炭質巖路塹邊坡特性及防護對策分析

牛毛毛

摘要 炭質巖作為一種碳含量較高的特殊巖石，在我國西南地區分布較廣，具有初始強度大、遇水易軟化、對環境較敏感等特性，與空氣接觸后極易產生崩解、風化，嚴重影響路基邊坡穩定性，威脅道路運營安全。為有效提升炭質巖路塹邊坡的防護效果，保證邊坡安全性、穩定性，延長道路運營壽命，文章以某高速公路路塹邊坡防護為背景，針對炭質巖路塹邊坡特性及防護對策展開綜合探究，介紹了炭質巖的礦物組成、力學特性，分析了炭質巖路塹邊坡的破壞機理，并提出了“噴射有機固化劑+客土噴播綠化”的邊坡防護措施。通過實體工程試驗，取得了顯著成效，驗證了該防護措施的可行性，具有重要的參考價值。

關鍵詞 高速公路項目；路塹邊坡；炭質巖；工程特性；破壞機理；生態修復

中圖分類號 U416.14文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0132-03

0 引言

炭質巖主要分布于我國華北區域，通常位于地表土層及植被之下，天然狀態下強度較高，對光、熱、水較為敏感。高速公路建設中開挖暴露出的炭質巖，與空氣接觸后急劇風化，在雨水作用下快速崩解、軟化，強度顯著降低，如果施工處治不當，極易產生路塹邊坡失穩、坍塌等災害，嚴重影響道路使用安全[1]。現有炭質巖路塹邊坡防護措施，如微型樁、框格梁、護面墻等，在工程實際應用中取得了顯著效果，使公路路塹邊坡穩定性得到大幅度提升，但同時也對周邊生態環境造成了一定程度的破壞，與當前我國倡導的可持續發展理念相悖。因此，為有效提高炭質巖路塹邊坡的防護效果，滿足生態修復的實際需要，該文依托實際工程案例，系統分析了炭質巖路塹邊坡的防護對策，具有十分重要的現實意義。

1 工程概況

某高速公路設計總長度為108 km，采用雙向四車道布置，時速為100 km/h，路基寬為26 m。沿線地形以丘陵、山地為主，K55～K75路段分布大量炭質巖，巖層分布以海陸交錯的沉積型頁巖、粉砂巖及煤層為主。道路建設區域內炭質泥巖分布較廣，工程特性較差，嚴重影響路基邊坡的穩定性[2]。

該高速公路施工區域內邊坡表層為第四系殘坡積碎石土，深度介于3～8 m范圍，土質致密堅硬。沿線植被較為茂盛，巖層以黑色為主，泥質構造，層理分明；表層巖層風化程度較大，成節理裂隙發育，裂隙內存在較多炭質黏土，質地松散；局部巖層較為破壞，炭質頁巖、粉砂巖交錯分布，中間存在松散夾層；下部為中風化巖層，表面平滑，致密堅硬。

施工區域內地下水主要源于大氣降水，地表土層透水性較差，地下水位較深，邊坡受地下水影響較小。天然狀態下邊坡較穩定，未出現失穩、坍塌等問題，地質勘察環節極易忽略對炭質巖層的綜合評估。在邊坡開挖過程中，炭質巖與空氣接觸后，在較短時間內快速風化崩解為破碎巖體，強度顯著降低，邊坡穩定性大幅度下降；局部存在剝落、輕微滑坡現象，但表層碎石層破壞嚴重，出現較大牽拉裂縫。

2 炭質巖礦物組成

根據該項目實際情況，選擇6個部位提取炭質巖試樣，對其礦物成分實施檢測。檢測結果顯示，相較于常規泥質巖類，炭質巖含有親水性與吸熱性良好的礦物質，如方解石、高嶺石等，其中方解石呈不規則晶體結構，形狀多樣；高嶺石主要為隱晶質結構，炭質呈棉絮狀，在巖體內部呈無規則分布。炭質巖與普通碎屑巖存在顯著差異，工程特性較差，對光、熱、水等較為敏感，暴露于空氣中易產生裂解、軟化，嚴重影響邊坡的穩定性[3]。其主要成分如表1所示。

3 炭質巖物理力學特性

炭質巖構造形式及力學特性直接決定巖質邊坡的穩定性，其礦物成分是判定邊坡穩定性重要的指標。巖體構造可根據實地測量數據，綜合確定巖層厚度及是否存在軟弱巖層面，而力學強度可通過現場或室內試驗得到[4-6]。

該項目施工區域內路塹開挖暴露出的炭質巖主要呈薄-厚層狀，走向與邊坡斜交，能有效增強邊坡穩定性。結合室內試驗檢測結果，并依據相關技術規范，得到炭質巖邊坡相關力學指標如表2所示。

