兰新第二双线深路堑基岩顺层高边坡裂缝工程的加固处理研究

辛文栋

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 工程概述

兰新第二双线铁路DK1818+863.80～DK1819+881.93段,路基长1 018.13 m。位于新疆地区达坂城风区G312国道北侧,跨312国道大桥与芨芨槽子大桥之间。地形略有起伏,沟梁相间,植被不发育。出露地层为第四系上更新统坡积细角砾土、石炭系上统砂岩。地表流水为季节性间歇水流,平时干涸,雨季才有水流,水量不大,未见地表水及地下水。地震动峰值加速度0.15g(相当于地震基本烈度7度),土壤最大冻结深度162 cm。

该段路基工程最大挖方深度约40 m,砂岩呈层状分布,泥钙质胶结,因胶结物中泥钙质含量差异,常形成软硬相间厚薄互层,右侧路堑边坡砂岩倾向路基,砂岩顺层易产生塌方[1]，对铁路安全产生影响。工程施工过程中,在爆破施工作业完成最上两级边坡后,右侧堑顶出现了4处裂缝,最大裂缝宽度20 cm,施工工程存在安全隐患。结合施工现场存在的问题,通过方案研究比较,采用了重力式挡土墙结合顺层清方处理方案,成功解决顺层滑坡问题,确保了施工过程及运营安全。

2 原工程设计与施工

2.1 原工程设计

2.1.1 原工程设计地质特征

工点范围内出露地层为第四系上更新统坡积细角砾土、石炭系上统砂岩。

细角砾土：零星分布于沟底及缓坡,层厚0～3.5 m,浅黄色、灰色,呈尖棱状,成份以砂岩为主,粒径2～10 mm的占15%～25%,10～20 mm的占50%～30%,20～40 mm的占5%～10%,余为杂粒砂及粉黏粒充填,岩芯大部分呈散状,小部分呈碎块状,土质不均,稍密-中密,稍湿,Ⅱ级普通土,σ0=300 kPa。

砂岩：层状分布于地表及下伏于第四系细角砾土,青灰色,粉砂状结构-细粒结构,薄层-中厚层构造,泥钙质胶结,因胶结物中泥钙质含量差异,常形成软硬相间厚薄互层,裂隙发育,岩体较破碎,属较软岩。风化层厚0.5～17.6 m,岩芯呈碎块状、块状,Ⅳ级软石,σ0=450 kPa,风化层以下Ⅳ级软石,σ0=700 kPa。

2.1.2 原工程设计边坡工程措施

(1)DK1819+430～DK1819+635段右侧设置高4.0 m、宽1.36 m的重力式路堑挡土墙,挡土墙以上边坡坡率1∶1.25,分级高度10 m,分级平台宽度2.0 m。挡土墙以上两级边坡采用锚杆框架梁防护,堑顶一级边坡采用拱形骨架护坡防护。见图1。

图1 原设计路堑横断面(单位：m)

(2)其余地段右侧路堑边坡采用锚杆框架梁防护,边坡坡率1∶1.25,分级高度10 m,分级平台宽度2.0 m。

(3)左侧路堑边坡采用拱形骨架及混凝土空心砖护坡防护,边坡坡率1∶1.0,分级高度10 m,分级平台宽度2.0 m[2]。

(4)挡土墙采用C35片石混凝土砌筑。锚杆框架梁框架采用C30钢筋混凝土浇筑,锚杆采用φ32 mm HRB400钢筋,锚杆水平夹角25°。拱形骨架采用M10浆砌片石砌筑。

(5)为有效防止风蚀破坏,拱形及锚杆框架内铺设混凝土空心砖,空心砖内培土,培土表面低于空心砖表面2～3 cm。

2.2 施工中出现的问题

工程施工完成路堑最上两级边坡开挖后,右侧距线路20～60 m范围内路堑边坡发生滑动和移位,山体上部形成长度40～80 m不等的4处张拉裂缝,裂缝宽度1～20 cm,部分山体已产生错位,由于山体坡面为堆积碎、块、片石,下部错动位置不明显,且裂缝长度、宽度有不断加大的趋势。分别如下所述。

(1)DK1819+260～DK1819+310段长50 m,距堑顶面0.50～12.3 m,地表纵向裂缝长50 m,宽1～5 cm,裂缝延伸方向N25°W。见图2。

(2)DK1819+410～DK1819+490段长80 m,距堑顶面0.30～12.3 m,地表纵向裂缝长50 m,宽3～20 cm,裂缝延伸方向N25°W。见图3。

