蒙華鐵路平陸站土質高邊坡設計及監測分析

李會章

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

1 概述

目前，主要通過定性和定量的方法對土質邊坡進行穩定性評價[1]，吳海剛在研究內容中引入特高邊坡概念，通過工程比擬法及自然比擬法對特高邊坡進行宏觀控制及定性分析[2]；王旭等采用基于極限平衡法的蒙特卡洛模擬進行邊坡可靠度計算[3]；陳國慶等[4]提出基于動態和整體強度折減法的邊坡動態穩定性評價方法；董文文[5]等介紹了近幾年國內外邊坡變形檢測技術的發展及應用現狀，主要有分布式光纖傳感新型監測技術等；陳效星[6]以深云車輛段巖質高邊坡為依托，通過建立長期監測系統，對邊坡穩定性進行分析探討；郭帥杰等[7]對路塹邊坡監測數據預處理方法進行了研究，并在長昆客專路塹邊坡監測中取得了良好效果。

在蒙華鐵路平陸站黃土高邊坡設計中，首先對場地地質情況進行深入研究，在滿足邊坡穩定的前提下進行了優化設計，并建立了長期監測系統。以下以該土質高邊坡的優化設計和監測成果為基礎，對其穩定性進行分析和探討。

2 工程概況

2.1 邊坡概況

蒙華鐵路北起內蒙古浩勒報吉，終至江西省吉安市，全長1 837 km。平陸站位于山西省平陸縣境內，該段線路主要以挖方形式通過黃河高階地，地形起伏較大，整體地形左高右低。線路中心最大挖深41.9 m，左側邊坡最大高度90.1 m。

2.2 地層巖性

場區內地層主要有砂質新黃土(Q3dl+pl)、黏質新黃土(Q3dl+pl)、黏質老黃土(Q2pl)、粉砂(Q2pl)、細砂(Q2pl)。其中，砂質新黃土具濕陷性，濕陷厚度為12～27 m，濕陷性為Ⅲ級(嚴重)，地震動峰值加速度為0.15g，地震基本烈度為Ⅶ度。以現場地質報告提供的物理力學統計指標為基礎，綜合考慮該區域既有鐵路設計資料，選取的邊坡穩定計算參數見表1。

表1 土層穩定計算參數

3 高邊坡設計

路塹高邊坡設計主要涉及3個因素，坡形、坡率和邊坡平臺。該段路塹高邊坡設計采用安全系數法，同時輔以工程比擬及自然比擬法，在滿足穩定的前提下對邊坡進行優化[8-10]。

3.1 坡形設計

根據黃土路塹邊坡設計原則及區域內黃土自然穩定邊坡的坡形結構，確定黃土路塹高邊坡的最佳坡形為臺階形。

3.2 坡率設計

根據地勘資料推薦坡率以及工程類比分析，確定設計坡率選取范圍介于1∶1.0～1∶1.5之間。采用圓弧滑動法進行計算，對邊坡穩定性、邊坡高度、占地情況等因素進行綜合分析，各種檢算結果如表2所示。

表2 不同坡率檢算結果

由表2可見，邊坡坡率采用1∶1.0、1∶1.15、1∶1.20三種方案時，穩定系數均小于1.25，達不到規范要求，高邊坡存在安全隱患；邊坡坡率采用1∶1.25、1∶1.5時，邊坡穩定系數均滿足規范要求，但1∶1.5坡率方案邊坡用地及挖方數量較1∶1.25坡率方案明顯增加，經濟效益差。因此，通過對不同方案的綜合分析，擬定坡率為1∶1.25。

3.3 邊坡平臺設計

根據黃土地區邊坡設計經驗，高邊坡中設置大平臺可有效降低坡腳應力集中，有利于邊坡穩定，同時便于施工。因此，本項目采用大平臺、小平臺相結合的設計方式，路塹邊坡大平臺每3級邊坡設置一處，寬10～20 m，每級邊坡設置小平臺，寬3 m。以下對土方、用地、邊坡高度、穩定系數4方面進行綜合評價，以選取適宜的平臺寬度。檢算結果見表3。

表3 不同邊坡平臺寬度檢算結果

當邊坡平臺設置過小時，穩定系數不滿足規范要求；當邊坡平臺設置過大時，穩定系數滿足規范要求，但邊坡占地及土方開挖工程量過大。因此，在滿足邊坡穩定性前提下，選取合適的大平臺寬度對邊坡優化設計有顯著意義。

最終確定的高邊坡設計方案：坡形為臺階形，邊坡坡率采用1∶1.25，小平臺寬3 m，大平臺寬度采用15 m、20 m、15 m。考慮坡腳應力集中情況，每級大平臺下的三級邊坡分別采用一級拱形骨架、兩級錨桿格梁進行防護(見圖1)[11]。

