太中銀鐵路某高邊坡鼓脹病害整治技術(shù)研究

杜曉燕，葉陽(yáng)升，張千里，常 凱，吳中漢

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081；2高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

1 工程概況

太原至中衛(wèi)(銀川)鐵路由東向西，于太原南站發(fā)車(chē)，到達(dá)包蘭線中衛(wèi)站、銀川站，橫跨山西省西南部、陜西省北部、寧夏回族自治區(qū)中北部?？拓浕爝\(yùn)，線路等級(jí)為Ⅰ級(jí)，全長(zhǎng)751 km，設(shè)計(jì)速度160 km/h。其中K1067+050—K1067+200位于褚家溝—呂梁間黃嶂二號(hào)隧道進(jìn)口，下行線左側(cè)為四級(jí)深路塹護(hù)坡，全長(zhǎng)約150 m，線路以挖方通過(guò)黃土高原丘陵地區(qū)，該地區(qū)地形起伏較大，沖溝發(fā)育。

地層自上而下依次為新黃土、粉質(zhì)黏土。依照GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[1]劃分為一級(jí)邊坡。2016年6月現(xiàn)場(chǎng)踏勘發(fā)現(xiàn)坡腳大量散落著坡面掉落的勾縫碎片，且在一、二級(jí)護(hù)坡的中上部出現(xiàn)了局部嚴(yán)重外鼓現(xiàn)象(二級(jí)護(hù)坡最大達(dá)20 cm)。該處護(hù)坡砌體砂漿強(qiáng)度嚴(yán)重不足，坡面砌石間的砂漿徒手即可剝落。一、二級(jí)坡面外鼓嚴(yán)重，且一、二、三級(jí)平臺(tái)頂部已出現(xiàn)貫通裂縫，對(duì)線路帶來(lái)安全隱患。邊坡全貌見(jiàn)圖1，二級(jí)護(hù)坡病害如圖2所示。

圖1 K1067+050—K1067+200全貌圖2 二級(jí)護(hù)坡外鼓嚴(yán)重

2 邊坡病害原因分析

2.1 變形現(xiàn)象

一級(jí)護(hù)坡坡率1∶0.75，坡高9.2 m。工務(wù)段于2015年已臨時(shí)處理。但據(jù)本次調(diào)研顯示，坡面嚴(yán)重外鼓現(xiàn)象依然存在，坡腳有漿砌片石掉塊，坡頂有150 m縱向貫通裂縫，距平臺(tái)邊1.2～1.8 m，縫寬約2 cm，如圖3(a)所示。隧道口附近水溝混凝土抹面上出現(xiàn)鼓脹擠壓變形，如圖3(b)所示，是邊坡向隧道擠壓引起的。二級(jí)護(hù)坡坡率1∶0.75，高8 m，二級(jí)護(hù)坡平臺(tái)寬4 m，坡面漿砌片石外鼓嚴(yán)重，工務(wù)段已臨時(shí)處理，如圖3(c)所示。坡頂呈現(xiàn)3道裂縫，分別距離平臺(tái)邊0.4，1.2，2.4 m，且最長(zhǎng)裂縫長(zhǎng)150 m，縱向貫通，現(xiàn)已部分修補(bǔ)。三級(jí)護(hù)坡坡面漿砌片石外鼓與一級(jí)、二級(jí)護(hù)坡相比，程度較輕。坡頂裂縫縱向貫通，距平臺(tái)邊1.20,1.65 m，最大縫寬3 cm，且存在錯(cuò)臺(tái)，有沉降跡象，如圖3(d)所示。四級(jí)護(hù)坡坡墻與坡頂較完整，無(wú)嚴(yán)重病害。

圖3 變形現(xiàn)象

2.2 邊坡工程地質(zhì)和地下水分析

從已有竣工資料分析，工點(diǎn)位于黃嶂2號(hào)隧道出口與前莊大橋小里程端，地形起伏較大。線路兩側(cè)大部分為耕地，沖溝發(fā)育，線路以挖方通過(guò)黃土高原丘陵區(qū)，線路中心最大挖深為17.54 m。地層自上而下為：新黃土，淺黃色，硬塑，具有濕陷性，濕陷系數(shù)在0.016～0.038，為Ⅱ級(jí)自重濕陷場(chǎng)地;老黃土,淺紅色，硬塑，夾卵礫石;粗角礫石,黃褐色，潮濕，中密。地震動(dòng)峰值加速度0.10g，土壤最大凍結(jié)深度0.87 m。

