某高速公路高邊坡變形分析及應(yīng)急措施建議

聞人霞，李 欣，董理金

(1.浙江寧波甬臺(tái)溫高速公路有限公司，浙江 寧波 315040；2.浙江省工程勘察院，浙江 寧波 315012)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，高速公路的建設(shè)也蓬勃發(fā)展。高速公路穿越山地丘陵，不可避免的涉及到山體開(kāi)挖，將產(chǎn)生越來(lái)越多的高邊坡[1]。如云南元磨高速公路最高邊坡達(dá)197 m，創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)路塹開(kāi)挖高度之最[2]。且云南、貴州、重慶、四川等地均有報(bào)導(dǎo)曾因高邊坡變形破壞導(dǎo)致工程延期，投資增加，甚至釀成工程事故[3]。為此，學(xué)者和技術(shù)人員對(duì)邊坡的變形、穩(wěn)定性和治理進(jìn)行了眾多研究和實(shí)踐[4-8]。

某高速公路所經(jīng)過(guò)區(qū)域地層條件復(fù)雜，沿線(xiàn)路塹邊坡高度大，坡度陡，雖然在公路施工期間進(jìn)行了防護(hù)處治，取得了較好的效果，但由于巖土工程問(wèn)題的復(fù)雜性，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)營(yíng)，沿線(xiàn)邊坡局部范圍內(nèi)出現(xiàn)了不同程度的病害。2016年6月上旬，受持續(xù)降雨影響，養(yǎng)護(hù)人員日常巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)一處高邊坡局部出現(xiàn)坡面變形、護(hù)面墻鼓脹破損、邊坡平臺(tái)開(kāi)裂等現(xiàn)象，且病害發(fā)展較快，若邊坡一旦變形破壞，將對(duì)高速公路車(chē)輛通行造成安全隱患，帶來(lái)巨大的財(cái)產(chǎn)損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響。因此，必須盡快查明邊坡的巖土工程條件和病害原因，提出合理的應(yīng)急治理措施，保證高速公路安全運(yùn)營(yíng)和邊坡穩(wěn)定。

1 邊坡工程概況

某高速公路路塹邊坡，走向東北往西南，長(zhǎng)約375 m，采用漿砌片石護(hù)面墻防護(hù)措施，坡高約70 m，分三級(jí)放坡，第一級(jí)至第三級(jí)坡面坡高分別為12 m、10 m、48 m，坡率分別為1∶0.5、1∶0.5、1∶0.5～1∶0.7；其中第三級(jí)坡面相對(duì)平順處，坡率約1∶0.7，部分坡面總體呈上緩下陡形態(tài)，最陡處坡率大于1∶0.5。

自2001年通車(chē)運(yùn)營(yíng)后，該邊坡病害發(fā)育較為頻繁，如局部砌護(hù)滑落、起鼓、開(kāi)裂等，歷經(jīng)數(shù)年修復(fù)治理，全坡面采用主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，及局部預(yù)應(yīng)力錨桿格構(gòu)梁加固措施。

2016年6月正處于梅雨季節(jié)，養(yǎng)護(hù)人員在日常巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)邊坡有新的病害發(fā)生。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)全面踏勘，病害具體表現(xiàn)為：坡面主動(dòng)網(wǎng)卡扣出現(xiàn)不同程度銹蝕；約K1585+315～K1585+325段第二級(jí)護(hù)面墻有鼓脹破損現(xiàn)象，該區(qū)段第二級(jí)平臺(tái)可見(jiàn)沿邊坡走向開(kāi)裂，裂寬10～40 mm，延長(zhǎng)約6～8 m，約K1585+315處第二級(jí)急流槽南側(cè)壁可見(jiàn)明顯垂直邊坡走向開(kāi)裂破損；第二級(jí)平臺(tái)南側(cè)發(fā)育數(shù)條沿邊坡走向裂縫，長(zhǎng)度2～20 m，最大裂寬約5 mm；第三級(jí)護(hù)面墻約K1585+300～K1585+320段有局部鼓脹破損現(xiàn)象，約K1585+335處可見(jiàn)滲水現(xiàn)象；坡頂開(kāi)口線(xiàn)后緣自然地形陡峭，有碎塊石及危巖體分布；坡頂后緣多處分布“馬刀樹(shù)”；邊坡巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，多處可見(jiàn)小型的楔形體結(jié)構(gòu)。

