某高速運營中巖質邊坡穩定性分析及加固方案探討

李志軍

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

山西東有太行，西有呂梁，區內又有大小山系分布，因此境內公路多為山區公路，而且高陡邊坡比例較高，造成后期運營風險大、養護成本高。本文針對山西某過境高速公路某段邊坡為例，分析評價了其穩定性，根據實際情況合理確定了加固方案，為類似邊坡處治問題，提供了參考。

該山區高速某段邊坡巖性主要為奧陶系上馬家溝組中風化灰巖及白云質灰巖，屬典型性脆硬性巖質邊坡。在后期運營中，坡面局部發生不同規模的塊石崩落現象，對坡腳高速過往車輛及人員安全形成嚴重威脅；為消除安全隱患，起到防災減災的目的；對該邊坡的穩定性進行了分析評價，并結合實際情況確定了處治措施。

1 邊坡形態特征及治理概況

該段邊坡長約104 m，高約66 m，整體傾向42°，坡面平均傾角約70°，立面形態呈近似三角形，巖性主要為灰巖及白云質灰巖，節理裂隙發育，巖體較破碎，表層覆蓋薄層碎石土。在建設期間，該段邊坡坡面整體采用布魯克防護網進行防護，網格間距為5 m×5 m（見圖1），但是受節理控制，邊坡巖體破碎，時有落石發生，對高速行駛中車輛及養護人員造成了很大安全隱患。

圖1 邊坡照片

2 邊坡工程地質條件

2.1 地形地貌

項目區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，公路兩側多為開挖溝谷兩側山梁而形成的高低、陡緩不等的人工巖質邊坡。整個項目區內地形起伏較大，海拔最高點位于Ⅳ號邊坡頂部，高程約760 m，最低點位于項目區內北西高速公路路基位置，高程約631 m，高差達159 m。

2.2 地質構造

據原勘查及設計文件并結合野外實地調查，項目區內無明顯大的斷層、褶皺等構造，地層表現為緩傾單斜構造。

2.3 地層巖性

區域內第四紀松散層覆蓋較少，僅在坡頂和邊坡兩側覆蓋薄層第四紀覆蓋層，成分主要為碎石土，區內地層以白云質灰巖為主，在邊坡坡面見少量灰巖，現將各地層從新到老巖性分述如下：

a）碎石土 灰褐色，多覆蓋于項目區內梁峁頂部和坡體，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，無分選，顆粒呈棱角狀，為松散狀態。

b）灰巖 灰色、深灰色，中等風化狀態，見于Ⅰ號邊坡坡面南側，厚度約0.5～2 m，巖體節理發育，較為破碎，錘擊聲不清脆，錘擊易碎，無回彈，為較軟巖，工程性質較差。

c）白云質灰巖 灰白色，為項目區內主要巖層，厚度很厚，項目區內最厚處可達100余米，錘擊聲較清脆，有輕微回彈，為較堅硬巖，節理十分發育，中等風化狀態，較為破碎。

2.4 水文地質條件

項目區位于主溝西側的梁峁地帶，區內及附近外圍沒有地表積水。項目區內沖溝發育，沖溝與主溝由公路切斷，沖溝無常年性流水，雨季溝谷內可匯集雨水，沿沖溝流入公路西側的排水溝排泄。由原勘查資料結合實地調查，項目區內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理、裂隙入滲，部分地表水順著節理和裂隙由西向東從開挖坡面排泄，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理、裂隙繼續入滲匯入地下水后沿巖體節理、裂隙由西向東排泄至主溝。

