軌道交通停車場(chǎng)超高山體邊坡工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐

宋克英 張 啟 薛潤(rùn)坤

（1.北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100101；2.城市軌道交通深基坑巖土工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101）

0 引言

我國(guó)山脈綿延分布，邊坡是一種常見的地表形態(tài)。在經(jīng)濟(jì)建設(shè)的過(guò)程中，產(chǎn)生經(jīng)人工挖、填的土工建筑邊坡不可避免[1?2]。

邊坡上的部分巖體或土體在自然或人為因素的影響下，沿某一明顯界面發(fā)生剪切破壞向坡下運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象稱為滑坡或邊坡破壞。邊坡一旦失穩(wěn)破壞，其產(chǎn)生的災(zāi)害將非常嚴(yán)重[3?4]。小型邊坡失穩(wěn)破壞，可能導(dǎo)致大量人員傷亡；中型邊坡失穩(wěn)破壞，可能危及城鎮(zhèn)中居民、建筑、道路等安全；大型邊坡失穩(wěn)破壞，其后果更不堪設(shè)想。許多地質(zhì)災(zāi)害如滑坡、危巖崩塌均與邊坡有密切關(guān)系。

邊坡的穩(wěn)定性是高速公路、鐵路、機(jī)場(chǎng)、高層建筑深基坑開挖以及露天礦坑和土壩等土工工程建設(shè)中十分重要的問(wèn)題[5?6]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，如：Chen 等[7]總結(jié)并分析容許安全系數(shù)設(shè)計(jì)（ASFD）、極限狀態(tài)設(shè)計(jì)（LSD）和BTD 等可應(yīng)用到邊坡工程中的可靠性分析方法；Li 等[8]將離散元應(yīng)用在高堆石邊坡中，具有良好的成果；目前國(guó)內(nèi)邊坡工程中常用信息化[9]和動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)[10?12]，支護(hù)的方法有放坡、錨桿、錨桿擋墻、巖石錨噴、錨索框架梁、重力式擋墻、懸臂式擋墻和扶壁式擋墻、樁板式擋墻（抗滑樁）[1,13]等。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，立足城市軌道交通邊坡工程項(xiàng)目，邊坡方案考慮與龍城公園現(xiàn)狀景觀相協(xié)調(diào)，避免較大的劈山、削坡，根據(jù)地層和環(huán)境條件，提出了“強(qiáng)樁弱錨”+錨桿格構(gòu)梁的支護(hù)方案。設(shè)計(jì)過(guò)程中驗(yàn)算了邊坡開挖臨時(shí)工況和暴雨工況下的安全性。結(jié)合施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和出現(xiàn)的問(wèn)題，采用動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)。

1 工程概況

1.1 擬建建筑物概況

龍城公園位于深圳龍崗中心區(qū)域，占地189 公頃，地形地貌為山地丘陵，某停車場(chǎng)基地位于龍城公園西南部藝術(shù)谷范圍內(nèi)，是公園重要的南入口空間。本項(xiàng)目為地下停車場(chǎng)，埋深約13 m，停車場(chǎng)與邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)相分離。其地理位置如圖1所示。

圖1 某停車場(chǎng)地理位置圖

1.2 場(chǎng)坪高程及周邊環(huán)境條件

某停車場(chǎng)在龍城公園內(nèi)自東南向西北方向布設(shè)，地形起伏較大，三面環(huán)山，一面臨路，周邊環(huán)境條件簡(jiǎn)單。南、北兩側(cè)山體現(xiàn)狀高程為80～120 m；西側(cè)緊臨公園路，道路路面高程41～44 m；東側(cè)現(xiàn)狀為低洼池塘，現(xiàn)狀高程46～52 m。

結(jié)合防洪水位、線路坡度、上蓋景觀、土石方盡量小等相關(guān)要求，停車場(chǎng)場(chǎng)坪高程設(shè)置為43.5 m，北側(cè)邊坡高達(dá)40 m，南側(cè)邊坡高達(dá)55.0 m。