圖1 邊坡檢算示意

4 邊坡自動化監測分析

4.1 監測項目及測點布置

為了及時掌握施工期及運營期路塹邊坡的穩定性和變形情況，需要對邊坡變形、錨固拉力、含水量等項目進行監測；根據監測數據分析變形發展趨勢及邊坡穩定狀態，為鐵路安全運營提供預警保障[12-14]。

平陸站高邊坡監測主要針對邊坡高陡、地質情況復雜段落，一般沿線路方向每隔30～50 m設置一個監測斷面，局部可根據地形、巖性和支護結構等情況進行調整。每個監測斷面一般設置2～3個深層監測孔，按照縱、橫斷面呈十字布置，形成合理的測網。監測孔應設在變形敏感位置，鉆孔深度需結合邊坡滑動弧面確定(達到穩定地層不少于2 m)。錨桿測力計布設在邊坡較高段落的錨固工程中，通過拉力計監測錨桿應力變化，進而分析邊坡變形情況。

本工程共布設監測斷面20個，深部位移監測點226個，錨桿測力計6個，含水量計24個，各監測項目數據均采用遠程自動化采集傳輸。

4.2 監測數據分析

(1)含水量分析

含水量計于2016年9月安裝，監測數據截止2018年6月，代表性測點的含水量變化曲線見圖2。

圖2 含水量變化曲線

在五級平臺和十級平臺的2 m和8 m深度設置含水量計。如圖2所示，不同位置處含水量不盡一致，整體表現為十級邊坡處含水量高于五級邊坡處；邊坡表層2 m處含水量隨時間變化出現大幅波動，邊坡中部8 m處含水量隨時間變化不明顯。邊坡表層含水量劇烈變化時間與當地雨季時間較為吻合。

根據邊坡表層和深部含水量隨時間變化的情況可知，深層土受降雨影響較小，含水量較穩定，表層土含水量受降雨影響較大，但雨季過后，坡體含水量又趨于穩定。針對坡體含水量變化規律，邊坡開挖后應及時進行防護，并做好臨時排水，減少雨水下滲對坡體產生的影響。

(2)鉆孔測斜儀數據分析

兩批鉆孔測斜儀分別于2016年9月和2017年5月安裝，監測數據截止2018年6月，代表性測斜數據見圖3～圖5。

圖3 二級平臺深孔位移曲線

圖4 五級平臺深孔位移曲線

圖5 十級平臺深孔位移曲線

代表性斷面設置在二級、五級和十級平臺，每級平臺測斜孔深度根據邊坡高度以及潛在滑動面綜合確定。

鉆孔測斜儀監測數據顯示，每級邊坡變形情況不盡相同。十級邊坡變形較大，最大值約為10 mm，邊坡變形量隨鉆孔深度的增加明顯減小，其原因為十級邊坡位于高邊坡頂部，地層主要為砂質新黃土，土體相對松散，隨著邊坡開挖累計變形量逐漸增大，但當邊坡整體開挖結束，變形速率有所減小并逐漸趨于穩定。五級邊坡總體位移變化較小，但邊坡9月～12月有變形加劇情況出現，主要原因是受降雨影響，雨水下滲后土體含水率增大，強度降低，變形有所增加。二級邊坡位移總體較小，但前期位移有較大突變，造成突變的主要原因是5月～11月施工單位進行一級邊坡開挖，開挖卸荷后應力重新分布所致。

由圖3～圖5可知，邊坡曾出現局部位移突變情況，但逐漸趨于穩定，邊坡最大水平位移及坡體變形速率均在規范預警范圍內，邊坡整體處于穩定狀態。

(3)錨桿測力計數據分析

兩批錨桿測力計分別于2016年9月和2017年5月安裝，監測數據截止2018年6月，代表性錨桿測力計監測數據見表4。

表4 錨桿測力計數據變化

在二級、五級邊坡錨桿格梁護坡處設置錨桿測力計。根據表4中錨桿測力數據可以看出，五級平臺錨桿拉力普遍較小，錨桿軸力變化幅度不大；二級邊坡測點數據隨時間變化有較大變動，主要原因是一級邊坡開挖卸荷后邊坡局部位移增大，由于錨桿格梁具有變形限制作用，錨桿拉力隨著坡體開挖逐漸增大，當土方施工結束后，邊坡變形增量逐漸減小，錨桿軸力也逐漸趨近穩定。

錨桿測力計監測數據表明，錨桿拉力小于設計值，錨桿工作正常，各測點附近不存在邊坡失穩情況。總體來說，錨桿作為一種被動支護措施，只有在土體錨固范圍內有破壞或存在破壞趨勢時，錨桿軸力才會出現持續增大情況。

5 結論

平陸站高邊坡段落各項監測數據的分析結果顯示，高邊坡坡體表層及深部無明顯位移，錨桿、格梁受力合理，邊坡處于穩定狀態。