寬平臺(tái)在深挖路塹邊坡防護(hù)中的應(yīng)用

■劉志強(qiáng)

（長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，福州 350000）

我國(guó)東南部山區(qū)高速公路的建設(shè)過(guò)程中，受制于路線走廊及地形地貌條件等因素，深挖路塹邊坡數(shù)量多、規(guī)模大。 按照J(rèn)TG D30—2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，對(duì)土質(zhì)挖方邊坡高度大于20 m、石質(zhì)挖方邊坡高度大于30 m 的路塹段落均需進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。 由于直臨高速公路，深挖路塹邊坡一旦發(fā)生滑動(dòng)、崩塌等破壞，輕則中斷交通，重則直接威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全，因此深挖路塹段邊坡的防護(hù)設(shè)計(jì)十分重要。 目前常規(guī)的邊坡加固技術(shù)已較為成熟，在此基礎(chǔ)上，本文以福建泉州某山區(qū)高速公路邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)為例，通過(guò)對(duì)比常規(guī)邊坡加固方案，進(jìn)一步對(duì)寬平臺(tái)在巖土質(zhì)結(jié)構(gòu)深挖路塹邊坡防護(hù)中的應(yīng)用展開(kāi)探討，以期達(dá)到提高邊坡防護(hù)安全性、經(jīng)濟(jì)性的有益效果。

1 工程概況

擬建項(xiàng)目位于福建省泉州市安溪縣，道路等級(jí)為高速公路。場(chǎng)區(qū)屬低山丘陵地貌，地形高低起伏較大，植被較為發(fā)育。 路塹邊坡位于線路樁號(hào)K48+970～K49+230 右側(cè)，邊坡長(zhǎng)度約260 m，為七級(jí)二元結(jié)構(gòu)邊坡，最大上邊坡高度約58 m，平面展示圖見(jiàn)圖1。場(chǎng)區(qū)坡地表層為全風(fēng)化花崗巖，下伏底層為砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖及中風(fēng)化花崗巖。 場(chǎng)區(qū)未見(jiàn)活動(dòng)性斷裂構(gòu)造，未見(jiàn)滑坡、崩塌、泥石流、采空區(qū)、巖溶等其他不良地質(zhì)作用，現(xiàn)狀整體保持穩(wěn)定。

圖1 深挖路塹平面圖

地層巖性分述如下：（1）全風(fēng)化花崗巖，褐土黃色，巖芯呈砂土狀，手折易散，組織結(jié)構(gòu)已大部分破壞，礦物成分除石英外已大部分風(fēng)化成土狀，遇水易軟化、崩解，完整程度為極破碎；（2）砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，土黃色，巖芯呈砂土狀，手折易散，原巖結(jié)構(gòu)清晰，風(fēng)化強(qiáng)烈，遇水易軟化、崩解；（3）碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，灰黃色，巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，巖芯呈3～5 cm 碎塊狀，組織結(jié)構(gòu)大部分破壞，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體大都通體風(fēng)化，錘擊易碎，極破碎；（4）中風(fēng)化花崗巖，淺紅色，中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖芯呈8～30 cm 中短柱狀，巖質(zhì)較新鮮，節(jié)理裂隙發(fā)育，為較硬巖；參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

2 加固設(shè)計(jì)原則

路塹邊坡設(shè)計(jì)應(yīng)該根據(jù)外業(yè)實(shí)地調(diào)查以及勘探資料的情況綜合確定合理的邊坡坡率以及防護(hù)類型。 邊坡坡率的選取應(yīng)該結(jié)合地形地貌和地質(zhì)情況，在滿足安全性的前提下，因地制宜、順勢(shì)而為。路塹邊坡應(yīng)該盡量避免單一坡率一坡到頂，一般采取下陡上緩的過(guò)渡式坡率，以拋物線的形式更好地融入周圍自然環(huán)境。同時(shí)，邊坡坡度的選擇在保證安全的前提下，也應(yīng)該酌情考慮植物防護(hù)的需要。 碎裂式結(jié)構(gòu)以及存在控制性結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)路塹邊坡，通過(guò)邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算確定邊坡的坡度以及防護(hù)形式；對(duì)于巖土質(zhì)的二元結(jié)構(gòu)邊坡，對(duì)土質(zhì)邊坡部分可能出現(xiàn)的滑坡、崩塌等應(yīng)采取相應(yīng)的防護(hù)措施[1]。