图2 DK1819+280断面 裂隙宽度约2.5 cm

图3 DK1819+460断面 裂隙宽度约14 cm

(3)DK1819+550～DK1819+630段长80 m,距堑顶面0.40～7.2 m,地表纵向裂缝长80 m,宽2～5 cm,裂缝延伸方向N25°E、N30°W。见图4。

图4 DK1819+570断面 裂隙宽度约3 cm

(4)DK1819+730～DK1819+770段长40 m,距堑顶面5.60～12.4 m,地表纵向裂缝长20 m,宽2～3 cm,延伸方向N35°W。见图5。

图5 DK1819+750断面 裂隙宽度约2 cm

3 边坡裂缝原因分析

图6 桩板墙抗滑方案设计横断面(单位：m)

(1)滑坡区地表层为细角砾土：层厚0.0～3.5 m,中密,稍湿,为Ⅱ级普通土。下伏石炭系上统砂岩：青灰色,细粒砂质结构,薄层-中厚层构造,厚薄互层,钙质胶结,砂岩层间不均匀夹有薄层状泥岩,岩层节理、裂隙发育,岩体较破碎,岩层产状： N55°W/27°S26°；节理产状：J1N25°W/77°N,平直,张开,间距0.1～0.2 m,延伸大于5 m；J2∶N80°E/81°N,平直,张开,间距0.1～0.3 m,延伸大于3 m,属较软岩。风化层厚2～8 m,岩石呈碎石状,Ⅳ级软石,σ0=450 kPa,风化层以下Ⅳ级软石,σ0=700 kPa。山体岩层层面和1组节理面倾向线路。

(2)工程位于乌鲁木齐山前拗陷,地貌上无明显构造迹象。但发育若干条小断层,分别为：DK1819+440,产状为N30°E/70°N,宽度1.1 m；DK1819+220,产状为N70°W/25°S,宽度1.0 m。附近岩体破碎,边坡面未见完整岩体。

(3)山体变形段岩层产状为线路不利顺层,岩层为砂岩夹薄层泥岩。岩层产状为极为不利,且容易产生顺层滑坡的结构面[3]。

(4)设计选择的1∶1.25的坡率陡于顺层的角度,下部所设挡土墙对于顺层下滑力估计不足,边坡开挖过程中没有自上而下及时施工锚杆框架梁进行加固。

(5)边坡爆破开挖的振动,以及山体下部支撑山坡稳定的阻滑段岩体被清除,山体处于极不稳定状态。

(6)施工过程中遇大雨,雨水沿节理、裂隙面渗入砂岩层间,使其胶结层遇水易软化,形成了良好的滑动面,在重力牵引下,造成山体开裂,产生顺层滑动。此处山体变形为一典型施工开挖形成的顺层工程滑坡。

为了保证人体骨骼以及相关骨块的高度真实感，在3D模型结构仿真的同时，还要对模型的材质进行渲染。材质是指物体的材料、质感，即物体本身的材料属性与纹理。在Unity3D中采用标准Shader功能布局，首先设置Shader标准着色器，其次需要根据这个材质球(Materials)要渲染的骨骼的特性(不透明物体，透明物体)设置不同的渲染模式。最后利用Shader主要贴图设置这个区域的贴图和设置项控制模型最终的渲染效果，而Shader的次要贴图，用于给模型增加细节。设置完主贴图，再设置次要贴图能增加人体骨骼及骨块的精致度。建模过程如图3。

(7)该段路基穿越的岩层节理发育,风化层厚度较深。原始地面自然坡度较缓,岩层在较缓的坡度下,岩体已处于外力的综合平衡状态,主要节理J1、J2的破坏作用不能体现。当坡度变陡,下部的支撑岩体被挖开,自然平衡被破坏,上部岩块、岩体就在雨水的帮助下,沿层面借助重力的作用产生滑动和移位。

4 设计方案进一步分析研究

为有效解决顺层安全隐患,提出了2种设计方案进行技术经济比较论证。

4.1 预应力锚索桩板墙抗滑方案

(1)DK1819+021.00～DK1819+129.00、DK1819+375.40～DK1819+639.40段右侧路堑边坡高度大于20 m的地段设置预应力锚索桩板墙,桩板墙以上边坡采用锚杆框架梁防护,墙顶预留10 m宽平台,平台以上边坡坡率采用1∶2,每10 m一级。见图6。

预应力锚索桩悬臂段受力按岩层顺层下滑力计算,设计参数为r=21 kN/m3,φ=18°,c=16 kPa。悬臂段滑坡推力按矩形分布,桩间距为6.0 m,悬臂段均布荷载q=1 073×6/12≈540 kN/m。预应力锚索桩将桩、锚固段桩周岩土及锚索系统作为一整体,视为超静定结构,锚索与桩联接处桩的位移与锚索伸长变形相等。桩简化为受横向变形约束的弹性地基梁,根据位移变形协调原理,按地基系数法计算确定锚索拉力及桩身内力。

