廣州市軌道交通六號線蘿崗車輛段高邊坡加固與防護技術(shù)

朱婷（中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安　710043）

廣州市軌道交通六號線蘿崗車輛段高邊坡加固與防護技術(shù)

朱婷
（中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安710043）

廣州市軌道交通六號線蘿崗車輛段場坪東側(cè)開挖形成高度近60 m的人工邊坡，為保證邊坡穩(wěn)定，防止水土流失，避免次生災(zāi)害發(fā)生，開展了邊坡穩(wěn)定性分析及加固防護技術(shù)研究。數(shù)值分析結(jié)果表明:按照安全適用、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、保護環(huán)境的原則，自上而下逐級開挖邊坡，采取放坡、擋土墻、錨索（桿）格構(gòu)護坡、種草、截排水、主動網(wǎng)防護等綜合措施進行邊坡加固與防護是可行的。

高邊坡；加固防護；數(shù)值分析

1　工程概況

廣州市軌道交通六號線蘿崗車輛段所在區(qū)域為丘陵地貌，植被發(fā)育，坡面常見花崗巖球狀體出露。本區(qū)屬南亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為21.4～21.9℃；年降水量1 612～1 909 mm，雨量主要集中在4—9月；抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.10g。

擬建車輛段場坪標高25 m，占地面積約33萬m2，屬挖山而建，場坪東側(cè)將形成長度約740 m、高度60 m人工邊坡，邊坡占地面積約2.5萬m2。為保證邊坡穩(wěn)定，防止水土流失，開展邊坡加固與防護技術(shù)研究。

地區(qū)地層主要有坡積粉質(zhì)黏土、花崗巖。巖性特征詳述如下：

花崗巖殘積土層〈5H-1〉：主要為砂質(zhì)黏性土，局部為礫質(zhì)黏性土，含風化殘留石英顆粒，呈可塑狀。

花崗巖殘積土層〈5H-2〉：主要為砂質(zhì)黏性土及礫質(zhì)黏性土，夾風化殘留石英顆粒，呈硬塑～堅硬狀。

花崗巖全風化層〈6H〉：巖石風化劇烈，巖石原來的組織結(jié)構(gòu)已絕大部分被破壞，但仍然能辨認出來，巖芯呈較硬柱狀，遇水后易軟化、崩解，個別部分夾有強風化的花崗巖碎塊。

花崗巖強風化層〈7H〉：巖石風化強烈，巖石原來的組織結(jié)構(gòu)大部分被破壞，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈半巖半土狀、碎塊狀，礦物成分也發(fā)生了顯著變化，遇水易軟化、崩解。

花崗巖中風化層〈8H〉：中、細粒結(jié)構(gòu)，眼球狀、塊狀構(gòu)造，巖石原來的組織結(jié)構(gòu)只有一部分發(fā)生破壞，礦物成分中的長石大部分風化成黃色小斑點，巖質(zhì)較硬。

花崗巖微風化層〈9H〉：中粒、細粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石原來的組織結(jié)構(gòu)只有很小部分發(fā)生變化，巖塊的斷口處仍然是新鮮巖石，節(jié)理面顏色發(fā)生變化，巖質(zhì)非常堅硬，擊打聲音清脆。

各層巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標見表1。

表1　巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標

2　邊坡穩(wěn)定性分析

2.1影響邊坡穩(wěn)定的因素

1）巖土體的工程地質(zhì)條件［1］

坡體巖層以全風化花崗巖為主。該土層具有強度較高、壓縮性較低、孔隙率較大、遇水易崩解的特性。旱季邊坡穩(wěn)定性較好，雨季坡體巖土層抗剪強度降低，是邊坡失穩(wěn)的主要內(nèi)因之一。

2）巖土體軟弱結(jié)構(gòu)面

花崗巖經(jīng)物理及化學(xué)風化后形成的全風化花崗巖殘積土為強透水層，強風化花崗巖為相對不透水層，地下水易匯聚在全風化花崗巖殘積土和強風化花崗巖之間，從而在全風化及強風化之間形成軟弱結(jié)構(gòu)面，易使邊坡局部失穩(wěn)。

3）水文地質(zhì)條件

場地丘陵地貌有利于地下水排泄，但因大氣降水集中，地下水位動態(tài)變化大，不利于邊坡穩(wěn)定。

4）孤石

山體孤石廣泛發(fā)育，主要分布于砂質(zhì)黏性土、全風化花崗巖中。人工邊坡孤石出露將影響施工安全、邊坡穩(wěn)定。

2.2錨索（桿）的受力分析

主要分析錨索（桿）沿軸向所受的拉力及由此產(chǎn)生的軸向位移。根據(jù)材料力學(xué)的分析方法［2］，材料的軸向力增加值可以通過下式表示。

錨索（桿）所受的剪應(yīng)力可以表示為

式中：L為桿體的長度；Kj，G，t分別為漿體（握裹體）的剪切剛度、剪切模量、厚度；uc，um分別為桿體和巖體的軸方向位移；D為桿體的直徑。

注漿體與周圍巖體接觸形成的應(yīng)力可以表示為

τ=［G/（D/2+t）］［Δu/ln（1+2t/D）］（3）

式中：Δu為桿體的相對位移。

2.3數(shù)值模擬分析

為了更直觀地了解邊坡體在開挖過程中的內(nèi)力變化過程及穩(wěn)定情況，指導(dǎo)邊坡加固設(shè)計。采用數(shù)值模擬將有無支護兩種工況進行對比，以展現(xiàn)采取加固防護措施后邊坡體穩(wěn)定性的提高程度。

