高速公路高邊坡動態(tài)設(shè)計分析與工程應(yīng)用

■張小輝

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，福州 350004）

0 前言

根據(jù)我國高速公路高邊坡動態(tài)設(shè)計案例，無論是對高邊坡工程原理的認識還是工程的施工技術(shù)都不夠全面。在進行高邊坡工程開挖之前要對其地形、環(huán)境、工程情況等實地勘察，但是由于勘察條件限制，通常情況下施工開挖后所呈現(xiàn)的地質(zhì)現(xiàn)狀與之前勘測的數(shù)據(jù)資料具有一定的差異，在這種條件下進行高速公路高邊坡的施工存在風(fēng)險，甚至?xí)l(fā)生較大的工程事故。就此，探尋行之有效的高速公路高邊坡動態(tài)設(shè)計方法已經(jīng)成為我國公路建設(shè)事業(yè)亟待解決的問題之一。

1 工程概況

本文以福建省某高速公路K59+620～K59+680為工程實例，該處路基為半挖半填形成的路堤邊坡，共6級，最大坡高54m。2015年8月底至9月初該工程附近地區(qū)出現(xiàn)連續(xù)多次強降雨，該路段已經(jīng)鋪設(shè)好的路面出現(xiàn)開裂變形。該處原地貌為溝槽地帶，路堤邊坡的坡腳位置原為水塘，路堤填方段為匯水位置。填料透水性較好，原坡面形成了相對隔水的地層，匯集的地下水易于在填土和原狀土的交界面附近富集、滯留，形成軟弱滑動帶。填土邊坡上部沿著軟弱帶滑動，在路基面以下的各級平臺位置出現(xiàn)剪出跡象。

2 高邊坡動態(tài)設(shè)計原理

工程設(shè)計是工程項目施工中重要的環(huán)節(jié)，它是對工程項目的整體情況進行詳細、科學(xué)合理地評估，同時還要對工程建設(shè)的實際地點進行勘測，將勘測的具體數(shù)據(jù)、資料保存起來，以便為工程實際施工提供依據(jù)，所以工程設(shè)計具有一定的前瞻性。但是在施工過程中，實際情況與之前勘測的相關(guān)數(shù)據(jù)資料容易存在一定差異，這就導(dǎo)致工程施工之前的設(shè)計失去了時效性。目前，高速公路高邊坡動態(tài)工程的主要建造矛盾就是解決勘測情況與實際施工情況之間的問題。最為合理的辦法就是工程施工之前進行勘測，工程施工之后針對之前勘測不相同的地方，以實際施工情況為參考依據(jù)，進行設(shè)計方案的調(diào)整與完善，最終使工程設(shè)計與實際情況相符，從而降低施工風(fēng)險。

3 動態(tài)設(shè)計工作思路

動態(tài)設(shè)計是指在設(shè)計中充分考慮、合理把握時間因素對設(shè)計工作可能的影響。高邊坡病害整治工程動態(tài)設(shè)計的工作思路分為設(shè)計前階段、施工設(shè)計階段和施工階段三個階段。

3.1 設(shè)計前階段

在設(shè)計之初對病害工點的病害類型、產(chǎn)生原因等進行客觀、動態(tài)地把握。做到“一次根治，不留后患”。只有這樣才能在治理工程設(shè)計時有的放矢。

對病害工點的全面動態(tài)地了解，貫徹設(shè)計與地質(zhì)工作的緊密結(jié)合。從事設(shè)計的工程技術(shù)人員，應(yīng)做到經(jīng)常深人工地現(xiàn)場，全面了解病害的發(fā)生、發(fā)展過程，認識的深淺對病害治理工作影響很大。

對病害發(fā)生時的狀態(tài)與設(shè)計周期內(nèi)可能最不利的情況進行動態(tài)比較，注意降雨引起的巖土體重度、地下水位等變化及由此引發(fā)的巖土體物理力學(xué)作用隨時間的變化。考慮風(fēng)化作用因素，做到動態(tài)地選取設(shè)計參數(shù)。

3.2 施工設(shè)計階段

在進行設(shè)計工作時，尤其應(yīng)堅持動態(tài)思維。這在設(shè)計參數(shù)的選取、設(shè)計狀態(tài)的把握、計算方法的使用條件、計算模式的選擇、最不利工況出現(xiàn)的條件、基礎(chǔ)資料的分析、安全系數(shù)的選擇、施工組織等方面尤為重要。

