山區(qū)公路高邊坡施工動(dòng)態(tài)穩(wěn)定評(píng)判與超前支護(hù)技術(shù)

摘要 文章研究了山區(qū)公路高邊坡在施工過程中的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)判與超前支護(hù)技術(shù)。首先，構(gòu)建了山區(qū)公路邊坡地質(zhì)模型，并應(yīng)用數(shù)值模擬分析了無支護(hù)和有支護(hù)條件下開挖的影響；然后，分析了錨桿在穩(wěn)固坡面中的應(yīng)用效果，并針對(duì)順層楔形體的出現(xiàn)，采用多級(jí)監(jiān)測(cè)評(píng)估了邊坡的穩(wěn)定性并及時(shí)調(diào)整支護(hù)方案。研究成果為山區(qū)公路高邊坡施工提供了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)支持下的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定評(píng)判方法和設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 山區(qū)公路；邊坡穩(wěn)定性；超前支護(hù)技術(shù)

中圖分類號(hào) U416 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）05-0116-03

0 引言

山區(qū)公路是連接偏遠(yuǎn)地區(qū)與城市的重要紐帶，對(duì)于促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化和改善民眾出行具有不可替代的作用。山區(qū)公路的修建往往伴隨著復(fù)雜的地質(zhì)條件和地形挑戰(zhàn)，尤其是高邊坡施工中可能出現(xiàn)的穩(wěn)定性問題是工程安全的關(guān)鍵因素。高邊坡施工中的穩(wěn)定性不僅影響施工過程的安全性，而且也會(huì)影響運(yùn)營(yíng)階段的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定評(píng)判方法難以全面反映施工過程中邊坡的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和實(shí)際承載能力[1]。超前支護(hù)技術(shù)作為提升邊坡穩(wěn)定性的重要手段之一，通過預(yù)設(shè)支護(hù)結(jié)構(gòu)及時(shí)干預(yù)邊坡穩(wěn)定性，防止邊坡在施工過程中或使用中發(fā)生失穩(wěn)。為此，該文提出了一種基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定評(píng)判方法和超前支護(hù)技術(shù)，旨在為高邊坡施工提供科學(xué)的評(píng)判和理論支持。

1 邊坡工程概況

1.1 邊坡地質(zhì)環(huán)境條件

某山區(qū)公路是高速網(wǎng)的關(guān)鍵部分和城郊高速與市區(qū)通道的重要連接。路段位于海灣內(nèi)的河口沖海積平原，地勢(shì)向海稍傾，區(qū)域構(gòu)造以斷裂為主。該地屬亞熱帶海洋性季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫為17.9℃，夏季降雨多，年降水量為1 100～2 200 mm，11—2月最少，6—9月最多。研究區(qū)域邊坡長(zhǎng)度約為300 m，表面覆蓋有殘坡積物質(zhì)，主要為褐黃色的粉質(zhì)黏土，質(zhì)地可塑，厚度約為1 m，低洼地區(qū)可達(dá)2.5 m。基巖由灰紫色、紫紅色及青灰色的晶屑凝灰?guī)r構(gòu)成，硬度高且結(jié)構(gòu)完整，但局部存在裂隙，巖體出現(xiàn)破碎現(xiàn)象。風(fēng)化層中完全風(fēng)化部分厚度約2.5 m，屬于硬土；強(qiáng)風(fēng)化層厚度約1～2 m，為軟石；下方則是中風(fēng)的層位，屬于次堅(jiān)石。節(jié)理分布復(fù)雜，存在多組節(jié)理，并有小斷層和灰綠巖脈。風(fēng)化程度不一，兩側(cè)的凝灰?guī)r風(fēng)化差異顯著，部分巖體破碎嚴(yán)重，產(chǎn)狀也有所變化。

1.2 超前支護(hù)方案

根據(jù)邊坡地質(zhì)條件，構(gòu)建簡(jiǎn)化的地質(zhì)模型，該模型為厚層坡積邊坡類型。邊坡表層覆蓋較厚的坡積物質(zhì)，內(nèi)部巖石保持較好，從外到內(nèi)依次為強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化和微風(fēng)化巖層。邊坡的穩(wěn)定性主要受坡積層狀況的影響，人為挖掘可能揭露土石分界，造成坡積層懸空，從而形成潛在的滑動(dòng)面，在重力作用下可能導(dǎo)致土層的滑動(dòng)破壞[2-3]。

