跨斷層破碎區(qū)高路塹邊坡施工穩(wěn)定性分析及監(jiān)測方案

申夢龍，段小健，方存星

（中交第二航務(wù)工程有限公司，湖北武漢430000）

0 引言

隨著公路邊坡工程建設(shè)的發(fā)展，不同地質(zhì)條件下的高邊坡穩(wěn)定性分析一直是研究的重點方向。通過地質(zhì)斷層兩盤之間相互運(yùn)動使附近巖石破碎產(chǎn)生與斷層面大致平行的斷層破碎帶軟弱夾層，其力學(xué)強(qiáng)度、變形模量及抗壓強(qiáng)度較低，導(dǎo)致在施工開挖過程中容易使邊坡受力穩(wěn)定性變差，產(chǎn)生不利的應(yīng)力變形，形成潛在的土體滑動面，從而導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生開裂、變形失穩(wěn)或引發(fā)滑塌等災(zāi)害。因此，研究在斷層破碎帶地質(zhì)條件下的公路邊坡施工穩(wěn)定性監(jiān)測及分析具有重要意義。

相關(guān)學(xué)者也對施工過程中的路塹邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。例如劉宏力等[1]通過對某高速公路斷層破碎帶邊坡的設(shè)計變更、施工過程變形開裂及治理，分析了斷層破碎帶對公路邊坡工程穩(wěn)定性的影響，得出失穩(wěn)邊坡的特征，并提出失穩(wěn)邊坡下滑力較大時采用抗滑樁支擋是最理想的處治措施。張殿義[2]利用有限元模型對斷層破碎帶順層巖質(zhì)高路塹邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析評價，得出影響該類邊坡失穩(wěn)因素主要為其破碎帶軟弱夾層強(qiáng)度較低，并結(jié)合外界降雨下滲導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)。秦浩、陳千尋等[3]通過利用三維彈塑性有限元模型來模擬含破碎巖體邊坡開挖過程位移變形，并結(jié)合現(xiàn)場邊坡施工地質(zhì)數(shù)據(jù)和實測位移數(shù)據(jù)來反分析計算參數(shù)，從而得到最接近實際的最優(yōu)模型計算參數(shù)，為復(fù)雜地質(zhì)條件下信息化施工設(shè)計提供了一種新方法。因此，針對風(fēng)險因素，除了對高邊坡制定對應(yīng)的施工方案和處治措施，還應(yīng)結(jié)合邊坡變形監(jiān)測進(jìn)行穩(wěn)定性分析和預(yù)警。

當(dāng)前，相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和完善使得監(jiān)測效率與精確程度得到提高，如采用自動化設(shè)備、結(jié)合北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的GPS技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及三維激光掃描技術(shù)等方式，這些技術(shù)的使用結(jié)合傳統(tǒng)方法使得對邊坡監(jiān)測過程中能夠及時預(yù)測與分析邊坡變形趨勢，并指導(dǎo)于優(yōu)化施工方法，從而避免邊坡出現(xiàn)垮塌等嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害。

本文以靖黎高速K44+960—K45+210 段斷層破碎帶高路塹邊坡為研究對象，針對斷層破碎帶的特性對典型高路塹邊坡施工穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析計算，并根據(jù)分析結(jié)果制定相應(yīng)的監(jiān)測方案，最后通過實地監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)來分析說明斷層破碎帶對邊坡穩(wěn)定性影響的變化規(guī)律，其結(jié)果可為高路塹邊坡施工方案制定、優(yōu)化及監(jiān)測方案的編制提供指導(dǎo)。

1 工程概況與分析模型

1.1 工程概況

靖黎高速公路第三合同段起于靖州縣平茶鎮(zhèn)，終點位于湘黔界的界牌，路線全長15.893km。本項目地處云貴高原東部斜坡邊緣，雪峰山脈西南端。項目區(qū)位于低山丘陵地質(zhì)區(qū)，地形起伏變化較大，地層巖性較為單一，但風(fēng)化程度變化較大，路線所經(jīng)走廊帶主要地貌為構(gòu)造剝蝕低山、丘陵地貌，微地貌為低山丘陵間盆地、河谷、溝谷地貌。地勢整體南西側(cè)高、北東低，山體走向多為北東向，山坡自然坡度在30～45°之間，標(biāo)高多在400～600m 之間。其中，F(xiàn)2 正斷層與線路于K45+300m 處以40°夾角斜交，正斷層產(chǎn)狀為130～150°∠70°，斷層影響范圍60～100m。受構(gòu)造影響，該段巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育、劈理發(fā)育、巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，構(gòu)造范圍內(nèi)出漏碎石土、軟弱夾層、碎裂巖。

