山區(qū)鐵路路基邊坡工程防治分區(qū)研究

劉亞劍

(中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司武漢分公司,武漢 430074)

貴州省地形地貌、地質(zhì)條件復(fù)雜,鐵路建設(shè)過程中,高填方和深路塹邊坡時常發(fā)生災(zāi)變,對人民生命財產(chǎn)構(gòu)成重大威脅[1-2]。甕馬鐵路是一條國鐵Ⅱ級單線電氣化貨運鐵路,是貴州省鐵路規(guī)劃網(wǎng)中重要的地方資源外運新通道,同時也是貴州省第一條自建自營的地方貨運鐵路項目。甕馬鐵路南北延伸線馬場坪至都勻段上連甕馬鐵路和遵義至甕安鐵路,下接黔桂線,正線長39.438km,設(shè)站場6處,橋隧比約70%。沿線設(shè)路基37段,其中,新建都勻北站DK36+552.34～DK37+430段路基主要為挖方,局部為填方,軸線最大挖深36.3m,右側(cè)最大邊坡高65.6m;填方段軸線最大填方高15.0m。由于該段深挖高填,導(dǎo)致其邊坡穩(wěn)定性問題突出。

高邊坡穩(wěn)定性一直都是相關(guān)學(xué)者研究的重點課題,李雋蓬采用模糊綜合評判法進行邊坡穩(wěn)定性分析[3];謝強等發(fā)現(xiàn),鐵路邊坡開挖將引起坡頂(變坡點)張應(yīng)力和坡腳剪應(yīng)力集中,導(dǎo)致邊坡破壞[4];錢惠國等發(fā)現(xiàn)鐵路邊坡開挖形成后,受地質(zhì)和大氣環(huán)境等因素長期影響,邊坡穩(wěn)定性是一個動態(tài)變化過程[5]。因此,應(yīng)根據(jù)邊坡工程地質(zhì)特征,環(huán)境影響因素和穩(wěn)定狀態(tài),采取區(qū)別對待、分區(qū)防治的原則;另外,應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件的差異和監(jiān)測反饋的信息及時進行動態(tài)設(shè)計,指導(dǎo)信息化施工。

1 地質(zhì)概況

1.1 地形地貌及地層巖性

測區(qū)為低山溝谷地貌,地形起伏較大,植被發(fā)育。表層為第四系崩坡積黏土、含礫黏土、角礫土、碎石土,局部地段分布殘坡積粉質(zhì)黏土,古崩塌堆積塊石土,泥石流堆積塊石土及人工堆積素填土;下伏基巖分別為泥盆系上統(tǒng)望城坡組灰?guī)r、白云巖,泥盆系中統(tǒng)獨山組灰?guī)r、砂巖,局部夾頁巖。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造及地震動參數(shù)

測區(qū)位于揚子準地臺黔南臺陷貴定南北向構(gòu)造變形區(qū)北東部,區(qū)內(nèi)斷裂和構(gòu)造不發(fā)育,單斜產(chǎn)狀83°～85°∠43°～44°。巖體節(jié)理很發(fā)育至較發(fā)育,巖體極破碎至較完整。地震動峰值加速度為0.05g,地震動反應(yīng)譜特征周期0.35s,對應(yīng)抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度。場地類型為Ⅱ類。

1.3 水文地質(zhì)條件

測區(qū)地表水、地表徑流一般發(fā)育,受季節(jié)影響明顯,枯水季節(jié)水量較小,汛期地表水、地表徑流發(fā)育。主要有第四系松散層孔隙水、基巖裂隙水和碳酸鹽巖類巖溶水3種地下水類型。

根據(jù)地下水試驗結(jié)果,測段內(nèi)水質(zhì)類型為HCO3—Ca2+型,無氯鹽侵蝕性,無化學(xué)侵蝕性,無鹽類結(jié)晶破壞作用[6]。

2 不良地質(zhì)及特殊巖土

2.1 不良地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪、鉆探及物探成果,測區(qū)內(nèi)對路基邊坡穩(wěn)定性影響較大的不良地質(zhì)體主要為堆積體、泥石流、順層及不穩(wěn)定斜坡[7]。

