廣東省煤系地層不同坡體結(jié)構(gòu)的病害模式及防治對策

易巍

(廣東平興高速公路有限公司，廣東 梅州 514600)

廣東省煤系地層不同坡體結(jié)構(gòu)的病害模式及防治對策

易巍

(廣東平興高速公路有限公司，廣東 梅州 514600)

煤系地層在廣東省分布廣泛，其特殊的物理力學性質(zhì)常常導(dǎo)致邊坡工程失穩(wěn)破壞，是困擾山區(qū)公路建設(shè)的一大技術(shù)難題。本文通過廣東省7處典型病害工點的測算，得出了廣東省煤系地層邊坡巖土強度指標取值范圍;將煤系地層按煤層厚度進行邊坡坡體結(jié)構(gòu)分類，并在剖析典型病害工點基礎(chǔ)上，分析不同坡體結(jié)構(gòu)邊坡病害模式，針對不同模式提出相應(yīng)的防治對策。

煤系地層 坡體結(jié)構(gòu) 病害模式 防治對策

廣東省煤系地層通常由石炭系、三疊系、侏羅系薄～中層狀砂巖、泥巖夾炭質(zhì)頁巖、炭質(zhì)灰?guī)r和煤層構(gòu)成，為一套濱海瀉湖及海陸交替環(huán)境形成的含煤建造。煤系地層在廣東省分布廣泛，尤以粵北、粵西及粵東低山丘陵區(qū)最為常見，成為廣東省山區(qū)高速公路建設(shè)的一大技術(shù)難題。

煤系地層巖質(zhì)普遍軟弱，含炭量高，吸熱能力強，極易風化、崩解。以往有許多研究從煤系地層的防治對策出發(fā)，對煤系地層所適用的工程措施進行了總結(jié)。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)了廣東省煤系地層的巖土強度指標、結(jié)構(gòu)分類和病害模式，并提出了相應(yīng)的煤系地層邊坡災(zāi)害防治對策。

1 煤系地層邊坡巖土強度指標

煤系地層典型的地質(zhì)特點是巖層軟，厚薄不均，層間膠結(jié)較差，結(jié)構(gòu)松散，開挖后風化速度較快，且遇水易軟化，性能極不穩(wěn)定。在煤系地層地區(qū)修建高速公路，邊坡穩(wěn)定問題突出。

對廣東省7處典型煤系地層病害邊坡進行統(tǒng)計，通過參數(shù)反算，得出煤系地層巖體在浸水條件下抗剪強度指標:黏聚力c=10～18 kPa，內(nèi)摩擦角φ=8°～16°(見表1)。煤系地層巖體泥質(zhì)礦物含量越高，其強度指標越低，炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)灰?guī)r強度指標取小值;炭質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)砂巖強度指標取大值。實際工程中強度指標選取應(yīng)結(jié)合當?shù)亟?jīng)驗值綜合考慮。

表1 廣東省煤系地層邊坡c，φ值匯總

2 煤系地層分類及病害模式總結(jié)

廣東省煤系地層多存在于砂頁巖、泥巖、灰?guī)r等沉積巖地層。煤系地層或為薄層，或為厚層，薄、厚層煤系地層發(fā)生邊坡失穩(wěn)的模式也不同。

2.1 薄層煤系地層邊坡

薄層煤系地層邊坡指煤層在坡體內(nèi)連續(xù)分布的最大厚度不超過1.0～2.0 m的邊坡。煤層與正常沉積層多呈互層狀，煤層厚度多為0.2～0.6 m，且含有大量伊利石。由于煤層具有易干裂、吸水性強、遇水膨脹軟化、其結(jié)構(gòu)易破壞而喪失強度等特點，在水和其它外力作用下易形成具隔水、含水和強度低等特點的軟弱帶，對邊坡穩(wěn)定不利。

對于薄層煤系地層，由于煤層具有遇水軟化并隔水的特征，成為邊坡軟弱層面。若邊坡為順坡向?qū)訝钸吰聨r體結(jié)構(gòu)，易誘發(fā)順層滑坡，煤層的軟化往往是滑坡發(fā)生的決定性因素;若邊坡為反傾層狀邊坡巖體結(jié)構(gòu)，則煤系地層對邊坡整體穩(wěn)定性的影響不明顯，但仍可能發(fā)生小范圍崩塌。