1.2 設(shè)計情況

項目設(shè)計土質(zhì)邊坡垂直挖方高度超過20m或巖質(zhì)邊坡垂直挖方高度超過30m 定義為深路塹。K44+960—K45+210段邊坡全長250m，本段整體地形起伏較大，地質(zhì)地層主要由粉質(zhì)黏土和風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖構(gòu)成。邊坡最大挖方處位于K45+040 處，約60m，一級坡率為1∶0.75，二～六級坡率為1∶1.1，一、二、三級邊坡的邊坡防護(hù)形式主要采用錨索框架梁鍍鋅鐵絲網(wǎng)植草防護(hù)、錨桿框架梁鍍鋅鐵絲網(wǎng)植草防護(hù)，其他級邊坡防護(hù)形式主要采用拱形骨架鍍鋅鐵絲網(wǎng)護(hù)坡、TBS植物護(hù)坡等形式護(hù)坡。

1.3 分析模型

施工開挖時的擾動和卸荷作用會對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響，邊坡在施工中采用“分級開挖，分級支護(hù)”的原則，但實際操作中因天氣等不確定因素的影響，難以完全及時進(jìn)行支護(hù)施工，因此開挖過程對邊坡的穩(wěn)定性影響不容忽視。在風(fēng)險系數(shù)較高的邊坡開挖中，先進(jìn)行模擬計算，得到最不利條件，可輔助制定相關(guān)預(yù)案，做到有的放矢。

在本次數(shù)值模擬中，采用MIDAS/GTS巖土數(shù)值分析軟件，其適用于斷層邊坡穩(wěn)定性分析計算，且可以較好地進(jìn)行復(fù)雜地質(zhì)情況的受力及相關(guān)工程場景分析，同時具有自動劃分網(wǎng)格、映射網(wǎng)格等高級網(wǎng)格劃分功能。邊坡主體采用摩爾-庫倫單元模型，根據(jù)選定邊坡的實際工程數(shù)據(jù)和設(shè)計勘察資料對其進(jìn)行簡易化設(shè)置。邊坡破碎帶軟弱夾層埋深8.41m，傾角順坡向10°，層厚1.5m，采用軟蠕變單元模型。該邊坡開挖模型最終建立尺寸為高81.4m，長156.52m，共建立1 930個單元網(wǎng)格。

在模型邊界約束條件上，由于采動影響范圍有限，在離邊坡較遠(yuǎn)處巖體位移值將很小，可將計算模型邊界處位移視為零。因此，模型計算域邊界采取位移約束，即模型底部所有節(jié)點采用X、Z兩個方向約束，兩側(cè)采用X方向約束。在地應(yīng)力設(shè)置方面，由于產(chǎn)生地應(yīng)力的因素十分復(fù)雜，至今無法通過數(shù)學(xué)計算或模型分析方法得到地應(yīng)力的大小和方向。在參考了相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合邊坡實際構(gòu)造，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力均取值為1。

深挖路塹邊坡施工采用“橫向分層、縱向分段，階梯掘進(jìn)、逐級開挖、逐級防護(hù)”的方式。結(jié)合邊坡實際情況，在模型建立中共分6次模擬開挖卸載對邊坡穩(wěn)定性的影響情況。其中，1、2、3 次開挖時開挖邊界位于軟弱夾層之上，4、5、6 次開挖時開挖邊界位于軟弱夾層之下，模型圖如圖1所示。數(shù)值分析采用有限差分強(qiáng)度折減法，模擬了邊坡開挖全過程邊坡體的受力等情況，從而分析開挖過程對穩(wěn)定性的影響。

圖1 邊坡開挖數(shù)值模擬圖

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡開挖位移規(guī)律分析

利用MIDAS/GTS 巖土數(shù)值分析軟件計算分析邊坡初識狀態(tài)以及各分級開挖過程中的位移，依據(jù)計算結(jié)果可知：

（1）邊坡在初始狀態(tài)下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，若無任何防護(hù)措施邊坡極易發(fā)生坍塌。計算模型可知初始狀態(tài)水平位移最大為0.296m，最大位置位于坡腳位置；豎向位移最大為8.76cm，最大位置位于坡頂斜坡中部。

