山區(qū)高速公路的邊坡勘察設(shè)計常見問題研究

尹文鋒，蔡鵬

（長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，武漢 430010）

1 引言

隨著我國基礎(chǔ)交通設(shè)施建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，山區(qū)高速公路工程得到了快速發(fā)展，同時，也帶動了經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和區(qū)域交流范圍的擴(kuò)大。如果技術(shù)人員在勘察設(shè)計中對邊坡破壞理論、邊坡破壞形式以及邊坡存在的問題沒有足夠的了解，則不能針對邊坡的失穩(wěn)破壞提出相應(yīng)的解決方案和技術(shù)指導(dǎo)，最終造成設(shè)計失誤、項(xiàng)目建設(shè)滯后、工程造價提高，嚴(yán)重時還會發(fā)生安全事故，導(dǎo)致人員傷亡[1]。針對此現(xiàn)象，我國相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了一系列的分析研究。如嚴(yán)廣義等[2]結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)提出了山區(qū)公路工程勘察期間會存在的地質(zhì)問題，并針對不良地質(zhì)路段的邊坡勘察重點(diǎn)進(jìn)行了歸納總結(jié)；袁從華等[3]以某山區(qū)高速公路為研究對象，通過現(xiàn)場調(diào)查和理論計算，分析了邊坡巖土體強(qiáng)度隨降雨量的增加而弱化的規(guī)律，并提出抗滑樁加固邊坡的處置措施，以降低邊坡發(fā)生破壞的可能性。因此，研究山區(qū)高速公路的邊坡勘察設(shè)計常見問題及解決措施具有十分重要而現(xiàn)實(shí)的工程意義。

2 山區(qū)公路邊坡破壞形態(tài)及失穩(wěn)機(jī)理

2.1 公路邊坡失穩(wěn)類型

山區(qū)公路邊坡失穩(wěn)類型主要包括整體破壞和局部破壞兩大類。整體破壞包括邊坡整體崩塌、坍塌等，會阻礙甚至中斷交通；局部破壞包括邊坡坡面侵蝕、剝落、溜坍等，對高速公路的正常通車影響較小，具體分類如圖1 所示。

圖1 山區(qū)公路邊坡破壞類型

2.2 公路邊坡破壞機(jī)理

由于山嶺地區(qū)存在地形地貌變化大、地質(zhì)條件復(fù)雜、區(qū)域氣候差異明顯等特點(diǎn)，使山區(qū)高速公路邊坡失穩(wěn)破壞的原因較為復(fù)雜。公路邊坡被破壞的現(xiàn)象是由各種綜合原因?qū)е碌?，并非一個因素決定的，本文通過對邊坡破壞案例進(jìn)行梳理，總結(jié)了以下3 個方面的因素。

2.2.1 地質(zhì)因素

山區(qū)高速公路的主要特點(diǎn)有：地形復(fù)雜、地質(zhì)變化多樣、邊坡較高坡度較陡、巖土體參數(shù)（包括容重、黏聚力、內(nèi)摩擦角等）不一致。地質(zhì)條件對邊坡穩(wěn)定性的影響包括：地層中存在斷層、節(jié)理、片理等結(jié)構(gòu)面，且結(jié)構(gòu)面的走向、角度會對邊坡穩(wěn)定性造成一定的影響。

2.2.2 水的因素

依據(jù)以往數(shù)據(jù)可知，山區(qū)雨水較為充沛，降雨量大，在雨季更容易發(fā)生公路滑坡，所以，在研究公路邊坡問題時，必須考慮水的因素。水會通過路面結(jié)構(gòu)層滲到路基內(nèi)，使邊坡土體的力學(xué)性能發(fā)生改變，使土體的抗剪強(qiáng)度降低，減小邊坡土體的抗滑力，并且使邊坡土體的天然重度增大，水壓力升高，最終導(dǎo)致邊坡的下滑力增加。

2.2.3 人為因素

人為因素貫穿公路工程的全生命周期，在設(shè)計初期，邊坡參數(shù)、基本地質(zhì)情況、排水等數(shù)據(jù)都需要勘察精準(zhǔn)，在勘察過程中也要著重注意鉆孔布置和勘察方法，根據(jù)勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行合理設(shè)計。此外，還需要考慮公路的載重量、車流量等，在設(shè)計過程中，要結(jié)合實(shí)際情況爭取實(shí)現(xiàn)最大價值。

