巖質(zhì)路塹高邊坡穩(wěn)定性分析及設(shè)計方法

夏炎早

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 前言

由于周邊用地和道路線形的限制，高等級公路的建設(shè)不可避免地需要穿越山區(qū)等地形復(fù)雜的地段，深路塹邊坡的穩(wěn)定性問題日益突出。公路路基邊坡常處于或接近于極限穩(wěn)定狀態(tài)，而施工過程中的爆破、開發(fā)等施工過程往往導(dǎo)致穩(wěn)定狀態(tài)的改變，誘發(fā)邊坡的失穩(wěn)。高邊坡地質(zhì)條件的復(fù)雜性和多樣性，決定了高邊坡工程的復(fù)雜性。在目前的防護(hù)與加固技術(shù)方法研究中，水電、廠礦、鐵路等行業(yè)相對較多，而公路和城市道路行業(yè)則相對偏少，尤其是基于信息化施工技術(shù)的動態(tài)設(shè)計更少。

1 巖質(zhì)路塹高邊坡分類及工程特點

正確認(rèn)識道路巖質(zhì)路塹高邊坡的工程特性，在進(jìn)行地質(zhì)條件調(diào)查、邊坡結(jié)構(gòu)特征分析的基礎(chǔ)上，開展邊坡的穩(wěn)定性的系統(tǒng)評價，提出邊坡的合理支護(hù)形式，是保證工程順利實施和長期安全運營的關(guān)鍵。

《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30－2004)沒有對高邊坡的劃分給出明確的定義，但作了如下規(guī)定：“巖質(zhì)挖方邊坡高度超過30 m 以及不良地質(zhì)、特殊巖土地段的挖方邊坡，應(yīng)進(jìn)行個別勘察設(shè)計”?！督ㄖ吰鹿こ碳夹g(shù)規(guī)范》（GB50330-2013）中根據(jù)破壞后果將邊坡劃分為一級、二級和三級邊坡，同時規(guī)定一級邊坡工程應(yīng)采用動態(tài)設(shè)計法，建議二級工程宜采用動態(tài)設(shè)計法。邊坡的高度與公路穿 越區(qū)的地質(zhì)情況、公路的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等密切相關(guān)，同時邊坡高度對工程規(guī)模也有著直接的影響，其加固和防護(hù)的方法對工程造價的影響也相當(dāng)顯著。

巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性在很大程度上是由巖體中的控制性結(jié)構(gòu)面決定的。水利水電系統(tǒng)在執(zhí)行國家“八五”攻關(guān)項目中提出將邊坡巖體結(jié)構(gòu)分為層狀、塊狀、碎裂和散體四大類。針對邊坡的特點，對層狀巖體又可分為層狀同向、層狀反向和層狀斜向三個亞類。

2 巖質(zhì)路塹邊坡的破壞形式

層狀結(jié)構(gòu)巖體是巖質(zhì)邊坡中比較多的一種結(jié)構(gòu)形式，其所形成的邊坡比較復(fù)雜。其破壞形式一般有順層滑動、潰屈破壞合傾倒破壞。

塊狀結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)形式取決于結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、組合及其與地形的關(guān)系，一般有三種破壞形式：平面破壞、楔體破壞和傾倒破壞。

碎裂散體狀巖體表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)松散破碎、完整性很差，故一般此類邊坡的穩(wěn)定性較差。其破壞形式主要有追蹤破壞、局部滑移或掉塊。對此類邊坡尤其要注意其長期蠕變的特性。

3 巖質(zhì)路塹高邊坡穩(wěn)定性分析及設(shè)計方法

邊坡穩(wěn)定性分析的重點在于綜合分析邊坡的內(nèi)外部影響因素，對邊坡的總體穩(wěn)定性進(jìn)行初步判斷，結(jié)合邊坡的失穩(wěn)模式選擇適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析計算，制定邊坡加固和監(jiān)測方案。一般分為如下步驟：地質(zhì)勘察獲得地質(zhì)基礎(chǔ)資料→邊坡總體穩(wěn)定性進(jìn)行定性分析→確定邊坡可能失穩(wěn)模式→邊坡穩(wěn)定計算→邊坡加固方案→邊坡監(jiān)測。

