高速公路改扩建路堑高边坡支护方案优化设计

徐云涛，古海东，叶建龙，姜正晖

（浙江省交通规划设计研究院，杭州　310006）

道路工程

高速公路改扩建路堑高边坡支护方案优化设计

徐云涛，古海东，叶建龙，姜正晖

（浙江省交通规划设计研究院，杭州310006）

高速公路改扩建工程受保通和工期的影响，需在保证边坡安全的前提下寻求既能减少边坡开挖量，缩短施工工期，又能最大限度地减少施工对交通运营影响的优化方案。以杭金衢高速公路改扩建工程为背景，介绍路堑高边坡常用扩宽形式以及稳定性计算方法，并结合具体高边坡案例，通过有限元分析，探讨对路堑上边坡进行预应力锚索加固后，只对路堑1级边坡进行扩挖方案的可行性。

高速公路；改扩建；路堑高边坡；优化设计

一般路堑高边坡是指高度大于30 m的岩质边坡和高度大于20 m的土质边坡［1］。高速公路改扩建工程路堑高边坡在施工过程中，需要对原有边坡进行2次开挖，如果原有边坡没有采取支护措施，仅在自然状态下就处于稳定，则2次开挖就会对已经稳定的边坡造成进一步的扰动，破坏原有的应力应变状态，使边坡面临失稳破坏的风险；如果原有边坡采用了挡土墙、抗滑桩、锚杆（索）等加固技术维持其稳定性，则2次开挖需对既有支护进行拆除，而由于原有支护边坡经过长时间的自然因素作用已趋于稳定，故对支护进行拆除势必会使边坡又回到不稳定的状态。不管是哪种情况，在2次开挖时都会进一步对边坡的稳定性造成影响，若处理不当，则可能造成坡体失稳。因此，在路堑扩宽过程中，如何避免边坡在2次开挖过程中发生失稳破坏是高速公路改扩建工程施工中面临的关键问题之一。

目前，国内外学者对路堑高边坡支护结构优化设计的研究主要集中在新建路堑高边坡方面，通常在地质调查基础上，采用极限平衡方法对边坡稳定性进行验证，通过监测反馈信息，提出优化设计方案［2-7］。但对改扩建工程路堑高边坡稳定性及支护结构优化设计方面的研究很少涉及。现阶段通常还是套用新建公路边坡设计原则，然而其施工要求与新建边坡却有不同之处：新建公路路堑高边坡设计一般在满足安全性的前提下，寻求经济美观的支护设计方案；而改扩建工程则需在满足边坡安全的前提下，寻求既能减少边坡开挖量缩短施工工期，又能最大限度地减少施工对交通运营影响的优化方案。因此，对改扩建工程路堑高边坡进行支护结构优化设计具有重大工程意义。

本文以杭金衢高速公路改扩建工程为依托，介绍路堑高边坡的常用拓宽形式，并结合典型高边坡拓宽设计案例，通过理论计算与有限元数值分析对支护结构进行优化设计。

1　常规扩宽设计

1.1扩宽方式

路堑高边坡的扩宽方式通常有3种，如图1所示。

图1　路堑高边坡扩宽方式

图1（a）为大面积分级开挖、分级支护方式。采用这种扩宽方式有利于边坡稳定和植物防护，可减少防护的圬工数量。但占地规模及挖方数量大，如果原边坡有支护结构，还需先对支护结构进行大面积拆除。

图1（b）为小面积放坡开挖方式，可避免大面积开挖的不利因素，但需加强防护。如果坡度较陡，则需在放坡部位增加挡土墙或锚杆（索）框格加固支护结构。

图1（c）为在拓宽边线处先增加坡脚强支护措施，如抗滑桩、排架桩、预应力锚索桩等，然后再开挖扩宽部位岩土体的开挖方式。这种方式占地数量小、开挖方量小，可避免大面积开挖对边坡的扰动及对道路运营的影响，但路基景观效果较差、加固工程量大，且施工技术要求高。