2.2 厚層煤系地層邊坡

厚層煤系地層邊坡指煤層在坡體內(nèi)連續(xù)分布的最大厚度＞2.0 m的邊坡，在廣東煤系地層發(fā)育區(qū)域，連續(xù)分布煤層厚度常＞3.0 m。厚層煤系地層多為炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)灰?guī)r，由其組成的邊坡的病害類型與極軟巖邊坡類似。由于煤系地層遇水易軟化，喪失強度，因此易發(fā)生邊坡坍塌、崩塌及滑坡病害。坍塌主要由于煤系地層在浸水條件下巖土體強度不足所致。崩塌或滑坡則與邊坡坡體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

1)邊坡巖層順傾:由于煤系地層的隔水及強度低等特點，炭質(zhì)泥巖、灰?guī)r的層面或與堅硬巖層的交界面易成為順層滑坡的滑帶;若順坡向結(jié)構(gòu)面貫通，也可能發(fā)生順坡向結(jié)構(gòu)面滑坡。

2)邊坡巖層反傾:坡體為以軟巖為主的反傾坡體結(jié)構(gòu)時，易發(fā)生順坡向結(jié)構(gòu)面滑坡;坡體為上硬下軟反傾坡體結(jié)構(gòu)時，由于下部軟巖強度較低，易發(fā)生錯落擠壓剪切式滑坡或崩塌;坡體為層面發(fā)育的軟硬巖互層結(jié)構(gòu)時，軟巖由于抗風化能力低，易發(fā)生硬巖的崩塌。

其中，邊坡坡腳出露煤系地層的上硬下軟反傾坡體結(jié)構(gòu)，由于煤層遇水易軟化的特性，極易發(fā)生錯落擠壓剪切式滑坡(結(jié)構(gòu)面陡傾)，或沿順坡向結(jié)構(gòu)面的滑坡(結(jié)構(gòu)面緩傾)。此類病害在廣東高速公路建設(shè)中頻發(fā)。其變形特征為:坡腳煤系地層由于泡水首先發(fā)生擠出變形，此后上部巖土體沿陡傾或緩傾面整體滑動變形。煤系地層邊坡分類及可能破壞模式見表2。

表2 煤系地層邊坡分類及可能破壞模式

3 典型工點剖析

3.1 平興高速公路 K1619+000—K1619+205左側(cè)邊坡

3.1.1 邊坡概況

該左側(cè)邊坡原設(shè)計為三級坡，一、二級坡坡高10.0 m，三級坡坡高7.3 m;一級坡坡率1∶1.0，二、三級坡坡率1∶1.25;分級平臺寬2 m。一級坡K1619+030—K1619+140段原設(shè)計采用4排錨桿格梁加固，格梁內(nèi)噴混植生防護;二、三級坡采用拱架三維網(wǎng)植草防護。一級邊坡K1610+020—K1610+140段設(shè)置一排斜孔排水，孔深20 m。

在該邊坡整體開挖至二級坡中下部，局部區(qū)域(K1619+000—K1619+030)一級邊坡已開挖的情況下，對邊坡進行現(xiàn)場調(diào)查。從開挖揭露巖層看，二級坡坡頂以下2 m即出露煤系地層，一級坡從路基右側(cè)開挖情況看也為煤系地層分布區(qū)，煤系地層厚度可能高達10 m以上，大大超過勘察鉆探資料揭露的6.7 m。連續(xù)分布的厚層煤系地層對邊坡穩(wěn)定極為不利。

3.1.2 工程地質(zhì)條件

1)地形地貌

邊坡處于低緩丘陵區(qū)，坡高約27 m，三級坡，自然坡度約11°，坡頂為緩坡平臺。線路以直線橫切山坡。

2)地層巖性

根據(jù)鉆孔資料和現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，該路塹邊坡表層第四系覆蓋層為粉質(zhì)黏土，下伏基巖為全～強風化砂頁巖、炭質(zhì)灰?guī)r。

①第四系覆蓋層:粉質(zhì)黏土，黃褐色，硬塑，厚約1.4 m;

②砂頁巖:全～強風化，黃～黃褐色，中～薄層，巖體裂隙發(fā)育，較破碎。從開挖揭露地層看，小里程K1619+000—K1619+050段二級坡及以上基本為全風化砂頁巖，巖體風化破碎呈碎石土狀，K1619+ 000—K1619+030段一級坡為強風化砂頁巖，巖體風化呈塊石土狀。其余地段砂頁巖基本分布在三級坡，厚度3～8 m。

