低山丘陵區煤系地層路塹邊坡破壞機理及防治對策探討

徐冠蘭XU Guan-lan

（中鐵十四局集團第三工程有限公司，濟南 250000）

0 引言

煤系地層通常是對炭質頁巖、煤質地層、泥巖及含炭砂巖等稱為。煤系地層邊坡的巖性較為復雜，其坡體內地下水大多較為豐富且埋深較淺。由于邊坡開挖導致坡體松弛，地表水通過下滲補給地下水，雨季期間因基底（煤系地層）長期泡水承載力不足，潛在沿地下水浸潤飽水帶發生大型深層滑動，影響高速公路的建設安全。本文以清云高速TJ3標地豆服務區AK0+803～K36+315右側路塹為例，通過地質調查、補充勘探、穩定性分析及計算等方法分析研究煤系地層邊坡的破壞機理及治理對策，以及對存在煤系地層的路塹邊坡治理提供借鑒經驗。該邊坡坡頂為緩坡地形，在刷方線外約5m見后緣裂縫，暫未見前緣剪出口，坡面暫未見明顯變形，推測位于坡腳為揭露煤系地層地段。

1 環境地質條件

1.1 自然地理概況

該邊坡位于廣東省四會市，屬丘陵山地地段，運輸條件較為不便，施工前需修筑運輸便道。邊坡所在區域無大的河流通過。本工程所屬地域為南亞熱帶海洋性季風性氣候區。年平均降雨量約為1850mm，四月至九月為雨期，降雨量占全年的80%左右。存在對邊坡工程有災害性的天氣有春季低溫陰雨與夏季龍舟水。

1.2 地形地貌

該邊坡屬于低山丘陵地貌，山體較高大，形態復雜，山坡較陡，山體底部為殘坡積階地溝谷。線路切割的山體呈陡坡狀，塹頂為緩坡地形（圖1），地表植被較為茂盛，自然坡坡度約18°，線路走向222°，坡向132°。

圖1 地豆服務區AK0+803～K36+315右側路塹全貌

1.3 地層巖性

根據設計文件及補充勘探（3個斷面7個鉆孔）及開挖揭露，該路塹揭露地層如下：

②1全風化變質砂巖：芯樣呈土柱狀，巖質軟，褐黃色。

②2強風化巖。

1）砂土狀強風化炭質頁巖：顏色為灰黑色，巖質極軟，遇水條件下易崩解風化。2）砂土狀強風化變質砂巖：薄層狀構造，顏色為褐黃色，巖質強度極軟，遇水情況下易崩解風化。3）強風化炭質頁巖：芯樣呈碎塊狀、角礫狀，顏色為灰褐與灰黑色，巖體較為破碎，巖質強度較軟，遇水條件下易崩解風化。4）強風化變質砂巖：芯樣呈碎塊狀、角礫狀，褐黃色，變余結構，薄層狀構造，節理裂隙極發育，巖質軟。

②2-3強風化夾中風化炭質頁巖：巖芯呈碎塊狀，存在少量短柱狀，節理裂隙發育，顏色為灰褐與灰黑色，局部存在褐黃色變質砂巖，巖質強度較硬，遇水條件下易風化崩解。

②3中風化炭質頁巖：芯樣呈狀短柱狀、有少量碎塊，節理裂隙較為發育，灰褐、灰黑色，巖質強度較硬。

通過現場勘察發現，坡腳揭露強風化炭質頁巖，芯樣照片見圖2、圖3。

圖2 K36+260斷面塹頂全風化變質砂巖

圖3 K36+260斷面碎落臺鉆孔強風化炭質頁巖

1.4 地質構造

根據地質資料，該路塹高邊坡位于廣東省粵西隆起區東部邊緣吳川－四會褶斷帶影響范圍區域。經區域變質和動力變質作用，巖層節理裂隙發育，產狀變化大，巖體破碎。

1.5 水文地質條件

該邊坡所屬區域地下水主要由基巖裂隙水組成，主要由大氣降水下滲補給，巖石裂隙較為發育，富有一定基巖裂隙水，含水量受季節變化影響較大。在雨季時，水量一較大，地下水在坡腳會以泉水型式滲出，旱季枯竭。邊坡范圍地下水位較高，通過鉆孔勘察孔內見穩定水位，地下水埋深2～16m。