（2）完成第二步開挖后，水平位移和豎向位移分別為7.5cm，1.29cm，相較初始狀態(tài)分別減少74.66%，85.27%，說明開挖產(chǎn)生的卸荷作用對加強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性起積極作用。

（3）第三步至第六步邊坡開挖過程中，邊坡最大水平和豎向位移有所增大，但整體為下降趨勢，最大水平位移量由18.41cm 降至11.27cm，最大豎向位移量由7.24cm 降至4.39cm，水平最大位移位置從原來的坡腳位置轉(zhuǎn)移到道路軟弱面露出位置，豎向最大位移位置則由坡頂斜坡中部轉(zhuǎn)移至原始邊坡坡頂位置。

2.2 邊坡開挖塑性區(qū)規(guī)律分析

依據(jù)MIDAS/GTS巖土數(shù)值分析軟件計算，邊坡在初始狀態(tài)下的安全性系數(shù)為0.969，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。潛在滑動面位于坡頂?shù)狡履_的圓弧面上，塑性區(qū)開展位于坡頂?shù)狡履_的大部分區(qū)域以及中風(fēng)化巖的部分區(qū)域。

第一步開挖后，邊坡安全性系數(shù)提升不明顯，由0.969 提升至0.971，但是塑性區(qū)范圍發(fā)生了較大變化。主要由于開挖的擾動作用破壞了邊坡原有的狀態(tài)，塑性區(qū)有了明顯的變化，此刻正處于動態(tài)的平衡調(diào)整過程；第二至第三步開挖時，邊坡穩(wěn)定性逐漸提升，安全性系數(shù)分別為1.05和1.21，邊坡穩(wěn)定性呈逐步上升趨勢，塑性區(qū)較第一次開挖有減小趨勢；第四至第六步開挖時，邊坡開始出現(xiàn)雙潛在滑移面，分別位于軟弱面露出位置以及坡腳位置到坡頂?shù)膱A弧上，可明顯看出軟弱面出露位置剪應(yīng)力增大明顯，安全性系數(shù)略有降低但仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，塑性區(qū)開始向坡腳位置延伸。

結(jié)合位移變化規(guī)律來看，雖然在開挖完成后邊坡會逐步趨于穩(wěn)定狀態(tài)，但在開挖過程中邊坡仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。破碎軟弱帶位置及坡頂位置位移變化相較初始狀態(tài)有所增大，有向外位移的趨勢。并且隨著開挖進(jìn)程破碎帶軟弱面受剪應(yīng)力和塑性變形增大，連接坡頂?shù)膱A弧部分有潛在滑移趨勢。坡腳處的位移變形及剪應(yīng)變強(qiáng)度也相對較大。因此，需要在實際開挖過程中，結(jié)合前文的數(shù)值模擬情況及主要危險區(qū)域位置，對破碎軟弱夾層位置及坡腳處進(jìn)行監(jiān)測，防止出現(xiàn)邊坡滑移現(xiàn)象。

3 監(jiān)測方案制定與分析

結(jié)合穩(wěn)定性計算分析結(jié)論，在實際施工過程中，針對此高路塹邊坡制定對應(yīng)的監(jiān)測方案，并通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析邊坡的位移變形趨勢，以達(dá)到預(yù)防滑坡等災(zāi)害的目的。

3.1 監(jiān)測方案制定

根據(jù)現(xiàn)場實際狀況，監(jiān)測指標(biāo)主要為地表位移和深層位移兩項，并結(jié)合現(xiàn)場巡查結(jié)果對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。地表位移觀測點采用C25 水泥混凝土預(yù)制樁，以邊坡挖方高度最高點斷面為基準(zhǔn)斷面，向兩邊每40m布設(shè)一個觀測樁，在每級平臺處布置2～3 個，平臺間交錯布置，總計布設(shè)25 個觀測樁。對處在破碎軟弱夾層附近平臺處可以適當(dāng)加密布置數(shù)量。深層位移觀測點主要為埋設(shè)測斜管，布置在平臺的典型斷面處，總計布設(shè)3 根，由于前期計算中第3 級平臺位置為滑動帶出露，因此在第三級平臺位置布置2 根，樁號分別為K45+000 處斷面和45+040 處斷面上。在K45+040 斷面坡腳位置處也布置1根，加強(qiáng)對斷面的監(jiān)控。地表位移監(jiān)測點與深層位移監(jiān)測點應(yīng)隨邊坡施工開挖進(jìn)度及時埋設(shè)點位，從而及時了解邊坡位移變化規(guī)律。對于地表觀測點，除了滿足尺寸及埋深要求外，頂部應(yīng)安裝強(qiáng)制對中裝置，保證觀測在誤差范圍之內(nèi)。