2 地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

本邊坡場(chǎng)地屬構(gòu)造剝蝕低山丘陵地貌類(lèi)型。丘陵區(qū)植被較發(fā)育，地形起伏大，邊坡區(qū)場(chǎng)地高程54～185 m(85國(guó)家高程)。擬建場(chǎng)地邊坡區(qū)背靠山脊，下臨高速，西側(cè)、東側(cè)地勢(shì)漸緩，直至山間溝谷平原。邊坡所在丘陵山體呈近東南—西北走向，山脊線(xiàn)自西北向東南漸低，中間山谷將邊坡分為左右兩部分，山體自然坡度山脊線(xiàn)一般35°～55°，坡體上陡下緩。

2.2 地層巖性

根據(jù)勘察資料，邊坡工程區(qū)范圍的巖土層特征分述如下：

(1)土體工程地質(zhì)特征

邊坡區(qū)土體主要為殘坡積土層和風(fēng)化松動(dòng)破碎巖體，自上而下分述如下：

①1層含碎石粉質(zhì)黏土：灰黃色，可塑，松散-稍密，厚層狀，中低壓縮性，角礫徑2～20 mm，含量20%～30%，碎石徑20～50 mm，含量10%～15%，偶見(jiàn)塊石。分布較普遍。

①2層含黏性土碎(塊)石：黃褐色，中密-密實(shí)，稍濕，厚層狀，多鐵錳質(zhì)渲染，碎石塊主要以全-強(qiáng)風(fēng)化狀為主，碎石粒徑一般為3～20 cm，約占50%～60%，局部含量達(dá)70%～80%；塊石含量20%～30%；含黏性土5%～15%，局部含量較高。

①3層塊石：褐灰色，中等風(fēng)化狀，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，原巖為多屑含角礫凝灰?guī)r，中密，局部分布。

(2)巖體工程地質(zhì)特征

巖性及野外特征自上而下依次分述如下：

②1層全風(fēng)化多屑角礫凝灰?guī)r：灰黃色，原巖礦物風(fēng)化蝕變強(qiáng)烈，原巖結(jié)構(gòu)尚可辨，裂隙面覆鐵錳質(zhì)氧化膜，巖芯呈土柱狀，手掰易碎。

②2層強(qiáng)風(fēng)化多屑角礫凝灰?guī)r：灰黃色，凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，原巖節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理面覆鐵錳質(zhì)氧化膜，巖芯呈碎塊狀為主，碎塊徑3～5 cm，錘擊聲啞易碎。RQD一般小于5%。

②3層中風(fēng)化多屑角礫凝灰?guī)r：灰色，凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要由鉀長(zhǎng)石、石英等礦物組成，原巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂隙面覆鐵錳質(zhì)氧化膜，巖石含角礫，角礫徑5～20 mm，大者達(dá)5 cm，含量為20%～30%。巖體基本質(zhì)量等級(jí)為IV級(jí)。

②4層微風(fēng)化多屑角礫凝灰?guī)r：灰色，凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，原巖節(jié)理裂隙整體不甚發(fā)育，局部較發(fā)育，裂隙面鐵錳質(zhì)氧化膜少見(jiàn)，偶見(jiàn)方解石膜，巖石含角礫，角礫徑5～20 mm，大者達(dá)5 cm，含量為20%～30%。巖體基本質(zhì)量等級(jí)為II～I(xiàn)II級(jí)。

