山區(qū)新建公路順層路塹邊坡防護(hù)措施設(shè)計(jì)研究

鄭亦博

(內(nèi)蒙古自治區(qū)交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

隨著我國(guó)對(duì)公路鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入力度的不斷加大，公路鐵路網(wǎng)不斷完善，公路鐵路在地形較為復(fù)雜的地區(qū)施工越來(lái)越普遍，很多路基工程也面臨著需在順層巖體中開(kāi)挖施工的情況。公路鐵路的大開(kāi)挖施工易形成高邊坡現(xiàn)象，當(dāng)開(kāi)挖遇到巖層的傾向與開(kāi)挖的邊坡傾向接近或一致時(shí)形成了順層路塹邊坡，其變形毀壞與路段的地勢(shì)地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)、水的作用等特征有關(guān)。

1 工程概況

1.1 地形地貌

設(shè)計(jì)一條新建二級(jí)公路，公路穿過(guò)地形較為復(fù)雜的山區(qū)，山區(qū)地勢(shì)起伏較大，為沖溝發(fā)育地貌，總體地勢(shì)由左向右微傾斜。此次設(shè)計(jì)的公路需進(jìn)行挖方作業(yè)，左側(cè)為開(kāi)挖路塹高邊坡，邊坡的高度大約為25m。

1.2 地層巖性

路塹開(kāi)挖的巖層局部覆有第四系全新統(tǒng)風(fēng)積砂粉砂；粉砂上面為更新統(tǒng)坡洪積層，主要包含有新黃土、細(xì)角礫土以及粗角礫土；下面為伏侏羅統(tǒng)凝灰質(zhì)砂巖，存在擠壓錯(cuò)動(dòng)狀態(tài)；巖層產(chǎn)狀為 SW250°∠30°。具體土質(zhì)特征情況如下：①粉砂呈黃褐色，中密，潮濕，主要的成分為長(zhǎng)石、石英，局部夾有少量礫石以及少量鐵銹色斑跡。②新黃土呈黃褐色，硬塑，含有少量碎石和風(fēng)化碎塊，手捏易碎。③細(xì)角礫土呈褐黃色，稍密，稍濕，分布于沖溝部位。主要成分為凝灰質(zhì)砂巖，呈尖棱狀，一般粒徑為10mm～15mm，最大粒徑為100mm， 充填粉細(xì)砂。④粗角礫土呈褐黃色，稍密，稍濕，分布于沖溝部位。成分以凝灰質(zhì)砂巖為主，呈尖棱狀，一般粒徑為60mm～100mm，充填粉細(xì)砂。⑤凝灰質(zhì)砂巖呈紫灰色，含角礫碎屑，強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化，節(jié)理發(fā)育，巖體存在破碎，有擠壓錯(cuò)動(dòng)的情況；巖層產(chǎn)狀SW 250°∠30°。

2 順層路塹

2.1 順層邊坡

順層邊坡的巖層傾斜方向和邊坡坡面的傾斜方向?yàn)橥较驎r(shí)，稱為順向坡。反之則稱為逆向坡。順向坡表示邊坡坡面的沉積堆積方向，順向坡相較逆向坡更容易發(fā)生山崩、滑塌的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 邊坡分類

按巖石性質(zhì)，邊坡可分成軟質(zhì)巖路塹邊坡(如頁(yè)巖、泥巖、砂巖等)、硬質(zhì)巖路塹邊坡(如灰?guī)r、白云巖、石英砂巖等)；按巖層的組合特點(diǎn)，邊坡可分成單一巖層路塹邊坡、雙層路塹邊坡、互層路塹邊坡；按巖層視傾角大小，邊坡可分成緩傾角路塹邊坡(5°～15°)、中傾角路塹邊坡(15°～35°)、陡傾角順層路塹邊坡(35°～60°)；按巖層的厚度，邊坡可分成薄層路塹邊坡、中厚層路塹邊坡、厚層路塹邊坡以及巨厚層路塹邊坡。

2.3 穩(wěn)定性判定

順層路塹邊坡的毀壞形式主要是沿開(kāi)挖邊坡脆弱夾層或巖層之間結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移，順層路塹邊坡穩(wěn)定性的主要影響因素是巖層結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度以及巖性、巖層厚度等。目前在地勘中對(duì)順層路塹邊坡穩(wěn)定性的主要判定依據(jù)是：首先邊坡巖層傾向與建設(shè)路段的夾角應(yīng)符合一定的范圍值，然后再對(duì)巖層的傾角進(jìn)行計(jì)算，最后綜合計(jì)算結(jié)果進(jìn)行判定。

2.4 巖層視傾角計(jì)算方法

在巖體層面的傾斜面上斜交走向線所引的任意一條直線均稱為視傾斜線，視傾斜線與其在水平參考面上投影的夾角稱為視傾角。計(jì)算視傾角公式為：

tanβ=tanα×cosω

(1)

其中β表示視傾角，α表示真傾角，ω表示剖面方向與傾向的夾角。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，本次設(shè)計(jì)路塹邊坡的視傾角為27.8°～28.9°。

2.5 順層路塹防護(hù)設(shè)計(jì)原則

當(dāng)計(jì)算的視傾角大于55°或巖層走向與線路夾角大于45°時(shí)，路塹邊坡不用考慮順層路塹邊坡穩(wěn)定性的影響。這種情況可以按照穩(wěn)定坡率進(jìn)行路塹邊坡開(kāi)挖施工。