2.5 人類工程活動

項目區內人類工程活動主要為修建高速公路開山削坡，形成高陡巖質人工邊坡，并經工程支擋等措施對坡面、坡體進行加固。另外后期過往車輛的震動效應對邊坡也有一定的影響。

3 邊坡現狀和穩定性分析

3.1 邊坡工程地質條件及破壞現狀

該邊坡坡體巖性主要為厚層狀白云質灰巖，坡面風化嚴重，強風化層厚度約1～3 m；邊坡體整體節理發育，中等風化，錘擊聲較清脆，有輕微回彈，為較堅硬巖；局部見石英巖脈沿節理裂縫充填，坡面結構面類型主要為節理和層理，結合差，多被切割成邊長3～30 cm不等的四邊形，整個坡面破碎，局部雨后節理面發現滲水現象；同時在前期坡面加固時，錨索成孔過程發現有灰塵從裂隙冒出，說明風化層內巖體裂隙連通性較好。經實地調查，該段邊坡未發現明顯的軟弱夾層，巖體基本質量級別為Ⅲ。邊坡破壞主要表現為坡面或淺層破壞，而淺層破壞主要受巖體節理控制。

該段邊坡上坡段靠近北側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側，從而使凹面上部巖體出現倒角，形成臨空面，臨空面長約30 m，高約12 m，走向與坡體走向一致（見圖2）。野外采集到該段邊坡坡面上較為發育的12組節理（詳見表1）。

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

圖2 陡傾坡體

表1 邊坡采集主要節理統計表

3.2 穩定性分析

3.2.1 分析方法

巖質邊坡的穩定性主要受節理面控制，邊坡的破壞主要是由節理面切割形成的楔形體失穩造成的。從野外實地調查獲取的區內主要節理發育特征與各段邊坡體的空間組合關系來看，邊坡結構面可能形成楔形體，邊坡體可能發生三維楔形體破壞模式，因此，本次邊坡穩定性分析評價方法采用基于野外調查成果并結合赤平投影法對各邊坡穩定性進行定性分析，在此基礎上，再通過三維楔形體穩定分析理論對邊坡的穩定性進行定量評價;基于穩定性分析結果，對易發生楔形體破壞的邊坡，計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算評價已有嚴重變形的巖土體穩定性為主，適當考慮未破壞但存在破壞可能性的部位。

根據現場調查及邊坡的特征，選取坡段穿過坡面凹陷區的最不利剖面進行穩定性分析。

3.2.3 定性分析及評價

該段邊坡坡頂與坡腳高差可達66 m，且坡面較陡，約70°，坡體節理十分發育，分析其主要結構面與邊坡空間關系，初步判斷可形成三維楔形體，存在發生三維楔形體破壞的可能性。邊坡上部靠北側坡面凹陷區域為本坡段的重點災害隱患點，凹陷坡面上部巖體形成倒角，該部分巖體受一組相交節理和層理控制出現三面臨空，易發生局部或整體崩塌，鑒于該部分巖體體積較大，一旦發生整體崩塌可能導致防護網失效，甚至拽拉掉整個防護網，對整個坡面的穩定形成威脅，進而威脅到行人、車輛安全。

經采用赤平極射投影分析及結構面統計分析知：邊坡節理結構面的投影交點處于開挖邊坡和天然邊坡之間，存在發生楔形體破壞的可能性。

3.2.4 定量分析及評價

本次定量分析采用三維楔形體穩定分析理論，對邊坡在最優節理控制下坡體的穩定性進行分析，對于某些已采用布魯克網進行護面防護的坡段不考慮布魯克網的影響，僅針對邊坡最危險情形下的穩定性進行分析。據《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330—2013），項目區內各邊坡結構面類型為硬性結構面，且結合程度差，出于保守考慮計算參數取低值，φ值取27°，c值取0.05 MPa。

經三維楔形體穩定分析計算，其安全系數F=1.010；表明邊坡發生楔形破壞的可能性較大，在沒有布魯克網防護的天然工況下處于欠穩定狀態。

4 處治方案探討

基于以上穩定性分析并結合實地現狀結果，原治理工程出現的新的主要問題為邊坡坡面整體較為破碎，原布魯克網眼尺寸過大，仍存在落石風險；而且局部存在臨空面（倒角），整體穩定性差，有發生滑塌風險。因此本次治理方案秉承“分段治理，區別對待”的原則，在保證安全第一的前提下兼顧經濟合理性。