(1)堆積體

對鐵路建設(shè)有影響的堆積體主要為2處古崩塌和坡積堆積體。DK35+835～DK36+773段堆積體長200～400m,寬938m,厚8～42m;DK36+968～DK37+486段堆積體長160～240m,寬750m,厚5～20m。堆積體現(xiàn)狀整體基本穩(wěn)定,若施工開挖,堆積體易發(fā)生失穩(wěn),對路線危害較大。

(2)泥石流

測區(qū)內(nèi)發(fā)育有2處距鐵路較近的泥石流堆積物,DK36+040～DK36+070段泥石流堆積物長150m,寬20～60m,厚1.0～2.0m,體積約9000m3;DK36+500段右側(cè)泥石流堆積物長120m,寬20～30m,厚1.0～2.0m,體積約4000m3。

(3)順層

DK36+795～DK36+970段邊坡長約175m,基巖為灰?guī)r、白云巖,存在軟弱夾層,巖層產(chǎn)狀85°∠44°,走向與線路夾角為11°,呈小角度斜交,為巖質(zhì)順層邊坡。邊坡開挖后可能發(fā)生順層滑動。

(4)不穩(wěn)定斜坡

DK37+270～DK37+350段不穩(wěn)定斜坡位于既有線隧道洞口西側(cè)80m,上覆崩坡積層塊石土,厚2.0～7.0m,堆積體長約100m,寬50～80m,厚3.0～8.0m,主要由塊石、碎石及黏土組成;下伏基巖為砂巖,強風(fēng)化層較厚,節(jié)理發(fā)育,巖體破碎,弱風(fēng)化層巖體較完整。邊坡開挖臨空后易發(fā)生失穩(wěn)。

2.2 特殊巖土

測區(qū)內(nèi)特殊巖土主要為膨脹土、軟土、松軟土及填土。膨脹土分布于DK36+545～DK36+750段,厚3.0～6.0m;軟土分布于DK36+750～DK36+800段,厚3.0～5.0m;松軟土分布于DK37+100～DK37+500段,厚3.0～5.0m;填土分布于DK35+480～DK35+780段,長280m,寬200m,厚10.0～30.0m。

3 路基工程防治分區(qū)

3.1 路基分段特征

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪、鉆探及物探成果,路基邊坡類型可分為土質(zhì)邊坡、巖質(zhì)邊坡及巖土混合邊坡。各評價單元的路基類型及邊坡基本特征見表1。

表1 路基邊坡段落分類統(tǒng)計 m

3.2 推薦巖土體物理力學(xué)指標

根據(jù)現(xiàn)場勘察及試驗成果[8],結(jié)合類似工程治理經(jīng)驗,并參照相關(guān)規(guī)范以及反算結(jié)果,推薦物理力學(xué)指標見表2。

表2 推薦巖土體物理力學(xué)指標參數(shù)

3.3 路基邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡穩(wěn)定性評價方法主要有定性分析法和定量分析法。其中,定性分析法可分為有過程機制分析法、工程類比法、圖解法及巖體質(zhì)量分級法;定量分析法可分為極限平衡法與數(shù)值分析法。定量分析法中,極限平衡法因其物理力學(xué)概念清晰,賦予相應(yīng)的邊(滑)坡穩(wěn)定安全系數(shù)標準后進行邊(滑)坡穩(wěn)定分析設(shè)計,操作簡便,為工程界普遍接受[9-10]。本研究對土質(zhì)邊坡主要采用剛體極限平衡法進行定量分析,采用赤平投影法對巖質(zhì)邊坡進行定性分析[11-12]。

采用剛體極限平衡法計算邊坡穩(wěn)定性時,未考慮動孔隙水壓力及靜孔隙水壓力的作用;降雨對路基穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)為增加下滑力和降低抗剪強度,采用勘察成果提供的暴雨工況下的巖土體物理力學(xué)指標進行計算;穩(wěn)定性計算選擇的斷面應(yīng)體現(xiàn)區(qū)段邊坡潛在變形失穩(wěn)模式、坡度、坡高、地層巖性、坡體結(jié)構(gòu)等特征。