整個設(shè)計過程始終貫穿一個動態(tài)的過程。由方案設(shè)計到最后的施工圖設(shè)計，任何一項設(shè)計內(nèi)容都可能因為對病害認識的進一步深入而有所變化。即使在施工圖文件給已出的情況下，這種變動在病害治理工程中也是比較平常的事情。它同前期地質(zhì)勘察和設(shè)計工作一樣，任一階段的工作在整個病害治理工作中都是同等重要的。設(shè)計人員在整個設(shè)計過程中應(yīng)多深人到病害工點現(xiàn)場，實地考察所選工程措施的適用性和合理性。這對設(shè)計的合理性以及減少后續(xù)工作量很重要。

3.3 施工階段

當(dāng)施工開始后，動態(tài)設(shè)計似乎比設(shè)計的任一階段都顯得微不足道。然而，事實并非如此。因為施工過程不僅是施工單位對設(shè)計的實施過程，同時也是設(shè)計人員對設(shè)計的合理性進行檢驗的過程。

前期對病害工點進行的勘察工作，只是基于某種勘探手段的一種推測與判斷。因此，在此基礎(chǔ)上的病害治理工程設(shè)計也存在許多有待驗證及完善之處。與之相比，施工開挖使設(shè)計范圍內(nèi)的地層情況得到了最大限度的揭露，從而可以更加準確的判定控制性結(jié)構(gòu)面、軟弱夾層、泥化條帶等的產(chǎn)狀。施工過程中的開挖面具有隱蔽性或多解性。設(shè)計人員必須及時對施工現(xiàn)場的情況加以了解、掌握。根據(jù)實際情況對設(shè)計進行驗證，并及時對不合理、不完善的地方進行補充或修改。這樣不僅可以避免原設(shè)計中可能存在的安全隱患，同時也有可能降低工程造價。

實際工作中，設(shè)計人員往往是在施工單位反映現(xiàn)場出現(xiàn)新的變形或不穩(wěn)定跡象時才到現(xiàn)場處理。這種做法對病害治理工程非常不利。尤其是長大公路建設(shè)項目，本身線路長、工點多、工期緊。如果適逢雨季，這種工作方法往往會導(dǎo)致非常嚴重的后果：（1）由于施工技術(shù)人員不可能對現(xiàn)場出現(xiàn)的與設(shè)計有關(guān)的信息進行全面的了解與掌握，有些細微的變形跡象不易察覺。當(dāng)變形跡象明顯時，坡體病害已進一步惡化，或者設(shè)計變更的最佳時機已錯過，或者導(dǎo)致已做工程出現(xiàn)破壞，給后續(xù)設(shè)計工作帶來較大困難，新增加了工程量。（2）雖然在設(shè)計時考慮了施工因素，并對施工應(yīng)注意事項提出了嚴格的要求。但有時現(xiàn)場施工不能完全按設(shè)計要求進行施工。特別是在高邊坡病害施工中，施工程序、施工方式對設(shè)計的影響更大，一旦出現(xiàn)問題，設(shè)計人員應(yīng)及時做出變更處理。總之，動態(tài)設(shè)計在施工階段的貫徹，體現(xiàn)了設(shè)計工作的延續(xù)性以及設(shè)計人員的責(zé)任心。應(yīng)在病害治理工作中大力提倡，如圖1所示。

4 動態(tài)設(shè)計在實際工程中的應(yīng)用

4.1 設(shè)計前對病害的動態(tài)認識

圖1 高邊坡動態(tài)設(shè)計方法

因該高速公路動態(tài)設(shè)計內(nèi)容較多，僅選取K59+620～K59+680左側(cè)邊坡進行分析。該邊坡坡體主要由粉質(zhì)粘土、凝灰熔巖風(fēng)化層組成，邊坡最大開挖高度約為48.5m，邊坡表層為粉質(zhì)粘土，厚度約為2.20～2.50m，其下為全風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖，厚度約為21.90～28.60m。路塹區(qū)路段內(nèi)分布粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化巖，遇水易軟化、崩解，邊坡穩(wěn)定性較差，須采用安全坡率。

4.2 動態(tài)設(shè)計內(nèi)容

（1）坡率及加固工程布置

邊坡設(shè)計最高為6級，各級邊坡設(shè)計坡率及防護加固工程措施為：第一級1∶1，采用漿砌片石護面墻防護；第二至四級 1∶1，采用錨索框架植草防護；第五、六級1∶1.25，采用拱形骨架植草防護。兩側(cè)坡率據(jù)其坡高及地形地質(zhì)條件適當(dāng)調(diào)整。

