高速公路高边坡动态设计分析与工程应用

■张小辉

（福建省交通规划设计院，福州 350004）

0 前言

根据我国高速公路高边坡动态设计案例，无论是对高边坡工程原理的认识还是工程的施工技术都不够全面。在进行高边坡工程开挖之前要对其地形、环境、工程情况等实地勘察，但是由于勘察条件限制，通常情况下施工开挖后所呈现的地质现状与之前勘测的数据资料具有一定的差异，在这种条件下进行高速公路高边坡的施工存在风险，甚至会发生较大的工程事故。就此，探寻行之有效的高速公路高边坡动态设计方法已经成为我国公路建设事业亟待解决的问题之一。

1 工程概况

本文以福建省某高速公路K59+620～K59+680为工程实例，该处路基为半挖半填形成的路堤边坡，共6级，最大坡高54m。2015年8月底至9月初该工程附近地区出现连续多次强降雨，该路段已经铺设好的路面出现开裂变形。该处原地貌为沟槽地带，路堤边坡的坡脚位置原为水塘，路堤填方段为汇水位置。填料透水性较好，原坡面形成了相对隔水的地层，汇集的地下水易于在填土和原状土的交界面附近富集、滞留，形成软弱滑动带。填土边坡上部沿着软弱带滑动，在路基面以下的各级平台位置出现剪出迹象。

2 高边坡动态设计原理

工程设计是工程项目施工中重要的环节，它是对工程项目的整体情况进行详细、科学合理地评估，同时还要对工程建设的实际地点进行勘测，将勘测的具体数据、资料保存起来，以便为工程实际施工提供依据，所以工程设计具有一定的前瞻性。但是在施工过程中，实际情况与之前勘测的相关数据资料容易存在一定差异，这就导致工程施工之前的设计失去了时效性。目前，高速公路高边坡动态工程的主要建造矛盾就是解决勘测情况与实际施工情况之间的问题。最为合理的办法就是工程施工之前进行勘测，工程施工之后针对之前勘测不相同的地方，以实际施工情况为参考依据，进行设计方案的调整与完善，最终使工程设计与实际情况相符，从而降低施工风险。

3 动态设计工作思路

动态设计是指在设计中充分考虑、合理把握时间因素对设计工作可能的影响。高边坡病害整治工程动态设计的工作思路分为设计前阶段、施工设计阶段和施工阶段三个阶段。

3.1 设计前阶段

在设计之初对病害工点的病害类型、产生原因等进行客观、动态地把握。做到“一次根治，不留后患”。只有这样才能在治理工程设计时有的放矢。

对病害工点的全面动态地了解，贯彻设计与地质工作的紧密结合。从事设计的工程技术人员，应做到经常深人工地现场，全面了解病害的发生、发展过程，认识的深浅对病害治理工作影响很大。

对病害发生时的状态与设计周期内可能最不利的情况进行动态比较，注意降雨引起的岩土体重度、地下水位等变化及由此引发的岩土体物理力学作用随时间的变化。考虑风化作用因素，做到动态地选取设计参数。

3.2 施工设计阶段

在进行设计工作时，尤其应坚持动态思维。这在设计参数的选取、设计状态的把握、计算方法的使用条件、计算模式的选择、最不利工况出现的条件、基础资料的分析、安全系数的选择、施工组织等方面尤为重要。

整个设计过程始终贯穿一个动态的过程。由方案设计到最后的施工图设计，任何一项设计内容都可能因为对病害认识的进一步深入而有所变化。即使在施工图文件给已出的情况下，这种变动在病害治理工程中也是比较平常的事情。它同前期地质勘察和设计工作一样，任一阶段的工作在整个病害治理工作中都是同等重要的。设计人员在整个设计过程中应多深人到病害工点现场，实地考察所选工程措施的适用性和合理性。这对设计的合理性以及减少后续工作量很重要。

3.3 施工阶段

当施工开始后，动态设计似乎比设计的任一阶段都显得微不足道。然而，事实并非如此。因为施工过程不仅是施工单位对设计的实施过程，同时也是设计人员对设计的合理性进行检验的过程。

前期对病害工点进行的勘察工作，只是基于某种勘探手段的一种推测与判断。因此，在此基础上的病害治理工程设计也存在许多有待验证及完善之处。与之相比，施工开挖使设计范围内的地层情况得到了最大限度的揭露，从而可以更加准确的判定控制性结构面、软弱夹层、泥化条带等的产状。施工过程中的开挖面具有隐蔽性或多解性。设计人员必须及时对施工现场的情况加以了解、掌握。根据实际情况对设计进行验证，并及时对不合理、不完善的地方进行补充或修改。这样不仅可以避免原设计中可能存在的安全隐患，同时也有可能降低工程造价。