(1)土質(zhì)邊坡

由表1可知,土質(zhì)邊坡共6段,其中挖方邊坡和填方邊坡各3段。挖方土質(zhì)邊坡開挖臨空后極易產(chǎn)生垮塌、滑移失穩(wěn);填方路堤若處理不當,易產(chǎn)生變形,側(cè)滑,潛在破壞模式均為弧形滑動。利用Geoslope計算軟件計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。天然工況邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)取1.25,暴雨工況邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)取1.20。

建模過程中,根據(jù)實際工程經(jīng)驗以及研究對象地質(zhì)情況,計算模型左側(cè)邊界至邊坡坡腳的距離應(yīng)≥1.5倍邊坡高度,右側(cè)邊界至邊坡坡頂距離應(yīng)≥2.5倍邊坡高度,模型高度應(yīng)≥2倍邊坡高度,典型斷面的地質(zhì)剖面見圖2～圖4,模型尺寸見圖5～圖10。邊界條件方面,采用位移邊界條件,即模型左右兩側(cè)約束X向位移,底部約束X向、Y向位移。

圖1 擬建路基全貌

圖2 DK36+242地質(zhì)剖面

圖4 DK37+160地質(zhì)剖面

圖5 正常工況 DK36+242穩(wěn)定性計算結(jié)果

圖3 DK36+363地質(zhì)剖面

圖6 暴雨工況DK36+242穩(wěn)定性計算結(jié)果

巖土體的重度、黏聚力及內(nèi)摩擦角取值見表2,彈性模量和泊松比參考規(guī)范推薦值和類似工程:塊石土彈性模量取0.5GPa,泊松比取0.35;含礫黏土彈性模量取0.3GPa,泊松比取0.35;灰?guī)r彈性模量取10GPa,泊松比取0.3。邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果見表3、圖5～圖10。

圖10 暴雨工況 DK37+160穩(wěn)定性計算結(jié)果

表3 土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

圖7 正常工況 DK36+663穩(wěn)定性計算結(jié)果

圖8 暴雨工況DK36+663穩(wěn)定性計算結(jié)果

圖9 正常工況 DK37+160穩(wěn)定性計算結(jié)果

(2)巖質(zhì)邊坡

DK36+795～DK36+967段為巖質(zhì)高邊坡,下伏基巖為灰?guī)r,巖層產(chǎn)狀83°～85°∠43°～44°,主要發(fā)育2組節(jié)理(J1:234°∠60°、J2:16°∠60°)。強風(fēng)化巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖體較破碎;弱風(fēng)化層巖體較完整,弱風(fēng)化層結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度一般。

以DK36+897橫斷面為例(見圖11),根據(jù)邊坡設(shè)計方案,按1∶1.5坡率放坡后,右側(cè)邊坡最高為65.6m,邊坡巖土類型為Ⅱ類,安全等級為一級。巖層走向與線路夾角11°,呈小角度斜交,路基開挖后右側(cè)形成的順向坡,巖層面視傾角大于開挖坡面角度,無不利結(jié)構(gòu)面及結(jié)構(gòu)面組合。受J1、J2結(jié)構(gòu)面組合切割的影響,邊坡巖體較破碎,易發(fā)生崩落,掉塊,見圖12。

圖11 DK36+897右邊坡地質(zhì)剖面

圖12 DK36+897右邊坡赤平投影

(3)巖土混合邊坡

巖土混合邊坡有DK36+967～DK37+070、DK37+285～DK37+430兩段,邊坡主要以巖質(zhì)為主,土層厚0～9.5m。上覆土體較松散,開挖臨空后土體極易產(chǎn)生垮塌失穩(wěn),破壞模式為圓弧形滑動,巖質(zhì)邊坡部分開挖臨空的基巖為弱風(fēng)化灰?guī)r,巖層面視傾角大于開挖坡面角度,有利于邊坡穩(wěn)定。巖土混合邊坡潛在滑體主要為表層覆蓋層,潛在滑帶為覆蓋層與基巖過渡帶,定量計算主要是針對表層覆蓋層的穩(wěn)定性,不考慮基巖結(jié)構(gòu)面。以DK37+000、QDK0+210橫斷面(見圖13,圖14)為例,計算正常工況(天然狀態(tài))和非正常工況I(暴雨或連續(xù)降雨狀態(tài))穩(wěn)定性系數(shù),穩(wěn)定性計算結(jié)果見表4。

