延平西站土质深路堑边坡稳定性分析与加固措施研究

刘志明

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北 武汉 430063)

近年来,随着经济社会的快速发展,基础设施建设进入快速发展通道,越来越多的铁路、公路、场地建设项目出现在复杂地形地貌和工程地质条件下。深路堑是工程建设中一种常见的土工结构物，在地形陡峻、地质构造发育、地层风化强烈等工程地质条件建设土质深路堑边坡，一直以来都是岩土工程界的难点[1-2]。土质深路堑边坡的高安全性和高稳定性直接关系到铁路工程的选线科学性、建设安全性、造价合理性和运营稳定性等，其重要性不言而喻。因此,有必要系统性地开展土质深路堑边坡稳定性分析,并针对性地进行加固措施研究。

延平西站工程建设中开挖形成了土质深路堑，其边坡高达83.6 m，是全国铁路建设运营项目中的第一高土质边坡。该边坡自稳能力差，严重影响铁路建设安全。本文以延平西站土质深路堑为例，开展不同工况下的边坡稳定性分析，提出边坡防护方案，有效解决了边坡稳定安全问题，对同类型土质深路堑安全防护具有实际参考价值。

1 工程概况

1.1 地形地貌

延平西站站址位于福建省南平市延平区西芹镇城镇建设密集区,地形东高西低,为低山斜坡地貌,坡脚外为外南铁路和沙溪河主河道,整体依山临河。

1.2 地质条件

1.2.1地质构造

延平西站站址地处大陆东南沿海新华夏系构造带,区域内地质构造复杂,构造线主要呈NE—NNE向。受构造作用影响,站址区次生地质构造发育,基岩差异风化强烈,风化层深厚。

1.2.2地层岩性

站址区地层主要为前震旦纪建瓯群(AnZJ)和第四系(Q)。前震旦系建瓯群岩性为云母石英片岩,具全—弱风化,全风化层呈粘土状,受水易软化,厚30～45 m；强风化层呈碎块状、块状,地层相对较薄,厚2～3 m；弱风化层岩质坚硬，未见底。第四系残坡积层(Qeld)发育粉质粘土，呈褐黄色，硬塑，层厚2～4 m。上覆第四系填筑层(Qs)为人工填土，色杂，稍湿、稍密，分布不均匀，厚0～3 m。

1.2.3水文地质特征

站址区地处沿海内陆山区,属中亚热带海洋性季风气候,降雨量充沛,台风过境等恶劣气候偶有发生。在低山斜坡面位置,地表水及地下水较发育,并在坡脚山间谷地呈狭长条带状展布。地表水及地下水主要来源为闽江支流沙溪,冲刷剥蚀强烈,但未在区内形成显著的河流高阶地。

2 边坡特征

站址区经开挖形成一处深路堑，其高山侧边坡高达83.6 m，共11级边坡(照片1)。总体来看，该边坡具有开挖防护范围大、边坡支挡难度大、坡面防排水要求高、加固防护难度大、工程环境条件复杂等特点。

照片1 延平西站站址地貌Photo 1 Landform of west railway station of Yanping

受既有外南线接轨轨道标高、沙溪河水位和城市建设规划等因素影响,车站站坪标高低,造成整体挖方边坡超高,边坡防护范围大。

受地质构造作用影响,站址区次生地质构造较发育,基岩差异风化强烈,局部风化层深厚。结合以往资料及本次勘探成果发现，边坡揭露岩性除顶面为厚2～3 m的粉质粘土层外，整体以全风化云母片岩土质层为主，层厚30～45 m，斜坡坡面自稳能力差，造成边坡支挡难度较大。

站址区大气降水丰富且时间较集中,年平均降水量为1 653 mm,最高可达2 183 mm，平均降水量≥0.1 mm的日数为162 d。强降水易形成短暂径流,对坡面表层冲刷严重，并加剧地表水下渗补给地下水,导致斜坡段地下水位起伏较大,干湿交替显著,加剧斜坡段岩土风化,降低地层粘聚力,因此坡面防排水要求较高[3]。

坡面基岩为云母石英片岩,是一种典型的变质岩,其具有差异风化强烈、风化层遇水饱和软化、残余强度低等物理性质，在各种不利因素影响下,极易产生滑坡变形,因此坡面地层加固防护难度大。

受场地城镇建设影响,斜坡段存在多处私挖乱建现象,对斜坡稳定性产生严重影响,造成坡面扰动显著,并加剧了地表水下渗软化,致使站址区发育多处浅表溜坍,因此斜坡段工程环境条件较复杂。

3 边坡稳定性分析

延平西站深路堑土质边坡对路基支挡、防护、排水设计和路基工程边坡稳定性等环节要求高,在勘察设计及施工组织方面需要开展重点研究。

设计阶段,除开展常规永久边坡稳定性计算外,还要结合工程地质条件及施工计划,开展临时边坡稳定性计算。在施工过程中,要结合现场实际地质条件及施工作业工序水平开展施工工况边坡稳定性计算。为解决分级开挖施工坡面对整体坡面的扰动影响问题,需要在边坡局部稳定和整体稳定的前提下考虑边坡临时稳定和永久稳定工况[4],以便实现工况全覆盖,动态化指导和配合现场施工,确保工程安全、有序开展。

