广东省煤系地层不同坡体结构的病害模式及防治对策

易巍

(广东平兴高速公路有限公司，广东 梅州 514600)

广东省煤系地层不同坡体结构的病害模式及防治对策

易巍

(广东平兴高速公路有限公司，广东 梅州 514600)

煤系地层在广东省分布广泛，其特殊的物理力学性质常常导致边坡工程失稳破坏，是困扰山区公路建设的一大技术难题。本文通过广东省7处典型病害工点的测算，得出了广东省煤系地层边坡岩土强度指标取值范围;将煤系地层按煤层厚度进行边坡坡体结构分类，并在剖析典型病害工点基础上，分析不同坡体结构边坡病害模式，针对不同模式提出相应的防治对策。

煤系地层 坡体结构 病害模式 防治对策

广东省煤系地层通常由石炭系、三叠系、侏罗系薄～中层状砂岩、泥岩夹炭质页岩、炭质灰岩和煤层构成，为一套滨海泻湖及海陆交替环境形成的含煤建造。煤系地层在广东省分布广泛，尤以粤北、粤西及粤东低山丘陵区最为常见，成为广东省山区高速公路建设的一大技术难题。

煤系地层岩质普遍软弱，含炭量高，吸热能力强，极易风化、崩解。以往有许多研究从煤系地层的防治对策出发，对煤系地层所适用的工程措施进行了总结。本文在前人研究的基础上，总结了广东省煤系地层的岩土强度指标、结构分类和病害模式，并提出了相应的煤系地层边坡灾害防治对策。

1 煤系地层边坡岩土强度指标

煤系地层典型的地质特点是岩层软，厚薄不均，层间胶结较差，结构松散，开挖后风化速度较快，且遇水易软化，性能极不稳定。在煤系地层地区修建高速公路，边坡稳定问题突出。

对广东省7处典型煤系地层病害边坡进行统计，通过参数反算，得出煤系地层岩体在浸水条件下抗剪强度指标:黏聚力c=10～18 kPa，内摩擦角φ=8°～16°(见表1)。煤系地层岩体泥质矿物含量越高，其强度指标越低，炭质泥岩、炭质灰岩强度指标取小值;炭质粉砂岩、炭质砂岩强度指标取大值。实际工程中强度指标选取应结合当地经验值综合考虑。

表1 广东省煤系地层边坡c，φ值汇总

2 煤系地层分类及病害模式总结

广东省煤系地层多存在于砂页岩、泥岩、灰岩等沉积岩地层。煤系地层或为薄层，或为厚层，薄、厚层煤系地层发生边坡失稳的模式也不同。

2.1 薄层煤系地层边坡

薄层煤系地层边坡指煤层在坡体内连续分布的最大厚度不超过1.0～2.0 m的边坡。煤层与正常沉积层多呈互层状，煤层厚度多为0.2～0.6 m，且含有大量伊利石。由于煤层具有易干裂、吸水性强、遇水膨胀软化、其结构易破坏而丧失强度等特点，在水和其它外力作用下易形成具隔水、含水和强度低等特点的软弱带，对边坡稳定不利。

对于薄层煤系地层，由于煤层具有遇水软化并隔水的特征，成为边坡软弱层面。若边坡为顺坡向层状边坡岩体结构，易诱发顺层滑坡，煤层的软化往往是滑坡发生的决定性因素;若边坡为反倾层状边坡岩体结构，则煤系地层对边坡整体稳定性的影响不明显，但仍可能发生小范围崩塌。

2.2 厚层煤系地层边坡

厚层煤系地层边坡指煤层在坡体内连续分布的最大厚度＞2.0 m的边坡，在广东煤系地层发育区域，连续分布煤层厚度常＞3.0 m。厚层煤系地层多为炭质泥岩、炭质灰岩，由其组成的边坡的病害类型与极软岩边坡类似。由于煤系地层遇水易软化，丧失强度，因此易发生边坡坍塌、崩塌及滑坡病害。坍塌主要由于煤系地层在浸水条件下岩土体强度不足所致。崩塌或滑坡则与边坡坡体结构密切相关。

1)边坡岩层顺倾:由于煤系地层的隔水及强度低等特点，炭质泥岩、灰岩的层面或与坚硬岩层的交界面易成为顺层滑坡的滑带;若顺坡向结构面贯通，也可能发生顺坡向结构面滑坡。

2)边坡岩层反倾:坡体为以软岩为主的反倾坡体结构时，易发生顺坡向结构面滑坡;坡体为上硬下软反倾坡体结构时，由于下部软岩强度较低，易发生错落挤压剪切式滑坡或崩塌;坡体为层面发育的软硬岩互层结构时，软岩由于抗风化能力低，易发生硬岩的崩塌。