路塹邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)的目的是確保邊坡在高速公路建設(shè)及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中保持長(zhǎng)期安全，通過(guò)一系列工程措施預(yù)防邊坡產(chǎn)生不利的變形和破壞。 具體措施包括坡面、淺表層、塊體和深部變形防護(hù)，坡腳應(yīng)力集中防護(hù)和排水處理等。（1）坡面變形防護(hù)。中風(fēng)化及以上巖體，以植草（喬）防護(hù)或不防護(hù)為主，坡率0.25～0.5；強(qiáng)～中風(fēng)化巖體，以巖面錨桿鍍鋅網(wǎng)植草（喬）防護(hù)或鍍鋅網(wǎng)植草（喬）防護(hù)為主，坡率0.5～0.75；全～強(qiáng)風(fēng)化層，以拱形骨架或（錨桿）鍍鋅網(wǎng)植草（喬）防護(hù)為主，坡率0.75～1.0；坡殘積層，拱形骨架或液壓噴播植草（喬）防護(hù)，坡率1.0～1.25；松散土層，液壓噴播植草（喬）防護(hù)，坡率1.25～1.5。按照“恢復(fù)自然景觀”的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)理念，防護(hù)措施均采用綠色化防護(hù)，盡可能利用本土化草種，并做到草喬結(jié)合。 （2）淺表層變形防護(hù)。 下部的中風(fēng)化～微風(fēng)化巖，以系統(tǒng)錨桿防護(hù)為主；上部的土層、強(qiáng)風(fēng)化巖以預(yù)應(yīng)力錨桿框架、地梁防護(hù)為主。 （3）塊體、深部變形防護(hù)。以預(yù)應(yīng)力錨桿框架梁及墊墩防護(hù)為主。（4）坡腳應(yīng)力集中防護(hù)。 土質(zhì)邊坡坡腳加固按實(shí)際情況設(shè)抗滑樁、擋土墻、預(yù)應(yīng)力錨索（桿）框架等。 強(qiáng)風(fēng)化巖石坡腳加固，采用壓力注漿錨桿框架，以預(yù)防坡腳產(chǎn)生漸進(jìn)性破壞。 對(duì)設(shè)置了錨固工程的路塹邊坡，開(kāi)挖時(shí)要嚴(yán)格按照從上到下的施工順序，逐級(jí)開(kāi)挖，逐級(jí)加固，待上級(jí)邊坡的錨固工程全部實(shí)施完畢且生效后，才可進(jìn)行下級(jí)邊坡的開(kāi)挖，以確保坡體穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全。

3 加固方案研究

3.1 常規(guī)加固方案

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》3.7.7，正常工況下高速公路路塹邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.2～1.3，暴雨工況下路塹邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.1～1.2，地質(zhì)條件復(fù)雜或破壞后危害嚴(yán)重時(shí)穩(wěn)定安全系數(shù)取大值；根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》3.7.8，深路塹邊坡宜采用折線式或臺(tái)階式，臺(tái)階式邊坡的中部應(yīng)該設(shè)置平臺(tái)，平臺(tái)的寬度不宜小于2 m。

該邊坡坡腳地層為碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育。 按照“固腳強(qiáng)腰”的邊坡治理理念，底階采用非預(yù)應(yīng)力錨桿框架結(jié)合TBS 鍍鋅網(wǎng)植草喬，可有效加固坡腳、防止掉塊；第三～五級(jí)采用預(yù)應(yīng)力框架錨索，可對(duì)巖土體產(chǎn)生擠密作用，提高其整體受力性能，有效提高邊坡的穩(wěn)定性。 故常規(guī)防護(hù)方案如下：第一級(jí)1∶0.75 非預(yù)應(yīng)力錨桿框架結(jié)合TBS 鍍鋅網(wǎng)植草喬，第二級(jí)1∶0.75 TBS 植草喬結(jié)合系統(tǒng)錨桿，第三～五級(jí)1∶1.0 預(yù)應(yīng)力框架錨索結(jié)合TBS 植草喬，第六～七級(jí)1∶1.0～1∶1.25 拱形骨架噴草植喬防護(hù)，每級(jí)8 m，設(shè)置2 m 平臺(tái)，如圖2 所示。