巖層走向與線路夾角小于45°時(shí)：若視傾角坡率陡于1∶1.5(約33.7°)時(shí)，采用清方的方式進(jìn)行路塹開(kāi)挖施工，且路塹邊坡坡率應(yīng)緩于穩(wěn)定坡率；視傾角坡率緩于1∶1.5(約33.7°)時(shí)：硬質(zhì)巖路塹無(wú)軟弱夾層且視傾角小于20°時(shí)，路塹邊坡坡面采用錨桿框架梁防護(hù)。不宜清方且路塹邊坡高度較高的路段，其邊坡下部可設(shè)置樁板墻支擋防護(hù)，邊坡上部坡面可采取錨桿框架梁來(lái)加固防護(hù)。

本設(shè)計(jì)施工路段的路塹邊坡視傾角坡率緩于1∶1.5(約33.7°)，且路塹既有邊坡較高，臨近既有公路，不宜采用清方方式進(jìn)行路塹開(kāi)挖施工。根據(jù)以上論述判定，本路段施工設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)順層路塹邊坡的防護(hù)措施采用邊坡下部設(shè)置樁板墻進(jìn)行支擋，邊坡上部坡面用錨桿框架梁加固防護(hù)。

3 樁板墻設(shè)計(jì)

用傳遞系數(shù)法對(duì)本段路塹邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算，根據(jù)邊坡重要性程度，計(jì)算中采用安全系數(shù)為1.25。經(jīng)計(jì)算邊坡剩余下滑力為635kN，需采用加固工程，以確保道路施工安全與車輛行駛安全。

樁板墻設(shè)計(jì)尺寸為：抗滑樁的截面尺寸為B×H=2m×2.5m，樁間距為L(zhǎng)=5m，設(shè)計(jì)采用C30混凝土灌注；樁長(zhǎng)15m，其中懸臂段長(zhǎng)7m，錨固段長(zhǎng)8m。

設(shè)計(jì)參數(shù)選取：①土層參數(shù)：目前邊坡治理最常用的方法有“m”法和“k”法及“c”法。本次計(jì)算選用“k”法。土層厚取50m，重度取23kN/m3。②物理參數(shù)：樁混凝土強(qiáng)度等級(jí)：C30，樁縱筋級(jí)別：HRB400，樁箍筋級(jí)別：HRB400，樁箍筋間距：200mm。板混凝土強(qiáng)度等級(jí)：C30，板縱筋級(jí)別:HRB400。墻后填土內(nèi)摩擦角45.0°，墻背與墻后填土摩擦角：22.5°，墻后填土容重：23kN/m3，擋土板厚0.30m，板寬0.50m。

邊坡荷載組合處于最不利狀況時(shí)，樁身內(nèi)力計(jì)算為：背側(cè)最大彎矩=22 608.766kN-m，距離樁頂8.684m；最大剪力=5 238.750kN，距離樁頂 6.880m；樁頂位移=27mm。

4 防護(hù)措施

4.1 路塹開(kāi)挖方式

因設(shè)計(jì)路段地勢(shì)較為復(fù)雜，本著節(jié)約建設(shè)投資成本的目的，在初步設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)選線時(shí)盡可能地避開(kāi)施工中可能存在的較為困難且費(fèi)用較大的順層地段，特別是存在有大型順層滑坡隱患的地段。本次設(shè)計(jì)避開(kāi)了大型順層滑坡及處理困難的地段。在開(kāi)挖施工時(shí)，為了有效地維護(hù)順層邊坡的整體穩(wěn)定，宜采用先加固后開(kāi)挖的方式進(jìn)行施工。

4.2 防水工程

在施工設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮順層邊坡的防排水措施。對(duì)于軟質(zhì)巖以及節(jié)理裂縫發(fā)育硬質(zhì)巖順層邊坡，應(yīng)對(duì)邊坡坡面采取護(hù)坡、護(hù)墻封閉，以減少邊坡的暴露面積，避免雨水滲入邊坡坡體。當(dāng)施工路段遇到地下水發(fā)育、邊坡滲水嚴(yán)重等特殊條件時(shí)，應(yīng)在邊坡設(shè)置仰斜排水孔。

4.3 注漿加固

為提高邊坡順層層面的抗剪強(qiáng)度，應(yīng)對(duì)順層邊坡采取注漿加固的措施。通過(guò)對(duì)順層邊坡注漿，使?jié){液充分充填于層面間的空隙，且漿液在凝固成漿體時(shí)具有一定的膨脹性，可以增加層面對(duì)巖體的法向應(yīng)力，改善填充物的力學(xué)性質(zhì)，提高填充物自身的抗剪強(qiáng)度，提升邊坡的抗滑穩(wěn)定性。

4.4 抗滑擋墻

路塹邊坡高度較低、順層推力較小時(shí)，可在順層邊坡坡腳處設(shè)置抗滑擋墻。抗滑擋墻通過(guò)擋墻自身重量來(lái)抵抗順層邊坡的下滑力。當(dāng)遇到順層巖層推力較大、邊坡較高的特殊地形時(shí)，抗滑擋墻在施工開(kāi)挖過(guò)程中有引發(fā)邊坡失穩(wěn)的可能，應(yīng)與樁結(jié)合設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

大量的公路鐵路工程實(shí)踐已經(jīng)表明，在公路鐵路邊坡加固工程中，運(yùn)用樁板墻處理順層路塹邊坡是一種得到廣泛應(yīng)用并行之有效的邊坡加固措施。在具體的工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)統(tǒng)籌考慮順層路塹處理方式和防護(hù)措施，使工程在施工過(guò)程中更加安全、順利。