图7为锚索桩结构计算图式,桩锚固段顶端O点处桩的剪力Q0及弯矩M0计算如下

图7 锚索桩结构计算图式

桩的锚固段地基系数K=300 MPa/m,在距桩顶1.0 m和4.0 m处,各设一根预应力锚索,第一根锚索的自由段长度为24.0 m,第二根锚索的自由段长度为19.0 m,每一根锚索有8束φ15.2 mm的锚索,预加应力都为600 kN。滑面处位移为x0=4 mm,距桩顶1.0 m处锚索处桩的水平位移为25 mm,锚索拉力R1=885.17 kN；距桩顶4.0 m处锚索处桩的水平位移为19 mm,锚索拉力R2=884.46 kN。计算的弯矩图、剪力图见图8、图9。

图8 桩的弯矩图

图9 桩的剪力图

(2)DK1818+965.00～DK1819+021.00、DK1819+129.00～DK1819+200.00、DK1819+260.00～DK1819+375.40、DK1819+639.40～DK1819+846.70段右侧路堑边坡高度在10～20 m,设置重力式路堑挡土墙,桩板墙以上边坡采用锚杆框架梁防护,墙顶预留10 m宽平台,平台以上边坡坡率采用1∶2,每10 m一级。

(3)其余地段右侧路堑边坡采用锚杆框架梁防护,边坡坡率1∶1.25,分级高度10 m,分级平台宽度2.0 m。

(5)为有效防止风蚀破坏,拱形及锚杆框架内铺设混凝土空心砖,空心砖内培土,培土表面低于空心砖表面2～3 cm。

(6)桩板墙桩长为24、22 m,截面尺寸分别为2.0 m×2.5 m、2.0 m×3.0 m,桩间距6.0 m[4],桩的锚固段长12.0 m,采用C40钢筋混凝土浇筑。距抗滑桩顶1 m、3 m分别并排设2根预应力锚索,间距为1.25 m,锚索设计施加预应力为600 kN。桩之间设挡土板,采用C35钢筋混凝土浇筑,挡土板后设0.3 m厚砂夹卵石反滤层,底部不平处可用M7.5浆砌片石找平。

(7)重力式路堑挡土墙采用C35片石混凝土砌筑。锚杆框架梁框架采用C30钢筋混凝土浇筑,锚杆采用φ32 mm HRB400钢筋,锚杆水平夹角25°。拱形骨架采用M10浆砌片石砌筑。

4.2 重力式挡土墙结合顺层清方方案

(1)DK1818+960.00～DK1819+230.00、DK1819+250.00～DK1819+850.00段右侧设置高3.5 m、宽2.0 m的重力式路堑挡土墙,挡土墙墙顶设置10.0 m宽平台。挡土墙以上边坡坡率1∶2.0,分级高度10 m,分级平台宽度2.0 m。挡土墙各级边坡采用锚杆框架梁防护。见图10。

图10 重力式挡土墙结合顺层清方方案横断面(单位：m)

(2)其余地段右侧路堑边坡采用锚杆框架梁防护,边坡坡率1∶2.0,分级高度10 m,分级平台宽度2.0 m。

(3)左侧路堑边坡采用拱形骨架及混凝土空心砖护坡防护,边坡坡率1∶1.0,分级高度10 m,分级平台宽度2.0 m。

(4)挡土墙采用C35片石混凝土砌筑。锚杆框架梁框架采用C30钢筋混凝土浇筑,锚杆采用φ32 mm HRB400钢筋,锚杆水平夹角25°[6]。拱形骨架采用M10浆砌片石砌筑。

(5)为有效防止风蚀破坏,拱形及锚杆框架内铺设混凝土空心砖,空心砖内培土,培土表面低于空心砖表面2～3 cm[5]。

4.3 方案技术经济比较

(1)预应力锚索桩板墙抗滑方案

优点：①该方案采用锚索桩板墙抵抗下滑力,同时结合顺层清方及锚杆框架梁对边坡进行防护,有效地解决了顺层滑坡的问题[7],能够有效地保证工程安全。②桩板墙的设置能够有效降低边坡高度,节省土石方工程。

缺点：①该工程地处新疆干旱少雨区,且位于达板城风区,施工环境恶劣,桩板墙采用钢筋混凝土浇筑,施工过程养护困难,易裂缝。②桩板墙施工难度大,施工过程易引起塌方隐患。③该方案钢筋混凝土用量大,工程投资较大。