上述3种开挖方案各有优缺点，具体采取哪种方案需在确保边坡稳定的前提下，基于沿线土石方平衡、保通要求、环保景观、施工难易程度、经济性等因素综合考虑。

1.2设计方法

路堑边坡不论采用哪种扩宽方式，其前提是确保边坡安全，即边坡稳定安全系数需满足规范要求。因此，对路堑边坡进行稳定性分析是路堑高边坡设计的关键。要想尽可能准确计算路堑边坡的稳定性安全系数，首先需了解边坡的变形破坏模式，然后根据不同的变形破坏模式采用不同的计算方法。

边坡变形破坏模式总体上可分为2大类：最大剪应力控制型边坡和结构面控制型边坡。土质边坡、散体结构和碎裂结构的岩质边坡失稳破坏一般受最大剪应力控制。结构面控制型边坡通常可分为块体失稳性边坡和软弱结构面控制型边坡。

对于受最大剪应力控制型边坡而言，其稳定性分析通常可采用有限元方法，以研究边坡开挖过程中各阶段不同部位应力、应变和塑性破坏区的位置及发展趋势，判断潜在活动面的位置，在此基础上采用稳定性分析方法（如强度折减法或极限平衡法）进行边坡稳定性评价，并对支护结构参数进行优化设计。

对于受块体结构面控制型边坡而言，其稳定性分析通常是在对岩体结构进行精细描述的基础上，建立三维地质模型，通过三维有限元分析寻找控制边坡整体稳定的关键块体位置、规模及其变形和运动特征，再采用块体理论进行块体稳定性评价，并确定合理的支护结构参数。对于受软弱结构面控制型边坡而言，其稳定性分析可采用二维或三维有限元法以模拟开挖过程中不同阶段、不同部位边坡的应力应变特征，预测边坡的滑裂面位置和所处的阶段，并结合施工和监测反馈信息来判断潜在滑动面的位置及性状，在此基础上采用强度稳定性评价方法对边坡稳定性进行评价，并确定合理的支护结构参数。

2　改扩建路堑高边坡优化设计实例

2.1工程概况

杭金衢高速公路改扩建工程全长约150 km，在原双向4车道的基础上两侧各加宽2个车道，采用边施工边运营方式施工，工期3年。全线分布70余处路堑边坡，其中高度在30 m以上的高边坡近20处，最大坡高63 m。

对运营中的高速公路边坡进行开挖，其施工难度大，工期长，对公路交通的安全畅通不利，主要表现为：1）开挖施工需要占用既有公路宽度；2）爆破、碎渣清理及外运等需要交通管制或封道；3）施工路段在整个边坡施工期间车辆需限速慢行，通行能力下降。

杭金衢高速公路现状的许多路段目前交通量已趋于饱和，因此，如何在大交通流量下尽可能减少边坡施工对交通的影响，便成为保证整个扩建工程顺利实施的关键因素之一。而开展路堑高边坡处治方案优化及加固方法的研究，尽量减小边坡开挖的工程量，加快施工进度，缩短工期，不仅可为杭金衢高速公路改扩建项目的施工安全和畅通运营提供技术支持，而且还可为将来类似工程的实施提供科学依据和经验积累。

考虑到杭金衢高速公路改扩建工程对施工工期和保通的高标准要求，其路堑高边坡的拓宽方式宜选择尽可能减少边坡开挖的方案，从这点考虑，图1 （c）的扩宽方案其开挖量最小应是最理想的。但是，图1（c）的扩宽方案需设置抗滑桩或预应力锚索桩，其施工难度较大且混凝土圬工量较大。因此，本文拟通过边坡稳定性评价和有限元数值计算对图1 （c）的支护方案进行优化，在保证边坡安全性的情况下，通过强化上边坡的支护结构（在上边坡设置预应力锚索）来弱化对下边坡的支护，并根据边坡稳定性评价结果对下边坡采用坡面绿化防护或锚杆格梁防护以取代抗滑桩或预应力锚索桩。