③2層強(qiáng)風(fēng)化英安玢巖：灰色，原巖礦物多已變色，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯極破碎，多呈碎塊狀，塊徑為3～6 cm，裂隙面覆有鐵錳質(zhì)氧化膜，錘擊易碎。RQD一般小于10%。

③3層中風(fēng)化英安玢巖：青灰色，斑狀結(jié)構(gòu)，基質(zhì)為隱晶質(zhì)，斑晶成分以石英、斜長(zhǎng)石為主，粒徑為1～4 mm，少量鉀長(zhǎng)石及暗色礦物。節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂隙面多見(jiàn)鐵錳質(zhì)氧化膜，局部巖石已綠簾石化。巖體基本質(zhì)量等級(jí)為III～I(xiàn)V級(jí)。

③4層微風(fēng)化英安玢巖：青灰色，斑狀結(jié)構(gòu)，基質(zhì)為隱晶質(zhì)，斑晶成分以石英、斜長(zhǎng)石為主，粒徑為1～4 mm，少量鉀長(zhǎng)石及暗色礦物。節(jié)理裂隙不甚發(fā)育，裂隙面局部覆鐵錳質(zhì)氧化膜，局部裂隙發(fā)育有方解石晶體。巖體基本質(zhì)量等級(jí)為II級(jí)，局部III～I(xiàn)V級(jí)。

2.3 水文地質(zhì)條件

邊坡區(qū)地下水類(lèi)型主要有第四系松散巖類(lèi)孔隙潛水及基巖裂隙水。

(1)孔隙潛水

孔隙潛水主要賦存于上部殘坡積土層中，滲透性較好，故富水性較差，主要接受雨水的入滲補(bǔ)給，并向下滲入基巖裂隙中或沿坡體向下游滲流排泄。邊坡區(qū)覆蓋層賦存的孔隙潛水，水量不大，但動(dòng)態(tài)變化較大，雨季水位迅速上升，旱季水位下降，甚至無(wú)水。

(2)基巖裂隙水

基巖裂隙水含水介質(zhì)為早白堊統(tǒng)凝灰?guī)r及英安巖，主要受大氣降水和上覆孔隙潛水補(bǔ)給，沿坡腳或坡體公路臨空側(cè)滲流排泄。中上部及淺表部巖體節(jié)理裂隙微張，有一定的透水性；加上邊坡開(kāi)挖卸荷，卸荷裂隙發(fā)育，有利于地表水下滲。中等風(fēng)化巖體及角礫凝灰?guī)r分布區(qū)，節(jié)理裂隙相對(duì)發(fā)育，基巖滲透性相對(duì)較強(qiáng)，是基巖裂隙水的主要匯聚區(qū)，在角礫凝灰?guī)r和英安玢巖的接觸界線(xiàn)附近，常發(fā)現(xiàn)有地下水的滲流和細(xì)微溶蝕現(xiàn)象，說(shuō)明兩種巖性接觸帶也是基巖裂隙水滲流排泄的一個(gè)主要分界面。

邊坡區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化很大，水位穩(wěn)定性差。旱季水位埋深一般在中等風(fēng)化底部及兩種巖性接觸帶附近。雨季水位迅速上升，形成較大的孔隙裂隙水壓力，對(duì)邊坡穩(wěn)定不利。

2.4 區(qū)域構(gòu)造

本邊坡場(chǎng)地以斷裂構(gòu)造為主，褶皺構(gòu)造不發(fā)育。其構(gòu)造體系以新華夏系構(gòu)造為主，構(gòu)成區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造骨架。這一構(gòu)造體系由一系列壓性或壓扭性斷裂及擠壓帶、劈理帶構(gòu)成。伴隨斷裂帶常出現(xiàn)一些平行的山體和線(xiàn)性的低洼，有時(shí)則形成明顯的透鏡狀山體，顯示了壓性和壓扭性斷裂的特征。