2.3.1計算模型

數(shù)值模擬時采用砌體節(jié)理模型（Ubiquitous-Joint Model）［3-4］，這一模型實際上是摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）的擴展，即在摩爾-庫倫體中增加破裂面［5］。

加固防護體與巖體的接觸面采用FLAC3D計算程序中的interface來模擬實現(xiàn)（見圖1）。采取的計算模型邊界約束條件為：巖層底部選擇固定約束邊界，兩邊選擇粘滯性邊界［6］。為了更直觀地顯示錨索（桿）的軸力、位移和邊坡的變形，在模型中設(shè)置了錨索（桿）軸力監(jiān)測點和邊坡位移監(jiān)測點（見圖2）。

圖1　FLAC3D數(shù)值計算模型

圖2　監(jiān)測點布置

2.3.2計算結(jié)果及分析

1）無支護工況

無支護情況下通過數(shù)值模擬計算，可以得到自上而下分級開挖工況下的邊坡安全系數(shù)，見表2。由表2可以看出，邊坡開挖后處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

表2　無支護分級開挖工況下邊坡安全系數(shù)

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2002）、邊坡工程損壞后可能造成后果的嚴重性、邊坡類型、邊坡高度等因素，確定本邊坡工程防護安全等級為一級。加固后邊坡安全系數(shù)≥1.35。所以需采取加固措施來提高工程的安全性。

2）有支護工況

圖3為預(yù)應(yīng)力錨索（桿）的軸力和握裹應(yīng)力分布圖，圖4為1至8級邊坡水平位移隨開挖過程的變化曲線。

圖3　預(yù)應(yīng)力錨索（桿）的軸力和握裹應(yīng)力分布

由圖3（a）可以看出：預(yù)應(yīng)力錨索（桿）錨固段的軸力分布不均勻，采用荷載分散型錨索更為經(jīng)濟合理。由圖3（b）可以看出：握裹體應(yīng)力在錨固段分布不均勻，所以在通常的錨索（桿）設(shè)計中按應(yīng)力均勻分布計算錨固段長度是不安全的。

圖4　邊坡水平位移隨開挖過程的變化曲線

由圖4可以看出：在格構(gòu)及預(yù)應(yīng)力錨索（桿）等結(jié)構(gòu)的加固作用下，邊坡的位移量得到了很好的控制；隨著逐步開挖及計算時步的增加，邊坡的位移量逐步穩(wěn)定，說明了加固結(jié)構(gòu)可以完全阻擋邊坡的下滑趨勢，提高邊坡的安全系數(shù)。

圖5為預(yù)應(yīng)力錨索（桿）軸力隨邊坡開挖過程變化曲線。由圖5可以看出：隨著邊坡不斷開挖，坡體內(nèi)部的應(yīng)力場也時刻發(fā)生變化，施加的錨索預(yù)應(yīng)力也會損失一部分；隨著計算時步的增加，錨索的預(yù)應(yīng)力值基本處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，這說明設(shè)計的預(yù)應(yīng)力值是合理的。

對邊坡體設(shè)置支護措施后，通過數(shù)值模擬計算，可以得出邊坡體在分級開挖工況下的邊坡安全系數(shù)，見表3。

表3　采取支護措施后分級開挖工況下邊坡安全系數(shù)

圖5　預(yù)應(yīng)力錨索（桿）軸力隨開挖過程變化曲線

對比分析表2、表3，可以看出邊坡體在設(shè)置支護措施后，邊坡安全系數(shù)得到了提高，滿足了規(guī)范的要求，且在合理范圍之內(nèi)。

3　邊坡整治措施

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，綜合分析后采取以下措施對邊坡進行加固。加固工程橫斷面見圖6［7］。

3.1邊坡斷面形式

花崗巖微風化層〈9H〉邊坡坡率1∶0.3；花崗巖強風化層〈7H〉、花崗巖全風化層〈6H〉邊坡坡率均為1∶1；硬塑～堅硬花崗巖殘積土層〈5H-2〉邊坡坡率為1∶1.25。邊坡每8 m高分一級，平臺寬度2 m。

3.2GPS2主動防護網(wǎng)