2 邊坡穩定性分析

該段邊坡自然狀態下穩定較好，邊坡開挖后，將使山體的受力情況重新分布，將會導致坡腳應力集中，在大氣降水，尤其是突發性強降雨情況，孔隙水壓力將會增大，邊坡巖體自重增加，巖體結構層面抗剪強度會顯著降低，若出現坡腳受力集中和巖體抗剪強度不足而產生的沿相對軟弱面的坍塌滑動變形，這對邊坡的穩定是不利的。

另外，根據現場勘察結果，結合已開挖路塹揭露的巖層進行地質描述，坡腳巖體揭露出現強風化炭質頁巖（見圖4），小里程段顯示出露位置較高，局部地段為順傾層面，砂巖具有透水性，炭質頁巖具有隔水阻水特點，坡腳地下水位較高，埋深12~24m，若基底煤系地層在雨季期間長期被水浸泡，將導致承載力不足，在變質砂巖與炭質頁巖交界面處有潛在發生大型深層軟弱層面滑移問題。

圖4 一級邊坡揭露煤系地層、坡腳地下水位較高

3 破壞機理分析

3.1 原設計支護強度低

通過對原設計邊坡加固形式分析，該路塹為四級坡，最大坡高40m，邊坡分級高度為10m，一～三級坡比為1:1，四級坡比為1:1.25，分級平臺寬度為2m。第一、二級邊坡加固均采用4排Φ32錨桿（長度8.5～11.5m）框架梁，第三級坡坡面采用預制混凝土人字形骨架+噴薄植草，第四級坡采用噴薄植草，該邊坡原設計支護斷面圖見圖5。

圖5 K36+260原設計斷面圖

3.2 巖體結構本身強度不夠

①根據地勘資料結合現場調查，邊坡上部為碎塊狀、角礫狀強風化變質砂巖，結構面發育，巖體破碎；下部為強風化炭質頁巖、煤層、泥巖（煤系地層），這些巖石的自身強度就比較低，在外力作用下很容易發生變形。②煤系地層巖性極為軟弱，遇水易崩解軟化，其巖體強度較低。③坡腳揭露強風化炭質頁巖、煤層、泥巖（煤系地層），揭露位置較高，巖質極軟。④邊坡位于褶斷帶影響范圍內，在區域變質和動力變質作用下，基巖節理裂隙發育，產狀變化較大，巖體破碎，很大程度上降低了邊坡的整體自穩定性。

3.3 地下水降低了巖體強度

①根據地質勘探資料，地下水埋深較淺，勘探孔揭示位于孔口以下2～16m，若基底煤系地層在雨季期間長期被水浸泡，將導致承載力不足，潛在沿地下水浸潤飽水帶（軟弱帶）發生大型深層滑移問題。②根據地勘資料結合現場調查，邊坡上部為強風化變質砂巖，結構面發育，巖體破碎，宜于地下水下滲，在其下部的強風化炭質頁巖、煤層、泥巖等組成的隔水層阻擋下，坡體飽水后增大了下滑力，降低了邊坡抗滑力，邊坡開挖后在水的作用下易產生坍塌溜滑。

3.4 邊坡開挖使坡腳失去支撐

道路施工、路塹開挖，導致坡腳失去側向約束，使原自然坡面的自穩定性平衡狀態被破壞，從而導致邊坡下滑力急劇增加。綜上所述，由于巖體比較松散，邊坡巖質松弛，地表水易通過下滲途徑向地下水補給，隨著邊坡向坡腳路槽開挖，揭露的炭質頁巖、煤層、泥巖（煤系地層）巖性較差，長期受水后其巖土體強度急劇降低，因基底承載力不足極易沿地下水浸潤飽水帶（軟弱帶）發生大型深層滑坡，滑動后果危害極大，可能會掩埋整幅路基。