3 山區(qū)公路邊坡地質(zhì)勘察設(shè)計常見問題

3.1 工程案例

某山區(qū)高速公路全長44.5 km（含2 處互通立交），路線（右線）起訖樁號為K3+140～K47+640，路基寬度為26 m，道路采用雙向四車道，設(shè)計速度為100 km/h。道路全線橫坡設(shè)置為2%，全線最大縱坡為6.7%。路面材料為瀝青混凝土。工程所處區(qū)域地質(zhì)較為穩(wěn)定，無單層及活動斷層。邊坡坡度較陡，高度較高。坡體主要為巖質(zhì)邊坡，裂隙較發(fā)育。項(xiàng)目所在地的特殊土為軟土、可溶性巖石。其中，軟土地基承載力不滿足路基填筑要求，需要進(jìn)行處理，且溶洞發(fā)育情況不明。

3.2 邊坡勘察可能存在的問題

目前，山區(qū)高速公路在開展工程勘察作業(yè)時，主要采用的方式還是傳統(tǒng)的人工槽探、坑探、鉆探，以點(diǎn)帶面地進(jìn)行地層劃分。這樣的方式有很多弊端，不僅影響勘察效率，而且成本比較高。如果山區(qū)內(nèi)存在一些特殊的地質(zhì)情況，會造成勘測結(jié)果精準(zhǔn)度不高，可能造成誤判，在設(shè)計和施工、運(yùn)營過程中造成重大安全隱患。

3.3 邊坡設(shè)計可能存在的問題

進(jìn)行該項(xiàng)目的邊坡設(shè)計時，需要對沿線情況進(jìn)行深度研究。本項(xiàng)目可能存在高填方路堤和深挖方路塹，設(shè)計前，如果沒有對邊坡性質(zhì)以及土質(zhì)情況等進(jìn)行深入分析與研究，可能會導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。

山區(qū)高速公路的邊坡設(shè)計一般包括高度、坡度、加固措施和排水系統(tǒng)等。在設(shè)計中，容易出現(xiàn)以下問題。

3.3.1 坡高不合理

路堤的填土高度和路塹的挖土深度會對項(xiàng)目的造價產(chǎn)生影響，同時，還會影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。坡高較低，地下水較為豐富的地段，當(dāng)雨季來臨時，會使路基土的含水量快速增加，形成水損害，造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，影響行車安全。

3.3.2 坡度不合理

道路邊坡的坡率有時會受到道路紅線的控制，因此，坡率較陡，此時會增加邊坡失穩(wěn)的可能性，導(dǎo)致自然災(zāi)害的發(fā)生。當(dāng)邊坡坡率較緩時，會占用較大面積的耕地、林地等，增加項(xiàng)目的造價。

3.3.3 防護(hù)加固措施選擇不當(dāng)

在選擇防護(hù)加固措施的過程中，要因地制宜，結(jié)合山區(qū)的實(shí)際情況，考慮綜合的地形特點(diǎn)、水文特點(diǎn)、當(dāng)?shù)丨h(huán)境、當(dāng)?shù)厝宋牡惹闆r，設(shè)計更符合實(shí)際的方案，充分發(fā)揮方案的作用。

4 提高山區(qū)公路邊坡勘察設(shè)計水平的措施

4.1 對特殊路段加強(qiáng)勘察

由于地層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不同地質(zhì)條件下可能存在巖溶、軟土等地層，且發(fā)育形態(tài)不同，因此，給地質(zhì)勘察增加了難度。傳統(tǒng)的勘察技術(shù)已經(jīng)不能滿足人們對技術(shù)信息的需求，因此，人們開始使用地球物理勘探和遙感技術(shù)對特殊地層進(jìn)行勘察。地質(zhì)雷達(dá)的工作原理是利用超高頻脈沖電磁波傳遞廣譜電磁，當(dāng)發(fā)射的高頻電磁波在地層中的介電常數(shù)存在較大差異時，電磁波開始反射，然后被天線接收，最后通過傳播速度和行程對溶洞位置和范圍進(jìn)行計算。該方法的工作原理如圖2所示。遙感技術(shù)工作原理是通過電磁波來探測目標(biāo)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以更好地反映地質(zhì)構(gòu)造的空間特征，同時，成像視域廣闊、信息量大。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)工作原理圖