其中，边坡坡脚出露煤系地层的上硬下软反倾坡体结构，由于煤层遇水易软化的特性，极易发生错落挤压剪切式滑坡(结构面陡倾)，或沿顺坡向结构面的滑坡(结构面缓倾)。此类病害在广东高速公路建设中频发。其变形特征为:坡脚煤系地层由于泡水首先发生挤出变形，此后上部岩土体沿陡倾或缓倾面整体滑动变形。煤系地层边坡分类及可能破坏模式见表2。

表2 煤系地层边坡分类及可能破坏模式

3 典型工点剖析

3.1 平兴高速公路 K1619+000—K1619+205左侧边坡

3.1.1 边坡概况

该左侧边坡原设计为三级坡，一、二级坡坡高10.0 m，三级坡坡高7.3 m;一级坡坡率1∶1.0，二、三级坡坡率1∶1.25;分级平台宽2 m。一级坡K1619+030—K1619+140段原设计采用4排锚杆格梁加固，格梁内喷混植生防护;二、三级坡采用拱架三维网植草防护。一级边坡K1610+020—K1610+140段设置一排斜孔排水，孔深20 m。

在该边坡整体开挖至二级坡中下部，局部区域(K1619+000—K1619+030)一级边坡已开挖的情况下，对边坡进行现场调查。从开挖揭露岩层看，二级坡坡顶以下2 m即出露煤系地层，一级坡从路基右侧开挖情况看也为煤系地层分布区，煤系地层厚度可能高达10 m以上，大大超过勘察钻探资料揭露的6.7 m。连续分布的厚层煤系地层对边坡稳定极为不利。

3.1.2 工程地质条件

1)地形地貌

边坡处于低缓丘陵区，坡高约27 m，三级坡，自然坡度约11°，坡顶为缓坡平台。线路以直线横切山坡。

2)地层岩性

根据钻孔资料和现场地质调查，该路堑边坡表层第四系覆盖层为粉质黏土，下伏基岩为全～强风化砂页岩、炭质灰岩。

①第四系覆盖层:粉质黏土，黄褐色，硬塑，厚约1.4 m;

②砂页岩:全～强风化，黄～黄褐色，中～薄层，岩体裂隙发育，较破碎。从开挖揭露地层看，小里程K1619+000—K1619+050段二级坡及以上基本为全风化砂页岩，岩体风化破碎呈碎石土状，K1619+ 000—K1619+030段一级坡为强风化砂页岩，岩体风化呈块石土状。其余地段砂页岩基本分布在三级坡，厚度3～8 m。

③炭质灰岩:强风化，黑色，中～薄层状，节理较发育，岩体遇水易软化。从开挖揭露地层看，K1619+ 050—K1619+170段二级坡炭质灰岩连续分布，厚度大(超过10 m)，局部夹中风化页岩;岩体节理裂隙发育。K1619+130—K1619+160段二级坡中下部渗水严重，岩体软化现象明显，手捏易碎，有滑腻感。

④砂页岩与炭质灰岩接触带:调查中发现，二级坡中上部存在一条连续的砂页岩与炭质灰岩接触带(见图1)，可能成为边坡滑动的依附面。

3)地质构造

现场调查期间，在 K1619+160段二级坡坡面量得层面产状为162°∠40°，为反倾边坡。贯通结构面有两组，量得结构面1产状为326°～337°∠37°～53°，结构面顺倾，表面光滑;结构面2产状为54°∠76°，结构面与线路走向正交。

图1 砂页岩与炭质灰岩接触带

4)水文地质条件

坡体中砂页岩、炭质灰岩裂隙发育，极易渗水，而炭质砂页岩遇水软化严重(如K1619+130—K1619+ 160段二级坡中下部渗水区岩体强度下降明显)。

3.1.3 病害模式及原因分析

该边坡为厚层煤系地层边坡，坡体结构为上硬下软反倾坡体结构，因此推测破坏模式为挤压剪切式滑坡(结构面陡倾)。边坡开挖造成下部煤系地层遇水后岩土体强度软化明显，滑坡段因抗滑强度不足被挤出;同时由于雨水侵入，造成煤系地层陡倾结构面强度降低，抗滑力不足，最终导致边坡整体变形。

3.1.4 工程措施

采用斜向控制注浆钢锚管进行加固。K1619+ 160的断面钢锚管布置如图2所示。钢锚管为 φ50δ 4.0 mm。一、二级坡均设4排，锚管长度以进入滑面≥6 m控制。锚管水平夹角均为20°。

图2 K1619+160断面钢锚管布置

3.2 平兴高速公路 K1640+565—K1640+840路堑左侧边坡

3.2.1 工程概况

边坡地处丘陵地段。2014年11月整体开挖至一级坡脚(小里程方向局部开挖至一级坡面)，从开挖揭露地层看，主要为全～强风化炭质泥岩，中～薄层状，受构造影响，岩层产状凌乱，局部顺倾，坡面多处有褶皱现象，岩体极为破碎，岩土体泡水极易软化，导致强度大幅降低。