③炭質(zhì)灰?guī)r:強風化，黑色，中～薄層狀，節(jié)理較發(fā)育，巖體遇水易軟化。從開挖揭露地層看，K1619+ 050—K1619+170段二級坡炭質(zhì)灰?guī)r連續(xù)分布，厚度大(超過10 m)，局部夾中風化頁巖;巖體節(jié)理裂隙發(fā)育。K1619+130—K1619+160段二級坡中下部滲水嚴重，巖體軟化現(xiàn)象明顯，手捏易碎，有滑膩感。

④砂頁巖與炭質(zhì)灰?guī)r接觸帶:調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，二級坡中上部存在一條連續(xù)的砂頁巖與炭質(zhì)灰?guī)r接觸帶(見圖1)，可能成為邊坡滑動的依附面。

3)地質(zhì)構(gòu)造

現(xiàn)場調(diào)查期間，在 K1619+160段二級坡坡面量得層面產(chǎn)狀為162°∠40°，為反傾邊坡。貫通結(jié)構(gòu)面有兩組，量得結(jié)構(gòu)面1產(chǎn)狀為326°～337°∠37°～53°，結(jié)構(gòu)面順傾，表面光滑;結(jié)構(gòu)面2產(chǎn)狀為54°∠76°，結(jié)構(gòu)面與線路走向正交。

圖1 砂頁巖與炭質(zhì)灰?guī)r接觸帶

4)水文地質(zhì)條件

坡體中砂頁巖、炭質(zhì)灰?guī)r裂隙發(fā)育，極易滲水，而炭質(zhì)砂頁巖遇水軟化嚴重(如K1619+130—K1619+ 160段二級坡中下部滲水區(qū)巖體強度下降明顯)。

3.1.3 病害模式及原因分析

該邊坡為厚層煤系地層邊坡，坡體結(jié)構(gòu)為上硬下軟反傾坡體結(jié)構(gòu)，因此推測破壞模式為擠壓剪切式滑坡(結(jié)構(gòu)面陡傾)。邊坡開挖造成下部煤系地層遇水后巖土體強度軟化明顯，滑坡段因抗滑強度不足被擠出;同時由于雨水侵入，造成煤系地層陡傾結(jié)構(gòu)面強度降低，抗滑力不足，最終導(dǎo)致邊坡整體變形。

3.1.4 工程措施

采用斜向控制注漿鋼錨管進行加固。K1619+ 160的斷面鋼錨管布置如圖2所示。鋼錨管為 φ50δ 4.0 mm。一、二級坡均設(shè)4排，錨管長度以進入滑面≥6 m控制。錨管水平夾角均為20°。

圖2 K1619+160斷面鋼錨管布置

3.2 平興高速公路 K1640+565—K1640+840路塹左側(cè)邊坡

3.2.1 工程概況

邊坡地處丘陵地段。2014年11月整體開挖至一級坡腳(小里程方向局部開挖至一級坡面)，從開挖揭露地層看，主要為全～強風化炭質(zhì)泥巖，中～薄層狀，受構(gòu)造影響，巖層產(chǎn)狀凌亂，局部順傾，坡面多處有褶皺現(xiàn)象，巖體極為破碎，巖土體泡水極易軟化，導(dǎo)致強度大幅降低。

3.2.2 病害情況及原因分析

邊坡從雨季結(jié)束開始開挖一級坡。開挖過程中發(fā)現(xiàn)一級坡局部順層地段出現(xiàn)小范圍滑塌，同時一級坡坡面有整體外鼓趨勢;在邊坡二、三級平臺發(fā)現(xiàn)多道平臺裂縫，同時在邊坡坡頂往山側(cè)約25 m，出現(xiàn)連續(xù)長大貫通后緣裂縫，該裂縫在小里程方向往下延伸直至一級坡面(見圖3)。

圖3 坡頂長大貫通裂縫從后緣延伸至一級坡面

從以上變形跡象看出，邊坡病害發(fā)生的主要原因是:煤系地層巖土體破碎軟弱，坡腳處巖土體豎向承載力及抗剪強度均不足，在坡體自重作用下，坡腳被壓裂(表現(xiàn)為一級坡局部滑塌及坡面外鼓)，形成新生的剪切緩傾裂隙，上部不穩(wěn)定巖體就會沿下部的擠壓剪切裂隙產(chǎn)生整體滑動破壞，即錯落擠壓剪切式滑坡。

