公路改擴(kuò)建工程既有高邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)分析

鐘偉珊

（廣東粵路勘察設(shè)計(jì)有限公司, 廣東 廣州 510000）

0 引言

公路作為主要的交通運(yùn)輸方式之一，對(duì)運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展極其重要。為滿足運(yùn)輸需要，部分公路需要進(jìn)行改擴(kuò)建，以適應(yīng)交通量增加的發(fā)展。在改擴(kuò)建過程中，公路既有高邊坡需要進(jìn)行防護(hù)加固處治，保障公路交通安全。當(dāng)前比較常用的邊坡防護(hù)技術(shù)主要為支擋防護(hù)和植被防護(hù)。支擋防護(hù)的原理是選用擋土墻或者石垛等支擋物保護(hù)路基，在邊坡周邊進(jìn)行臺(tái)階式開挖，之后將石垛層層砌筑在臺(tái)階上，達(dá)到拱式護(hù)坡的目的[1]。但該護(hù)坡方法的支擋設(shè)施體積往往比較大，美觀性相對(duì)較差，且與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)性欠佳。植被邊坡防護(hù)方法主要借助地基土壤涵養(yǎng)性的特點(diǎn)，在研究區(qū)高邊坡處種植樹木或鋪設(shè)草皮，對(duì)邊坡起到固土作用，但該方法主要適用于高邊坡侵蝕不嚴(yán)重的工程，且在植被的選擇中，需要嚴(yán)格考察當(dāng)?shù)氐耐寥琅c氣候環(huán)境，使得護(hù)坡流程較為復(fù)雜，限制了其實(shí)用性。通過以上分析，為確保公路改擴(kuò)建工程中高邊坡的穩(wěn)定與安全，該文以實(shí)際公路工程作為研究案例，通過分析工程地質(zhì)條件與施工前準(zhǔn)備，設(shè)計(jì)高邊坡防護(hù)方案，保證公路的暢通性與路基的安全性。

1 工程概況

G235國(guó)道豐順縣砂田豐埔橋三合段改建工程位于蓮花山脈中部，總體地勢(shì)北高南低，里程K1985+390至終點(diǎn)高程相對(duì)平緩，地形坡度一般為10~25°。項(xiàng)目擬建場(chǎng)地位于一個(gè)相對(duì)發(fā)達(dá)且平緩的山區(qū)，山體表面多被天然林和人工林覆蓋，植被覆蓋率一般在90%以上，綠地面積較大，自然環(huán)境質(zhì)量等級(jí)較高。斜坡的地質(zhì)和土壤性質(zhì)主要為侏羅系上統(tǒng)兜嶺群(J3dLπ)和燕山三期花崗巖（Y52(3)），分布于整個(gè)過程區(qū)域。由于常年經(jīng)受風(fēng)沙等侵蝕，形成強(qiáng)風(fēng)化巖體，呈節(jié)理式發(fā)育形態(tài)，表面存在較多不規(guī)則裂縫，巖質(zhì)較軟，可塑性極強(qiáng)；表面巖體受到風(fēng)力與重力侵蝕較嚴(yán)重，在路塹開挖施工中易出現(xiàn)崩解、軟化等現(xiàn)象，繼而阻礙施工進(jìn)程和降低工程質(zhì)量；斜坡周圍巖性為第四系黏性土，其中摻雜少量腐殖土與全風(fēng)化覆蓋層，平均厚度為2.3 cm，由外向內(nèi)分別為卵石的堆積土、軟泥灰?guī)r、重巖土和密實(shí)性黃土，植被發(fā)育形態(tài)良好。根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告顯示，邊坡處一類土與四類土的巖層產(chǎn)狀為255~277 °，層面與坡面之間的夾角為52.3 °，角度相對(duì)較陡，地層與節(jié)理面條件對(duì)工程高邊坡的穩(wěn)定性具有較大影響。

對(duì)既有邊坡的原有防護(hù)措施進(jìn)行檢查與分析可知，雖然在水平與垂直設(shè)計(jì)中最大限度地降低了邊坡的高度，但由于一些區(qū)段存在較為頻繁的開挖與填土交替施工，且自然邊坡的坡率較大，極易出現(xiàn)滑坡的危險(xiǎn)[2]。因此，為保證路基邊坡的穩(wěn)定性，防止公路邊坡發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，需要進(jìn)一步完善高邊坡的防護(hù)措施，對(duì)既有高邊坡的加固與防護(hù)方案進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。

2 邊坡防護(hù)方案設(shè)計(jì)

