公路改擴建工程既有高邊坡防護設計分析

鐘偉珊

（廣東粵路勘察設計有限公司, 廣東 廣州 510000）

0 引言

公路作為主要的交通運輸方式之一，對運輸行業的發展極其重要。為滿足運輸需要，部分公路需要進行改擴建，以適應交通量增加的發展。在改擴建過程中，公路既有高邊坡需要進行防護加固處治，保障公路交通安全。當前比較常用的邊坡防護技術主要為支擋防護和植被防護。支擋防護的原理是選用擋土墻或者石垛等支擋物保護路基，在邊坡周邊進行臺階式開挖，之后將石垛層層砌筑在臺階上，達到拱式護坡的目的[1]。但該護坡方法的支擋設施體積往往比較大，美觀性相對較差，且與周邊環境的協調性欠佳。植被邊坡防護方法主要借助地基土壤涵養性的特點，在研究區高邊坡處種植樹木或鋪設草皮，對邊坡起到固土作用，但該方法主要適用于高邊坡侵蝕不嚴重的工程，且在植被的選擇中，需要嚴格考察當地的土壤與氣候環境，使得護坡流程較為復雜，限制了其實用性。通過以上分析，為確保公路改擴建工程中高邊坡的穩定與安全，該文以實際公路工程作為研究案例，通過分析工程地質條件與施工前準備，設計高邊坡防護方案，保證公路的暢通性與路基的安全性。

1 工程概況

G235國道豐順縣砂田豐埔橋三合段改建工程位于蓮花山脈中部，總體地勢北高南低，里程K1985+390至終點高程相對平緩，地形坡度一般為10~25°。項目擬建場地位于一個相對發達且平緩的山區，山體表面多被天然林和人工林覆蓋，植被覆蓋率一般在90%以上，綠地面積較大，自然環境質量等級較高。斜坡的地質和土壤性質主要為侏羅系上統兜嶺群(J3dLπ)和燕山三期花崗巖（Y52(3)），分布于整個過程區域。由于常年經受風沙等侵蝕，形成強風化巖體，呈節理式發育形態，表面存在較多不規則裂縫，巖質較軟，可塑性極強；表面巖體受到風力與重力侵蝕較嚴重，在路塹開挖施工中易出現崩解、軟化等現象，繼而阻礙施工進程和降低工程質量；斜坡周圍巖性為第四系黏性土，其中摻雜少量腐殖土與全風化覆蓋層，平均厚度為2.3 cm，由外向內分別為卵石的堆積土、軟泥灰巖、重巖土和密實性黃土，植被發育形態良好。根據工程地質勘察報告顯示，邊坡處一類土與四類土的巖層產狀為255~277 °，層面與坡面之間的夾角為52.3 °，角度相對較陡，地層與節理面條件對工程高邊坡的穩定性具有較大影響。

對既有邊坡的原有防護措施進行檢查與分析可知，雖然在水平與垂直設計中最大限度地降低了邊坡的高度，但由于一些區段存在較為頻繁的開挖與填土交替施工，且自然邊坡的坡率較大，極易出現滑坡的危險[2]。因此，為保證路基邊坡的穩定性，防止公路邊坡發生地質災害，需要進一步完善高邊坡的防護措施，對既有高邊坡的加固與防護方案進行綜合設計。

2 邊坡防護方案設計

既有邊坡的防護設計中，通常采用多區域加固的方法，通過增加邊坡高度以達到穩定地基的目的，但該施工工程不僅會對原邊坡造成破壞，還會影響邊坡本身的穩定性。同時，既有邊坡的坡率較大，可供開挖的平臺面積較小，增大機械上坡開挖的難度，從而導致大量碎石殘渣無法被有效處理[3]。除此之外，在公路改擴建施工過程中，公路的主要通道仍需要通車，傳統防護技術易對交通車輛造成安全隱患。故通過上述分析，該文對有交通運輸需求的改擴建公路工程邊坡防護措施進行合理設計。

2.1 邊坡計算參數選取

由于工程邊坡的土質巖體性質較差，對其開挖后容易降低邊坡本身的穩定性，所以為最大程度地保證邊坡的安全，施工前需選擇邊坡計算參數，使邊坡防護安全系數指標在合理范圍內。

巖體強度參數是根據地質調查數據和以往類似工程的經驗確定的，確定巖體強度參數的過程涉及地質調查數據和以往類似工程的經驗。地質調查數據包括對巖石結構、巖性特征、巖體內存在的節理和裂縫等進行詳細觀測和測試的結果。同時，以往類似工程的經驗也是確定巖體強度參數的重要依據。通過研究相似巖體的行為和反應，人們可以獲得寶貴的經驗數據，并將其應用于當前工程項目中。確定合適的巖體強度參數，將其用于工程設計和分析，以確保項目的安全性和成功實施。該工程設計計算指標采用值如表1所示：