以K113+000～K113+293左侧路堑高边坡为例，采用极限平衡法和有限元强度折减法，结合地质调查对该边坡稳定性进行综合分析和评价。在此基础上，对图1（c）的拓宽方式进行优化，并通过考虑边坡岩体的塑性变形以及支护结构与边坡坡体变形的相互作用，对支护结构参数进行优化。

2.2边坡地质条件

K113+000～K113+293左坡全长约300 m。该路堑边坡轴线走向213°，坡面倾向300°，路线通过圆形丘陵山体西坡，原始地形坡度10°～25°。公路轴线通过路段最高高程162 m，路基段自然地面高程约130 m，表部植被发育。

路堑区域的岩体岩性为泥质粉砂岩夹细砂岩，紫红色。其中，强风化层岩石风化成泥夹碎石状，厚2.5～3.5 m；中风化层呈碎块夹泥状，厚1～3.0 m；微风化层呈厚层状结构，岩层产状172°∠38°。边坡岩体主要节理裂隙产状为：162°∠35°，间距0.6～1.2 m；250°∠80°，间距0.4～0.8 m；290°∠20°，间距0.3～0.6 m。其中，第3组节理290°∠20°与路堑边坡坡面近平行，对边坡稳定不利。

地下水主要以裂隙水形式存在，山坡地形有利于排水，边坡水文地质条件较好。

2.3边坡稳定性计算原理

采用有限元强度折减法对边坡开挖前后的稳定性进行分析评价。支护结构设计以加固后边坡稳定安全系数不小于开挖前的原状边坡安全系数为原则，在此基础上对支护参数进行优化，且建立边坡稳定性分析计算模型，系统、全面地分析不同工况条件下边坡的稳定性。

有限元强度折减法的基本原理是通过利用式（1）和式（2）来调整岩土体的抗剪强度指标c和φ，然后对岩土体进行有限元分析，通过不断增加折减系数，反复分析土坡，直至达到临界破坏，此时得到的折减系数即为安全系数［8-9］。强度折减法的优点是安全系数可以直接给出，不需事先假设滑裂面的形式和位置，且滑裂面的范围更加直观。

式中：Ft为折减系数；c和φ分别为折减前的岩土体粘聚力和内摩擦角；ct和φt分别为折减后的岩土体粘聚力和内摩擦角。

由于地质条件的复杂性及计算参数的不确定性，边坡稳定性分析往往难以通过一种方法得出可靠结果。为此，本文将有限元强度折减法计算结果与极限平衡法进行比较并相互验证，对不同工况下的边坡稳定性进行系统、全面的分析。

2.4支护结构优化设计

基于稳定性综合分析和评价结果，探讨先锚固后开挖施工方案的可行性。建立加固后的边坡力学计算模型，研究路堑上级边坡预应力锚索加固后对由边坡开挖引起的稳定性损失的补偿效果。

对锚索长度、间距、吨位等设计参数进行优化，确定最优的支护措施和加固方法。

选取典型横断面K113+126，建立有限元模型，如图2所示，模型计算参数见表1。

图2　K113+126典型断面有限元分析模型

表1　有限元模型计算参数

由表1的计算参数计算得到边坡开挖前后其稳定安全系数分别为1.61和1.50。边坡开挖前后的潜在滑裂面形态如图3所示。

图3　边坡开挖前后的稳定性计算结果

计算结果表明，开挖致使边坡稳定性系数下降0.1左右。经反复试算可知，当对边坡设置6道650 kN的预应力锚索进行加固后（纵向间距为4 m，长度22～32 m，倾角25°），不仅可以补偿开挖引起的稳定性损失，而且可以保证边坡稳定系数不低于开挖前的水平。先设置预应力锚索再开挖的边坡稳定安全系数为1.68，其潜在失稳破坏模式如图4所示。

图4　先加固后开挖边坡稳定性计算结果（安全系数为1.68）

有限元计算结果与极限平衡法计算结果比较见表2。极限平衡法计算得到的先锚固后开挖的边坡潜在滑裂面形态如图5所示（限于篇幅，图5只给出了极限平衡法中的Spencer法计算得到的边坡滑裂面形态）。由表2可知，有限元强度折减法计算得到的边坡稳定安全系数与极限平衡法结果基本一致，有限元强度折减法获得的潜在滑面其后缘范围比极限平衡法略大。