圖2 常規(guī)加固方案典型斷面

采用GeoStudio 建立模型，計(jì)算該邊坡支護(hù)前后天然和暴雨工況下的穩(wěn)定系數(shù)，結(jié)果如圖3～6所示。

圖3 常規(guī)加固方案支護(hù)前天然工況下的穩(wěn)定系數(shù)

圖4 常規(guī)加固方案支護(hù)前暴雨工況下的穩(wěn)定系數(shù)

圖5 常規(guī)加固方案支護(hù)后天然工況下的穩(wěn)定系數(shù)

圖6 常規(guī)加固方案支護(hù)后暴雨工況下的穩(wěn)定系數(shù)

以上結(jié)果可以得出，開(kāi)挖后自然邊坡天然工況下的穩(wěn)定系數(shù)為1.186，暴雨工況下的穩(wěn)定系數(shù)為0.997，處于不穩(wěn)定狀態(tài)；按常規(guī)方案進(jìn)行支護(hù)后，邊坡天然工況下的穩(wěn)定系數(shù)為1.446， 暴雨工況下的穩(wěn)定系數(shù)為1.247，支護(hù)后的邊坡穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。此時(shí)預(yù)應(yīng)力框架錨索支護(hù)數(shù)量為3 階，錨索加固長(zhǎng)度為（26+28+22+24+24+26）×2/8=37.5 m/m，征地范圍（坡腳起算）為80 m，土石方開(kāi)挖量（坡腳起算）為1 560 m3/m。

3.2 寬平臺(tái)優(yōu)化方案

邊坡設(shè)置寬平臺(tái)的主要目的是減載，即在不增加邊坡高度的情況下，減少滑塊下滑力以提高邊坡穩(wěn)定性，同時(shí)減少支護(hù)數(shù)量，節(jié)省造價(jià)。 陡坡邊坡支護(hù)中，常規(guī)支護(hù)方案較寬平臺(tái)方案可較好地實(shí)現(xiàn)收坡，而寬平臺(tái)的設(shè)置導(dǎo)致“拔山皮”現(xiàn)象，邊坡級(jí)數(shù)增加，邊坡穩(wěn)定性降低，如圖7～8 所示。 故寬平臺(tái)不宜應(yīng)用于陡坡，宜設(shè)置于坡頂較平緩的邊坡。

圖7 陡坡常規(guī)方案示意圖

圖8 陡坡寬平臺(tái)方案示意圖（拔山皮）

3.2.1 寬平臺(tái)設(shè)置原則

寬平臺(tái)宜設(shè)置于邊坡中部，以對(duì)邊坡進(jìn)行有效分割[2-3]。 平臺(tái)寬度設(shè)置應(yīng)結(jié)合地質(zhì)情況：在土、巖交界面，交界處的一階邊坡往往為土、石二元結(jié)構(gòu)，常規(guī)方案按保守設(shè)計(jì)原則，邊坡宜按性質(zhì)較差的土質(zhì)坡進(jìn)行加固，往往采用設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索框架的形式加強(qiáng)支護(hù)。 設(shè)置寬平臺(tái)后，可通過(guò)加寬平臺(tái)致二元結(jié)構(gòu)變?yōu)閹r質(zhì)，增加了邊坡穩(wěn)定性的同時(shí)，上階可采用巖質(zhì)坡支護(hù)方式，如系統(tǒng)錨桿等，減少了防護(hù)數(shù)量[4]。 寬平臺(tái)階數(shù)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)、土石方和用地界限制等情況綜合考慮，下面以一階和二階為例進(jìn)行分析，更多階設(shè)置可參照二階。

3.2.2 一階寬平臺(tái)方案

一階寬平臺(tái)加固方案的典型斷面如圖9 所示，第二級(jí)坡頂采用10 m 寬平臺(tái)， 則第三級(jí)由二元結(jié)構(gòu)變?yōu)閹r質(zhì)，采用1∶0.75 TBS 植草喬結(jié)合系統(tǒng)錨桿進(jìn)行防護(hù)，其余防護(hù)同常規(guī)方案。 計(jì)算一階寬平臺(tái)方案支護(hù)前后天然和暴雨工況下的穩(wěn)定系數(shù)，結(jié)果如圖10～13 所示。