三級(jí)以上和部分二級(jí)坡體巖性為黃色粉質(zhì)新黃土，其下為褐色粉質(zhì)老黃土。在坡腳處夾有卵石土出露，不同土體接觸面向外傾角約13°，形成不穩(wěn)定坡體結(jié)構(gòu)。巖土體松弛開(kāi)裂后，由于雨水和地下水的影響，于新老黃土接觸面形成一個(gè)水平的匯聚面，易使上覆巖土體滑動(dòng)。坡腳卵石土形成儲(chǔ)水層，山體中的水流向坡腳，使坡腳老黃土強(qiáng)度降低，進(jìn)而使坡腳以上整體變形。

2.3 變形性質(zhì)

2.3.1 漿砌片石墻變形

從漿砌片石墻外鼓，以及一、二、三級(jí)平臺(tái)第1道裂縫可知，漿砌片石整體下滑。這主要是因?yàn)槠旅鏉{砌片石勾縫砂漿由于時(shí)間長(zhǎng)強(qiáng)度降低，甚至開(kāi)裂，雨水通過(guò)裂縫匯入土體里，墻后土體受雨水作用，使墻與土體摩擦力降低，墻體壓力增大而發(fā)生外鼓下滑。

2.3.2 墻后土體變形

降雨時(shí)雨水下滲，土體強(qiáng)度降低，并且該邊坡漿砌片石整體下滑外鼓，使得墻后土體滑動(dòng)，通過(guò)坡頂平臺(tái)第2、第3道裂縫可知，墻后土體已經(jīng)變形。

2.3.3 坡體整體變形

坡體整體變形性質(zhì)如下：

①一級(jí)平臺(tái)截水溝混凝土靠近隧道口處發(fā)生凸起變形，證明坡體有向隧道口滑動(dòng)擠壓趨勢(shì)。

②隧道口附近二、三級(jí)平臺(tái)無(wú)明顯裂縫，遠(yuǎn)離隧道口附近裂縫明顯且有貫穿裂縫，說(shuō)明由于一級(jí)坡體松弛，可能導(dǎo)致二、三級(jí)坡體變形。

③從邊坡地層情況可以看出，巖層傾向向外，有利于滑動(dòng)，尤其護(hù)坡出現(xiàn)裂縫后，雨水可通過(guò)裂縫滲入坡體，降低土體強(qiáng)度，且在巖層分界處易形成滑移面。特別是一級(jí)坡腳處有卵石土貫通，如圖4所示，裂隙水在此集聚，使上層土體黏聚力降低，易形成滑帶，造成上覆土體滑動(dòng)，形成滑坡。另外，當(dāng)現(xiàn)有滑坡滑走后，后級(jí)也形成高邊坡，在松弛作用下最后也會(huì)發(fā)生滑坡，對(duì)線路構(gòu)成威脅。所以該滑坡急需整治才能保證線路安全。

圖4 滑坡示意

3 計(jì)算分析

3.1 滑坡推力計(jì)算

根據(jù)DZ/T 0219—2006《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》[2]，采用傳遞系數(shù)法計(jì)算滑坡推力。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5 滑坡計(jì)算簡(jiǎn)圖

滑坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)各力的計(jì)算式如下：

1)滑坡推力。按傳遞系數(shù)法其計(jì)算式為

Pi=Pi-1Ψ+KsTi-Ri

(1)

式中：Pi為第i條塊的推力，kN/m;Pi-1為第i-1條塊剩余下滑力，kN/m;Ψ為傳遞系數(shù);Ks為設(shè)計(jì)安全系數(shù);Ti為條塊重力在滑面切線方向的分力，kN;Ri為第i條塊的抗滑力，kN。

2)下滑力Ti。計(jì)算式為

Ti=Wi(sinαi+Acosαi)+

NWisinβicos(αi-βi)

(2)

式中：Wi為第i條塊的重力，kN/m;αi為第i條塊的滑面傾角，(°);A為地震加速度,取1.0g;NWi為孔隙水壓力，kN;βi為第i條塊的地下水流向，(°)。

3)抗滑力Ri。計(jì)算式為

Ri=Wi(cosα1-Asinαi)-NWi-

NWisinβisin(αi-βi)tanφi+ciLi

(3)

式中：φi為第i條塊的內(nèi)摩擦角，(°);ci為第i條塊的黏聚力,kPa;Li為第i條塊的滑面長(zhǎng)度,m。

4)傳遞系數(shù)。計(jì)算式為

Ψ=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi

(4)

式中：αi-1為第i-1滑面與水平面的夾角，(°)。

不考慮孔隙水壓力且安全系數(shù)K取1.05時(shí)滑坡推力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 安全系數(shù)取1.05時(shí)滑坡推力計(jì)算結(jié)果

當(dāng)K=1.05時(shí)，φ2=12.06°，tanφ2=0.15。由此求得滑坡推力E2=229.06 kN/m。

3.2 錨固力計(jì)算

設(shè)計(jì)錨固力Pt計(jì)算式為

(5)