在挖掘過程中，設(shè)定挖掘深度為56 m，并實(shí)施錨桿預(yù)支護(hù)措施，分為四個(gè)階段逐步開挖，每個(gè)階段完成后開展支護(hù)施工。實(shí)施計(jì)劃如下：

第一階段：斜坡比為1∶0.25，安裝錨桿支護(hù)的擋墻，高度為12 m。

第二階段：斜坡比為1∶0.5，采用錨桿與基材植被相結(jié)合的護(hù)坡方法，高度為15 m。

第三階段：斜坡比為1∶0.5，高度為15 m。

第四階段：斜坡比為1∶0.5，使用錨桿與基材植被相結(jié)合的護(hù)坡方法，高度為14 m。

通過錨桿加固和植被護(hù)坡相結(jié)合的方式，提高邊坡的穩(wěn)定性，防止出現(xiàn)滑移破壞。

2 邊坡開挖過程數(shù)值模擬

2.1 無支護(hù)條件下邊坡逐級(jí)開挖數(shù)值模擬

2.1.1 位移場(chǎng)分析

在完成第一階段的挖掘后，邊坡出現(xiàn)了明顯位移，特別是上層坡積層的位移最為突出，其中x軸的最大位移達(dá)到7 mm，而y軸的最大位移則為-14 mm。該邊坡的地質(zhì)特征表現(xiàn)為較厚的坡積層，其穩(wěn)定性主要受坡積層狀況的影響。挖掘作業(yè)導(dǎo)致土石接觸面暴露，坡積層懸空，從而在重力作用下引發(fā)土層滑動(dòng)。位移主要是坡積層的滑移造成的，但整體位移量較小。

在邊坡的第二、三、四階段挖掘作業(yè)完成后，主要的位移現(xiàn)象出現(xiàn)在新暴露的邊坡表面和地表，而其他部位的形變則較小。邊坡表面的位移主要是由卸荷導(dǎo)致的回彈效應(yīng)造成。新挖掘的地表在y方向上的位移呈現(xiàn)正值，表明該區(qū)域出現(xiàn)了抬升，這一現(xiàn)象是由于邊坡挖掘后，現(xiàn)有土體向下的擠壓作用所引起的。隨著挖掘工作的進(jìn)一步推進(jìn)，第二、三階段的邊坡表面位移更加明顯，地表的隆起程度也隨之增加。當(dāng)挖掘達(dá)到原設(shè)計(jì)路面的高度時(shí)，邊坡表面x方向的最大位移達(dá)到6 mm，地表隆起的高度最大為12 mm，位移現(xiàn)象主要集中在邊坡的上部坡積層和邊坡表面。

2.1.2 邊坡的穩(wěn)定性分析

邊坡在未挖掘狀態(tài)下的安全指數(shù)為1.596，第一階段的挖掘作業(yè)完成后，邊坡的穩(wěn)定性有所下降。穩(wěn)定性變化的主要因素是頂部的坡積層，該層保持能力較弱。在挖掘過程中，應(yīng)力經(jīng)歷了釋放和重新分配，坡積層的穩(wěn)定性受到較大影響，但邊坡的整體穩(wěn)定性并未發(fā)生顯著變化，這是因?yàn)檫吰孪虏康闹械鹊轿L(fēng)化的凝灰?guī)r具有較高的力學(xué)強(qiáng)度和良好的結(jié)構(gòu)完整性，且未發(fā)現(xiàn)對(duì)穩(wěn)定性構(gòu)成威脅的結(jié)構(gòu)面，因此邊坡的挖掘深度對(duì)穩(wěn)定性的影響較小。

2.2 超前支護(hù)條件下邊坡逐級(jí)開挖數(shù)值模擬

2.2.1 位移場(chǎng)分析

對(duì)比有無超前支護(hù)情況下的位移圖，發(fā)現(xiàn)雖然位移模式存在差異，但最大的位移量較為穩(wěn)定。錨桿在限制邊坡和地表形變方面發(fā)揮了積極作用，而邊坡的最大位移主要是由坡積層的變形所引起的。

變形主要集中在坡體上部的坡積層和坡面區(qū)域，因此應(yīng)對(duì)關(guān)鍵區(qū)域的變形進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗图庸獭?/p>

