太中银铁路某高边坡鼓胀病害整治技术研究

杜晓燕，叶阳升，张千里，常 凯，吴中汉

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081；2高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081；3北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

1 工程概况

太原至中卫(银川)铁路由东向西，于太原南站发车，到达包兰线中卫站、银川站，横跨山西省西南部、陕西省北部、宁夏回族自治区中北部。客货混运，线路等级为Ⅰ级，全长751 km，设计速度160 km/h。其中K1067+050—K1067+200位于褚家沟—吕梁间黄嶂二号隧道进口，下行线左侧为四级深路堑护坡，全长约150 m，线路以挖方通过黄土高原丘陵地区，该地区地形起伏较大，冲沟发育。

地层自上而下依次为新黄土、粉质黏土。依照GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》[1]划分为一级边坡。2016年6月现场踏勘发现坡脚大量散落着坡面掉落的勾缝碎片，且在一、二级护坡的中上部出现了局部严重外鼓现象(二级护坡最大达20 cm)。该处护坡砌体砂浆强度严重不足，坡面砌石间的砂浆徒手即可剥落。一、二级坡面外鼓严重，且一、二、三级平台顶部已出现贯通裂缝，对线路带来安全隐患。边坡全貌见图1，二级护坡病害如图2所示。

图1 K1067+050—K1067+200全貌图2 二级护坡外鼓严重

2 边坡病害原因分析

2.1 变形现象

一级护坡坡率1∶0.75，坡高9.2 m。工务段于2015年已临时处理。但据本次调研显示，坡面严重外鼓现象依然存在，坡脚有浆砌片石掉块，坡顶有150 m纵向贯通裂缝，距平台边1.2～1.8 m，缝宽约2 cm，如图3(a)所示。隧道口附近水沟混凝土抹面上出现鼓胀挤压变形，如图3(b)所示，是边坡向隧道挤压引起的。二级护坡坡率1∶0.75，高8 m，二级护坡平台宽4 m，坡面浆砌片石外鼓严重，工务段已临时处理，如图3(c)所示。坡顶呈现3道裂缝，分别距离平台边0.4，1.2，2.4 m，且最长裂缝长150 m，纵向贯通，现已部分修补。三级护坡坡面浆砌片石外鼓与一级、二级护坡相比，程度较轻。坡顶裂缝纵向贯通，距平台边1.20,1.65 m，最大缝宽3 cm，且存在错台，有沉降迹象，如图3(d)所示。四级护坡坡墙与坡顶较完整，无严重病害。

图3 变形现象

2.2 边坡工程地质和地下水分析

从已有竣工资料分析，工点位于黄嶂2号隧道出口与前庄大桥小里程端，地形起伏较大。线路两侧大部分为耕地，冲沟发育，线路以挖方通过黄土高原丘陵区，线路中心最大挖深为17.54 m。地层自上而下为：新黄土，浅黄色，硬塑，具有湿陷性，湿陷系数在0.016～0.038，为Ⅱ级自重湿陷场地;老黄土,浅红色，硬塑，夹卵砾石;粗角砾石,黄褐色，潮湿，中密。地震动峰值加速度0.10g，土壤最大冻结深度0.87 m。

三级以上和部分二级坡体岩性为黄色粉质新黄土，其下为褐色粉质老黄土。在坡脚处夹有卵石土出露，不同土体接触面向外倾角约13°，形成不稳定坡体结构。岩土体松弛开裂后，由于雨水和地下水的影响，于新老黄土接触面形成一个水平的汇聚面，易使上覆岩土体滑动。坡脚卵石土形成储水层，山体中的水流向坡脚，使坡脚老黄土强度降低，进而使坡脚以上整体变形。

2.3 变形性质

2.3.1 浆砌片石墙变形

从浆砌片石墙外鼓，以及一、二、三级平台第1道裂缝可知，浆砌片石整体下滑。这主要是因为坡面浆砌片石勾缝砂浆由于时间长强度降低，甚至开裂，雨水通过裂缝汇入土体里，墙后土体受雨水作用，使墙与土体摩擦力降低，墙体压力增大而发生外鼓下滑。

2.3.2 墙后土体变形

降雨时雨水下渗，土体强度降低，并且该边坡浆砌片石整体下滑外鼓，使得墙后土体滑动，通过坡顶平台第2、第3道裂缝可知，墙后土体已经变形。

2.3.3 坡体整体变形

坡体整体变形性质如下：

①一级平台截水沟混凝土靠近隧道口处发生凸起变形，证明坡体有向隧道口滑动挤压趋势。

②隧道口附近二、三级平台无明显裂缝，远离隧道口附近裂缝明显且有贯穿裂缝，说明由于一级坡体松弛，可能导致二、三级坡体变形。

③从边坡地层情况可以看出，岩层倾向向外，有利于滑动，尤其护坡出现裂缝后，雨水可通过裂缝渗入坡体，降低土体强度，且在岩层分界处易形成滑移面。特别是一级坡脚处有卵石土贯通，如图4所示，裂隙水在此集聚，使上层土体黏聚力降低，易形成滑带，造成上覆土体滑动，形成滑坡。另外，当现有滑坡滑走后，后级也形成高边坡，在松弛作用下最后也会发生滑坡，对线路构成威胁。所以该滑坡急需整治才能保证线路安全。