受區(qū)域內(nèi)壓性或壓扭性斷裂影響，坡體內(nèi)節(jié)理裂隙較發(fā)育，對(duì)邊坡及周邊區(qū)域地表露頭節(jié)理結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀進(jìn)行測(cè)量與統(tǒng)計(jì)，并繪制巖體節(jié)理極點(diǎn)等密圖(上半球投影)(圖1)。從圖1中可以得出，邊坡巖體節(jié)理發(fā)育主要有以下2組：①90°∠61°、②185°∠60°。

圖1 節(jié)理極點(diǎn)等密圖Fig.1 The pole diagram of joint

3 變形原因分析

根據(jù)調(diào)查和分析，該病害的形成主要是以下五個(gè)因素：

(1)根據(jù)勘察資料顯示：受區(qū)域內(nèi)壓性或壓扭性斷裂影響，坡體內(nèi)節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部巖體質(zhì)量較差，自穩(wěn)能力差。

對(duì)邊坡進(jìn)行赤平投影分析(圖2)。其邊坡坡向144.7°，坡度最陡處約63.4°(坡比1∶0.5)。從圖2中可知，兩組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面交棱線(xiàn)位于不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)(陰影區(qū)域內(nèi))，相互切割形成不穩(wěn)定楔形體，邊坡巖體結(jié)構(gòu)屬于不穩(wěn)定類(lèi)型。

節(jié)理裂隙的不利組合導(dǎo)致巖質(zhì)邊坡易產(chǎn)生掉塊、崩塌和楔形滑移破壞；邊坡中上部殘坡積土層及全風(fēng)化基巖較厚，土質(zhì)松散，穩(wěn)定性相對(duì)較差，遇水易軟化(強(qiáng)度降低)，易變形失穩(wěn)。

(2)邊坡所在丘陵區(qū)自然地形較陡，風(fēng)化剝蝕作用較強(qiáng)，加上公路建設(shè)對(duì)山體削坡擾動(dòng)后，形成高陡的人工邊坡，改變了原始坡形，增強(qiáng)了巖體的風(fēng)化卸荷作用。公路震動(dòng)荷載對(duì)邊坡坡面淺表部的巖體結(jié)構(gòu)面松弛和巖體質(zhì)量下降，也起到一定的加劇作用。

(3)人工開(kāi)挖原始坡體，形成臨空面，打破了坡體的自然應(yīng)力平衡，且形成邊坡高陡，未設(shè)置深層加固防護(hù)措施，在本邊坡護(hù)面墻病害發(fā)育的二、三級(jí)坡面坡率為1∶0.50，且第三級(jí)坡面一坡到頂，單級(jí)最大高度約48 m，安全儲(chǔ)備較低。

(4)高速公路經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)十幾年的運(yùn)營(yíng)，原有的坡面防護(hù)措施老化，護(hù)面墻普遍有砂漿砌筑不飽滿(mǎn)，塊石間泥垢、水銹等雜質(zhì)含量較多，特別是邊坡的凹陷區(qū)域，并沒(méi)有完全用石砌圬工填塞鑲砌，甚至有空谷現(xiàn)象。而設(shè)置的主動(dòng)網(wǎng)卡扣出現(xiàn)不同程度銹蝕，防護(hù)能力減弱。

(5)邊坡未設(shè)置深層排水措施，而已有的泄水孔均未見(jiàn)出水，基本失效；工程區(qū)雨水較多，長(zhǎng)期地表水滲入坡體無(wú)法有效排出，一方面增加了巖土體重度，另一方面降低了結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，起到“潤(rùn)滑劑”作用，從而誘發(fā)和加劇了病害的產(chǎn)生。

4 應(yīng)急措施建議

4.1 應(yīng)急治理方案決策原則

應(yīng)急方案的有效實(shí)施，須統(tǒng)籌考慮以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)本項(xiàng)目屬于已運(yùn)營(yíng)高速公路邊坡治理工程，屬于永久性治理，編制治理設(shè)計(jì)方案時(shí)須綜合考慮治理效果、治理費(fèi)用和對(duì)公路交通安全的影響；