1.3 場(chǎng)地工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

邊坡地層為全新統(tǒng)人工填土層、全新統(tǒng)沖洪積層、殘積層，下伏基巖為白堊系燕山四期花崗巖、下石炭統(tǒng)石蹬子組灰?guī)r和測(cè)水組砂巖，其中以強(qiáng)風(fēng)化砂巖為主。強(qiáng)風(fēng)化巖體呈土狀?碎塊狀結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)面雜亂無(wú)序，不存在優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，破壞模式與土質(zhì)邊坡相似，圓弧型滑動(dòng)一般發(fā)生在強(qiáng)風(fēng)化巖體的內(nèi)部，由于各分區(qū)邊坡強(qiáng)風(fēng)化層厚度較大，因此主要可能產(chǎn)生層間圓弧滑動(dòng)，局部中等風(fēng)化埋藏相對(duì)較淺的部位可能影響圓弧面的形態(tài)，但由于中等風(fēng)化大部分埋藏較深，且頂面不規(guī)則，一般不會(huì)沿中等風(fēng)化頂面滑動(dòng)。

擬設(shè)計(jì)邊坡場(chǎng)地范圍內(nèi)以基巖裂隙水為主?；鶐r裂隙水主要賦存于碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化、中等風(fēng)化花崗巖及碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化、中等風(fēng)化砂巖中。含水層厚度變化較大，碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化、中等風(fēng)化花崗巖層中，水量稍豐富。透水性和富水性因基巖裂隙發(fā)育程度、貫通度、地形條件以及與地表水源的連通性等情況而變化，主要由大氣降水、松散巖類孔隙水補(bǔ)給，以側(cè)向徑流、人工開采方式排泄?？辈炱陂g測(cè)得穩(wěn)定水位埋深0.60～55.15 m，穩(wěn)定水位高程48.2～64.5 m，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)地下水位的年平均變化幅度為0.5～2.0 m。典型地質(zhì)剖面圖如圖2所示。

圖2 某停車場(chǎng)邊坡典型地質(zhì)剖面圖

2 風(fēng)化巖（土）邊坡變形破壞類型

風(fēng)化巖（土）邊坡，即邊坡主體由全強(qiáng)風(fēng)化土層或砂土狀強(qiáng)風(fēng)化組成，根據(jù)其坡體巖土不同風(fēng)化程度，可以分為三種地質(zhì)模式。

（1）模式A

邊坡開挖切削巖層風(fēng)化殼，一般為全強(qiáng)風(fēng)化土層，經(jīng)常發(fā)生風(fēng)化殼土層依附其下伏相對(duì)風(fēng)化輕微巖層表面的滑動(dòng)變形和破壞。這種情況，在花崗巖地區(qū)或凝灰?guī)r地區(qū)較為常見。特別是在花崗巖地區(qū)，由于不均勻風(fēng)化強(qiáng)烈，球狀風(fēng)化或殼狀風(fēng)化發(fā)育，其風(fēng)化物的透水性一般較好，在地表水滲透的情況下，不均勻風(fēng)化界面容易形成地下水和黏性物質(zhì)的聚集，在特定的形態(tài)組合下產(chǎn)生變形和破壞（見圖3）。

圖3 風(fēng)化巖（土）邊坡工程地質(zhì)模式A

（2）模式B

邊坡主體由坡殘積層及風(fēng)化層組成，甚至局部夾強(qiáng)風(fēng)化至中等風(fēng)化巖體，由于地質(zhì)構(gòu)造作用和影響，常見一些強(qiáng)烈風(fēng)化軟弱帶，如果其產(chǎn)狀傾向坡面，在邊坡開挖切削坡角支撐并致使其軟弱帶臨空暴露的情況下，極易產(chǎn)生上覆風(fēng)化巖土體沿其下伏基巖面產(chǎn)生較大規(guī)模的滑動(dòng)變形和破壞（見圖4）。

圖4 風(fēng)化巖（土）邊坡工程地質(zhì)模式B

（3）模式C

邊坡土體由坡殘積土層及砂土狀強(qiáng)風(fēng)化層組成，由于其原巖結(jié)構(gòu)面發(fā)育，常見一組或多組陡傾角和緩傾角的長(zhǎng)大貫通，并存在傾向臨空的緩傾角結(jié)構(gòu)面，在各不利結(jié)構(gòu)面作用下，經(jīng)常發(fā)生陡緩裂面切割塊體沿其下伏緩傾角裂面的變形和破壞（見圖5）。

圖5 風(fēng)化巖（土）邊坡工程地質(zhì)模式C

3 邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)方案

邊坡支護(hù)工程在安全可靠的基礎(chǔ)上，綜合考慮場(chǎng)外排水系統(tǒng)、景觀要求，同時(shí)盡可能減少對(duì)既有山體破壞，確定超高邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)方案[14?16]。