圖9 一階寬平臺(tái)加固方案典型斷面

圖10 一階寬平臺(tái)加固方案支護(hù)前天然工況下的穩(wěn)定系數(shù)

圖11 一階寬平臺(tái)加固方案支護(hù)前暴雨工況下的穩(wěn)定系數(shù)

圖12 一階寬平臺(tái)加固方案支護(hù)后天然工況下的穩(wěn)定系數(shù)

圖13 一階寬平臺(tái)加固方案支護(hù)后暴雨工況下的穩(wěn)定系數(shù)

可以得出，一階寬平臺(tái)優(yōu)化方案下，支護(hù)前邊坡天然工況下的穩(wěn)定系數(shù)為1.220， 處于穩(wěn)定安全系數(shù)范圍的下限，暴雨工況下的穩(wěn)定系數(shù)為1.031，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，故應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的加固處理；支護(hù)后，邊坡天然工況下的穩(wěn)定系數(shù)為1.455，暴雨工況下的穩(wěn)定系數(shù)為1.303，均滿足穩(wěn)定性要求。 此時(shí)預(yù)應(yīng)力框架錨索支護(hù)數(shù)量為2 階，錨索加固長(zhǎng)度為（22+24+24+26）×2/8=24 m/m，征地范圍為88 m，土石方開(kāi)挖量（坡腳起算）為1 810 m3/m。 對(duì)比常規(guī)加固支護(hù)方案，設(shè)置一階寬平臺(tái)后，通過(guò)增寬平臺(tái)致第三級(jí)由二元結(jié)構(gòu)變?yōu)閹r質(zhì)坡，邊坡整體穩(wěn)定性有所提高，且節(jié)省了1 階的預(yù)應(yīng)力框架錨索支護(hù)，改為TBS 植草喬結(jié)合系統(tǒng)錨桿，節(jié)約錨索（26+28）×2/8=13.5 m/m，錨索造價(jià)節(jié)約36%。 但坡頂用地界外移了8 m，征地費(fèi)用增加10%，土石方開(kāi)挖增加了250 m3/m，土石方費(fèi)用增加16%。

3.2.3 二階寬平臺(tái)方案

二階寬平臺(tái)加固方案的典型斷面如圖14 所示，第二、五級(jí)采用10 m 寬平臺(tái)，底階采用1∶0.75非預(yù)應(yīng)力錨桿框架結(jié)合TBS 鍍鋅網(wǎng)植草喬，第二、三級(jí)采用1∶0.75TBS 植草喬結(jié)合系統(tǒng)錨桿，第四～七級(jí)采用1∶1～1∶1.25 拱形骨架噴草植喬防護(hù)。 計(jì)算二階寬平臺(tái)加固方案天然和暴雨工況下的穩(wěn)定系數(shù)，結(jié)果如圖15～16 所示。

圖14 二階寬平臺(tái)加固方案典型斷面

圖15 二階寬平臺(tái)加固方案天然工況下的穩(wěn)定系數(shù)

圖16 二階寬平臺(tái)加固方案暴雨工況下的穩(wěn)定系數(shù)

可以得出，設(shè)置2 個(gè)寬平臺(tái)后，土石方開(kāi)挖量（坡腳起算）為1 950 m3/m，土石方開(kāi)挖量更大，邊坡減載更加明顯，邊坡穩(wěn)定性大幅提高，不使用預(yù)應(yīng)力錨索框架而采用拱形骨架支護(hù)的情況下在天然和暴雨工況均能滿足設(shè)計(jì)要求。 較常規(guī)方案，錨索節(jié)約37.5 m/m，用地界增加了18 m，征地費(fèi)用增加22.5%，土方開(kāi)挖增加了390 m3/m，土石方費(fèi)用增加25%。