既有邊坡的防護(hù)設(shè)計(jì)中，通常采用多區(qū)域加固的方法，通過增加邊坡高度以達(dá)到穩(wěn)定地基的目的，但該施工工程不僅會(huì)對(duì)原邊坡造成破壞，還會(huì)影響邊坡本身的穩(wěn)定性。同時(shí)，既有邊坡的坡率較大，可供開挖的平臺(tái)面積較小，增大機(jī)械上坡開挖的難度，從而導(dǎo)致大量碎石殘?jiān)鼰o法被有效處理[3]。除此之外，在公路改擴(kuò)建施工過程中，公路的主要通道仍需要通車，傳統(tǒng)防護(hù)技術(shù)易對(duì)交通車輛造成安全隱患。故通過上述分析，該文對(duì)有交通運(yùn)輸需求的改擴(kuò)建公路工程邊坡防護(hù)措施進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

2.1 邊坡計(jì)算參數(shù)選取

由于工程邊坡的土質(zhì)巖體性質(zhì)較差，對(duì)其開挖后容易降低邊坡本身的穩(wěn)定性，所以為最大程度地保證邊坡的安全，施工前需選擇邊坡計(jì)算參數(shù)，使邊坡防護(hù)安全系數(shù)指標(biāo)在合理范圍內(nèi)。

巖體強(qiáng)度參數(shù)是根據(jù)地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)和以往類似工程的經(jīng)驗(yàn)確定的，確定巖體強(qiáng)度參數(shù)的過程涉及地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)和以往類似工程的經(jīng)驗(yàn)。地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)包括對(duì)巖石結(jié)構(gòu)、巖性特征、巖體內(nèi)存在的節(jié)理和裂縫等進(jìn)行詳細(xì)觀測(cè)和測(cè)試的結(jié)果。同時(shí)，以往類似工程的經(jīng)驗(yàn)也是確定巖體強(qiáng)度參數(shù)的重要依據(jù)。通過研究相似巖體的行為和反應(yīng)，人們可以獲得寶貴的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將其應(yīng)用于當(dāng)前工程項(xiàng)目中。確定合適的巖體強(qiáng)度參數(shù)，將其用于工程設(shè)計(jì)和分析，以確保項(xiàng)目的安全性和成功實(shí)施。該工程設(shè)計(jì)計(jì)算指標(biāo)采用值如表1所示：

表1 邊坡計(jì)算參數(shù)

通過表1可知，巖土類型的凝聚力值范圍為20 kPa到45 kPa，內(nèi)摩擦角在18~46 °之間變化，且容重有所差異，表明了不同巖土類型之間在凝聚力、內(nèi)摩擦角和容重方面存在較大的變化。這些參數(shù)的差異影響巖土的力學(xué)特性和穩(wěn)定性。將表1中的邊坡計(jì)算參數(shù)作為邊坡的控制斷面指標(biāo)，用于邊坡不同層次防護(hù)方案的參考數(shù)值[4]。此外，考慮到該工程現(xiàn)有邊坡土體多為風(fēng)化砂巖，透水性強(qiáng)，易發(fā)生局部坍塌，在初步確保邊坡整體穩(wěn)定的條件下，采用一定措施對(duì)坡腳進(jìn)行加固防護(hù)，以同時(shí)滿足邊坡整體與局部穩(wěn)定性的要求。

2.2 擬定邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)方案

工程項(xiàng)目路塹邊坡的數(shù)量多達(dá)206處，且邊坡高度均不相同，為簡(jiǎn)化施工流程，強(qiáng)化防護(hù)效果，方案設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)邊坡類別與高度，將所有邊坡劃分為H≥30 m和H<30 m兩部分，參照高邊坡防護(hù)工程的技術(shù)原則，結(jié)合邊坡計(jì)算指標(biāo)的選擇，為保證高邊坡安全的同時(shí)兼顧與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)性，擬在第一層和第二層采用預(yù)應(yīng)力錨索，第三層和第四層采用預(yù)應(yīng)力鋼筋與鋼絲網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)，如圖1所示。

圖1 改擴(kuò)建公路既有邊坡的防護(hù)設(shè)計(jì)方案

上述邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)方案可減少開挖土方量和現(xiàn)有混凝土拆除量，減少施工項(xiàng)目對(duì)周圍環(huán)境的不利影響。根據(jù)邊坡防護(hù)方案，接下來研究其施工技術(shù)。

3 邊坡防護(hù)施工工藝

施工期間檢查現(xiàn)場(chǎng)條件和機(jī)械設(shè)備，確保施工過程不會(huì)影響交通。根據(jù)設(shè)計(jì)的邊坡防護(hù)方案，該工程邊坡防護(hù)施工技術(shù)主要包括邊坡鉆爆開挖、鉆孔、鋼筋布置、預(yù)應(yīng)力錨索張拉、鋼錨管加工和灌漿。具體流程如下：