根據現場調查和穩定性分析結果，特提出兩套方案供比選：方案一擬采用在布魯克網防護現狀基礎上以預應力錨索格構梁進一步加固的治理措施；方案二擬采用削坡+布魯克網護面的治理措施。

4.1 具體工程治理措施

4.1.1 方案一

該方案對該段邊坡采用在布魯克網現狀防護基礎上采用預應力錨索格構梁，局部采用16B槽鋼+預應力錨索的治理措施。

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，錨固段架線環與緊箍環每隔1 m間隔設置，緊箍環系16號鉛絲繞制，不少于兩圈，自由段每隔3 m設置一道架線環以保證鋼絞線順直，注漿材料用1∶1水泥砂漿，水灰比0.45，砂漿體強度不小于25 MPa，待砂漿體強度達到設計強度80%后方可進行錨索張拉，錨索設計荷載350 kN，鎖定拉力為210 kN（見圖3）。

圖3 錨索大樣圖

b）格構梁 格構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。坡底設置基礎，基礎采用漿砌片石砌筑，基礎寬0.6 m，高0.4 m。

c）槽鋼采用16B槽鋼，高160 mm，腿長65 mm，腰厚8.5 mm。槽鋼梁采用C20細石混凝土進行封閉。

4.1.2 方案二

該方案對該段邊坡采用削坡+布魯克網護面的治理措施。削坡前須對坡面掛上的布魯克網進行拆除，拆除時要配合削坡進度逐段進行拆除。

a）削坡 設計邊坡為5級坡，單級坡率均為1∶0.4，平臺寬度為1.5 m，綜合坡率為1∶0.48。

b）布魯克網防護 該系統主要有柔性鋼繩錨桿、支撐繩和鋼繩網構成。縱橫交錯并進行依次預張力的φ16支撐繩與4.5 m×4.5 m正方形標準模式，網格內鋪設一張4 m×4 m的DO/08/300型鋼繩網，每張鋼繩網與四周支撐繩間用φ8縫合繩縫合連接并進行第二次預張拉。

4.2 方案對比

從造價和工藝來看，方案二造價較低，且工藝簡單，經削坡后，凌空部分及局部危巖體將被清除，杜絕了后患；整體坡面采用經預張拉的布魯克網進行防護，該預張拉工藝能使系統對坡面施以一定的法向預緊壓力。從而提高表層土體的穩定性，控制危巖體的移動。該系統各構成部分在每一獨立的防護區域內為一互相聯系的共同作用整體，一旦坡面巖土體發生局部的變形或位移則系統將不是局部而是以整體的形式發揮作用，從而達到降災目的。但是本方案在施工過程需采用爆破施工，對場地要求較高，該路段車流量較大，嚴重影響了雙向行車安全。

方案一雖然對工藝要求較高，但是在封閉一個車道的前提下可以進行正常施工，對公路行車影響較小，各工序可以在腳手架上進行有序施工，且在布魯克網的基礎上采用預應力錨索格構梁，局部采用槽鋼+預應力錨索，結構整體剛度較強，提高了整體坡體的穩定性，格構梁和布魯克網相互作用降低了落石風險。

因此經各方面論證比選，推選方案一。

5 結論

通過分析該巖質高陡邊坡的工程地質條件，評價了其穩定性，通過定性分析及定量計算，得出穩定性系數小于相關規范要求，根據實際條件，最終確定了主要采取預應力錨索格構梁，局部危巖體部位采用槽鋼加預應力錨索加固的方案。事實表明本文采取的評價方法合理，確定的治理方案分區對待，操作靈活，在較小影響車輛運營的條件下能夠順利地實施加固方案，達到預期效果，為類似破壞形態的高陡巖質邊坡的處治方法，提供了參考。