3.2.2 病害情况及原因分析

边坡从雨季结束开始开挖一级坡。开挖过程中发现一级坡局部顺层地段出现小范围滑塌，同时一级坡坡面有整体外鼓趋势;在边坡二、三级平台发现多道平台裂缝，同时在边坡坡顶往山侧约25 m，出现连续长大贯通后缘裂缝，该裂缝在小里程方向往下延伸直至一级坡面(见图3)。

图3 坡顶长大贯通裂缝从后缘延伸至一级坡面

从以上变形迹象看出，边坡病害发生的主要原因是:煤系地层岩土体破碎软弱，坡脚处岩土体竖向承载力及抗剪强度均不足，在坡体自重作用下，坡脚被压裂(表现为一级坡局部滑塌及坡面外鼓)，形成新生的剪切缓倾裂隙，上部不稳定岩体就会沿下部的挤压剪切裂隙产生整体滑动破坏，即错落挤压剪切式滑坡。

3.2.3 工程措施

边坡高38 m，共设4级坡。一级坡坡高10 m，坡率1∶1.0;二、三级坡坡高均为10 m，坡率1∶1.25;四级坡坡高约8 m，坡率1∶1.25。二级平台宽5 m，其余各级平台宽2 m。一级坡设置钢锚管，二、三级坡设置锚索框架，坡脚设置挡土墙。K1640+660断面加固措施如图4所示。

4 防治对策

4.1 坡形坡率

炭质粉砂岩、炭质砂岩等岩质较硬边坡，坡率宜放缓至1∶1.25～1∶1.5;炭质泥岩、炭质页岩及炭质灰岩等岩质软弱边坡，坡率宜放缓至1∶1.5～1∶1.75。每级坡坡高不超过8 m;地形条件许可情况下尽量在边坡中部设置至少8.0～10.0 m宽的大平台。

4.2 加固措施

煤系地层全～强风化，厚度大，应优先在坡脚或一级平台内侧设置较强抗滑桩或抗滑挡墙(主要措施)，并在边坡中部设置预应力锚索或锚杆框架(辅助措

施)，起到“强腰固脚”的防治效果。

图4 K1640+660断面加固措施

如果由于施工安全、工期限制或其他原因，无法施工抗滑桩或挡墙，也可设置预应力锚索框架。锚索锚固段应进入稳定岩层一定深度，同时为防止边坡表层煤系岩土遇水软化，造成锚索预应力损失，应加强边坡表层排水措施，且尽量使用预制锚头压力锚索等新型防腐锚索，避免使用耐腐蚀性差的普通锚索。选用锚杆时应减小锚杆间距，不宜超过2.0 m。

斜向控制注浆钢锚管框架作为一种新型防治技术，结合了锚杆框架与控制注浆技术的优势，钢锚管自身除了作为防护措施外，也是二次注浆的通道，通过二次注浆改善周边岩土体强度，使钢管与周边岩土体形成整体，共同抵御滑坡。该技术针对煤系地层滑坡，具有抗滑力大、耐久性强及机械化程度高等突出优点，是煤系地层边坡防治具有发展前途的防治技术。

4.3 坡面防护

对炭质泥岩、页岩或灰岩边坡，应对坡面采用浆砌片石封闭防护;对炭质粉砂岩、炭质砂岩等，建议对坡面采用浆砌片石封闭防护，也可采用其他生态防护措施。坡脚出露煤系地层，应在一级坡坡面设置仰斜排水孔或支撑渗沟，加强地下水疏干。

4.4 施工方法

施工开挖过程中应尽量避开雨季，选择土层较为干燥的季节。开挖过程中如遇雨天，应停止施工，并覆盖开挖面，同时采取积极措施，如对坡面水截流及开挖临时排水沟等将边坡内的水及时排走，把水对煤系土层的影响降到最小。对于厚层煤系地层边坡，施工过程中应采取预加固方法，坚持先支护后开挖或分段开挖的原则，开挖一级、支护一级，杜绝一挖到底的冒险做法。

5 结论

1)煤系地层岩质普遍软弱，结构松散，遇水易软化，性能极不稳定。岩体泥质矿物含量越高，其强度指标越低。

2)煤系地层边坡破坏模式受煤层厚度和坡体结构共同控制。本文将煤系地层边坡按煤层厚度分为薄层及厚层两大类，并总结了典型边坡坡体结构和可能破坏模式。

3)因煤系地层岩质软弱，边坡防护中宜采用偏保守坡形坡率，并尽量设置抗滑桩和锚杆锚索以达到“强腰固脚”的效果。煤系地层水敏感性强，边坡施工应避开雨季，坡面防护宜采用全封闭式防护，并设置支撑渗沟等排水措施。

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(责任审编 周彦彦)

U416.1+4

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.27

2014-12-22;

:2015-03-23

易巍(1970— )，男，湖南长沙人，高级工程师，硕士。

1003-1995(2015)09-0094-04