3.1 邊坡鉆爆開挖

爆破開挖主要采用遞進(jìn)式水平臺(tái)階開挖。鉆爆開挖前，應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)邊坡的爆破作業(yè)程序和開挖原則進(jìn)行鉆爆，臺(tái)階的高度應(yīng)控制在30~50 cm之間，寬度為高度的1/3，利用鑿鉆機(jī)在臺(tái)階上均勻鉆孔，相鄰孔距不得超過5 cm。炮孔方向要與臺(tái)階壁位于同一水平面上，且其方向的延長(zhǎng)線要與土層的節(jié)理方向盡可能大角度相交。

巖石開挖后，對(duì)邊坡進(jìn)行處理，保證邊坡表面始終為光滑、平直狀態(tài)，且邊坡上沒有碎石與松動(dòng)的巖體。當(dāng)邊坡開挖部分影響到其余部分的巖體穩(wěn)定性時(shí)，應(yīng)利用堆砌巖石進(jìn)行加固修復(fù)[5]。當(dāng)開挖深度達(dá)到3~5 cm后，采用人工或?qū)Ｓ闷餍敌拚_挖坡面，硬巖和次硬巖邊坡采用爆破孔法和明裝藥法清理，同時(shí)清除危巖和松動(dòng)巖，保證清理后的石質(zhì)路塹邊坡不陡于設(shè)計(jì)值。

3.2 鉆孔

鉆孔與錨桿材料質(zhì)量的選擇是邊坡防護(hù)技術(shù)的核心部分，對(duì)于放置錨栓的孔，可以選擇氣槍鉆孔，以保證錨栓軸線能夠與邊坡巖體破裂面的相交角度達(dá)到最大值。鉆孔期間要保證鉆進(jìn)方向始終與坡面垂直，使得成孔之后的孔狀為圓形[6]?？讖酱笮】刂圃?5~18 mm范圍內(nèi)，孔深最大允許偏差為50 mm。鉆孔完成后，應(yīng)清理孔，并使用高壓風(fēng)管清理孔內(nèi)的殘余灰塵和碎屑，以確保孔的整體清潔。

3.3 布設(shè)鋼筋

鋼筋的放置應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理的監(jiān)督下進(jìn)行。所有鋼筋均應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)一制作，鋼筋放置過程中誤差不得超過50 mm，以確保其整齊和準(zhǔn)確；鋼絲網(wǎng)采用2 mm的普通鍍鋅鐵絲網(wǎng)，網(wǎng)間距20 cm；綁線應(yīng)為Φ1 mm的普通鋼線。錨桿鉆孔、安裝鋼絲網(wǎng)骨架前，應(yīng)按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行掛線放線，確保施工質(zhì)量[7]。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將鋼絲網(wǎng)骨架水平放置在邊坡的預(yù)應(yīng)力錨桿上，將兩者的接觸部位利用尼龍繩進(jìn)行綁扎，然后沿著鐵絲網(wǎng)的長(zhǎng)度，每30 m直接焊接一個(gè)襯砌框架，這樣錨筋可以在一個(gè)截面中組裝，從而將錨桿的拔出力控制在最低，防止對(duì)鋼筋網(wǎng)造成損壞。此外，注漿管應(yīng)等間距地安裝在錨桿上，并利用鐵絲將注漿管與錨桿進(jìn)行牢固捆綁，同時(shí)在錨桿表面涂抹工業(yè)用防水膠，以防止泥土或其他碎屑侵蝕錨桿。

3.4 預(yù)應(yīng)力錨索張拉

預(yù)應(yīng)力錨索張拉施工時(shí)，應(yīng)注意錨具的擺放、使用及處理等工作流程。在張拉過程中，根據(jù)錨具的質(zhì)量與技術(shù)參數(shù)，嚴(yán)格控制錨索的伸長(zhǎng)值。對(duì)于該工程而言，施工中選取的錨具質(zhì)量約為90 kg，最大矯正值為3.2，故張拉值取矯正值的1/3，即1.2左右，并采用分級(jí)張拉的方式，且保證每次張拉工程中的相關(guān)值均在合理范圍內(nèi)。預(yù)應(yīng)力錨索張拉施工完成2 d后，進(jìn)行一次補(bǔ)償張拉，之后鎖定。