(2)重力式挡土墙结合顺层清方方案

优点：①该方案采用重力式挡土墙抵抗坡脚下滑力,采用顺层清方及锚杆框架梁对边坡进行防护,有效地解决了顺层滑坡的问题,能够有效地保证工程安全。②与桩板墙抗滑方案比较,节省了钢筋混凝土用量,降低了施工难度,施工过程及质量安全更容易控制。

缺点：①边坡高度较高,挖除的土石方数量大。②占用土地面积大。

(3)推荐方案

通过对以上2个方案的经济技术比较,在2个方案均能保证工程安全有效的前提下,重力式挡土墙结合顺层清方方案可降低施工难度,其施工过程及质量更容易控制,增加土石方数量的同时减少了钢筋混凝土用量,节省工程投资约800万元,因此,推荐采用重力式挡土墙结合顺层清方方案。

5 工程施工

5.1 边坡开挖

路堑自上而下进行分层爆破开挖,爆破采用控制爆破技术,控制装药量,减少对边坡的振动,以免产生新的裂缝。坡面开挖一级即施工坡面防护工程,完毕后方可进行下部边坡的开挖及坡面防护工程的施工。

5.2 锚杆框架梁的施工

锚杆施工工艺流程：确定孔位→钻机就位→调整角度→钻孔→清孔→安装锚杆→注浆[8]。

5.3 拱形骨架护坡施工

(1)施工前应修整好坡面。

(2)施工时应自下而上逐条砌筑骨架,间距不足时调整拱间间距在下部增加设拱[9]。

(3)砌筑基础应按设计要求挂线放样,基础顶面应平顺。

5.4 重力式挡土墙施工

(1)挡土墙应分层砌筑,分层填筑墙背土,墙身不得做成水平通缝[10]。

(2)片石砌体所用石料为不易风化的石块,其极限强度等级不小于MU30。砌筑时要求灰满缝严、坚实平整。

(3)沿挡土墙墙长每隔10～20 m设置伸缩缝,在基底地层变化处设置沉降缝。缝宽2 cm,缝内沿墙的内、外、顶三边填塞沥青麻筋,沥青麻筋塞入深度不小于0.2 m。

(4)挡土墙设置向墙外坡度不小于4%的泄水孔,自路肩以上上下左右每隔2～3 m交错布置。

5.5 铺设混凝土空心砖及培土

(1)施工前应修整好坡面。

(2)砌筑基础应按设计要求挂线放样,基础顶面应平顺。

(3)自下而上铺设混凝土空心砖,铺设时应拿橡皮锤击打,不得使用铁锤等重物。

(4)空心砖铺设完成后,空心砖内夯拍戈壁土,为保证夯拍密实,需洒水夯拍。同时培土顶面应低于空心砖顶面2～3 cm,以减少风蚀对边坡的破坏。

6 工程实施效果

工程采用重力式挡土墙结合顺层清方和边坡锚杆框架梁处理后,解决了顺层安全隐患,边坡稳定安全安全,美观。

7 结语

本文针对新疆干旱荒漠区基岩顺层深挖方边坡防护的特点,通过对原设计施工过程中产生裂缝的分析,进行方案研究,第一次在新疆干旱地区深路堑顺层边坡中采用顺层清方、锚杆加固的措施,节省工程投资的同时保证了工程安全,确保了兰新铁路运营安全畅通,为设计施工积累成功经验,对类似工程具有较强的借鉴和推广意义。

[1] 李守定,李晓.大型基层顺层滑坡滑带形成演化过程[J].岩石力学与工程学报,2007(12):2473-2480.

[2] 铁道第一勘察设计院.TB10001—2005 铁路路基设计规范[S].北京：中国铁道出版社,2005.

[3] 工程地质手册编委会.工程地质手册[M].北京：中国建筑工业出版社,2007．

[4] 铁道第二勘察设计院.TB10025—2006 铁路路基支挡结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社,2005.

[5] 中铁第一勘察设计院.铁路工程设计技术手册·路基[M].北京：中国铁道出版社,1992.

[6] 李海光.新型支挡结构设计与工程实例[M].北京:人民交通出版社,2004.

[7] 万军利.预应力锚索桩板墙应用研究[D].北京:铁道部科学研究院,2007:45-47.

[8] 王锦珊.浅议锚索框架梁与锚杆框架梁施工技术[J].商情(财经研究),2008(3):5-8.

[9] 岐峰军.现浇混凝土拱形骨架施工质量控制[J].山西建筑,2010(23): 92-96.

[10] 高智亭.高速公路挡土墙施工分析[J].交通世界(建养、机械),2011(7):114-117.