表2　不同计算工况的边坡稳定性安全系数

图5　Spencer法计算得到的滑裂面形态（安全系数为1.641）

极限平衡法和有限元强度折减法计算均表明，对路堑上级边坡进行预应力锚索加固后，再进行下边坡开挖可以补充由边坡开挖引起的稳定性损失，说明采用本文提出的先对上边坡进行预应力锚索加固再对下边坡进行开挖的方案是可行的。该方案由于只对路堑1级边坡进行扩挖，故可最大限度地减少边坡开挖工程量，且施工方便。

为进一步分析开挖及加固措施对边坡变形的影响规律，基于上述有限元计算模型及参数，本文对开挖引起的边坡变形进行了计算。直接开挖与先预应力锚索加固再开挖的边坡变形与应力云图分别如图6～9所示。

由图6可以看出，边坡开挖引起的最大变形位置位于开挖面附近，向坡体内部随着距离的增加逐渐减小。

由图8可以看出，预应力锚索加固对坡体的最大变形量影响很小。这是因为相对于岩体的刚度而言，锚索加固作用相对较柔，对边坡变形的限制作用有限。所以，总体而言，锚索对边坡变形的影响范围很小。

由图7和图9可以看出，开挖和预应力锚固作用对坡体的应力分布也有一定影响。开挖对边坡应力的影响范围主要在开挖坡面附近，这与开挖对边坡变形的影响规律基本一致。

比较图7和图9，可以发现锚索加固对该边坡的等效应力增量的影响较小，这与边坡的开挖引起的变形量很小有关。

图6　边坡直接开挖后的位移计算结果

图7　边坡直接开挖后的应力计算结果

图8　锚索加固后的位移计算结果

图9　锚索加固后的应力计算结果

3　结论

本文以杭金衢高速公路改扩建工程为背景，介绍了路堑高边坡的常用扩宽形式及稳定性计算方法。结合具体高边坡案例，通过有限元分析，探讨了对路堑上边坡进行预应力锚索加固后，只对路堑1级边坡进行扩挖方案的可行性，并得出以下主要结论：

1）采用有限元强度折减法计算获得的边坡整体稳定性系数与极限平衡法基本一致。滑面位置略有差异。通常，有限元强度折减法获得的潜在滑面其后缘范围比极限平衡法略大。

2）本文提出的先对上边坡进行预应力锚索加固再对下边坡进行开挖的方案理论上是可行的。在杭金衢高速公路改扩建工程实践中对上边坡采取了超前支护方法，其对于保障边坡工程的安全、经济、环保具有实效。该方法施工方便，可最大限度地减少边坡开挖量，大幅度节省施工工期，具有一定的应用价值。

［1］中交第二公路勘察设计研究院有限公司.JTG D30—2015公路路基设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2015.

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Optimized Design for High Slope Supporting/Protection During Highway Cutting Expanding

XU Yuntao，GU Haidong，YE Jianlong，JIANG Zhenghui

Highway expanding/revamping project is influenced by traffic protection and constructional period，which requires an optimized scheme to reduce side slope excavation，shorten construction period at the premise of guarantee side slope safety，as well as minimize influence to traffic.We take Hangzhou-Jinhua-Quzhou Highway expanding project as an example，to discuss the popular widening method of road cutting high slope and its stability calculation method.Combined with detailed high slope case，through finite element analysis，we explored the feasibility to carry out expanding excavation only to Class 1 side slope at road cutting after prestressed anchoring&reinforcing to slopes.

highway；revamping/expanding；high slope above road cutting；optimized design

1009-6477（2016）04-0001-05

U412.36+6

A

10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.001

浙江省交通运输厅科技计划项目（2013H11）

2016-04-16

徐云涛（1963-），男，浙江省武义县人，研究生，高级经济师。