挖時節理、裂隙的發展情況。所有這些信息，通過曲線和圖表的形式，及時反饋設計方，為方案的優化設計提供合理依據。

(3)信息資料分析

工程開工后，監測方對該邊坡的深孔位移監測曲線進行分析，以孔ZK1-1#孔的變化為例，列出變化趨勢，如圖3～圖6所示。首次監測距成孔時間較短，受監測孔孔壁四周填砂自密實影響，歷次監測曲線呈現形波動形狀。本次監測發現各監測孔均有不同程度的擠壓蠕動變形反應：ZK1-1距孔口0～12m有蠕動變形反應，ZK2-3曲線波動、蠕動反應，ZK2-4距孔口4m、8m有疑似變形反應，其余監測孔監測曲線均未見明顯滑動變形反應，有不同程度的蠕動、波動反應。監測孔內的地下水水位未見明顯變化，監測反映坡體地下水埋深較淺，地下水發育一般。

圖2 邊坡監測孔布置示意圖

圖3 ZK1-1#孔變化曲線A向變化量(mm)

圖4 ZK1-1#孔變化曲線A向位移(mm)

圖5 ZK1-1#孔變化曲線B向變化量(mm)

4.4 初始設計方案的動態優化

(1)優化加固方案

根據邊坡開挖后的地表變形及對深孔監測資料分析的結果，采用回填方案，對平行線路高邊坡的一級坡進行回填。回填至垂直線路高邊坡一級平臺處，施工完成后邊坡一起綠化。

(2)優化排水方案

地下水的活動是造成巖石滑坡的主要原因。橋位區高邊坡更應重視。為疏干坡體中的地下水，在垂直線路高邊坡第三級、平行線路高邊坡第四級鋼筋砼預應力錨索框架中，各設置1排仰斜疏干排水孔。

圖6 ZK1-1#孔變化曲線B向位移(mm)

(3)后期觀測

施工結束后，所建立的監測網繼續工作。利用監測信息監控加固邊坡的穩定狀態，判斷設計的合理性。從幾個月以來的監測結果看，雖然經歷陰雨天的侵襲，坡體并未發生大變形。坡體位移曲線也趨穩定。

根據動態設計、實時監測結果以及信息化施工反饋信息，所有變更設計均應力爭使各工點的設計更趨合理。有時可能帶來工程量的少量增加，卻使病害治理工程的預期治理效果更理想。

5 結語

動態設計與信息化施工是目前國內外興起的新技術。許多重大工程采用了此項新技術進行設計施工，已取得了很好的成效。由于目前人類對高邊坡病害的認識水平有限以及各方面的客觀原因，客觀、科學的動態設計也是高邊坡病害治理工程必不可少的內容。本文從工程實際出發，介紹了高邊坡動態設計的工作思路和工作方法，既保證了工程如期完工，又降低了成本，可供類似工程參考與借鑒。

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[2]周德培.軟巖高邊坡工程的信息施工[J].巖石力學與工程學報,1999,18 (4):373-377.

[3]王在泉,王建波.復雜邊坡工程穩定性監測及信息施工[J].中國礦業大學學報,2000,29(6):587-591.