2.2.2 超前支護(hù)條件下邊坡穩(wěn)定性分析

如圖1所示，在巖石結(jié)構(gòu)完好且未發(fā)現(xiàn)有害結(jié)構(gòu)面的堅(jiān)硬邊坡中，錨桿在加固邊坡方面的效果并不明顯。在此類情形下，錨桿對(duì)提高邊坡安全系數(shù)和抑制變形的作用并不顯著。邊坡挖掘完成后，變形主要發(fā)生在邊坡頂部的坡積層和邊坡表面區(qū)域。

2.3 施工期突發(fā)性工況穩(wěn)定性分析

在施工邊坡的第二階段挖掘完成后，當(dāng)檢測(cè)新暴露的邊坡地質(zhì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了位于K1+720處的順層楔形結(jié)構(gòu)。由于巖石在挖掘后經(jīng)歷了卸荷，導(dǎo)致其強(qiáng)度減弱，此外邊坡表面的不平整和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致該楔形體容易形成崩塌條件[4]。由于楔形體與周圍巖體的整體性一般，為預(yù)防其成為公路運(yùn)營(yíng)的安全隱患，需要將其移除。

考慮移除楔形體后邊坡將形成新的臨空面，可能影響上部坡體的穩(wěn)定性，因此在保持原有錨固方案的基礎(chǔ)上，需要重新評(píng)判邊坡的穩(wěn)定性并及時(shí)調(diào)整支護(hù)方案。在移除楔形體后，上坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性比率降低至1.395，而原未受楔體損壞影響時(shí)的比率為1.596，穩(wěn)定性比率減少了0.201。若邊坡的穩(wěn)定性比率僅為1.20，則楔體的損壞將使得穩(wěn)定性比率下降至不安全或即將失穩(wěn)的水平，如圖2所示。

由于工程邊坡中存在較多節(jié)理，非完整性巖石在接近臺(tái)階的部分往往成為應(yīng)力重新分配和釋放的關(guān)鍵地帶，同時(shí)也是順層結(jié)構(gòu)面或楔體結(jié)構(gòu)面可能暴露的位置。如果未能及時(shí)進(jìn)行超前支護(hù)，這些區(qū)域容易出現(xiàn)坍塌或滑坡，從而造成上方邊坡形成垂直的暴露面或逆向斜坡，對(duì)工程安全構(gòu)成重大隱患。因此，在施工過程中，應(yīng)在臺(tái)階頂部安裝長(zhǎng)錨桿，以固定潛在的順層結(jié)構(gòu)面或楔體結(jié)構(gòu)，防止出現(xiàn)發(fā)生坍塌或滑坡的暴露面，從而增強(qiáng)工程的整體安全性。

3 施工期穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)

為推進(jìn)施工的數(shù)字化管理和設(shè)計(jì)方案的動(dòng)態(tài)調(diào)整，施工期間對(duì)高邊坡設(shè)立監(jiān)控系統(tǒng)。通過收集數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工操作，同時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也為設(shè)計(jì)修改提供了依據(jù)。

對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的持續(xù)監(jiān)控和測(cè)量是評(píng)判邊坡巖石穩(wěn)定性、檢驗(yàn)防護(hù)措施設(shè)計(jì)的合理性，以及確認(rèn)施工方法恰當(dāng)性的重要方法。在整個(gè)施工階段，持續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和測(cè)量對(duì)于獲取邊坡在施工期間的實(shí)時(shí)變化信息和評(píng)判防護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性至關(guān)重要[5]。

3.1 監(jiān)測(cè)目的

通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工和環(huán)境狀況，可以收集反饋信息，預(yù)測(cè)潛在風(fēng)險(xiǎn)，并據(jù)此優(yōu)化施工方案。此外，監(jiān)測(cè)邊坡巖體的動(dòng)態(tài)變化和防護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，能夠?yàn)槭┕ぬ峁┛茖W(xué)依據(jù)，提高施工的安全性和可靠性。及時(shí)的預(yù)測(cè)和反饋機(jī)制有助于預(yù)防事故和險(xiǎn)情，確保施工的順利進(jìn)行[6]。監(jiān)測(cè)結(jié)果還能驗(yàn)證防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，評(píng)估施工方法的有效性，并為設(shè)計(jì)和施工方法的調(diào)整提供數(shù)據(jù)支持。

3.2 監(jiān)測(cè)階段安排及點(diǎn)位布設(shè)

3.2.1 監(jiān)測(cè)安排

在該工程中，邊坡穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)工作共劃分為三個(gè)階段，以適應(yīng)不同施工階段的特定需求。