3.3 方案選擇

常規(guī)方案使用預(yù)應(yīng)力錨索框架數(shù)量較多，造價(jià)高，但征地范圍小，土石方開(kāi)挖量較小，適用于用地緊張、棄土場(chǎng)尋找困難的情況；寬平臺(tái)方案通過(guò)平臺(tái)加寬，減少了預(yù)應(yīng)力錨索框架的使用，且進(jìn)一步提升了邊坡的穩(wěn)定性，方案更加經(jīng)濟(jì)，但土石方數(shù)量和征地范圍會(huì)有所增加，適用于用地較為寬松，棄土場(chǎng)較易尋找的情況。 其中，設(shè)置一階寬平臺(tái)即可對(duì)邊坡穩(wěn)定性有一定提高，減少了部分防護(hù)工程量，錨索造價(jià)節(jié)約36%，征地費(fèi)用增加10%，土石方費(fèi)用增加16%，兼顧了安全性和經(jīng)濟(jì)性；二階寬平臺(tái)對(duì)于提高邊坡穩(wěn)定性、 降低防護(hù)工程量效果顯著，無(wú)需使用預(yù)應(yīng)力錨索框架支護(hù)，但征地費(fèi)用增加22.5%，土石方費(fèi)用增加25%，征地及尋找棄土場(chǎng)較為困難。 加固方案對(duì)比及優(yōu)缺點(diǎn)分析如表2 所示。

表2 加固方案對(duì)比

由此可得各加固方案的適用條件：常規(guī)加固方案加固工程量大，費(fèi)用高，但占地和土石方工程量少，在用地、土石方限制嚴(yán)格段最為適用；二階寬平臺(tái)對(duì)于降低防護(hù)工程量效果顯著， 經(jīng)濟(jì)性最好，且邊坡穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求，在用地、土石方條件寬松的情況下最為適用；一階寬平臺(tái)方案，既可對(duì)邊坡穩(wěn)定性有一定程度的提高，也可減少部分防護(hù)工程量，兼顧了安全性和經(jīng)濟(jì)性，在用地、土石方條件有一定限制時(shí)最為適用。

該路塹邊坡用地較為寬松， 棄土處理難度一般，一階寬平臺(tái)方案可保證邊坡穩(wěn)定的同時(shí)經(jīng)濟(jì)性較好，故選擇一階寬平臺(tái)方案為優(yōu)選方案。

4 結(jié)論

常規(guī)支護(hù)方案加固后的邊坡可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且征地范圍較小，土石方開(kāi)挖量較少，但其支護(hù)工程量較大，經(jīng)濟(jì)性一般。 針對(duì)上述不足，研究了寬平臺(tái)的優(yōu)化方案，得出寬平臺(tái)方案具有以下運(yùn)用條件及優(yōu)化效果：（1）寬平臺(tái)方案適用于坡頂較平緩的邊坡。 若陡坡設(shè)置寬平臺(tái)，可能導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)“拔山皮”現(xiàn)象，邊坡級(jí)數(shù)增加，穩(wěn)定性降低。 （2）土、石二元結(jié)構(gòu)邊坡，通過(guò)加寬平臺(tái)致上級(jí)由二元結(jié)構(gòu)變?yōu)閹r質(zhì)，增加了邊坡的穩(wěn)定性，減少了防護(hù)數(shù)量。（3）寬平臺(tái)方案優(yōu)化效果：對(duì)比常規(guī)加固方案，一階寬平臺(tái)加固方案下，邊坡天然、暴雨工況下的穩(wěn)定系數(shù)分別由1.446 增加到1.459，1.247 增加到1.303，錨索節(jié)約13.5 m/m，錨索造價(jià)節(jié)約36%，但征地費(fèi)用增加10%，土石方費(fèi)用增加16%；二階寬平臺(tái)加固方案下，無(wú)需使用預(yù)應(yīng)力錨索框架支護(hù)，邊坡天然、暴雨工況下的穩(wěn)定系數(shù)即可達(dá)到1.459、1.236，錨索節(jié)約37.5 m/m，錨索造價(jià)節(jié)約100%，但征地費(fèi)用增加22.5%，土石方費(fèi)用增加25%。 （4）各加固方案適用條件：常規(guī)加固方案加固工程量大，費(fèi)用高，但占地和土石方工程量少，在用地、土石方限制嚴(yán)格段最為適用；二階寬平臺(tái)對(duì)于降低防護(hù)工程量效果顯著，經(jīng)濟(jì)性最好，且邊坡穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求，在用地、土石方條件寬松的情況下最為適用；一階寬平臺(tái)方案， 既可對(duì)邊坡穩(wěn)定性有一定程度的提高，也可減少部分防護(hù)工程量， 兼顧了安全性和經(jīng)濟(jì)性，在用地、土石方條件有一定限制時(shí)最為適用。