高速公路順層路塹邊坡超前支護技術研究

李 準 馮 升 杜國強

(湖北省交通規(guī)劃設計院股份有限公司 武漢 430051)

隨著國家高速公路建設的快速發(fā)展,山區(qū)高速公路建設越來越多,路塹邊坡問題隨之產(chǎn)生[1]。鄂西地區(qū)位于山區(qū),層巒疊嶂,頁巖、白云巖、灰?guī)r廣泛分部,結構層面清晰,高邊坡數(shù)量越來越多。常見的邊坡處治措施包括邊坡卸載、抗滑擋土墻、抗滑樁、錨桿、格構、加筋邊坡及加筋土擋墻、注漿加固邊坡等[2-4],然而,這些措施常用于邊坡發(fā)生垮塌之后的處治,對于深挖路塹邊坡,尤其是順層深挖路塹邊坡的超前支護技術研究相對較少[5-6]。

本文以湖北省恩施土家族苗族自治州某高速隧道出口左、右兩側順層高邊坡為依托,對高速公路順層路塹邊坡超前支護技術展開研究,以期為同地區(qū)類似邊坡處治提供借鑒與參考。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

地貌上屬構造溶蝕中低山區(qū),線路穿過山脊沖溝,地勢總體起伏較大,地面標高為863～896 m之間,植被稍發(fā)育,多為灌木。

1.2 地質(zhì)構造

區(qū)域地質(zhì)資料及地質(zhì)調(diào)查結果表明,線路右側層面產(chǎn)狀為147°∠23°,為順層坡。

本線路段右側巖體內(nèi)主要發(fā)育有2組裂隙:L1:128°∠78°,密度1～2條/m,延伸長度大于2 m,微張,裂隙面平直光滑,屬硬性結構面; L2:174°∠81°,密度1～2條/m,延伸長度大于2 m,微張,裂隙面平直光滑,屬硬性結構面。

該段山體主要為寒武系中統(tǒng)茅坪組灰色薄-中層狀白云巖和高臺組塊狀灰?guī)r夾砂質(zhì)頁巖,YK31+552-YK31+650段路基右側巖層產(chǎn)狀為147°∠23°,ZK31+592-ZK31+730段路基左側巖層產(chǎn)狀為330°∠34°～322°∠47°。巖層傾向總體向外傾斜,屬于順層邊坡,對邊坡的穩(wěn)定性不利。

1.3 地層巖性

根據(jù)勘察資料,路塹通過的山體覆蓋層主要為殘坡積(Qel+dl)黏性土,巖層主要為寒武系中統(tǒng)(∈2g+m)白云巖,露頭良好。其野外地質(zhì)特征自地表向下,按路線統(tǒng)一分層,由新到老分述如下。

第02-1層:粉質(zhì)黏土(Qel+dl):黃褐色,可塑,稍濕,含少量高嶺土及鐵錳氧化物,夾少量碎石及植物根莖,局部上部表層為種植土。該層厚0.3～2.0 m,在本路段區(qū)低洼或河溝一帶有分布。

第21-1層:中風化泥質(zhì)白云巖(∈2g+m),灰白色,隱晶結構,薄層狀結構,節(jié)理、裂隙發(fā)育,芯樣破碎,礦物成分主要以白云巖為主,節(jié)理裂隙發(fā)育,溶蝕現(xiàn)象發(fā)育,巖芯呈柱狀,節(jié)長5～20 cm,局部呈塊狀。該層厚度2.3～4.0 m,巖體強度一般,為軟質(zhì)巖。

第21-2層:中風化白云巖(∈2g+m):青灰色、灰白色,隱晶結構,中厚層構造,主要礦物成份為白云石、石英、長石及方解石,屬較硬巖,巖體較完整,基本質(zhì)量等級為III級。

1.4 水文地質(zhì)

工程區(qū)地表水主要為山澗溪溝,水量主要由大氣降水補給,受季節(jié)性影響,多集中在夏季,冬季雨量最少,雨季時節(jié),大氣降水順山坡向溝谷低洼處匯集。

地下水類型主要為第四系坡積土層中的及巖溶水,接受大氣降水的補給,水位動態(tài)變化根據(jù)季節(jié)、氣候及地勢而變化。第四系孔隙水多賦存于白云巖巖溶中,本路段范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)巖溶泉、落水洞及地下暗河等。