采用赤平投影原理進(jìn)行分析來確定邊坡失穩(wěn)模式是一種快速、簡便的方式。目前國內(nèi)已有采用赤平投影原理進(jìn)行統(tǒng)計分析、優(yōu)勢產(chǎn)狀確定以判斷失穩(wěn)模式的專業(yè)計算機軟件。

邊坡穩(wěn)定性定量分析的方法則有極限平衡法、有限元法、破壞概率分析等方法。其中極限平衡法是應(yīng)用最為廣泛的方法，有限元分析法則隨著國內(nèi)相關(guān)計算軟件的豐富在最近得到了廣泛的應(yīng)用，破壞概率分析方法則是國際上應(yīng)用比較廣泛的方法。

4 寧波大榭對外第二通道巖質(zhì)路塹高邊坡穩(wěn)定性分析及設(shè)計

寧波大榭對外第二通道工程是大榭島對外的重要交通通道，是為進(jìn)一步優(yōu)化大榭及北侖區(qū)域路網(wǎng)布局，完善寧波港集疏運網(wǎng)絡(luò)，加快大榭島開發(fā)建設(shè)，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會建設(shè)，提高應(yīng)對島內(nèi)突發(fā)事件和搶險能力而建設(shè)的重要交通工程項目。道路等級為一級公路，設(shè)計速度80 km/h，在穿越炮臺崗深路塹段為雙向6 車道規(guī)模，路基寬度30.5 m。根據(jù)道路線形要求，該段路塹最高邊坡為56 m 左右。

4.1 地質(zhì)情況

炮臺崗深路塹段為通過地表山脊段，地形坡度0 °～20 °。表部草類植被茂盛，地貌最高處為92 m。

根據(jù)淺層物探成果及現(xiàn)場調(diào)繪，推測有三條f1、f2、f3 斷層通過。f1 斷層位于K5+175 附近，根據(jù)淺層物探，走向約 N E85 °～90 °，傾向北，傾角約 8 0 °～85 °。f2 斷裂：主要產(chǎn)狀 1 84 °∠74 °、188 °∠71 °、181 °∠72 °、80 °∠60 °、340 °∠79 °，基本呈閉合狀，面平直粗糙，延伸長，斷裂面局部有摩擦的痕跡。f3 斷裂：主要產(chǎn)狀為 3 9 °∠71 °、49 °∠71 °、75 °∠57 °、158 °∠89 °，斷裂帶寬5～8m，裂隙發(fā)育密集，以灰綠色凝灰?guī)r碎石充填，主要產(chǎn)狀為261 °∠55 °、168 °∠86 °、41 °∠70 °、巖體的節(jié)理裂隙很發(fā)育。斷裂帶附近的巖體較破碎，呈塊（石）、碎（石）狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，且局部出現(xiàn)崩塌、掉塊。

該區(qū)巖體節(jié)理裂隙總體以走向166 °～185 °，傾向 8 4 °，傾角 4 2 °～58 °和走向 7 7 °～92 °左右，傾向174 °左右，傾角大于73 °兩組最為發(fā)育。該區(qū)節(jié)理裂隙發(fā)育～很發(fā)育，間距一般5～60 cm 為主，節(jié)理面鐵錳質(zhì)渲染強烈，局部裂隙充填有方解石，巖體較破碎。該區(qū)以含晶屑玻屑凝灰?guī)r為主。

4.2 邊坡穩(wěn)定分析

采用赤平投影原理進(jìn)行定性分析后發(fā)現(xiàn)，該工程右側(cè)邊坡比左側(cè)邊坡穩(wěn)定性好。右側(cè)邊坡采用1∶0.75 的坡率在各不利裂隙組合條件下均能保持穩(wěn)定。而左側(cè)邊坡在L6-L8(L6 傾向44 °傾角70 °，L8 傾向 3 40 °傾角 4 8 °)、L3-L8(L3 傾向 2 55 °傾角73 °，L8 傾向 3 40 °傾角 4 8 °)、L3-L6(L3 傾向 2 55 °傾角 7 3 °，L6 傾向 4 4 °傾角 7 0 °)。L5-L6(L5 傾向 2 62 °傾角50 °，L6 傾向44 °傾角70 °)等不利裂隙組合下均會產(chǎn)生不穩(wěn)定滑動面。