式中：α為錨索與滑動(dòng)面相交處滑動(dòng)面傾角；β為錨索與水平面夾角，以下傾為宜，不應(yīng)大于45°，宜為15°～30°；φ為滑動(dòng)面內(nèi)摩擦角。

設(shè)計(jì)錨固力計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 設(shè)計(jì)錨固力計(jì)算參數(shù)

經(jīng)計(jì)算所需設(shè)計(jì)錨固力Pt=784.45 kN。在3 m范圍內(nèi)，按設(shè)計(jì)共有6根錨索，故每根錨索需要的力為130.74 kN。

錨固范圍分2種：①穿過(guò)卵石土，參考已有竣工地層資料以及根據(jù)設(shè)計(jì)錨固角度，錨固段穿過(guò)卵石土的厚度為4.2 m。選用卵石土的黏結(jié)強(qiáng)度為260 kPa，老黃土為60 kPa。②未穿過(guò)卵石土，選用老黃土黏結(jié)強(qiáng)度為60 kPa。

錨固長(zhǎng)度至少需要10 m，選用12 m，鉆孔直徑15 cm，并通過(guò)抗拔試驗(yàn)和工程地質(zhì)鉆探驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.3 框架梁尺寸和配筋

根據(jù)錨固力大小選用相應(yīng)截面和配筋。根據(jù)設(shè)計(jì)，選用400 mm×400 mm截面，通過(guò)矩形截面梁受彎分析，確定配筋大小為330 mm2，故選取2根φ22鋼筋，對(duì)稱配筋，鋼筋截面760 mm2。

4 整治措施

1)錨索框架梁護(hù)坡[3-6]。本邊坡在坡腳以上高約近40 m，一級(jí)至三級(jí)護(hù)坡坡面和坡頂平臺(tái)裂縫，雨水下滲后粉質(zhì)黏土強(qiáng)度降低，穩(wěn)定性差，易滑動(dòng)，而新黃土黏聚力低，隨時(shí)間的推移坡體有整體變形的趨勢(shì)，所以一、二級(jí)護(hù)坡使用預(yù)應(yīng)力錨索框架加固。以此措施拉緊加固該層土體，可以增大巖土體各個(gè)層面之間的抗滑力，并且獨(dú)立的錨索被框架梁連成統(tǒng)一的整體，維持坡體整體穩(wěn)定。

2)錨桿框架梁加固。對(duì)于三級(jí)坡體，坡頂裂縫是由于一、二級(jí)坡滑動(dòng)牽拉所致，在一二級(jí)坡施加預(yù)應(yīng)力錨索框架梁加固后，只需使用錨桿框架梁加固，即可保持坡體穩(wěn)定，并對(duì)三級(jí)坡頂裂縫進(jìn)行修補(bǔ)，防止雨水下滲。在四級(jí)坡頂面設(shè)置截水溝，排除山上地表水，避免對(duì)四級(jí)護(hù)坡沖刷，另外對(duì)已有裂縫采用水泥砂漿封縫處理。

圖6 工程整治示意(單位：cm)

3)整治工程如圖6所示。具體設(shè)計(jì)：①對(duì)于錨索框架，錨索采用4股鋼絞線，一二級(jí)護(hù)坡各采用3排錨索，為確保錨固力錨固段12 m?？蚣芩娇缍? m，一榀框架由水平和豎向各3跨組成，框架采用C30鋼筋混凝土。錨索施工完成后，采用多次張拉的方法，確保拉力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。②自三級(jí)護(hù)坡以下2排錨桿長(zhǎng)度均為9 m，一榀框架由水平3跨、豎向2跨組成，框架采用C30鋼筋混凝土。③在邊坡頂修排水溝并與兩側(cè)既有水溝相連，溝底保證不小于2%坡度。④為避免土體進(jìn)一步受雨水浸泡，需對(duì)漿砌片石護(hù)坡坡面和坡頂裂縫進(jìn)行修復(fù)封閉。⑤清理原有泄水孔，解決泄水孔不出水問(wèn)題。⑥施工期間采用硬隔離防護(hù)。

5 施工工藝流程設(shè)計(jì)

5.1 錨索框架施工工藝流程

錨索框架施工分片進(jìn)行，每片框架的施工工序如圖7所示。

圖7 錨索框架施工工序示意

5.2 錨桿框架施工工藝流程

錨桿框架施工分片進(jìn)行，每片框架的施工工序同圖7。

5.3 關(guān)鍵工序及施工注意事項(xiàng)