由表2可知：天然狀態下，炭質巖力學性能較為突出，中風化炭質泥巖層抗壓強度、黏聚力、內摩擦角較大，質地堅硬，穩定性較高；而強風化炭質泥巖夾煤層抗壓強度、黏聚力及內摩擦角較小，低于上覆黏土層，穩定性較差。結合各巖層力學參數進行綜合評估，天然狀態下炭質巖路塹邊坡的穩定性良好，而當內部分布強風化炭質泥巖夾煤層時，邊坡穩定性會有所下降，尤其對于走向與邊坡相同的夾層，極易引發邊坡滑坡，試驗結果與現場實際情況完全相同。

4 炭質巖路塹邊坡破壞機理

4.1 炭質巖對邊坡穩定致災因素

根據炭質巖礦物組成及物理力學特性分析結果，并參照邊坡勘察資料，對邊坡失穩原因進行綜合分析，主要內容如下：

（1）抗風化能力差：炭質巖工程特性較差，對環境較為敏感，與空氣接觸后極易產生風化。對于質地堅硬、強度較高的中風化炭質巖，在極短時間內發展為破碎狀，強度迅速下降，邊坡穩定性顯著降低，并伴有輕微滑坡現象。

（2）膨脹崩解軟化性強：炭質巖含有大量的高嶺石，吸水性強，且極易膨脹。路基邊坡開挖過程中，炭質巖逐漸暴露于空氣中，在短時間內會產生崩解、膨脹，形成高液限泥質土，且不可逆轉。炭質巖遇水崩解軟化，強度急劇降低，巖質邊坡逐漸轉變為土質邊坡，從而造成以巖質邊坡標準設計的坡率與土質邊坡不適用的情況，導致邊坡產生滑坡。現場提取試樣進行試驗檢測，得到泥炭土相關力學指標如表3所示。

（3）軟弱夾層：路基邊坡巖層中普遍存在炭質巖與頁巖互層，在厚度較大的泥巖中夾雜薄層炭質巖或煤層，層厚為10.0～50.0 cm，強度低，穩定性差。而對于走向與邊坡方向相同的巖層，邊坡開挖使巖層處于臨空狀態，在互層處易產生順層滑移，并且與軟土地基較為類似，承載能力較低，導致淺層巖層產生沉降，從而帶動上部巖層發生滑動。而就反傾層狀的巖質邊坡，軟弱夾層基本不會對邊坡的整體穩定性造成不利影響。

4.2 炭質巖路塹邊坡破壞模式

坡面破壞：邊坡坡面破壞形式主要包括破碎剝離、塌方或局部崩塌等，具體出現在中風化巖質邊坡坡面，主要是邊坡表面的炭質巖由于受光、熱、水等因素聯合作用，產生了表面裂縫，隨著裂縫的不斷發展，逐漸形成破碎狀，并與母體結構分離；受自身重力作用影響，產生表層滑移，其深度通常介于1.0～3.0 m范圍，呈現逐步發展趨勢，尤其對于濕熱條件下的破壞更加嚴重[7]。

圓弧滑塌：圓弧滑塌常出現在全-強風化炭質巖的邊坡，在雨水及風化聯合作用下，炭質巖產生裂縫、泥化，強度顯著降低，產生圓弧形滑坡，滑塌深度通常為3.0～5.0 m，嚴重時會引發牽拉式滑移，以雨季最為顯著。

沿軟弱結構面的坍塌、滑坡：此類破壞形式常出現在炭質頁巖與砂巖互層的邊坡，邊坡開挖過程中，炭質巖層與空氣接觸，在光、熱、雨等各種環境因素的聯合作用下，發生了裂解、軟化，強度顯著降低，產生連通型裂縫，造成邊坡沿斷層滑移；裂縫帶與軟弱結構面大致相同，表面相對平整，邊坡滑移范圍與結構面深度密切相關，通常由局部位置逐漸延伸至整個邊坡，由下而上逐漸發展，最后造成邊坡整體滑移。

5 炭質巖路塹邊坡防護

5.1 處治原則

在山區道路施工過程中，由于地形復雜，必然要進行高填、深挖等施工，從而產生高邊坡、高路堤。高邊坡往往高達幾十米，給邊坡的安全性帶來了很大挑戰。為確保開挖高邊坡的穩定性，除了常用措施及單純利用擋土墻墻體自身的重量平衡邊坡的土壓力和滑下力之外，還有許多輕型支擋新技術，已被采用并開發出來。在路塹邊坡施工過程中出現炭質巖后，應立即采取防護措施，隔絕空氣、水、光、熱等介質，避免巖層產生風化、崩解，防止出現邊坡失穩現象，主要防護措施包括噴射混凝土、固化劑、植被防護等，同時可采用土工布進行覆蓋。具體處治原則如下：