通過有限元法進(jìn)一步分析后發(fā)現(xiàn)，右側(cè)邊坡在各不利裂隙組合條件下均能夠保持穩(wěn)定，而左側(cè)邊坡而左側(cè)邊坡在L6-L8(L6 傾向44 °傾角70 °，L8 傾向 3 40 °傾角 4 8 °)、L3-L8(L3 傾向 2 55 °傾角 7 3 °，L8 傾向 3 40 °傾角 4 8 °)、L3-L6(L3 傾向255 °傾角 7 3 °，L6 傾向 4 4 °傾角 7 0 °)、L5-L6(L5 傾向 2 62 °傾角 5 0 °，L6 傾向 4 4 °傾角 7 0 °)等不利裂隙組合下穩(wěn)定安全系數(shù)不能滿足要求，需要采取工程措施。

4.3 邊坡坡率設(shè)計

鑒于右側(cè)邊坡在各種不利裂隙組合下采用1∶0.75 均能保持邊坡穩(wěn)定。邊坡巖質(zhì)為微風(fēng)化凝灰?guī)r時，采用1∶0.5；邊坡巖質(zhì)為中風(fēng)化凝灰?guī)r時，采用1∶0.5～1∶0.75；邊坡巖質(zhì)為強風(fēng)化凝灰?guī)r時，采用1∶0.75～1∶1；邊坡為全風(fēng)化凝灰?guī)r和粉質(zhì)粘土、含粘土礫砂時，邊坡坡率為1∶1～1∶1.25。

左側(cè)邊坡巖質(zhì)為微風(fēng)化凝灰?guī)r時，采用1∶0.5～1∶0.75；邊坡巖質(zhì)為中風(fēng)化凝灰?guī)r時，采用1∶1；邊坡巖質(zhì)為強風(fēng)化凝灰?guī)r時，采用1∶1～1∶1.25；邊坡為全風(fēng)化凝灰?guī)r和粉質(zhì)粘土、含粘土礫砂時，邊坡坡率為1∶1.25。

兩側(cè)最下面一級邊坡高6.0 m，其余邊坡坡高10 m，各級邊坡之間設(shè)置2.5 m 的平臺。

4.4 邊坡防護(hù)設(shè)計

對于右側(cè)邊坡和坡率較緩的邊坡，邊坡自身處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是坡面在外界因素的作用下，如剝落、風(fēng)化、雨水沖刷等會產(chǎn)生坡面變形，其破壞深度一般為坡體表面1～2 m，同時，由于節(jié)理裂隙較為發(fā)育，開挖后還會產(chǎn)生卸荷裂隙，受雨水沖刷易軟化，易發(fā)生崩塌、掉塊等情況，故仍需要做淺層護(hù)坡。對于右側(cè)坡率較陡的邊坡（坡率1∶0.5～1∶0.75）采用普通長短錨桿格構(gòu)加掛網(wǎng)噴播植草護(hù)坡，對于坡率較緩的邊坡（坡率1∶1～1∶1.25）采用掛網(wǎng)噴播植草護(hù)面。

對于左側(cè)的欠穩(wěn)定邊坡（坡率為1∶0.5～1∶0.75），由于邊坡自身穩(wěn)定性較差，考慮到路塹開挖的影響，開挖松弛、地下水向下滲透等，巖體中的滑動面有向深處發(fā)展的可能，考慮采用預(yù)應(yīng)力錨錨索格構(gòu)加掛網(wǎng)噴播植草支護(hù)，預(yù)應(yīng)力錨索自由段長度為5.0 m，錨固段長度為8 m。

在后續(xù)施工過程中，由于施工工期限制及邊坡景觀的考慮，對最下面一級邊坡采用護(hù)面墻防護(hù)。

圖1為通車后的實景。

圖1 通車后實景

5 結(jié)語

目前該工程已竣工通車一年半左右，監(jiān)測結(jié)果顯示邊坡穩(wěn)定性良好，景觀效果也很好，達(dá)到了預(yù)期的效果。

[1] 陳祖煜，等.巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析[M].北京：中國水利水電出版社.

[2] 上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司.寧波大榭地二大橋施工圖設(shè)計文件[Z].