重载铁路不稳定斜坡变形分析与治理措施

雷晓侠

(中铁二十局集团第四工程有限公司，山东 青岛　266061)

1　工程概况

吕临(吕梁—临县)支线铁路位于山西省吕梁山地西侧的黄土高原区。该黄土高原区覆盖有厚层黄土，由于长期水流侵蚀和切割作用，形成以黄土梁、峁和深切冲沟为主的典型黄土丘陵地貌，地形起伏较大且凌乱破碎，区间存在多处滑坡、煤矿采空区及软弱围岩层，为不良地质比较集中地段。吕临支线铁路途径山西省吕梁市冯家会时以路基形式穿越既有不稳定斜坡，如图1所示。该段路基线路南北走向，长度387.46 m，位于吕临支线铁路高家坪湫水河特大桥与羊塌沟大桥之间，地形起伏较大，冲沟发育。既有不稳定斜坡原地形呈东高西低斜坡状，设计以半挖半填路基通过，路堑最大挖深9.81 m，路堤最大填高13.72 m，铁路建设前为地方砖厂用地。此斜坡黄土具有湿陷性，湿陷系数δs=0.015～0.026，为Ⅱ级自重湿陷场地，其下层为泥岩、砂岩层，全～弱风化，层状构造，节理裂隙发育，区内岩层产状260°∠3°。地下水主要为第四系孔隙水，位于土石界面附近，具有明显的上层滞水性质，地下径流大致由东向西，水量不大，水位埋深3.7～27.0 m，受季节变化，水位变化明显。

图1　斜坡变形段平面示意

既有不稳定斜坡下半部分曾被人为大面积取土，原地貌斜坡前缘地面比目前地面高出5～18 m，测量估算斜坡前缘取土近20万m3，部分山梁整体被挖除，线路右侧原沟谷被回填平整，形成平台。线路位置在平台边缘，上半部分出现多处裂缝，与原始斜坡相比发生了明显改变，变形范围350 m(纵向)×150 m(横向)，如图2所示。变形区按原地貌改变程度分为2个区块，地貌未改变区为I区，填挖改变区为Ⅱ区(参见图1)。

图2　斜坡变形段剖面示意

2　斜坡变形研究与分析

2.1　地表监控与量测

由于地表变形范围较大，裂缝有逐渐发展趋势，山体有产生大面积滑坡的可能性。根据斜坡变形和裂缝走向，在变形范围及其周边布置测点60个，选择比较典型的7个断面作为重点断面，测点设置在南侧羊塌沟桥头稳定岩体上，斜坡下游(西侧)三碛公路同时纳入监测控制网中。监测频率为1次/d。

监测成果依据各断面位移点方向统计，根据前后4个月的持续监测，整体平面向下游位移，方向为296°，其中最大位移点位于前缘垮塌体上，平面位移54 mm，竖向高差18 mm，且随着时间的推移数据变化速度逐渐减小。说明本段土体仍处于不稳定状态，斜坡体仍有向下游继续滑动的趋势。

Ⅰ区斜坡变形区轴线长约240 m，平均宽度约220 m，斜坡变形主轴方位为300°～310°，斜坡变形前缘、后缘及中部横向裂缝明显，变形区的运动以水平位移为主，垂向位移不大，前缘、中部位移最大，前缘位移方向基本正交于临空面，多处裂缝横向贯通，属拉张裂缝，宽度2～20 cm，长度9～100 m，个别裂缝具有错台现象，高差5～10 cm。受前缘卸载临空面控制，该区域变形表现为牵引式蠕滑[1-3]，伴随取土前缘陡边坡的垮塌。

Ⅰ-1区处于变形区的后缘，裂缝发育短而窄，台阶不明显；经监测，区内最大位移在中部，两侧较小，位移方向277°，与地面最大坡度相近。

Ⅰ-2区为主变形区，地形相对平缓，该区域有多处拉张裂缝横向贯通，宽度2～20 cm，最大长度达100 m，个别裂缝具有错台现象，高差5～10 cm。取土前缘边坡垮塌严重，临空面多级错落。经监测，区内最大位移在中部断面处，越靠近前缘位移越大，位移方向300°～307°，受临空面控制显著。变形方向对铁路路基十分不利。

