炭質(zhì)泥巖路塹高邊坡變形破壞及工程處治典型案例分析

班　鷹

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢　430063)

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炭質(zhì)泥巖路塹高邊坡變形破壞及工程處治典型案例分析

班鷹

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430063)

通過一個(gè)典型炭質(zhì)泥巖路塹高邊坡變形破壞及工程處治的工程案例，分析炭質(zhì)泥巖邊坡變形破壞的原因及工程處治的重點(diǎn)，指出工程勘察設(shè)計(jì)及施工時(shí)應(yīng)注意的關(guān)鍵點(diǎn)。

炭質(zhì)泥巖路塹高邊坡變形破壞處治方案

炭質(zhì)泥巖是一種在我國(guó)西南、華南山區(qū)廣泛分布的軟弱巖層，在山區(qū)公路、鐵路建設(shè)中多有揭露。炭質(zhì)泥巖具有風(fēng)化快、強(qiáng)度低、遇水易軟化、崩解嚴(yán)重等特點(diǎn)。我國(guó)西南山區(qū)雨水充沛，對(duì)已揭露的炭質(zhì)泥巖邊坡非常不利，變形破壞、滑塌事故時(shí)有發(fā)生。因此，針對(duì)炭質(zhì)泥巖邊坡變形破壞、滑塌事故原因分析及工程處治措施開展深入研究，對(duì)于保證炭質(zhì)泥巖地區(qū)工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)安全具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)效益。

21世紀(jì)初期以來，隨著我國(guó)高等級(jí)公路、鐵路建設(shè)逐漸進(jìn)入高潮，尤其是山區(qū)高等級(jí)公路、鐵路建設(shè)越來越多，遇到的炭質(zhì)泥巖路塹邊坡不在少數(shù)。黃曉華等[1]、李小和等[2]、李吉東[3]、李敏等[4]、楊永紅等[5]、張芳枝[6]、譚詳韶[7]、周翠英等[8]均結(jié)合工程實(shí)際針對(duì)炭質(zhì)泥巖路塹邊坡開展了系列研究，研究成果歸納為：①風(fēng)化后的炭質(zhì)泥巖在埋深較大時(shí)，測(cè)量的各種力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)較高，但一旦暴露在大氣中，或者遇水軟化后，其強(qiáng)度將大大降低。②抗滑樁等強(qiáng)力支擋措施是炭質(zhì)泥巖路塹邊坡最有效的加固手段。③預(yù)應(yīng)力錨索加固手段的應(yīng)用應(yīng)視情況而定，當(dāng)風(fēng)化炭質(zhì)泥巖巖層較薄，下部為堅(jiān)硬巖層時(shí)，可按正常路塹邊坡對(duì)待，采用地梁錨索或框架錨索進(jìn)行加固；當(dāng)風(fēng)化炭質(zhì)泥巖巖層較厚時(shí)，不宜采用地梁錨索或框架錨索進(jìn)行加固，此時(shí)應(yīng)降低每級(jí)邊坡的坡高，放緩坡率；若一定要采用錨索加固，則應(yīng)對(duì)錨索錨固段巖體進(jìn)行注漿加固。

以貴州省某高速公路一處典型的炭質(zhì)泥巖路塹高邊坡變形破壞事故為例，分析事故原因，指出工程處治的重點(diǎn)，提出有針對(duì)性的處治方案。

1　工程概況

貴州省某高速公路K92+820～K93+091段路基走向199°，為挖方路基。地質(zhì)勘探資料表明，該段巖土體為典型的炭質(zhì)泥巖，路基成形后，右側(cè)將形成路塹高邊坡，坡向約109°，坡長(zhǎng)271 m，最大坡高50.49 m，分為五級(jí)邊坡，各級(jí)邊坡設(shè)計(jì)坡率及加固措施如下。

一級(jí)邊坡：最大坡高10 m，坡率1∶0.75，路塹式擋土墻，改路從一級(jí)邊坡頂部平臺(tái)通過。

二級(jí)邊坡：最大坡高10 m，坡率1∶0.75，部分坡段框架錨桿支護(hù)，錨桿長(zhǎng)9 m，拉伸網(wǎng)植草防護(hù)；其余坡段窗式護(hù)面墻防護(hù)；二級(jí)邊坡頂部布置9根抗滑樁。

三級(jí)邊坡：最大坡高10 m，坡率1∶1.00，部分坡段地梁錨索加固，錨索長(zhǎng)28～30 m，錨固段10 m，人字骨架植草防護(hù)；部分坡段框架錨桿支護(hù)，錨桿長(zhǎng)9 m，拉伸網(wǎng)植草防護(hù)；其余坡段窗式護(hù)面墻防護(hù)；三級(jí)邊坡頂部(中段)布置6根抗滑樁(2 m×3 m×30 m)。