3.2.3 工程措施

邊坡高38 m，共設(shè)4級坡。一級坡坡高10 m，坡率1∶1.0;二、三級坡坡高均為10 m，坡率1∶1.25;四級坡坡高約8 m，坡率1∶1.25。二級平臺寬5 m，其余各級平臺寬2 m。一級坡設(shè)置鋼錨管，二、三級坡設(shè)置錨索框架，坡腳設(shè)置擋土墻。K1640+660斷面加固措施如圖4所示。

4 防治對策

4.1 坡形坡率

炭質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)砂巖等巖質(zhì)較硬邊坡，坡率宜放緩至1∶1.25～1∶1.5;炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁巖及炭質(zhì)灰?guī)r等巖質(zhì)軟弱邊坡，坡率宜放緩至1∶1.5～1∶1.75。每級坡坡高不超過8 m;地形條件許可情況下盡量在邊坡中部設(shè)置至少8.0～10.0 m寬的大平臺。

4.2 加固措施

煤系地層全～強風化，厚度大，應(yīng)優(yōu)先在坡腳或一級平臺內(nèi)側(cè)設(shè)置較強抗滑樁或抗滑擋墻(主要措施)，并在邊坡中部設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索或錨桿框架(輔助措

施)，起到“強腰固腳”的防治效果。

圖4 K1640+660斷面加固措施

如果由于施工安全、工期限制或其他原因，無法施工抗滑樁或擋墻，也可設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索框架。錨索錨固段應(yīng)進入穩(wěn)定巖層一定深度，同時為防止邊坡表層煤系巖土遇水軟化，造成錨索預(yù)應(yīng)力損失，應(yīng)加強邊坡表層排水措施，且盡量使用預(yù)制錨頭壓力錨索等新型防腐錨索，避免使用耐腐蝕性差的普通錨索。選用錨桿時應(yīng)減小錨桿間距，不宜超過2.0 m。

斜向控制注漿鋼錨管框架作為一種新型防治技術(shù)，結(jié)合了錨桿框架與控制注漿技術(shù)的優(yōu)勢，鋼錨管自身除了作為防護措施外，也是二次注漿的通道，通過二次注漿改善周邊巖土體強度，使鋼管與周邊巖土體形成整體，共同抵御滑坡。該技術(shù)針對煤系地層滑坡，具有抗滑力大、耐久性強及機械化程度高等突出優(yōu)點，是煤系地層邊坡防治具有發(fā)展前途的防治技術(shù)。

4.3 坡面防護

對炭質(zhì)泥巖、頁巖或灰?guī)r邊坡，應(yīng)對坡面采用漿砌片石封閉防護;對炭質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)砂巖等，建議對坡面采用漿砌片石封閉防護，也可采用其他生態(tài)防護措施。坡腳出露煤系地層，應(yīng)在一級坡坡面設(shè)置仰斜排水孔或支撐滲溝，加強地下水疏干。

4.4 施工方法

施工開挖過程中應(yīng)盡量避開雨季，選擇土層較為干燥的季節(jié)。開挖過程中如遇雨天，應(yīng)停止施工，并覆蓋開挖面，同時采取積極措施，如對坡面水截流及開挖臨時排水溝等將邊坡內(nèi)的水及時排走，把水對煤系土層的影響降到最小。對于厚層煤系地層邊坡，施工過程中應(yīng)采取預(yù)加固方法，堅持先支護后開挖或分段開挖的原則，開挖一級、支護一級，杜絕一挖到底的冒險做法。

5 結(jié)論

1)煤系地層巖質(zhì)普遍軟弱，結(jié)構(gòu)松散，遇水易軟化，性能極不穩(wěn)定。巖體泥質(zhì)礦物含量越高，其強度指標越低。

2)煤系地層邊坡破壞模式受煤層厚度和坡體結(jié)構(gòu)共同控制。本文將煤系地層邊坡按煤層厚度分為薄層及厚層兩大類，并總結(jié)了典型邊坡坡體結(jié)構(gòu)和可能破壞模式。

3)因煤系地層巖質(zhì)軟弱，邊坡防護中宜采用偏保守坡形坡率，并盡量設(shè)置抗滑樁和錨桿錨索以達到“強腰固腳”的效果。煤系地層水敏感性強，邊坡施工應(yīng)避開雨季，坡面防護宜采用全封閉式防護，并設(shè)置支撐滲溝等排水措施。

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(責任審編 周彥彥)

U416.1+4

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.27

2014-12-22;

:2015-03-23

易巍(1970— )，男，湖南長沙人，高級工程師，碩士。

1003-1995(2015)09-0094-04