图4 滑坡示意

3 计算分析

3.1 滑坡推力计算

根据DZ/T 0219—2006《滑坡防治工程设计与施工技术规范》[2]，采用传递系数法计算滑坡推力。计算简图如图5所示。

图5 滑坡计算简图

滑坡稳定性计算时各力的计算式如下：

1)滑坡推力。按传递系数法其计算式为

Pi=Pi-1Ψ+KsTi-Ri

(1)

式中：Pi为第i条块的推力，kN/m;Pi-1为第i-1条块剩余下滑力，kN/m;Ψ为传递系数;Ks为设计安全系数;Ti为条块重力在滑面切线方向的分力，kN;Ri为第i条块的抗滑力，kN。

2)下滑力Ti。计算式为

Ti=Wi(sinαi+Acosαi)+

NWisinβicos(αi-βi)

(2)

式中：Wi为第i条块的重力，kN/m;αi为第i条块的滑面倾角，(°);A为地震加速度,取1.0g;NWi为孔隙水压力，kN;βi为第i条块的地下水流向，(°)。

3)抗滑力Ri。计算式为

Ri=Wi(cosα1-Asinαi)-NWi-

NWisinβisin(αi-βi)tanφi+ciLi

(3)

式中：φi为第i条块的内摩擦角，(°);ci为第i条块的黏聚力,kPa;Li为第i条块的滑面长度,m。

4)传递系数。计算式为

Ψ=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi

(4)

式中：αi-1为第i-1滑面与水平面的夹角，(°)。

不考虑孔隙水压力且安全系数K取1.05时滑坡推力计算结果见表1。

表1 安全系数取1.05时滑坡推力计算结果

当K=1.05时，φ2=12.06°，tanφ2=0.15。由此求得滑坡推力E2=229.06 kN/m。

3.2 锚固力计算

设计锚固力Pt计算式为

(5)

式中：α为锚索与滑动面相交处滑动面倾角；β为锚索与水平面夹角，以下倾为宜，不应大于45°，宜为15°～30°；φ为滑动面内摩擦角。

设计锚固力计算参数见表2。

表2 设计锚固力计算参数

经计算所需设计锚固力Pt=784.45 kN。在3 m范围内，按设计共有6根锚索，故每根锚索需要的力为130.74 kN。

锚固范围分2种：①穿过卵石土，参考已有竣工地层资料以及根据设计锚固角度，锚固段穿过卵石土的厚度为4.2 m。选用卵石土的黏结强度为260 kPa，老黄土为60 kPa。②未穿过卵石土，选用老黄土黏结强度为60 kPa。

锚固长度至少需要10 m，选用12 m，钻孔直径15 cm，并通过抗拔试验和工程地质钻探验证设计参数。

3.3 框架梁尺寸和配筋

根据锚固力大小选用相应截面和配筋。根据设计，选用400 mm×400 mm截面，通过矩形截面梁受弯分析，确定配筋大小为330 mm2，故选取2根φ22钢筋，对称配筋，钢筋截面760 mm2。

4 整治措施

1)锚索框架梁护坡[3-6]。本边坡在坡脚以上高约近40 m，一级至三级护坡坡面和坡顶平台裂缝，雨水下渗后粉质黏土强度降低，稳定性差，易滑动，而新黄土黏聚力低，随时间的推移坡体有整体变形的趋势，所以一、二级护坡使用预应力锚索框架加固。以此措施拉紧加固该层土体，可以增大岩土体各个层面之间的抗滑力，并且独立的锚索被框架梁连成统一的整体，维持坡体整体稳定。

2)锚杆框架梁加固。对于三级坡体，坡顶裂缝是由于一、二级坡滑动牵拉所致，在一二级坡施加预应力锚索框架梁加固后，只需使用锚杆框架梁加固，即可保持坡体稳定，并对三级坡顶裂缝进行修补，防止雨水下渗。在四级坡顶面设置截水沟，排除山上地表水，避免对四级护坡冲刷，另外对已有裂缝采用水泥砂浆封缝处理。

图6 工程整治示意(单位：cm)