四級(jí)邊坡：最大高度10 m，坡率1∶1.00，中間坡段地梁錨索支護(hù)，錨索長(zhǎng)26～30 m，錨固段10 m，人字骨架植草防護(hù)；其余坡段窗式護(hù)面墻防護(hù)。

五級(jí)邊坡：最大坡高10.31 m，坡率1∶1.25，窗式護(hù)面墻防護(hù)。

邊坡典型剖面如圖1、圖2所示。

圖1　邊坡典型剖面(一)(樁號(hào)K92+989)

圖2　邊坡典型剖面(二)(樁號(hào)K92+941)

2　邊坡變形破壞過程

2011年10月，該路塹高邊坡三級(jí)邊坡以上部分基本開挖成形，支護(hù)結(jié)構(gòu)基本完成后，邊坡開始出現(xiàn)變形、開裂，致使第四級(jí)邊坡地梁頂部出現(xiàn)脫空、部分錨索失效(如圖3所示)。經(jīng)過第四級(jí)邊坡及以上卸載、第三級(jí)邊坡坡頂和第二級(jí)邊坡坡頂?shù)目够瑯都庸毯螅吰伦冃沃饾u趨于穩(wěn)定。

圖3　第四級(jí)邊坡坡頂開裂

隨著該路塹邊坡繼續(xù)開挖至設(shè)計(jì)高程后，第二級(jí)邊坡和第三級(jí)邊坡坡頂?shù)目够瑯稑俄斠查_始緩慢變形，尤其是經(jīng)歷了2012年6、7月間的持續(xù)強(qiáng)降雨后，邊坡變形加劇，邊坡所有地梁錨索全部失效。截至2012年7月23日，第三級(jí)邊坡坡頂?shù)目够瑯稑俄斪畲笞冃芜_(dá)4.27 m，第二級(jí)邊坡坡頂抗滑樁樁頂?shù)淖畲笞冃芜_(dá)3.70 m(如圖4所示)，且該邊坡坡腳運(yùn)梁通道對(duì)側(cè)也出現(xiàn)地坪隆起、開裂現(xiàn)象(如圖5所示)，表明邊坡具有滑塌趨勢(shì)。

圖4　第三級(jí)邊坡坡頂抗滑樁變形情況

圖5　邊坡坡底運(yùn)梁通道對(duì)側(cè)地坪隆起開裂

3　邊坡變形破壞原因分析

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，該路塹高邊坡原坡面絕大部分為粉質(zhì)黏土覆蓋層，植被良好，具有較好的隔水效果；下部依次為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化炭質(zhì)泥巖，其中全、強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)泥巖節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化劇烈，非常破碎。

該路塹邊坡原支護(hù)設(shè)計(jì)考慮到炭質(zhì)泥巖的特殊性，采取了較強(qiáng)的支護(hù)加固措施，包括抗滑樁和地梁錨索。設(shè)計(jì)抗滑樁絕大部分錨固于中風(fēng)化炭質(zhì)泥巖地層，設(shè)計(jì)地梁錨索的錨固段也位于中風(fēng)化炭質(zhì)泥巖地層。如果中風(fēng)化炭質(zhì)泥巖能夠保持原有的強(qiáng)度，則該設(shè)計(jì)是基本合理的。

邊坡開挖后，破壞了原始邊坡坡面的相對(duì)隔水層，加上當(dāng)?shù)赜晁鄬?duì)豐富，使得首先揭露的全、強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)泥巖地層受雨水的侵蝕作用而軟化，于2011年10月開始在已開挖的邊坡部分出現(xiàn)變形、開裂現(xiàn)象，并導(dǎo)致第四級(jí)邊坡地梁錨索部分脫空、失效。經(jīng)過坡頂卸載，第二、第三級(jí)邊坡坡頂抗滑樁施工等措施后，使邊坡上部的變形得到控制，逐漸趨于穩(wěn)定。

隨著邊坡的繼續(xù)開挖，中風(fēng)化炭質(zhì)泥巖逐漸出露，由于對(duì)坡面的封閉措施跟進(jìn)不及時(shí)，致使中風(fēng)化炭質(zhì)泥巖暴露時(shí)間過長(zhǎng)，風(fēng)化程度加劇，同時(shí)由于2012年6、7月間的持續(xù)強(qiáng)降雨作用，入滲進(jìn)入巖體中的雨水使中風(fēng)化炭質(zhì)泥巖力學(xué)性能急劇劣化，抗剪強(qiáng)度迅速降低，對(duì)抗滑樁的支擋作用和對(duì)錨索錨固段的錨固作用逐漸喪失，使地梁錨索失效，抗滑樁傾倒變形，邊坡出現(xiàn)滑塌趨勢(shì)。