（2）防護工程

坡面視坡率及地質(zhì)條件采用漿砌片石護面墻、錨索框架植草、拱型骨架植草灌、植草灌等措施進行防護。

（3）坡體排水工程

邊坡第一至四級坡腳向上30cm處布置仰斜式排水孔，深 15m，間距 5m，仰角 8～15°。

4.3 施工后動態(tài)信息收集和分析

（1）動態(tài)信息獲取

邊坡設(shè)計信息的獲取以現(xiàn)場觀察和監(jiān)測為核心，多渠道獲取信息來完成。本標段建成深部位移監(jiān)測孔10個，布置示意圖如圖2所示。

（2）孔位移監(jiān)測

在施工過程中，有專人記錄邊坡開挖時節(jié)理、裂隙的發(fā)展情況。所有這些信息，通過曲線和圖表的形式，及時反饋設(shè)計方，為方案的優(yōu)化設(shè)計提供合理依據(jù)。

圖2 邊坡監(jiān)測孔布置示意圖

（3）信息資料分析

工程開工后，監(jiān)測方對該邊坡的深孔位移監(jiān)測曲線進行分析，以孔ZK1-1#孔的變化情況為例，列出變化趨勢，如圖3～圖6所示。首次監(jiān)測距成孔時間較短，受監(jiān)測孔孔壁四周填砂自密實影響，歷次監(jiān)測曲線呈現(xiàn)形波動形狀。本次監(jiān)測發(fā)現(xiàn)各監(jiān)測孔均有不同程度的擠壓蠕動變形反應(yīng)，ZK1-1距孔口0～12m有蠕動變形反應(yīng)，ZK2-3曲線波動、蠕動反應(yīng)，ZK2-4距孔口4m、8m有疑似變形反應(yīng)，其余監(jiān)測孔監(jiān)測曲線均未見明顯滑動變形反應(yīng)，有不同程度的蠕動、波動反應(yīng)。監(jiān)測孔內(nèi)的地下水水位未見明顯變化，監(jiān)測反映坡體地下水埋深較淺，地下水發(fā)育一般。

4.4 初始設(shè)計方案的動態(tài)優(yōu)化

（1）優(yōu)化加固方案

根據(jù)邊坡開挖后的地表變形及對深孔監(jiān)測資料分析的結(jié)果，采用回填方案，將平行線路高邊坡的一級坡進行回填?；靥钪链怪本€路高邊坡一級平臺處，施工完成后邊坡一起綠化。

（2）優(yōu)化排水方案

地下水的活動是造成巖石滑坡的主要原因。橋位區(qū)高邊坡更應(yīng)重視。為疏干坡體中的地下水，在垂直線路高邊坡第三級、平行線路高邊坡第四級鋼筋砼預(yù)應(yīng)力錨索框架中，各設(shè)置1排仰斜疏干排水孔。

（3）后期觀測

圖3 ZK1-1#孔變化曲線A向變化量（mm）

圖4 ZK1-1#孔變化曲線A向位移（mm）

圖5 ZK1-1#孔變化曲線B向變化量（mm）

圖6 ZK1-1#孔變化曲線B向位移（mm）

施工結(jié)束后，所建立的監(jiān)測網(wǎng)繼續(xù)工作。利用監(jiān)測信息監(jiān)控加固邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，判斷設(shè)計的合理性。從幾個月以來的監(jiān)測結(jié)果看，雖然經(jīng)歷陰雨天的侵襲，坡體并未發(fā)生大變形。坡體位移曲線也達穩(wěn)定。

根據(jù)動態(tài)設(shè)計、實時監(jiān)測結(jié)果以及信息化施工反饋信息，所有設(shè)計變更工作均應(yīng)力爭使各工點的設(shè)計更趨合理。有時可能帶來工程量的少量增加，卻使病害治理工程的預(yù)期治理效果更理想。

5 結(jié)語

動態(tài)設(shè)計與信息化施工是目前國內(nèi)外日益興起的新技術(shù)。許多重大工程采用了此項新技術(shù)進行設(shè)計施工，已取得了很好的成效。由于目前人類對高邊坡病害的認識水平有限以及各方面的客觀原因，客觀、科學(xué)的動態(tài)設(shè)計也是高邊坡病害治理工程必不可少的內(nèi)容。本文從工程實際出發(fā)，介紹了高邊坡動態(tài)設(shè)計的工作思路和工作方法，既保證了工程如期完工，又降低了成本，可供類似工程參考與借鑒。

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