3)整治工程如图6所示。具体设计：①对于锚索框架，锚索采用4股钢绞线，一二级护坡各采用3排锚索，为确保锚固力锚固段12 m。框架水平跨度3 m，一榀框架由水平和竖向各3跨组成，框架采用C30钢筋混凝土。锚索施工完成后，采用多次张拉的方法，确保拉力达到设计要求。②自三级护坡以下2排锚杆长度均为9 m，一榀框架由水平3跨、竖向2跨组成，框架采用C30钢筋混凝土。③在边坡顶修排水沟并与两侧既有水沟相连，沟底保证不小于2%坡度。④为避免土体进一步受雨水浸泡，需对浆砌片石护坡坡面和坡顶裂缝进行修复封闭。⑤清理原有泄水孔，解决泄水孔不出水问题。⑥施工期间采用硬隔离防护。

5 施工工艺流程设计

5.1 锚索框架施工工艺流程

锚索框架施工分片进行，每片框架的施工工序如图7所示。

图7 锚索框架施工工序示意

5.2 锚杆框架施工工艺流程

锚杆框架施工分片进行，每片框架的施工工序同图7。

5.3 关键工序及施工注意事项

1)施工前的锚索拉拔试验。复核设计是工程设计中不可缺少的部分，在本项目中其内容就是根据拉拔试验来判定锚索锚固长度、锚索长度等设计参数是否需要重新设定，拉拔试验在复合设计中起着关键作用。拉拔试验选择的工地应与安设锚索工程具有相同的地质条件，选择具有代表性的孔不得少于3个，间距不得小于2.5 m。采用分级加载的方式，当加载超过拉力设计值的3倍，或者锚头位移不收敛以及后一级荷载作用下位移增量不小于前一级荷载产生的位移增量的2倍时，可认为已经发生破坏，试验结束。

2)锚索钻孔。本项目采用潜孔钻施工，可以提高效率并控制成孔质量。线路的方向基线和锚索的方向角分别用经纬仪和方向架确定，最后用测角仪按照设计标准调整倾角，孔口坐标、方位和倾角均确定准确无误后方可作业。在钻孔作业过程中需记录各个钻孔地层变化(岩粉情况)、地下水状况、进尺速度以及所有突发情况。钻孔完成后需及时清理钻具并用高压清孔，为防异物进入需塞好孔口。如发生塌孔事故需灌浆固壁处理。

3)锚索安装。为保证锚索顺利安装，在施工之前使用高压空气二次清孔确保孔内无阻塞，并核查钻孔编号与锚索编号，确认无误后即可安装。钻孔内灌注水泥砂浆等级为M30，水灰比为1∶1，砂浆强度至少为30 MPa。水泥砂浆需搅拌均匀，采用返浆式注浆，从孔底到孔口排气，锚孔必须灌满，避免空隙。由于水泥浆的收缩性，注浆完后还需补浆，直至灌满。注浆压力为0.3～0.6 MPa，应与锚索拉拔试验结果一致。

4)框架梁浇筑。框架梁按照设计尺寸首先绑扎钢筋，再支好模架，最后浇筑混凝土。注意预埋锚垫板及孔口PVC管，节点处必需振捣密实。

5)锚索张拉。锚索张拉需在浇筑的混凝土和浆体强度均达到设计标准的80%后才可进行，张拉前务必标定张拉设备。整个张拉过程分3级进行，每级张拉的伸长量都必须准确记录。张拉结束后，钢绞线会因自身松弛以及岩土体徐变损失应力，为保证锚索的预应力达到设计标准，需在损失基本停止后对锚索进行补张拉。待张拉完毕且变形达到稳定后，卸载至锁定荷载以锁定锚索，并用C25混凝土及时封闭锚头坑。

6 结语

针对本文述及的大型高陡边坡病害问题，提出了一种整治思路：采用对锚索施加预应力的方法，将不稳定的岩土体与稳定岩体连为一体，使得岩土体各层面间的抗滑力大大增加，并且框架梁的存在使得独立的锚索成为统一的整体。框架梁将锚头施加在其上的预应力传递到宽广的岩土体表面，形成的加固体系是由内而外统一的整体，能保证边坡的整体稳定性。

通过对踏勘中病害现场的变形分析和对相关工程资料的研究，分析了病害产生的原因。计算了滑坡推力及锚索锚固力，对整治方案提供了理论指导。采取了锚索框架梁和锚杆框架梁加固、浆砌片石修复、排水系统的优化等措施进行了病害整治方案设计。

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50330—2013 建筑边坡工程技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2013.

[2]中华人民共和国国土资源部.DZ/T 0219—2006 滑坡防治工程设计与施工技术规范[S].北京：中国标准出版社，2006.

[3]李中国.预应力锚索框架在路堑边坡病害防治中的应用研究[D].北京：中国铁道科学研究院，2005.

[4]彭兴,姜睿,张玉芳,等.典型软弱破碎岩石边坡预应力锚索框架失效原因分析[J].铁道建筑，2016,56(3):104-107.

[5]赵桐丽,魏少伟,张学,等.下穿铁路锚索工程预应力损失规律[J].铁道建筑，2018,58(2):64-67.

[6]中华人民共和国铁道部.TB 10025—2006 铁路支档结构设计规范[S].北京:中国铁道出版社，2006.