孔隙水及巖溶水排泄方式主要靠蒸發(fā)及通過小型裂隙向河流或坡腳排泄,水文地質(zhì)條件屬簡單型。

2 邊坡滑塌情況

2.1 YK31+552-YK31+650段右側邊坡

此段邊坡開挖過程中隨挖隨塌,且邊坡上方征地線外為負地形,山勢陡峻,為避免繼續(xù)切腳開挖引起更大范圍的順層滑塌,經(jīng)參建各方查看現(xiàn)場后,決定暫停按原設計方案進行邊坡開挖施工,調(diào)整設計方案。

2.2 ZK31+592-ZK31+730段左側邊坡

2021年11月3日15點,挖掘機開挖ZK31+622.814-ZK31+730.314段第二級邊坡時,邊坡坡頂及坡面出現(xiàn)松動掉塊現(xiàn)象,施工作業(yè)人員及設備緊急撤離,并及時設置警戒區(qū)。17點,ZK31+645.314處二級邊坡坡面巖體沿裂隙滑移垮塌,垮塌長度約20 m,高度約8 m。19點左右,待邊坡趨于穩(wěn)定后,現(xiàn)場及時對邊坡坡腳進行回填反壓處理,并重新設置警戒區(qū),安排專職人員重點監(jiān)管。

3 邊坡穩(wěn)定分析

3.1 自然山坡的穩(wěn)定性評價

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,山體植被發(fā)育,水土流失較輕微,自然山坡的整體穩(wěn)定性較好。在詳勘階段揭露的不穩(wěn)定斜坡大部分已被清除,尚未清除的土體在施工過程中仍存在順巖土交界面滑塌的可能。已清除上覆土體的巖質(zhì)邊坡段,邊坡巖體存在順巖層面碎落的可能。

3.2 赤平投影分析

路塹開挖后,開挖坡角左、右側分別按45°,44°考慮,路塹邊坡與巖體結構面組合關系見圖1。

注:P-坡面;L-結構面;C-巖層層面。

對邊坡赤平投影進行分析如下。

由右側邊坡赤平極射投影可知:坡面P與巖層層面C交角28°,為順向坡,且層面傾角小于坡角,對邊坡穩(wěn)定性不利;坡面P與L2結構面交角9°,為外傾結構面,L2結構面傾角近直立,大于坡角,對邊坡影響較小。邊坡易沿巖層層面C及結構面L2產(chǎn)生滑塌與掉塊危險,應采取相應的支擋措施。

由左側邊坡赤平極射投影可知:坡面P與巖層層面交角13°,為順層坡,且層面傾角小于坡角,對邊坡穩(wěn)定性不利;坡面P與結構面L1面交角45°,為斜交關系,L1結構面傾角陡,對邊坡穩(wěn)定性影響不大;坡面P與結構面L2交角為225°,為斜交關系,L2結構面近垂直,對邊坡穩(wěn)定性小;坡面P與結構面L3交角為295°,近直交關系,結構面L3近直立,對邊坡穩(wěn)定性有利。結構面L1與結構面L2組合交線與坡面P夾角135°,傾向坡面內(nèi)側,傾角0°,對邊坡穩(wěn)定性有利;結構面L1與結構面L3組合交線與坡面P傾向一致,傾角大于坡面傾角,對邊坡穩(wěn)定性影響不大;結構面L2與結構面L3交點位于坡面P投影大圓對側,對邊坡穩(wěn)定性有利。且本邊坡位于小型向斜南東翼近核部地段,巖層產(chǎn)狀由上向下有逐漸變陡趨勢。邊坡穩(wěn)定性主要受巖體結層面強度控制,邊坡易沿巖層層面C和C-L1、C-L2、C-L3組合交線產(chǎn)生滑塌及掉塊危險。

4 超前支護方案設計與比較

根據(jù)原設計數(shù)據(jù)文件和現(xiàn)場地質(zhì)勘察情況,結合上述分析,對2處邊坡分別提出不同的超前支護處治方案。

4.1 YK31+552-YK31+650段路基右側邊坡

根據(jù)右側邊坡的穩(wěn)定性分析結果,提出抗滑樁的方案,其處治斷面示意見圖2。具體如下。

圖2 YK31+552-YK31+650段超前支護設計圖(單位:高程,m;尺寸,cm)

1) 利用洞渣對滑塌邊坡段落進行反壓,同時形成施工平臺,沿路基碎落臺邊部布置一排直徑為2 m的抗滑樁,樁間距5.0 m,樁長依據(jù)地形進行調(diào)整(14,17,20,22 m不等),共計14根。