超高邊坡南側(cè)典型剖面坡頂高程98.5 m，場(chǎng)坪設(shè)計(jì)高程43.5 m，邊坡高達(dá)55 m（見圖6）。擬建停車場(chǎng)上蓋覆土后高程53 m，邊坡支擋結(jié)構(gòu)與停車場(chǎng)主體結(jié)構(gòu)距離約4 m。為確保上蓋景觀與公園景觀的流暢銜接，同時(shí)保證邊坡的安全穩(wěn)定，邊坡支護(hù)下部采用排樁錨桿擋墻支擋結(jié)構(gòu)，上部采用分級(jí)放坡開挖錨桿格構(gòu)梁的支護(hù)體系。邊坡典型剖面設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

圖6 超高邊坡南側(cè)典型剖面圖

（1）邊坡下部直立段排樁錨桿擋墻

樁長(zhǎng)21 m，嵌固深度11 m，樁徑2 m，樁間距2.5 m；3 道預(yù)應(yīng)力樁上錨索，錨索水平間距2.5 m，錨固體直徑150 mm，均采用1860 級(jí)15.2 mm 鋼絞線，錨索設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，樁前設(shè)置300 mm 厚擋土板，預(yù)留泄水孔。

表1 南側(cè)邊坡典型剖面錨索參數(shù)表

（2）邊坡上部緩坡開挖

每級(jí)邊坡坡高10 m，設(shè)置分級(jí)3 m 寬平臺(tái)，下三級(jí)邊坡坡率1∶1.25，上兩級(jí)邊坡坡率1∶1.5；坡面采用3 m×3 m 的菱形格構(gòu)梁，構(gòu)造錨桿長(zhǎng)8 m，間距6 m；格構(gòu)梁內(nèi)噴混植生，客土噴播復(fù)綠（見圖7）。

圖7 邊坡復(fù)綠景觀效果鳥瞰圖

3.2 設(shè)計(jì)驗(yàn)算

本工程設(shè)計(jì)使用年限為50年，邊坡安全等級(jí)為一級(jí)，邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)采用以分項(xiàng)系數(shù)表示的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法：

邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)采用平面應(yīng)變分析，先采用理正巖土邊坡穩(wěn)定性分析模塊計(jì)算上部邊坡穩(wěn)定性，再用理正深基坑模擬施工開挖工況，最后采用理正巖土建坡?lián)跬翂δK，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行一般工況和地震工況下的穩(wěn)定性驗(yàn)算。

邊坡變形標(biāo)準(zhǔn)控制：支護(hù)結(jié)構(gòu)坡頂最大水平位移≤邊坡開挖高度的1/500 或20 mm。

（1）上部緩坡穩(wěn)定性驗(yàn)算

采用圓弧滑動(dòng)法計(jì)算支擋結(jié)構(gòu)上部邊坡穩(wěn)定性。孔隙水壓力采用靜水壓力近似計(jì)算，不考慮滲透力作用；地震烈度為7 度，水平地震系數(shù)0.10，地震力作用位置為質(zhì)心處。

經(jīng)計(jì)算，一般工況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.525>1.35，地震工況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.431>1.15。

（2）邊坡開挖工況模擬

荷載分項(xiàng)系數(shù)按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009）規(guī)定取值，對(duì)于永久荷載控制的基本組合，分項(xiàng)系數(shù)取1.35。邊坡開挖不利工況包絡(luò)圖見圖8。

圖8 邊坡開挖不利工況包絡(luò)圖

邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)坡頂計(jì)算最大水平位移為9.27 mm<20 mm，整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.422>1.35。

（3）不同工況下的穩(wěn)定性驗(yàn)算

一般工況下，各荷載分項(xiàng)系數(shù)均取1.35；地震工況下，地震作用荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.30。地震烈度為7 度，水平地震系數(shù)0.10，水上地震角為1.5 度，水下地震角為2.5 度，孔隙水壓力采用靜水壓力近似計(jì)算，不考慮滲透力作用。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同工況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算表

4 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

（1）處理局部坍塌

上部緩坡坡體范圍內(nèi)主要為碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化砂巖，在削坡開挖過(guò)程中，局部揭露一層黑色黏性土層，且由于連續(xù)降雨導(dǎo)致遇水軟化后局部坍塌。經(jīng)與勘察單位核實(shí)，局部坍塌區(qū)域土呈黑灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，主要成份為黏土礦物地層，經(jīng)判定為強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖。為避免坍塌進(jìn)一步擴(kuò)大，在連續(xù)降雨期間采用防水彩條布對(duì)邊坡坡面進(jìn)行覆蓋防水，待降雨停止適當(dāng)曬干后，降低局部邊坡坡率，挖出坍塌區(qū)域土體，采用C15 素混凝土回填后及時(shí)施作格構(gòu)梁錨桿。