1)施工前的錨索拉拔試驗(yàn)。復(fù)核設(shè)計(jì)是工程設(shè)計(jì)中不可缺少的部分，在本項(xiàng)目中其內(nèi)容就是根據(jù)拉拔試驗(yàn)來(lái)判定錨索錨固長(zhǎng)度、錨索長(zhǎng)度等設(shè)計(jì)參數(shù)是否需要重新設(shè)定，拉拔試驗(yàn)在復(fù)合設(shè)計(jì)中起著關(guān)鍵作用。拉拔試驗(yàn)選擇的工地應(yīng)與安設(shè)錨索工程具有相同的地質(zhì)條件，選擇具有代表性的孔不得少于3個(gè)，間距不得小于2.5 m。采用分級(jí)加載的方式，當(dāng)加載超過(guò)拉力設(shè)計(jì)值的3倍，或者錨頭位移不收斂以及后一級(jí)荷載作用下位移增量不小于前一級(jí)荷載產(chǎn)生的位移增量的2倍時(shí)，可認(rèn)為已經(jīng)發(fā)生破壞，試驗(yàn)結(jié)束。

2)錨索鉆孔。本項(xiàng)目采用潛孔鉆施工，可以提高效率并控制成孔質(zhì)量。線路的方向基線和錨索的方向角分別用經(jīng)緯儀和方向架確定，最后用測(cè)角儀按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整傾角，孔口坐標(biāo)、方位和傾角均確定準(zhǔn)確無(wú)誤后方可作業(yè)。在鉆孔作業(yè)過(guò)程中需記錄各個(gè)鉆孔地層變化(巖粉情況)、地下水狀況、進(jìn)尺速度以及所有突發(fā)情況。鉆孔完成后需及時(shí)清理鉆具并用高壓清孔，為防異物進(jìn)入需塞好孔口。如發(fā)生塌孔事故需灌漿固壁處理。

3)錨索安裝。為保證錨索順利安裝，在施工之前使用高壓空氣二次清孔確保孔內(nèi)無(wú)阻塞，并核查鉆孔編號(hào)與錨索編號(hào)，確認(rèn)無(wú)誤后即可安裝。鉆孔內(nèi)灌注水泥砂漿等級(jí)為M30，水灰比為1∶1，砂漿強(qiáng)度至少為30 MPa。水泥砂漿需攪拌均勻，采用返漿式注漿，從孔底到孔口排氣，錨孔必須灌滿，避免空隙。由于水泥漿的收縮性，注漿完后還需補(bǔ)漿，直至灌滿。注漿壓力為0.3～0.6 MPa，應(yīng)與錨索拉拔試驗(yàn)結(jié)果一致。

4)框架梁澆筑?？蚣芰喊凑赵O(shè)計(jì)尺寸首先綁扎鋼筋，再支好模架，最后澆筑混凝土。注意預(yù)埋錨墊板及孔口PVC管，節(jié)點(diǎn)處必需振搗密實(shí)。

5)錨索張拉。錨索張拉需在澆筑的混凝土和漿體強(qiáng)度均達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的80%后才可進(jìn)行，張拉前務(wù)必標(biāo)定張拉設(shè)備。整個(gè)張拉過(guò)程分3級(jí)進(jìn)行，每級(jí)張拉的伸長(zhǎng)量都必須準(zhǔn)確記錄。張拉結(jié)束后，鋼絞線會(huì)因自身松弛以及巖土體徐變損失應(yīng)力，為保證錨索的預(yù)應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，需在損失基本停止后對(duì)錨索進(jìn)行補(bǔ)張拉。待張拉完畢且變形達(dá)到穩(wěn)定后，卸載至鎖定荷載以鎖定錨索，并用C25混凝土及時(shí)封閉錨頭坑。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)本文述及的大型高陡邊坡病害問(wèn)題，提出了一種整治思路：采用對(duì)錨索施加預(yù)應(yīng)力的方法，將不穩(wěn)定的巖土體與穩(wěn)定巖體連為一體，使得巖土體各層面間的抗滑力大大增加，并且框架梁的存在使得獨(dú)立的錨索成為統(tǒng)一的整體?？蚣芰簩㈠^頭施加在其上的預(yù)應(yīng)力傳遞到寬廣的巖土體表面，形成的加固體系是由內(nèi)而外統(tǒng)一的整體，能保證邊坡的整體穩(wěn)定性。

通過(guò)對(duì)踏勘中病害現(xiàn)場(chǎng)的變形分析和對(duì)相關(guān)工程資料的研究，分析了病害產(chǎn)生的原因。計(jì)算了滑坡推力及錨索錨固力，對(duì)整治方案提供了理論指導(dǎo)。采取了錨索框架梁和錨桿框架梁加固、漿砌片石修復(fù)、排水系統(tǒng)的優(yōu)化等措施進(jìn)行了病害整治方案設(shè)計(jì)。

[1]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50330—2013 建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

[2]中華人民共和國(guó)國(guó)土資源部.DZ/T 0219—2006 滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

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[6]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10025—2006 鐵路支檔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2006.