表1 邊坡計算參數

通過表1可知，巖土類型的凝聚力值范圍為20 kPa到45 kPa，內摩擦角在18~46 °之間變化，且容重有所差異，表明了不同巖土類型之間在凝聚力、內摩擦角和容重方面存在較大的變化。這些參數的差異影響巖土的力學特性和穩定性。將表1中的邊坡計算參數作為邊坡的控制斷面指標，用于邊坡不同層次防護方案的參考數值[4]。此外，考慮到該工程現有邊坡土體多為風化砂巖，透水性強，易發生局部坍塌，在初步確保邊坡整體穩定的條件下，采用一定措施對坡腳進行加固防護，以同時滿足邊坡整體與局部穩定性的要求。

2.2 擬定邊坡防護設計方案

工程項目路塹邊坡的數量多達206處，且邊坡高度均不相同，為簡化施工流程，強化防護效果，方案設計時根據邊坡類別與高度，將所有邊坡劃分為H≥30 m和H<30 m兩部分，參照高邊坡防護工程的技術原則，結合邊坡計算指標的選擇，為保證高邊坡安全的同時兼顧與周邊環境的協調性，擬在第一層和第二層采用預應力錨索，第三層和第四層采用預應力鋼筋與鋼絲網進行防護，如圖1所示。

圖1 改擴建公路既有邊坡的防護設計方案

上述邊坡防護設計方案可減少開挖土方量和現有混凝土拆除量，減少施工項目對周圍環境的不利影響。根據邊坡防護方案，接下來研究其施工技術。

3 邊坡防護施工工藝

施工期間檢查現場條件和機械設備，確保施工過程不會影響交通。根據設計的邊坡防護方案，該工程邊坡防護施工技術主要包括邊坡鉆爆開挖、鉆孔、鋼筋布置、預應力錨索張拉、鋼錨管加工和灌漿。具體流程如下：

3.1 邊坡鉆爆開挖

爆破開挖主要采用遞進式水平臺階開挖。鉆爆開挖前，應嚴格根據邊坡的爆破作業程序和開挖原則進行鉆爆，臺階的高度應控制在30~50 cm之間，寬度為高度的1/3，利用鑿鉆機在臺階上均勻鉆孔，相鄰孔距不得超過5 cm。炮孔方向要與臺階壁位于同一水平面上，且其方向的延長線要與土層的節理方向盡可能大角度相交。

巖石開挖后，對邊坡進行處理，保證邊坡表面始終為光滑、平直狀態，且邊坡上沒有碎石與松動的巖體。當邊坡開挖部分影響到其余部分的巖體穩定性時，應利用堆砌巖石進行加固修復[5]。當開挖深度達到3~5 cm后，采用人工或專用器械修正開挖坡面，硬巖和次硬巖邊坡采用爆破孔法和明裝藥法清理，同時清除危巖和松動巖，保證清理后的石質路塹邊坡不陡于設計值。

3.2 鉆孔

鉆孔與錨桿材料質量的選擇是邊坡防護技術的核心部分，對于放置錨栓的孔，可以選擇氣槍鉆孔，以保證錨栓軸線能夠與邊坡巖體破裂面的相交角度達到最大值。鉆孔期間要保證鉆進方向始終與坡面垂直，使得成孔之后的孔狀為圓形[6]。孔徑大小控制在15~18 mm范圍內，孔深最大允許偏差為50 mm。鉆孔完成后，應清理孔，并使用高壓風管清理孔內的殘余灰塵和碎屑，以確保孔的整體清潔。

3.3 布設鋼筋

鋼筋的放置應在現場監理的監督下進行。所有鋼筋均應在現場統一制作，鋼筋放置過程中誤差不得超過50 mm，以確保其整齊和準確；鋼絲網采用2 mm的普通鍍鋅鐵絲網，網間距20 cm；綁線應為Φ1 mm的普通鋼線。錨桿鉆孔、安裝鋼絲網骨架前，應按設計要求進行掛線放線，確保施工質量[7]。根據設計要求，將鋼絲網骨架水平放置在邊坡的預應力錨桿上，將兩者的接觸部位利用尼龍繩進行綁扎，然后沿著鐵絲網的長度，每30 m直接焊接一個襯砌框架，這樣錨筋可以在一個截面中組裝，從而將錨桿的拔出力控制在最低，防止對鋼筋網造成損壞。此外，注漿管應等間距地安裝在錨桿上，并利用鐵絲將注漿管與錨桿進行牢固捆綁，同時在錨桿表面涂抹工業用防水膠，以防止泥土或其他碎屑侵蝕錨桿。