邊坡變形破壞過程：首先由于炭質(zhì)泥巖遇水軟化，導(dǎo)致原第四級(jí)邊坡地梁錨索的錨固體失效，從而導(dǎo)致整個(gè)地梁錨索失效；其次，由于炭質(zhì)泥巖遇水軟化后，抗剪強(qiáng)度急劇降低，加上原設(shè)計(jì)抗滑樁只考慮了在中風(fēng)化炭質(zhì)泥巖地層中的嵌固深度，而沒有考慮在路基面以下的嵌固深度，致使抗滑樁作用有限，變形過大，邊坡逐步破壞，滑動(dòng)面逐漸向深部發(fā)展。根據(jù)推測(cè)，最新滑動(dòng)面已位于抗滑樁樁底以下(如圖6所示)。

圖6　高邊坡變形破壞過程分析示意

4　處治方案

4.1處治原則

根據(jù)該邊坡現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，并考慮到炭質(zhì)泥巖的特殊性，該邊坡變形破壞事故的處治原則為：

(1)邊坡下部的強(qiáng)力支擋，以抗滑樁為宜；

(2)通過防排水措施，逐步提高坡體下部炭質(zhì)泥巖的抗剪強(qiáng)度，至少不應(yīng)使其繼續(xù)降低。

4.2處治方案

根據(jù)邊坡變形破壞情況及處治原則，通過各種加固處治方案比選，并綜合相關(guān)各方意見，該邊坡最終處治方案為“片石混凝土抗滑擋墻+抗滑樁+片石混凝土擋墻”方案，將一級(jí)邊坡分為四段。

K92+893～K92+947段設(shè)置8根抗滑樁支擋，樁長(zhǎng)24 m，樁頂位于一級(jí)邊坡坡頂平臺(tái)；K92+947～K92+989段采用C20片石混凝土抗滑擋墻支擋，墻底設(shè)8排10 m長(zhǎng)微型鋼管樁，進(jìn)行深層抗滑，鋼管樁排距1 m，間距1 m，嵌入擋墻內(nèi)2 m。兩側(cè)采用C20片石混凝土普通擋墻支擋。一級(jí)邊坡設(shè)2排20～25 m深仰斜式排水孔。

二級(jí)邊坡放坡至1∶2后，采用50 cm厚滿鋪式護(hù)坡，設(shè)置2排20～25 m深仰斜式排水孔。

三級(jí)邊坡放坡至1∶2后，采用50 cm厚滿鋪式護(hù)坡。

四級(jí)邊坡放坡至1∶2后，10 cm厚掛網(wǎng)噴射混凝土綠化。

五、六級(jí)邊坡分別放坡至1∶2、1∶1.25后，8 cm素噴綠化。

處治方案立面如圖7所示，典型剖面如圖8所示。

圖7　處理方案立面

圖8　處治方案典型剖面

5　結(jié)束語

該路塹高邊坡于2012年7月底開始處治施工，至10月底完工。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，該路塹高邊坡變形破壞事故的處治是成功的，一方面抗滑樁和抗滑擋墻發(fā)揮了重要的支擋作用，邊坡變形已經(jīng)穩(wěn)定；另一方面，邊坡防排水措施得力，使得邊坡下部的炭質(zhì)泥巖強(qiáng)度未出現(xiàn)繼續(xù)降低的情況。除了封閉坡面，防止雨水入滲外，仰斜式排水孔發(fā)揮了重要作用。

從該邊坡變形破壞事故的原因分析及處治方案的效果來看，勘察設(shè)計(jì)和施工單位應(yīng)該充分重視炭質(zhì)泥巖邊坡的特點(diǎn)，勘察設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)有針對(duì)性地采取強(qiáng)力支擋措施，在沒有絕對(duì)把握時(shí)，不宜采用地梁錨索或框架錨索加固邊坡，且抗滑樁等支擋結(jié)構(gòu)應(yīng)深入可靠的穩(wěn)定地層中。施工時(shí)一方面嚴(yán)格按照開挖一級(jí)支護(hù)一級(jí)的工序施工，嚴(yán)禁一挖到底；另一方面應(yīng)及時(shí)做好坡面防護(hù)，防止雨水入滲導(dǎo)致炭質(zhì)泥巖強(qiáng)度的劣化。

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Analysis of A Typical Case of Slide and Treatment of the Carbonaceous Mudstone High Cutting Slope

BAN Ying

2016-01-29

班鷹(1964—)，男，1984年畢業(yè)于北京交通大學(xué)工民建專業(yè)，高級(jí)工程師。

1672-7479(2016)02-0020-04

U416.1+4； U417.1

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