3.5 鋼錨管加工

首先，錨桿框架采用兩根3.2 m×2.5 m的鋼筋預(yù)制網(wǎng)格梁，網(wǎng)格梁之間采用3束鋼絞線綁扎，同時(shí)，保證錨固段不小于10 m，錨桿鋼筋直徑為Φ32 mm。在鋼錨管底部無縫焊接一個(gè)直徑6 mm、厚度3 mm的鋼板，且在鋼板中央預(yù)留一個(gè)Φ20~22 mm的圓孔；其次，將由鋼筋制作的Φ16 mm三角支架置于鋼板下方，起到支撐固定作用，并采用專用膠帶在鋼錨管表面纏縛2~3層，防止孔內(nèi)出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。纏縛時(shí)應(yīng)注意管壁的清潔，并利用抹刀壓平膠帶；最后，對(duì)注漿管進(jìn)行處理[8]。注漿管采用兩根Φ20~22 mm PVC管，在管內(nèi)距管口6 mm處布設(shè)一排矩形孔洞，洞徑3~5 mm即可。兩根注漿管利用螺紋鋼絲連接。灌漿（劈裂灌漿）時(shí)，鋼錨管口用鋼蓋密封，并預(yù)留排氣閥。

3.6 注漿

預(yù)應(yīng)力錨索施工與鉆孔施工完成后，先采用0.2~0.4 MPa的高速風(fēng)壓機(jī)對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行清理，使后續(xù)機(jī)械能注漿施工。漿液材料主要為M40水泥砂漿，原材料包括30.6 R的高強(qiáng)度水泥、粗砂與自來水，含泥量不超過300。水灰比宜為0.38~0.5，灰砂比宜為0.8~1.5，應(yīng)通過試驗(yàn)確定，可在其中加入少量速凝劑與早強(qiáng)劑，加速漿液拌制。灌漿應(yīng)在成孔后6 h內(nèi)進(jìn)行，且應(yīng)混合均勻，確保隨時(shí)可用。灌漿采用孔底返漿法進(jìn)行，即灌漿過程中，灌漿管從孔底緩慢抽出，孔口灌漿10~15 s后才能停止灌漿。第一次錨桿注漿的壓力控制為1.0~1.2 MPa。第二次注漿的壓力為1.5~1.8 MPa。分段灌漿法可以緩解應(yīng)力集中，大大改善黏結(jié)內(nèi)錨段的應(yīng)力狀態(tài)，防止內(nèi)錨頭損壞，提高錨固效率，增強(qiáng)錨固效果。

4 施工效果分析

為整體評(píng)價(jià)利用設(shè)計(jì)的邊坡防護(hù)方案對(duì)該改擴(kuò)建公路工程邊坡進(jìn)行防護(hù)后的邊坡穩(wěn)定性，在施工區(qū)段的各級(jí)邊坡平臺(tái)設(shè)立2個(gè)邊坡觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)邊坡剖面進(jìn)行穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。

公路改擴(kuò)建工程既有邊坡防護(hù)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要按照相關(guān)工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范，采取邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs這一指標(biāo)對(duì)上述施工效果進(jìn)行評(píng)估。穩(wěn)定性系數(shù)是衡量邊坡穩(wěn)定性的指標(biāo)，表示邊坡的抗滑能力與滑動(dòng)力之間的平衡關(guān)系。穩(wěn)定性系數(shù)越大，邊坡的穩(wěn)定性越好，其計(jì)算公式如下：

式中，B——高邊坡的最大寬度；H——高邊坡的后緣高度。

由于該文所研究的工程為鍋爐改擴(kuò)建項(xiàng)目，因此，參照設(shè)計(jì)要求，確定在正常工況下，邊坡的安全系數(shù)為1.25，非正常工況下（氣候條件為暴雨或者連續(xù)降雨），邊坡的安全系數(shù)為1.15。通過計(jì)算，得到施工后該工程邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)如表2所示：

表2 邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

通過表2中的數(shù)據(jù)可知，在正常工況下，剖面1的穩(wěn)定性系數(shù)為1.34，剖面2為1.42，剖面3為1.47；在非正常工況下，穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.21、1.26和1.33；該改擴(kuò)建公路工程邊坡采用防護(hù)方案進(jìn)行加固后，邊坡在正常工況下和非正常工況下的穩(wěn)定性安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，邊坡處于較穩(wěn)定狀態(tài)。說明采用設(shè)計(jì)的邊坡防護(hù)方案是合理可行的。

5 結(jié)語

公路改擴(kuò)建工程是一項(xiàng)極其復(fù)雜的工程，其中路基高邊坡防護(hù)是工程中的基礎(chǔ)施工，直接關(guān)系到公路的運(yùn)行安全。該文基于公路改擴(kuò)建工程概況，結(jié)合既有高邊坡實(shí)際情況對(duì)邊坡防護(hù)技術(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，從而選擇對(duì)應(yīng)的施工工藝，使得邊坡防護(hù)可以滿足公路運(yùn)輸使用，并推動(dòng)公路工程的健康發(fā)展。