圖13 DK37+0000地質(zhì)剖面

表4 巖土混合邊坡計算結(jié)果

圖14 QDK0+210地質(zhì)剖面

3.4 路基工程防治分區(qū)

(1)路基工程防治分區(qū)的原則

開展鐵路路基工程防治分區(qū),有利于針對不同路基工程分區(qū)特點,有針對性地采取工程措施,規(guī)避工程風(fēng)險。根據(jù)貴州省地形地貌復(fù)雜、邊坡災(zāi)害多發(fā)的工程實際,結(jié)合鐵路建設(shè)所面臨的路基高填深挖邊坡的安全穩(wěn)定問題,確定鐵路路基工程防治分區(qū)原則如下。

①第一級路基工程防治分區(qū):按照邊坡工程地質(zhì)條件、巖土體特征、邊坡類型、路基設(shè)計斷面、穩(wěn)定性和剩余下滑力,進行鐵路路基工程防治分區(qū)。

②第二級防治工程分區(qū)是防治亞區(qū):考慮邊坡失穩(wěn)的危害性和危險性,按照“區(qū)內(nèi)相似,區(qū)際相異”和“就高不就低”的分區(qū)原則,進一步細分亞區(qū)。

(2)依托工程防治分區(qū)

根據(jù)分區(qū)原則和計算分析結(jié)果,甕馬鐵路南北延伸線馬場坪至都勻段DK36+552.34～DK37+430段路基邊坡防治工程分區(qū)包括重點防治區(qū)(Ⅰ)、次重點防治區(qū)(Ⅱ)、一般防治區(qū)(Ⅲ)3種區(qū)級,在此基礎(chǔ)上細分為9個亞區(qū),分區(qū)及特征見表5及圖15。

圖15 邊坡防治分區(qū)平面示意

表5 路基工程防治分區(qū)

4 路基工程處理措施建議

根據(jù)既有研究成果[13-15]及相關(guān)規(guī)范[16-17],結(jié)合剩余下滑力等路基分區(qū)特征,對各類防治分區(qū)提出下列處治措施建議。

(1)重點防治區(qū)(Ⅰ):放緩邊坡,在路基右側(cè)分級設(shè)置抗滑支擋(錨索樁/樁板墻)對坡體進行加固,并施作坡面防護,同時加強坡面截排水措施。

(2)次重點防治區(qū)(Ⅱ):在路基兩側(cè)設(shè)置抗滑支擋(樁/擋墻),樁頂以上放緩邊坡并加固,同時完善防排水措施。

(3)一般防治區(qū)(Ⅲ):在路基兩側(cè)設(shè)置支擋(樁/擋墻)措施,加強坡面防護,并設(shè)計完善的防排水措施。

5 結(jié)語

(1)利用Geoslope計算軟件,采用剛體極限平衡法對土質(zhì)邊坡及巖土混合邊坡進行定量分析,采用赤平投影法對巖質(zhì)邊坡進行定性分析,獲取邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)。

(2)根據(jù)貴州省地形地貌復(fù)雜、邊坡災(zāi)害多的工程實際,結(jié)合鐵路建設(shè)所面臨的路基高填深挖邊坡的安全穩(wěn)定問題,提出鐵路路基工程防治分區(qū)原則。按照邊坡工程地質(zhì)條件、巖土體特征、邊坡類型、路基設(shè)計斷面、穩(wěn)定性和剩余下滑力,劃分第一級鐵路路基工程防治分區(qū);考慮邊坡失穩(wěn)的危害性和危險性,按照“區(qū)內(nèi)相似,區(qū)際相異”和“就高不就低”的分區(qū)原則,進一步細分亞區(qū)。