3.4 預應力錨索張拉

預應力錨索張拉施工時，應注意錨具的擺放、使用及處理等工作流程。在張拉過程中，根據錨具的質量與技術參數，嚴格控制錨索的伸長值。對于該工程而言，施工中選取的錨具質量約為90 kg，最大矯正值為3.2，故張拉值取矯正值的1/3，即1.2左右，并采用分級張拉的方式，且保證每次張拉工程中的相關值均在合理范圍內。預應力錨索張拉施工完成2 d后，進行一次補償張拉，之后鎖定。

3.5 鋼錨管加工

首先，錨桿框架采用兩根3.2 m×2.5 m的鋼筋預制網格梁，網格梁之間采用3束鋼絞線綁扎，同時，保證錨固段不小于10 m，錨桿鋼筋直徑為Φ32 mm。在鋼錨管底部無縫焊接一個直徑6 mm、厚度3 mm的鋼板，且在鋼板中央預留一個Φ20~22 mm的圓孔；其次，將由鋼筋制作的Φ16 mm三角支架置于鋼板下方，起到支撐固定作用，并采用專用膠帶在鋼錨管表面纏縛2~3層，防止孔內出現滲水現象。纏縛時應注意管壁的清潔，并利用抹刀壓平膠帶；最后，對注漿管進行處理[8]。注漿管采用兩根Φ20~22 mm PVC管，在管內距管口6 mm處布設一排矩形孔洞，洞徑3~5 mm即可。兩根注漿管利用螺紋鋼絲連接。灌漿（劈裂灌漿）時，鋼錨管口用鋼蓋密封，并預留排氣閥。

3.6 注漿

預應力錨索施工與鉆孔施工完成后，先采用0.2~0.4 MPa的高速風壓機對孔內進行清理，使后續機械能注漿施工。漿液材料主要為M40水泥砂漿，原材料包括30.6 R的高強度水泥、粗砂與自來水，含泥量不超過300。水灰比宜為0.38~0.5，灰砂比宜為0.8~1.5，應通過試驗確定，可在其中加入少量速凝劑與早強劑，加速漿液拌制。灌漿應在成孔后6 h內進行，且應混合均勻，確保隨時可用。灌漿采用孔底返漿法進行，即灌漿過程中，灌漿管從孔底緩慢抽出，孔口灌漿10~15 s后才能停止灌漿。第一次錨桿注漿的壓力控制為1.0~1.2 MPa。第二次注漿的壓力為1.5~1.8 MPa。分段灌漿法可以緩解應力集中，大大改善黏結內錨段的應力狀態，防止內錨頭損壞，提高錨固效率，增強錨固效果。

4 施工效果分析

為整體評價利用設計的邊坡防護方案對該改擴建公路工程邊坡進行防護后的邊坡穩定性，在施工區段的各級邊坡平臺設立2個邊坡觀測點，對邊坡剖面進行穩定性監測。

公路改擴建工程既有邊坡防護穩定性評價標準主要按照相關工程設計技術規范，采取邊坡穩定性系數Fs這一指標對上述施工效果進行評估。穩定性系數是衡量邊坡穩定性的指標，表示邊坡的抗滑能力與滑動力之間的平衡關系。穩定性系數越大，邊坡的穩定性越好，其計算公式如下：

式中，B——高邊坡的最大寬度；H——高邊坡的后緣高度。

由于該文所研究的工程為鍋爐改擴建項目，因此，參照設計要求，確定在正常工況下，邊坡的安全系數為1.25，非正常工況下（氣候條件為暴雨或者連續降雨），邊坡的安全系數為1.15。通過計算，得到施工后該工程邊坡穩定性安全系數如表2所示：

表2 邊坡穩定性分析結果

通過表2中的數據可知，在正常工況下，剖面1的穩定性系數為1.34，剖面2為1.42，剖面3為1.47；在非正常工況下，穩定性系數分別為1.21、1.26和1.33；該改擴建公路工程邊坡采用防護方案進行加固后，邊坡在正常工況下和非正常工況下的穩定性安全系數均滿足規范要求，邊坡處于較穩定狀態。說明采用設計的邊坡防護方案是合理可行的。

5 結語

公路改擴建工程是一項極其復雜的工程，其中路基高邊坡防護是工程中的基礎施工，直接關系到公路的運行安全。該文基于公路改擴建工程概況，結合既有高邊坡實際情況對邊坡防護技術進行合理設計，從而選擇對應的施工工藝，使得邊坡防護可以滿足公路運輸使用，并推動公路工程的健康發展。