Ⅱ区为开挖回填平台，场地平坦，区域内普遍分布人工填土，厚度不等。Ⅱ区整体变形不大，但局部地段边坡垮塌(Ⅱ-1区)，斜坡变形主轴方位为310°，裂缝具有明显的错台现象，宽度10～30 cm，高差30～50 cm，裂缝基本贯通。根据检测数据，后部裂缝范围、宽度仍在进一步的加大。

经监测，除Ⅱ-1区各点外其余点平面、高程变化均不大，整体基本处于稳定状态，但边缘边坡垮塌现象明显，其上加载可能出现整体失稳[4-5]，需采取支挡及防护措施。

2.2　水位监测

斜坡变形区无地表水或溪沟水流。在斜坡变形范围共布置水位监测孔47个，对水位进行定期监测。根据监测结果分析，该区域地下水主要活动于土石、新老黄土接触带上，受泥岩、老黄土等隔水层的控制，水位处于土石界面处。根据当年11月至次年3月监测数据，水位呈逐渐降低趋势，对应土石界面处滑动带厚度减少，变形速度减缓。

随着雨季的来临，降雨入渗的持续补给，土体软化、增重，斜坡地面裂缝进一步增加、开张甚至贯通，该斜坡最终可能产生滑移[6]。因此，雨季斜坡变形加重，对线路危害极大。

2.3　地质补勘及分析

经对斜坡变形区进行补勘钻探及芯样分析，变形体基底岩性主要为二叠系上统泥岩、砂岩，紫红色夹灰白色，全～强风化，黏性较好，透水性差。

Ⅰ区斜坡变形区土石分界东部、南部高，南部边界及东部后缘基岩出露，基岩为泥岩，紫红色，全～强风化。斜坡变形体表覆新黄土，土质不均，具湿陷性，黄土陷穴发育，形成地表水汇集与下渗的主要通道。在土石分界处约2～8 m厚的饱和黄土层为斜坡变形的活动带，含水率为19.7%～23.9%，天然重度20 kN/m3。

Ⅱ区在土石分界处分布约1～6 m厚的饱和土层，含水率为21.7%～22%，天然重度20.2 kN/m3。

根据勘探揭示，斜坡变形最深处位于土石界面的黄土饱和带[7]。

2.4　总体变形分析

取土区处于单面缓倾黄土坡前缘，西邻湫水河。地势东高西低，下伏基岩面略陡于地面坡度，具有山越高黄土越薄的特点。随着前缘厚层黄土的挖除，形成取土临空面，打破了山坡土体的原有应力平衡，在取土临空面附近卸荷裂隙开张且呈弧形，造成斜坡前缘人工取土边坡垮塌。

在黄土坡体逐渐形成卸荷裂缝，相应加大了坡体范围的降雨入渗强度。随着降雨入渗量增加，引起斜坡土体重量的增加，造成土石界面附近黄土的饱和度增加，土石界面工程性质降低，土体沿土石界面顺层蠕变、卸荷裂缝逐渐增加扩展，在地面多个部位形成贯通裂缝。

综上所述，从地表监控、水位监测、地质补勘等多方面证明本段斜坡地形的变动情况与趋势，前期地方取土是导致该段路基段山坡变形的直接原因。若不及时治理，斜坡会随着降雨入渗的持续补给，土体软化、增重，裂缝将进一步增加、开张甚至贯通，最终可能产生滑移[6]。

3　治理措施

经深入调查，补充勘探和监测分析，斜坡变形的主要原因为坡脚取土引起牵引式拉裂变形，故采用清方减载加支挡防护措施[8-10]进行处理，如图3所示。施工顺序：清方减载→处理裂缝、陷穴→布置监测设备→施作地表排水设施→施工第1排抗滑桩(斜坡上部)→施作排水盲沟→施作第2排抗滑桩(桩板墙)，桩板墙挂板填土(与路基填筑同步)。