采用边坡检算软件,重点计算自然边坡、第一阶段开挖边坡、第二阶段开挖边坡和永久边坡四种工况在正常与降雨情况下的边坡稳定性(图1),同时确认潜在薄弱滑动面位置,以便针对性地开展边坡加固处理[5]。

通过计算发现，自然边坡最不利滑动面均出现在边坡中部的粉质粘土层内，第一阶段边坡最不利滑动面均出现在边坡上部开挖卸荷的粉质粘土层内，第二阶段边坡最不利滑动面均出现在边坡中—上部的粉质粘土层和片岩全风化层内，永久边坡最不利滑动面均出现在边坡中部的片岩全风化层内。

上述计算结果也表明，通过边坡加固处理后，永久边坡的安全系数(K)达到1.836和1.427，其稳定性可以得到保证(K>1.25)[6]；随着边坡开挖,边坡中部存在潜在滑动破坏面,边坡稳定性相对偏低；降雨情况对坡面稳定性影响较为显著[7]，相对于天然工况安全系数大幅降低。

4 边坡防护及处理效果

4.1 边坡防护方案

根据边坡稳定性计算结果(图1),结合工程特点,从防护、排水、监控三个方面开展边坡防护设计(图2、图3)。

图2 深路堑土质边坡防护断面图Fig.2 Section of protection of deep cutting soil slope of Yanping west station①.粉质粘土层；②.片岩全风化层；③.片岩强风化层；④.片岩弱风化层。

图3 深路堑土质边坡防护正面图Fig.3 Front view of deep cutting soil slope protection①.粉质粘土层；②.片岩全风化层；③.片岩强风化层；④.片岩弱风化层。

4.1.1防护措施

防护措施作为边坡加固处理的重中之重,其设计主要考虑以下四个因素：

(1) 根据边坡稳定安全要求,针对边坡中部存在的潜在滑动破坏面,开展边坡中部预加固桩防护处理,加强边坡整体稳定性；

(2) 由于片岩全风化层物理力学指标低,为避免开挖扰动影响过大,采取大平台和框架锚杆防护处理,提高边坡局部稳定性；

(3) 在站址靠山侧站台的人行地道及斜坡步道施工过程中，开挖扰动对高山侧边坡支挡结构影响较大,为有效避免防护工程重叠实施,并降低边坡施工扰动,统筹设计高边坡防护与地道基坑开挖防护方案，支挡工程采取桩间挡墙防护、永临结合处理；

(4) 对于防护坡面临近区段溜坍位置,采取整板式锚杆护墙开展坡面防护处理,避免溜坍进一步发展,同步降低对坡面大范围开挖扰动影响,确保工程安全。

4.1.2排水措施

针对片岩风化层易受水饱和软化的特性,在设计阶段重点开展防排水设计,解决地表排水、坡面排水和地下防排水问题,做到边坡沟沟相连。针对天沟折角位置等排水薄弱环节,开展平台硬化封闭处理,保证路基排水系统与车站的涵沟排水系统衔接配合,形成完整、系统、通畅的排水系统。

4.1.3监控措施

结合工程特点,设置沉降变形监控设施,主要开展边坡浅表变形监测(变形监测边桩)、边坡深层变形监测(深层测斜管)、预应力监测(锚杆应力计)、结构变形监测(倾角传感器)、支挡结构应力监测(土压力盒)等监测措施,确保施工期及后期运营结构安全。

4.2 边坡加固处理效果

延平西站深路堑土质高边坡加固处理工程自2016年2月开始施工,至2016年9月施工完成(照片2),期间经受了雨季强降雨工况的考验。根据施工期及施工完成后现场变形监控结果,确认土质深路堑边坡整体坡面稳定。截至目前,工程完工已三年多，项目建成通车已一年有余,坡面无异常,证明边坡加固处理达到预期效果。本次边坡防护所采取的措施体现了“强腰、固脚、排水”的边坡防护设计理念[8],有效地解决了土质深路堑高边坡的稳定安全问题。

照片2 延平西站高边坡施工情况Photo 2 Construction of high slope in Yanping west station

5 总结与建议

延平西站土质深路堑高边坡具有地层结构敏感、开挖防护和支挡难度大、坡面防水要求高等特点。通过计算自然边坡、第一阶段开挖边坡、第二阶段开挖边坡、永久边坡四种工况在正常与降雨情况下的稳定安全性，找到了潜在滑动破坏面位置，在此基础上提出了边坡加固防护方案。工程完工三年来的监测表明，该土质高边坡得到有效加固治理，该边坡加固防护方案可为同类型边坡防护提供参考。

对于土质深路堑边坡加固处理工程，建议在设计前期充分考虑现场地形、地质条件、施工工况、工程特点等重要因素，提出针对性地加固处理方案；在边坡防护设计时，重视防排水措施，针对溜坍变形等环境敏感区域，做到防护和排水提前筹划、同步考虑；在实施加固处理过程中，应统筹考虑工程各工序衔接，做到合理安排以降低边坡施工扰动影响。