（2）調(diào)整嵌固深度

排樁錨桿擋墻設(shè)計(jì)采用直徑2 m 的灌注樁，樁長(zhǎng)21 m，嵌固段長(zhǎng)11 m。局部灌注樁施工至19～20 m 時(shí)，旋挖機(jī)出現(xiàn)施工困難、鉆進(jìn)速率明顯減緩甚至無(wú)法鉆進(jìn)。設(shè)計(jì)方收到信息反饋后，要求施工方利用大直徑旋挖機(jī)取出該深度巖樣與鄰近勘察鉆孔同一深度下巖芯樣本進(jìn)行比較。經(jīng)核實(shí)，當(dāng)前旋挖鉆孔施工深度范圍內(nèi)巖層呈灰色，巖芯采取率較高，經(jīng)判定為中等風(fēng)化砂巖。設(shè)計(jì)人員及時(shí)調(diào)整原設(shè)計(jì)模型及輸入?yún)?shù)進(jìn)行重新計(jì)算，驗(yàn)算結(jié)果表明，當(dāng)嵌固段進(jìn)入中等風(fēng)化砂巖0.5 m 時(shí)，其穩(wěn)定性、位移等計(jì)算結(jié)果均已滿足規(guī)范要求，因此將嵌固深度由11 m 調(diào)整為進(jìn)入中等風(fēng)化砂巖層0.5 m。

（3）對(duì)周邊環(huán)境的應(yīng)急響應(yīng)

停車場(chǎng)出入線明挖段利用邊坡支護(hù)樁兼作臨時(shí)樁撐體系，第一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐的設(shè)計(jì)軸力為729 kN。在明挖段開挖至基底時(shí)，靠近邊坡支護(hù)樁的第一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐軸力監(jiān)測(cè)值為4000 kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)值，監(jiān)測(cè)單位根據(jù)三級(jí)預(yù)警體系進(jìn)行了報(bào)警。而該區(qū)域邊坡支護(hù)樁樁頂水平位移、沉降以及其他內(nèi)支撐軸力監(jiān)測(cè)均未出現(xiàn)異常?？辈靻挝灰汛_認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)揭露地層與勘察報(bào)告一致，不存在軟弱土層區(qū)域。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，發(fā)現(xiàn)邊坡支護(hù)樁樁上錨索未能及時(shí)施作導(dǎo)致超挖是產(chǎn)生內(nèi)支撐軸力過(guò)大的根本原因。為避免內(nèi)支撐軸力進(jìn)一步擴(kuò)大導(dǎo)致更嚴(yán)重的后果，設(shè)計(jì)方要求施工單位對(duì)該區(qū)域進(jìn)行回填，及時(shí)施作錨索并完成張拉后再按要求開挖。當(dāng)完成第三排錨索的張拉鎖定后，內(nèi)支撐軸力趨于穩(wěn)定。

5 邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

龍城公園停車場(chǎng)南側(cè)超高邊坡自2019年6月10日開始施工，施工過(guò)程中對(duì)高邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移、沉降進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。目前龍城公園南側(cè)超高邊坡已經(jīng)完成開挖施工，監(jiān)測(cè)成果見圖9、圖10。由監(jiān)測(cè)成果可知，邊坡累計(jì)水平位移最大值為10.2 mm，支護(hù)樁深層水平位移最大值約為4.4 mm，水平位移變化趨于穩(wěn)定，且小于規(guī)范或設(shè)計(jì)要求值。

圖9 南側(cè)典型邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)坡頂水平位移監(jiān)測(cè)曲線

圖10 南側(cè)典型邊坡測(cè)斜管最終狀態(tài)曲線圖

6 結(jié)論

（1）基于地質(zhì)勘察和周邊環(huán)境條件，提出的樁錨+坡面錨桿格構(gòu)梁支護(hù)方案是有效的，對(duì)同類邊坡工程有一定的借鑒作用。

（2）超高山體邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)方案在安全可靠的基礎(chǔ)上，應(yīng)綜合考慮場(chǎng)外排水系統(tǒng)、景觀要求及盡可能減少對(duì)既有山體破壞。

（3）堅(jiān)持動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)：施工時(shí)如出現(xiàn)與設(shè)計(jì)考慮情況不符或遇到不明地層時(shí)，應(yīng)及時(shí)反饋設(shè)計(jì)，進(jìn)行設(shè)計(jì)確認(rèn)、驗(yàn)算和變更。