4 防治對策研究

4.1 新處治方案

綜合考慮該邊坡頂地形較平緩，具備刷方減載條件，對本邊坡采用放緩坡率（1:1.5～1:2.5）+降低坡高（8m）+加寬平臺（20m）+固腳（擋墻+斜向鋼錨管）的處治方案（圖6）。較原設計，作了以下修改：增加了坡級數量、放緩了邊坡坡率、降低了坡高、增設了坡腳擋墻、用錨管代替了錨桿、將原兩級錨桿框架改為單級錨管框架。新處治方案設計圖見圖6。

圖6 新處治方案設計圖

4.2 受力計算

剩余下滑了力計算選取三個典型斷面為例進行計算，安全系數按1.2考慮。

巖土計算參數主要根據地質勘察報告中的指標反算結果，并結合以往設計經驗確定，計算結果如表1所示。

表1 巖土參數計算結果

需要說明的是，采用鋼錨管并經過劈裂注漿，坡體軟弱層的巖土力學參數可顯著提高。

根據巖土力學參數進行剩余水平下滑力計算，以下分別計算K0+415、K36+260、K0+455斷面剩余水平下滑力，計算結果見表2。

表2 剩余水平下滑力計算結果

4.3 坡形坡率

擋墻以上分級坡高均為8m，一級坡坡率1:1.5，二～六級坡坡率1:2.5，一級平臺寬20m，其余分級平臺寬度均為2m。

4.4 加固防護工程

第一、二級坡揭露地層主要為煤系地層（炭質頁巖、煤層、泥巖），巖質軟，泡水易風化崩解。考慮在坡腳設4m高擋墻，埋入地下1.5m，外露2.5m，擋墻墻頂以上第一級坡邊坡采取3排Φ50×4.5鋼錨管框架支護，鋼錨管設計長度范圍為10～14m，水平間距3.0m。

框架內及坡面采用客土噴播植草綠化防護。一級寬平臺采用8～10cm厚的C15混凝土封閉。

4.5 排水措施

①根據補充勘探，鉆孔內地下水埋深2～16m，在坡腳均有地下水出露。故考慮在坡腳設2排仰斜排水孔，孔深15m，水平方向間距3.0m。②完善地表排水措施。該邊坡在采用以上方案進行加固處理后，未見明顯變形，地表位移監測數據表明邊坡整體較為穩定。

5 結論

①煤系地層干燥時為較堅硬狀態，強度較高；遇水后極易崩解軟化，強度很大程度降低，屬易滑地層；邊坡開挖導致坡體松弛，地表水易于通過下滲向地下水補給，坡腳揭露的炭質頁巖、煤層、泥巖（煤系地層）巖性較差，長期受水浸泡巖體強度會急劇降低，因基底承載力不足極易沿地下水浸潤飽水帶（軟弱帶）發生大型深層滑坡，滑動后危害極大，可能會掩埋整幅路基。②該邊坡利用塹頂為緩坡大平臺的有利地形進行減載，減少了邊坡發生大規模深層滑動的可能性，對坡腳采用擋墻+斜向鋼錨管注漿框架固腳，保證了邊坡的整體穩定。③邊坡的穩定性主要受控于其層面及發育的節理裂隙情況，并受水因素的影響較大，由于勘察鉆孔及地質描繪工作的局限性，在施工階段應加強邊坡區域的地質工作，根據開挖后坡面巖層產狀、節理裂隙產狀、軟弱結果面產狀等加強邊坡的動態設計工作。④本項目結合了路塹邊坡的環境地質條件、地質調查、穩定性分析及計算結果對煤系地層邊坡進行針對性的設計，并采取坡面防護及坡面防、截、排水加以輔助，防止地表水下滲，使巖體抗剪強度降低；而完善地下深層排水系統的目的是為了截斷地下水對煤系地層巖體強度的削減，防止巖體軟化，是對存在煤系地層路塹邊坡病害的有效防治。