实际工作中，设计人员往往是在施工单位反映现场出现新的变形或不稳定迹象时才到现场处理。这种做法对病害治理工程非常不利。尤其是长大公路建设项目，本身线路长、工点多、工期紧。如果适逢雨季，这种工作方法往往会导致非常严重的后果：（1）由于施工技术人员不可能对现场出现的与设计有关的信息进行全面的了解与掌握，有些细微的变形迹象不易察觉。当变形迹象明显时，坡体病害已进一步恶化，或者设计变更的最佳时机已错过，或者导致已做工程出现破坏，给后续设计工作带来较大困难，新增加了工程量。（2）虽然在设计时考虑了施工因素，并对施工应注意事项提出了严格的要求。但有时现场施工不能完全按设计要求进行施工。特别是在高边坡病害施工中，施工程序、施工方式对设计的影响更大，一旦出现问题，设计人员应及时做出变更处理。总之，动态设计在施工阶段的贯彻，体现了设计工作的延续性以及设计人员的责任心。应在病害治理工作中大力提倡，如图1所示。

4 动态设计在实际工程中的应用

4.1 设计前对病害的动态认识

图1 高边坡动态设计方法

因该高速公路动态设计内容较多，仅选取K59+620～K59+680左侧边坡进行分析。该边坡坡体主要由粉质粘土、凝灰熔岩风化层组成，边坡最大开挖高度约为48.5m，边坡表层为粉质粘土，厚度约为2.20～2.50m，其下为全风化凝灰质砂岩，厚度约为21.90～28.60m。路堑区路段内分布粉质粘土、全风化岩，遇水易软化、崩解，边坡稳定性较差，须采用安全坡率。

4.2 动态设计内容

（1）坡率及加固工程布置

边坡设计最高为6级，各级边坡设计坡率及防护加固工程措施为：第一级1∶1，采用浆砌片石护面墙防护；第二至四级 1∶1，采用锚索框架植草防护；第五、六级1∶1.25，采用拱形骨架植草防护。两侧坡率据其坡高及地形地质条件适当调整。

（2）防护工程

坡面视坡率及地质条件采用浆砌片石护面墙、锚索框架植草、拱型骨架植草灌、植草灌等措施进行防护。

（3）坡体排水工程

边坡第一至四级坡脚向上30cm处布置仰斜式排水孔，深 15m，间距 5m，仰角 8～15°。

4.3 施工后动态信息收集和分析

（1）动态信息获取

边坡设计信息的获取以现场观察和监测为核心，多渠道获取信息来完成。本标段建成深部位移监测孔10个，布置示意图如图2所示。

（2）孔位移监测

在施工过程中，有专人记录边坡开挖时节理、裂隙的发展情况。所有这些信息，通过曲线和图表的形式，及时反馈设计方，为方案的优化设计提供合理依据。

图2 边坡监测孔布置示意图

（3）信息资料分析

工程开工后，监测方对该边坡的深孔位移监测曲线进行分析，以孔ZK1-1#孔的变化情况为例，列出变化趋势，如图3～图6所示。首次监测距成孔时间较短，受监测孔孔壁四周填砂自密实影响，历次监测曲线呈现形波动形状。本次监测发现各监测孔均有不同程度的挤压蠕动变形反应，ZK1-1距孔口0～12m有蠕动变形反应，ZK2-3曲线波动、蠕动反应，ZK2-4距孔口4m、8m有疑似变形反应，其余监测孔监测曲线均未见明显滑动变形反应，有不同程度的蠕动、波动反应。监测孔内的地下水水位未见明显变化，监测反映坡体地下水埋深较浅，地下水发育一般。

4.4 初始设计方案的动态优化

（1）优化加固方案

根据边坡开挖后的地表变形及对深孔监测资料分析的结果，采用回填方案，将平行线路高边坡的一级坡进行回填。回填至垂直线路高边坡一级平台处，施工完成后边坡一起绿化。

（2）优化排水方案

地下水的活动是造成岩石滑坡的主要原因。桥位区高边坡更应重视。为疏干坡体中的地下水，在垂直线路高边坡第三级、平行线路高边坡第四级钢筋砼预应力锚索框架中，各设置1排仰斜疏干排水孔。

（3）后期观测

图3 ZK1-1#孔变化曲线A向变化量（mm）

图4 ZK1-1#孔变化曲线A向位移（mm）

图5 ZK1-1#孔变化曲线B向变化量（mm）

图6 ZK1-1#孔变化曲线B向位移（mm）

施工结束后，所建立的监测网继续工作。利用监测信息监控加固边坡的稳定状态，判断设计的合理性。从几个月以来的监测结果看，虽然经历阴雨天的侵袭，坡体并未发生大变形。坡体位移曲线也达稳定。

根据动态设计、实时监测结果以及信息化施工反馈信息，所有设计变更工作均应力争使各工点的设计更趋合理。有时可能带来工程量的少量增加，却使病害治理工程的预期治理效果更理想。

5 结语

动态设计与信息化施工是目前国内外日益兴起的新技术。许多重大工程采用了此项新技术进行设计施工，已取得了很好的成效。由于目前人类对高边坡病害的认识水平有限以及各方面的客观原因，客观、科学的动态设计也是高边坡病害治理工程必不可少的内容。本文从工程实际出发，介绍了高边坡动态设计的工作思路和工作方法，既保证了工程如期完工，又降低了成本，可供类似工程参考与借鉴。

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