4.2 優(yōu)化設(shè)計邊坡坡率和高度

對邊坡坡高和坡率進(jìn)行計算時，應(yīng)考慮生態(tài)理念、行車舒適性以及安全性等因素。邊坡的坡高及坡率對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起到了決定性作用。通過從業(yè)多年的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，對依托項(xiàng)目的邊坡高度進(jìn)行取值，每級邊坡高度為10 m，平臺寬度為2 m，在滿足安全系數(shù)的前提下，對邊坡坡率進(jìn)行取值。通過規(guī)范可知，填方邊坡可選坡率為1∶1、1∶1.5、1∶1.75、1∶2。路塹開挖時應(yīng)采用臺階式，可選坡率為1∶0.75、1∶1、1∶1.5。當(dāng)邊坡高度較高，應(yīng)進(jìn)行卸載時，需在坡體中部開挖6～8 m 寬的平臺，從而使滑動面上的土體重量減少，減少坡腳處的應(yīng)力集中，邊坡橫斷面設(shè)計圖如3 所示。

圖3 山區(qū)高速典型斷面邊坡防護(hù)措施

4.3 加強(qiáng)邊坡防護(hù)設(shè)計

對公路邊坡進(jìn)行防護(hù)設(shè)計時，主要原則為“減載、固腳、強(qiáng)腰”，并對其進(jìn)行穩(wěn)定性計算，對安全系數(shù)進(jìn)行分析。當(dāng)安全系數(shù)不相同時，對邊坡采取的防護(hù)措施也不相同。

1）當(dāng)安全系數(shù)＞1.2 時，表明邊坡較為穩(wěn)定，對于此類邊坡進(jìn)行防護(hù)設(shè)計時，應(yīng)保證坡率不變，加強(qiáng)坡面的防護(hù)和排水。

2）當(dāng)安全系數(shù)范圍為1～1.2 時，表明邊坡穩(wěn)定性較差，需進(jìn)行必要的防護(hù)。在進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)先對坡率進(jìn)行放緩，同時進(jìn)行卸載，以提高安全系數(shù)。當(dāng)卸載受限時，應(yīng)對邊坡進(jìn)行支擋和削方。

3）當(dāng)安全系數(shù)＜1 時，說明該邊坡的穩(wěn)定性很差，應(yīng)對其進(jìn)行支擋加固。如邊坡采用錨索框架梁進(jìn)行加固，同時，利用方格骨架進(jìn)行防護(hù)，最終保證邊坡的穩(wěn)定系數(shù)大于規(guī)定值。

5 結(jié)語

本文對山區(qū)高速公路邊坡破壞類型、失穩(wěn)機(jī)理、勘察設(shè)計存在的問題及解決方案展開了深入研究，主要得到以下4 方面的結(jié)論：

1）山區(qū)公路邊坡失穩(wěn)破壞主要分為整體破壞和局部破壞。邊坡失穩(wěn)破壞并不是單一影響因素造成的，而是多種因素共同影響的結(jié)果。

2）目前，山區(qū)公路邊坡勘察存在勘察效率低、勘察成本高、無法查明地下是否存在軟弱巖土體等問題，可采用地球物理勘探和遙感技術(shù)等新興勘察技術(shù)來加強(qiáng)特殊路段勘察工作。

3）山區(qū)公路邊坡設(shè)計問題一般體現(xiàn)在邊坡高度、邊坡坡度、邊坡加固措施、邊坡排水系統(tǒng)設(shè)計等方面。

4）邊坡的坡高及坡率確定時應(yīng)對力學(xué)計算、生態(tài)理念、行車舒適性及安全性等因素綜合考慮，同時，邊坡加固設(shè)計應(yīng)當(dāng)遵循“減載、固腳、強(qiáng)腰”的原則。