（1）邊坡開挖前，針對頂部容易產生積水的部位，應合理設置排水溝、截水溝，防止周邊雨水沖刷邊坡造成破壞；邊坡開挖完成后，應盡快完成急流槽修建，同時對于地下水發達的部位應加強降排水工作，避免地下水對炭質巖層造成滲透、侵蝕等破壞。

（2）結構完成的中風化炭質巖邊坡，穩定性較高，應加強邊坡的坡面防護，具體措施包括錨噴、噴射混凝土、客土噴播、混凝土框格等。

（3）全-強風化巖邊坡極易產生圓弧滑坡，應合理優化邊坡坡率，保證邊坡的整體穩定性，邊坡防護時應先設置必要的支擋設施，如微型樁、擋土墻等，然后實施坡面防護。

（4）針對含有順層軟弱炭質巖夾層的邊坡，應對邊坡實施削坡處理，使其達到自然穩定狀態；當無法進行削坡時，應對其穩定性實施驗算，采取支擋措施后再對坡面實施防護。

5.2 防護試驗

現階段，采取噴錨混凝土對路基邊坡實施防護，技術已相當成熟，但由于混凝土厚度較大，后期植被恢復困難，與生態環保理念相悖，該技術并不適用。因此，該試驗采用“噴射有機固化劑+客土噴播綠化”方案。

防護原理：以有機硅為固化材料，有機硅與水反應生成致密薄層覆蓋于炭質巖表面，起到封閉阻水的效果。

實體工程試驗效果：現場任意選取一個部位實施試驗，坡高為15.0 m，巖層為大厚度中風化炭質巖、灰巖交互，強度較高，穩定性良好。采用“噴射有機固化劑+客土噴播綠化”方案進行防護處理后，邊坡穩定性得到顯著提升，植被恢復效果良好[8]。

6 結論

綜上所述，該文結合實際工程案例，系統分析了炭質巖路塹邊坡的破壞機理，并提出了科學有效的防護對策，具體結論如下：

（1）炭質巖通常位于第四系殘坡積土層下部，天然狀態下強度較高，穩定性好。

（2）炭質巖內部含有親水性與吸熱性良好的礦物質，對光、熱、水等較為敏感，與空氣接觸后，極易產生風化，遇水易崩解軟化，強度急劇下降，從而引發邊坡失穩現象。

（3）炭質巖邊坡破壞形式主要包括坡面破壞、圓弧滑塌及沿軟弱結構面坍塌、滑坡等，邊坡整體穩定性良好，淺層存在局部破壞現象。

（4）工程實踐中，應根據炭質巖工程特性、結構組成及邊坡破壞機理等，科學選擇邊坡穩定性的評估方法，并采取科學有效的支擋及坡面防護措施，以有效提升邊坡穩定性。

（5）針對整體性、穩定性較好的炭質巖邊坡，采取“噴射有機固化劑+客土噴播綠化”防護措施，能有效增強邊坡穩定性，并利于生態恢復。相較于噴射混凝土防護技術，該方法不僅工藝簡單，成本低，還能有效改善路域環境，提高生態效益。

該文通過對炭質巖邊坡工程特性及破壞機理的探究，提出了“噴射有機固化劑+客土噴播綠化”生態防護措施，并取得了良好的效果，但仍存在諸多不足之處，有待進一步研究。

參考文獻

[1]方愛華. 復合型噴混植生結構在炭質巖邊坡防護中的應用[J]. 西部交通科技， 2020（10）： 16-19.

[2]郭新新， 朱安龍， 王萬平， 等. 高應力炭質板巖隧道大變形特征及其機理分析[J]. 隧道與地下工程災害防治， 2021（4）： 29-39.

[3]查俊， 龔文宗， 李耀華. 強降雨下炭質巖滑坡群形成機制及治理研究[J]. 西部交通科技， 2022（5）： 36-39.

[4]柳旻， 夏玉云， 喬建偉， 等. 炭質板巖工程特性的鉆孔彈模試驗研究[J]. 地下空間與工程學報， 2022（S1）： 114-120.

[5]高小虎， 李帥， 宋桂龍， 等. 高速公路巖石路塹邊坡不同恢復年限植被固碳量變化特征[J]. 草原與草坪， 2023（4）： 105-112.

[6]劉卓華， 黃小桂， 駱俊暉. Singh-Mitchell蠕變模型在炭質巖隧道圍巖變形分析中的應用[J]. 中外公路， 2020（3）： 210-213.

[7]鄧勝強， 駱俊暉， 米德才， 等. 基于改進Weertman模型的炭質巖隧道圍巖蠕變特性研究[J]. 現代隧道技術， 2020（3）： 128-134.

[8]陳冠軍. 炭質頁巖順層滑坡的動態設計與治理[A]. 2019水利水電地基與基礎工程新技術——中國水利學會地基與基礎工程專業委員會第15次全國學術會議論文集[C]. 昆明：中國水利水電出版社， 2019： 615-618.