图3　治理措施

3.1　清方减载

坡体上部减载，减少自重。从斜坡Ⅰ区取土区陡壁后缘起(第1排抗滑桩桩顶位置)预留15 m宽平台，沿主轴方向对I区斜坡减载，减载纵坡坡度25%。清方表面及15 m宽平台植草，同时夯填斜坡体及以外 20 m 范围的陷穴及裂缝。陷穴处理顶部0.5 m采用三七灰土封闭。

3.2　抗滑桩支挡

为防止斜坡从I区山梁挖除前缘滑出，在取土区陡壁后缘设置1排抗滑桩。由于路堤右侧坡脚仍然在陡坡及Ⅱ区坡体上，根据Ⅱ区剩余下滑力情况在右侧坡脚设置1排桩板墙(抗滑桩)，参见图3。

在改MDK56+786—改MDK56+891左侧斜坡取土区陡壁后缘垂直主轴方向设置1排埋入式抗滑桩，桩截面尺寸2.5 m×3.5 m，桩间距5.0 m，桩长18～28 m，共24根；在改MDK56+716—改MDK56+954线路右侧17～35 m设置1排桩板墙(抗滑桩)，桩截面尺寸2.0 m×3.0 m，桩间距6～9 m，桩长12～26 m，共40根。桩身采用C30钢筋混凝土浇筑，受力钢筋采用HRB400级，其它钢筋采用HRB335级。

桩间挡土板采用后置方式，采用C30钢筋混凝土预制矩形块，在桩身强度达到设计强度70%后进行挂板。在桩板墙墙后设置0.3 m厚袋装砂加碎石反滤层。

桩孔开挖设置C20钢筋混凝土锁扣，桩井设置护壁，分节开挖与支护。桩身四角各布置1根直径 50 mm PVC管，便于进行桩身混凝土无损检测。

埋入式抗滑桩桩顶位于地面以下0.5 m，桩顶至地面桩孔内采用三七灰土分层回填，小型机械夯实。

3.3　排水措施

在斜坡中部设置横向排水沟，周围设置环向排水沟，共同组成通畅的地表排水系统，保证斜坡的地面水能够及时排到斜坡外侧，采用M7.5浆砌片石梯形排水沟，厚度0.35 m，尺寸0.6 m×0.6 m，沟壁边坡坡率1∶1，下设0.3 m厚三七灰土垫层。

在改MDK56+773—改MDK56+877线路左侧26 m 处设置暗沟，将地下水排至改MDK56+773附近，通过横向引水管将水引至挡水板底部，再通过预埋管道排出路基本体外。暗沟每隔30 m设检查井1道。

3.4　斜坡监测

采用浅层及深部位移观测，共布置测线7条，25个浅层测点，深部位移监测采用自动测斜管，布置在Ⅰ,Ⅱ区测线上。

斜坡外侧的地表水不进入斜坡。在改MDK56+773—改MDK56+877左侧路堤坡脚设排水盲沟[11-12]，引排土石界面地下水。

该不稳定斜坡变形经过治理及现场监控，如期完成了路基填筑工程，保证了总体工期，经后期持续监测与分析，路基稳定无变形，满足设计要求。

4　结论与建议

1)黄土丘陵区域边坡易于变形失稳，地形陡峭、地下水、强降雨、人工活动等均为影响因素，对坡体稳定性影响较大，设计与施工时应重点关注，及时防治。

2)抗滑桩支挡与排水综合治理为防范坡体失稳的有效措施，地形特殊或存在变形隐患的土质边坡可采用。

3)设计选线应多方案比选，尽可能避开滑坡等不良地质或存在变形隐患的地段，对已纳入建设规划的用地应加强管理，避免人为活动造成山体失稳或滑坡。

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