微風化花崗巖層〈9H〉邊坡開挖采用光面爆破，邊坡鋪設(shè)GPS2主動防護網(wǎng)。

3.3錨索（桿）格構(gòu)加固［8-10］

花崗巖全風化層〈6H〉、花崗巖強風化層〈7H〉、花崗巖中風化層〈8H〉邊坡設(shè)錨索（桿）格構(gòu)加固。格構(gòu)腰梁與肋梁均采用C30鋼筋混凝土澆筑。腰梁截面尺寸為0.4 m×0.5 m，豎向間距2.5 m；肋梁截面尺寸為0.3 m×0.4 m，水平間距3.0 m。

圖6　邊坡加固工程橫斷面（單位：m）

格構(gòu)節(jié)點設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索（桿）。錨索長32 m（錨固段10 m），鉆孔φ150 mm。每束錨索由6根φ15.2 mm高強度低松弛鋼絞線組成，鋼絞線的強度等級為1 860 MPa，錨索鎖定值320 kN，張拉荷載為380 kN。錨桿采用HRB400 φ28鋼筋制作，錨入地層深度15 m，錨固力不小于150 kN。預(yù)應(yīng)力錨索（桿）與水平面的夾角為20°。

3.4截排水工程

塹頂及邊坡平臺設(shè)置截排水溝，截斷流向場區(qū)的地面水，減小水流對坡面的沖蝕。

4　結(jié)語

廣州市軌道交通六號線蘿崗車輛段所在區(qū)域地層風化極為嚴重，巖層力學(xué)性能非常差。邊坡加固遵循了安全適用、技術(shù)先進、經(jīng)理合理、保護環(huán)境的原則。采取了GPS2主動防護網(wǎng)、錨索（桿）格構(gòu)護坡（格構(gòu)內(nèi)覆土植草）、截排水等綜合加固措施。從數(shù)值分析結(jié)果來看，加固后邊坡位移及受力狀況比較穩(wěn)定，提高了邊坡的安全系數(shù)。尤其是在中部薄弱環(huán)節(jié)采取預(yù)應(yīng)力錨索，上下相對安全部分采取錨桿加固，節(jié)約了工程投資。為確保邊坡穩(wěn)定和施工安全，應(yīng)加強對邊坡的變形監(jiān)測。

工程于2013年6月開工，11年底完工。工程竣工以來，邊坡安全、穩(wěn)定、可靠，車輛段場區(qū)作業(yè)井然有序，達到了邊坡加固與防護的預(yù)期效果。

［1］鐵道部第一勘測設(shè)計院.鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊：路基［M］.北京：中國鐵道出版社，1995.

［2］陳海英.路塹高邊坡穩(wěn)定性及綜合防護措施研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2007.

［3］HAKAMI H.Rock Characterisation Facility（RCF）Shaft Sinking—Numerical Computations Using FLAC［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2001，38（1）：59-65.

［4］高永濤，張友葩，吳順川，等.滑移巖石邊坡治理的穩(wěn)定性分析［J］.巖土力學(xué)與工程學(xué)報，2002，21（2）：2562-2569.

［5］寇曉東，周維恒，楊若瓊.FLAC3D進行三峽船閘高邊坡穩(wěn)定性分析［J］.巖土力學(xué)與工程學(xué)報，2001，20（1）：6-10.

［6］陳育民.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實例［M］.北京：中國水利水電出版社，2009.

［7］中華人民共和國建設(shè)部.GB 50330—2002建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［8］中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司.重慶市軌道交通一號線（朝天門至沙平壩段）馬家?guī)r停車場高邊坡支擋結(jié)構(gòu)研究報告［R］.西安：中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，2010.

［9］中華人民共和國鐵道部.TB 10025—2006鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國鐵道出版社，2006.

［10］宋從軍，周德培，鄢宏慶.軟質(zhì)巖路塹高邊坡的加固與防護技術(shù)研究［J］.公路，2013（12）：76-80.

（責任審編葛全紅）

Reinforcement and Protection Technologies of High Slope at Luogang Depot for Guangzhou Urban Rail Transit Line 6

ZHU Ting
（China Railway First Survey&Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710043，China）

A 60 m high slope was excavated on the eastern side of Luogang depot of Guangzhou urban rail transit line 6.In order to prevent soil erosion and avoid the occurrence of secondary disasters，the slope stability was analyzed and the corresponding reinforcement and protection measures were studied.T he results of numerical analysis shows that the slope reinforcement and protection can be realized.In accordance with the principle of applicable safety，advanced technology，economic rationality and environmental protection，a stepped top-down excavation was suggested.A comprehensive reinforcement and protection measures includes sloping，retaining wall，lattice anchor（rod）slope protection，grasses，drainage and positive net protection.

High slope；Reinforcement and protection；Numerical analysis

朱婷（1983— ），女，工程師。

U213.1+58

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.25

1003-1995（2016）07-0100-05

2016-03-10；

2016-04-28