(2)本邊坡較為高陡，編制治理方案時(shí)充分考慮施工機(jī)械、材料搬運(yùn)、流水班組作業(yè)，確保施工的可行性、便利性和安全性；

(3)本項(xiàng)目屬于既有邊坡工程加固處治項(xiàng)目，應(yīng)考慮新增加固處治措施與既有防護(hù)措施的良好結(jié)合。

4.2 應(yīng)急搶險(xiǎn)臨時(shí)措施

在發(fā)現(xiàn)病害后，及時(shí)采取了應(yīng)急搶險(xiǎn)臨時(shí)措施，對(duì)第二、三級(jí)坡面鼓脹、破損處實(shí)施噴砼防護(hù)，并對(duì)邊坡平臺(tái)裂縫部位進(jìn)行灌漿、封閉，起到減緩病害發(fā)展的作用。

4.3 應(yīng)急治理方案

在邊坡應(yīng)急勘察結(jié)果的基礎(chǔ)上，綜合考慮項(xiàng)目特點(diǎn)，對(duì)該邊坡采取“坡體局部加固+坡體排水”進(jìn)行應(yīng)急治理(圖3)。具體措施如下：

圖3 應(yīng)急治理剖面示意圖Fig.3 The schematic diagram of emergent treatment

(1)坡體局部加固：對(duì)東北側(cè)第二、三級(jí)護(hù)面墻鼓脹破損區(qū)域及西南側(cè)第二級(jí)護(hù)面墻平臺(tái)開(kāi)裂段采取預(yù)應(yīng)力錨桿結(jié)合格構(gòu)梁進(jìn)行加固。其中格構(gòu)梁：采用方形格構(gòu)梁作為錨桿傳力機(jī)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，間距3.0 m(水平)×3.0 m(垂直)；格構(gòu)梁節(jié)點(diǎn)處布置預(yù)應(yīng)力錨桿，錨筋采用PSB930預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋，直徑32 mm，錨孔直徑100 mm，采用M30水泥漿注漿。

(2)坡體排水：在第二、三級(jí)坡面分別增設(shè)一排及兩排仰斜排水孔，以此減小地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定的不利影響。仰斜排水孔梅花型布置，水平及豎向間距3.0 m，仰角7°，鉆孔孔徑130 mm，內(nèi)設(shè)雙層帶孔塑料排水管。

為了解邊坡的變形發(fā)展趨勢(shì)并提供預(yù)警信息，及時(shí)指導(dǎo)施工、優(yōu)化治理方案，本工程邊坡布置了地表位移、錨桿應(yīng)力及滑坡深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在應(yīng)急治理實(shí)施完成后，未出現(xiàn)新的變形破壞現(xiàn)象，且各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示邊坡變形得到了有效控制。

5 結(jié)論

(1)高邊坡是高速公路建設(shè)的產(chǎn)物，隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的延長(zhǎng)，病害不斷產(chǎn)生，對(duì)公路影響趨于惡劣。邊坡的應(yīng)急治理工程的實(shí)踐性很強(qiáng)，同時(shí)只有理論與實(shí)際相結(jié)合是解決邊坡病害的問(wèn)題所在。

(2)本高速公路路塹邊坡歷經(jīng)多年且未采取有效加固防護(hù)措施，在不利的地質(zhì)條件下，受連續(xù)降雨影響最終導(dǎo)致病害的產(chǎn)生。

(3)該邊坡的應(yīng)急治理，對(duì)病害的原因進(jìn)行分析，結(jié)合工程特點(diǎn)，采取了應(yīng)急搶險(xiǎn)臨時(shí)措施和永久治理措施。

(4)經(jīng)過(guò)治理后，邊坡通過(guò)變形、應(yīng)力監(jiān)測(cè)，表明坡體已趨于穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)急治理措施是比較合理可行的，為今后類(lèi)似的邊坡應(yīng)急治理提供參考。