第一階段，監(jiān)測(cè)工作通過現(xiàn)場(chǎng)巡視、攝影測(cè)量和文字記錄動(dòng)態(tài)跟蹤邊坡開挖過程中可能誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害。第二階段，隨著邊坡上部坡面的初步形成，使用高精度全站儀布置觀測(cè)樁，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)異常裂縫；對(duì)于平面位移的監(jiān)測(cè)，建立獨(dú)立的控制網(wǎng)，并在變形區(qū)域外埋設(shè)控制點(diǎn)，以符合高精度的觀測(cè)需求，并通過觀測(cè)墩進(jìn)行固定的對(duì)中觀測(cè)[7]。第三階段，對(duì)重要的長(zhǎng)錨桿進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)，通過分析錨桿的應(yīng)力變化，研究其分布和變化規(guī)律，以評(píng)價(jià)加固效果和應(yīng)力的穩(wěn)定性。

3.2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)

在監(jiān)測(cè)期間，針對(duì)ZK1+375～ZK1+784區(qū)間的左側(cè)邊坡，在K1+690位置處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布在坡頂?shù)腜01～P11點(diǎn)，分別位于四個(gè)不同的坡度層級(jí)?？刂泣c(diǎn)的設(shè)置在K1+610處的路基擋墻，而觀測(cè)的基準(zhǔn)點(diǎn)則設(shè)置在K2+065的邊坡頂端，確保其位于開挖邊緣10m外的穩(wěn)固基巖上[8]。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須保證控制點(diǎn)和觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)均不在邊坡開挖的影響區(qū)域內(nèi)，以確保監(jiān)測(cè)點(diǎn)的穩(wěn)固性。

3.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析評(píng)價(jià)

在ZK1+375～ZK1+784區(qū)間的邊坡部分，結(jié)合人工巡查、攝影測(cè)量和書面記錄的監(jiān)控策略，并利用全站儀對(duì)水平位移進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，以便對(duì)邊坡挖掘過程中可能引發(fā)的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行即時(shí)監(jiān)控。在施工期間，未觀察到任何與設(shè)計(jì)要求不一致的異常地質(zhì)情況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，迅速要求施工隊(duì)伍清除邊坡孤立巖石，并確保按照“開挖一級(jí)，防護(hù)一級(jí)”的原則進(jìn)行施工，從而推進(jìn)邊坡防護(hù)工作的順利進(jìn)行。

坡頂P01點(diǎn)的位移變化非常微小，x方向的位移可以忽略不計(jì)，y方向的位移從最初的1～2 mm逐漸穩(wěn)定至接近0，而z方向的位移則保持在5 mm左右，整體位移控制在5 mm以內(nèi)，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

第一級(jí)坡面，其位移變化同樣保持在10 mm以內(nèi)，x和y方向的位移在-6～-8 mm之間波動(dòng)，而z方向的位移則穩(wěn)定并逐漸減少至5 mm以內(nèi)，位移變化穩(wěn)定。

第二級(jí)坡面，P03位移小，各方向位移在-4～4 mm；P04位移大，y、z方向的位移近10 mm，x方向則近-5 mm，因接近順層楔形體，需重點(diǎn)監(jiān)測(cè)并考慮防護(hù)升級(jí)。

第三級(jí)坡面監(jiān)測(cè)點(diǎn)P05～P07位移在7 mm內(nèi)，爆破開挖質(zhì)量控制有效，邊坡整體穩(wěn)定。

第四級(jí)坡面監(jiān)測(cè)點(diǎn)P08～P11位移量有差異，P08的y方向在-6 mm附近波動(dòng)，P09的x方向近12 mm，而P10和P11的y方向最大位移為13～14 mm，但整體保持穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

通過綜合應(yīng)用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段，對(duì)山區(qū)公路高邊坡施工過程中的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行了深入評(píng)判。邊坡開挖初期的穩(wěn)定性和位移應(yīng)變主要受坡積層地質(zhì)條件的影響。超前支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用，特別是錨桿和植被護(hù)坡的結(jié)合，能夠顯著提高邊坡表面的穩(wěn)定性，而且通過對(duì)支護(hù)效果的監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步驗(yàn)證了其在控制邊坡變形和提高安全系數(shù)方面的有效性。此外，施工期間對(duì)可能災(zāi)害的預(yù)防和臨空面穩(wěn)定性的評(píng)判尤為重要，及時(shí)調(diào)整支護(hù)方案有助于確保工程安全。

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