2) 抗滑樁施工完成后,樁端通過冠梁連接,冠梁尺寸2.0 m×1.5 m。

3) 抗滑樁和冠梁達到設計強度后,在抗滑樁的防護下,按原設計路基寬度進行開挖,抗滑樁之間形成的臨空面采用掛網(wǎng)錨噴+掛網(wǎng)植爬壁藤進行防護,防止掉塊。

4) 抗滑樁頂冠梁與坡面之間空隙采用M7.5漿砌片石回填且頂部采用M10砂漿抹面,形成平臺,上部邊坡不進行開挖擾動,維持現(xiàn)有穩(wěn)定狀態(tài)。

5) YK31+552-YK31+567段、YK31+634-YK31+641.3段路基邊坡坡率為1∶0.75,防護采用掛網(wǎng)噴播基材植生防護,與抗滑樁搭接臨空斷面采用掛網(wǎng)錨噴進行防護。

4.2 ZK31+592-ZK31+730段路基左側邊坡

根據(jù)左側邊坡的穩(wěn)定性分析結果,提出鋼軌樁+抗滑擋墻+邊坡放緩的方案,其處治斷面示意見圖3。具體方案如下。

圖3 ZK31+592-ZK31+730段超前支護設計圖(單位:cm)

1) 對實測地面線較陡的ZK31+607-ZK31+700段設置鋼軌樁+抗滑擋墻,擋墻露出地面高度4～10 m,鋼軌長度12.5 m,擋墻施工前應先完成鋼軌樁施工。

2) 施工前,利用洞渣對滑塌邊坡段落進行反壓,同時形成施工平臺,鋼軌樁鉆孔直徑300 mm,放置鋼軌后采用C30素混凝土填充,鋼軌樁橫向間距0.5 m,縱向間距1.0 m,交錯布置,鋼軌樁距擋墻墻背距離1.5～2.0 m。

3)擋墻墻身采用C20片石混凝土填筑,擋墻施工前需跳槽開挖,開挖臨空段長度不超過4.0 m,擋墻墻頂與坡面之前采用C30混凝土封堵,并在墻頂設置平臺截水溝。

4) 清除擋墻上方邊坡垮塌體,坡面采用掛網(wǎng)噴播基材植生防護形式進垮塌坡面進行綠化。

5) 清除ZK31+700-ZK31+730.314段左側邊坡垮塌體,邊坡坡率調(diào)整為1∶1.5,坡高10 m,坡面采用掛網(wǎng)噴播基材植生防護形式。

4.3 對比分析

根據(jù)現(xiàn)場勘察情況,對YK31+552-YK31+650段順層邊坡,除抗滑樁處治方案外,同時提出鋼軌樁+擋墻的技術方案,其處治斷面示意見圖4。具體方案如下。

圖4 YK31+552-YK31+650段超前支護設計圖(單位:cm)

1) 對邊坡進行放緩處治,坡率1∶1,坡高10 m分級,最大坡高85 m。

2) 坡腳設置8 m高路塹擋墻+鋼軌樁。

3) 邊坡防護形式第2～6級均采用錨桿加固,錨桿直徑25 mm,長度12 m,錨桿加固后,均采用掛網(wǎng)植爬壁藤防護;第7～8級采用掛網(wǎng)噴播植生防護,坡頂設置截水溝。

4) 錨桿垂直于巖層滑動面設置,開挖一級,支護一級。同時也要避免開挖暴露時間過長,使邊坡松弛范圍變大,造成新病害。

2種超前支護技術方案與費用估算比較見表1。

表1 超前支護處治方案對比分析

通過對比分析可見,對于順層高邊坡而言,抗滑樁的超前支護方案較鋼軌樁+擋墻方案更為穩(wěn)定,且更加經(jīng)濟環(huán)保。

5 結語

本文以湖北省恩施土家族苗族自治州某高速隧道出口左、右兩側順層高邊坡為依托,結合2處邊坡對應的地質(zhì)條件,并通過對2處邊坡的穩(wěn)定性進行分析,提出2種不同的超前支護處治方案,得出相關結論。

1) 由于2處邊坡均為順層坡,且角度較大,加上巖體上部覆蓋層較厚,在施工過程中,加上雨水的影響,導致2處邊坡均發(fā)生順層滑塌。

2) 根據(jù)2處邊坡的穩(wěn)定性分析結果,分別采用抗滑樁、鋼軌樁+抗滑擋墻的超前支護處治方案,避免了對上部土體的開挖及原有植被的破壞,更加生態(tài)環(huán)保。

3) 通過對上述2種超前支護處治方案的對比分析可知,對于順層深挖路塹而言,抗滑樁的超前支護方案效果更為顯著且更加經(jīng)濟環(huán)保。