現(xiàn)場巡查頻率在施工期一周巡查3～4 次，主要是對邊坡是否出現(xiàn)裂縫、坍塌、下陷或坡體變形等情況進(jìn)行調(diào)查，地表位移和深層位移的監(jiān)測周期與降雨量相對應(yīng)；旱季和少雨季每周觀測1次，雨季則根據(jù)實際天氣情況安排觀測時間，雨后數(shù)天內(nèi)每天觀測1次。

3.2 水平位移監(jiān)測分析

該邊坡于2020 年8 月開始施工開挖，隨著施工進(jìn)度逐步布設(shè)監(jiān)測點，在此選取2020 年9 月至2020 年11月布設(shè)在破碎軟弱帶附近的監(jiān)測點G5、第一級平臺處的G13觀測點分析，截取部分監(jiān)測數(shù)據(jù)對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。結(jié)合之前模擬計算結(jié)果可知，在實際開挖過程中位移變化基本符合模擬計算結(jié)果規(guī)律。

監(jiān)測點G5 最大水平位移累計值為95.3mm，監(jiān)測點G13 最大水平位移累計值為60.5mm。由于邊坡施工開挖時處于雨季，且G5 點處于破碎軟弱夾層帶上，因此該點在上層邊坡開挖過程中受到施工和降雨影響較大，累計水平位移增速較快，后期隨著逐漸向下開挖增速放緩。G13處于坡腳位置，隨著上層開挖卸荷作用，受力作用減小，累計位移增速也逐漸減小。

結(jié)合之前模擬計算結(jié)果可知，在實際開挖過程中位移變化基本符合模擬計算結(jié)果規(guī)律。整個開挖過程中，坡腳由于卸荷影響受力減小，穩(wěn)定性增加，累計位移變化減??；處于破碎帶上的監(jiān)測點累計位移逐漸比坡腳位置的監(jiān)測點累計位移變化量增加，說明開挖過程中破碎帶附近受剪應(yīng)力強(qiáng)度增大，穩(wěn)定性減弱，有向外位移的趨勢。因此需要做相應(yīng)的坡面防護(hù)，防止雨水等外界因素影響，導(dǎo)致破碎軟弱區(qū)域沿滑動面產(chǎn)生失穩(wěn)滑坡災(zāi)害。

3.3 深層位移監(jiān)測分析

由于K45+040處為最大挖方深度且前期計算時第三級臺階處存在滑移趨勢，對處于該點CX1 孔的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由于施工開挖擾動影響和雨水沖刷導(dǎo)致破碎軟弱夾層位置強(qiáng)度降低，影響邊坡整體穩(wěn)定性。因此，CX1 點在9 月份位移變化量較大且存在突變點，在后續(xù)9、10月份施工方對邊坡整體及時做了相應(yīng)的防護(hù)和排水措施，且未發(fā)生較大的降雨，使位移變化量逐漸降低，邊坡位移降低。

4 結(jié)論

邊坡的穩(wěn)定性控制是工程施工的關(guān)鍵問題之一，其影響因素也非常多。本文結(jié)合靖黎高速第三合同段K44+960—K45+210 段高路塹邊坡施工，采用數(shù)值模擬的方法對路塹邊坡在施工過程中的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并結(jié)合實際觀測數(shù)據(jù)對數(shù)值模擬、監(jiān)測方案進(jìn)行了佐證，主要結(jié)論有：

（1）結(jié)合地勘數(shù)據(jù)可采用MIDAS/GTS 巖土數(shù)值分析軟件對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，對跨斷層破碎區(qū)邊坡滑動區(qū)域較普通邊坡有所區(qū)別，方案的編制需計算分析后確定。

（2）K44+960—K45+210 段高路塹邊坡監(jiān)測方案可行，通過對邊坡開展監(jiān)測可明晰各個時期邊坡位移情況，在施工過程中根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)完善不同時期的邊坡處理或加固處治措施。