某临近高压电塔路堑边坡加固设计方案研究

李旭华，唐勇斌

(广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东 广州 510507)

随着中国交通事业的不断发展，工程项目越来越复杂，不可避免地会出现路线临近重要结构物的情况。当公路与重要结构物相距过近且结构物无法迁改时，需着重考虑公路建设对结构物的影响。因此，合理设计和优化临近重要结构物路段道路边坡方案，减少工程建设对其不利影响，对保障公路建设施工期及运营期安全性具有重要意义。

目前，对临近重要结构物路段边坡加固方法主要有挡土墙、预应力锚索、注浆锚杆、抗滑桩等，一般采用极限平衡法和岩土数值模拟分析法对边坡加固稳定性进行分析。近年来，随着锚索技术的发展，“锚索抗滑桩”边坡加固方法已得到广泛应用，此方法通过在桩顶增设预应力锚索，改变了抗滑桩的悬臂受力状态，减小了抗滑桩的嵌固深度和截面积。同时，抗滑桩具有适应性强、对边坡扰动和周边地质环境影响小、施工周期短等优点，在多个项目中得到应用。太长高速公路设计过程中对相近环境条件下，不同抗滑桩结构的受力特性进行了对比分析，结果表明：采用锚索抗滑桩更符合实际要求；桂来高速公路某超高压电塔边坡工程，采用赤平极射投影、极限平衡法及数值模拟方法对该边坡进行稳定性分析，研究证明锚索抗滑桩方案合理可行；福建龙岩某高压电塔下路堑边坡设计方案采用了抗滑桩加桩顶放坡方案，坡顶采用框架锚杆及拱形骨架植草，取得了较好的边坡防护效果；吉怀高速公路王坡大桥高压铁塔边坡采用桩板式挡墙加固边坡技术，工程实践表明，桩板式挡墙加固高压铁塔边坡不仅提高了边坡安全系数，且减少了对现有塔基的施工干扰。

基于上述背景，该文以广深高速公路新塘互通立交某高压电塔边坡工程为背景，采用极限平衡法及数值模拟方法对该边坡稳定性进行分析，研究临近高压电塔下路堑边坡加固设计，提出预应力锚索抗滑桩边坡加固设计及计算方法，为类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 项目概况

新塘互通立交位于广州市增城区新塘镇，是广深高速公路与国道G107公路连接的互通立交，主要为实现广深高速与国道G107、新塘地方路的交通转换。新塘立交为服务型立交，采用菱形+内、外环匝道的布置方式。现状新塘互通立交匝道存在绕行严重，交通组织复杂且不明确，通行能力及服务水平低的问题，不能满足交通量快速增长的交通需求，因此需对新塘互通立交进行改造。

现状新塘立交场区范围内有一条220 kV中新甲线高压线穿过，其中18#、19#和20#电塔位于匝道内，已实施迁改。该项目某挖方路段道路左侧边线距离21#电塔3.78 m，与电塔加固基础最小距离1.11 m，与加固后的电塔基础承台相邻，经多次协调，无法对电塔进行迁改，须采取支挡防护设施，对路堑边坡进行加固设计。

1.2 工程地质条件

该项目地貌主要为低缓残丘，地形较缓，现状坡坡角约为20°，坡体较稳定，标高为10～10.9 m，无层理，节理及断层发育。地勘报告揭露的岩土层主要为砂质粉质黏土、全风化花岗岩层等，物理力学性质较稳定，各地层岩性特征如下：① 砂质粉质黏土1：黄褐色、灰黄色，湿，可塑，残积成因，土质较均匀，切面较粗糙，稍有砂感。局部分布，厚度 1.00～5.00 m；② 砂质粉质黏土2：红褐色、黄褐色，稍湿，硬塑，残积成因，黏性较差。局部分布，厚度 0.60～10.00 m；③ 全风化花岗岩：黄褐色，岩石风化完全，岩芯呈坚硬土状，手可掰断，遇水软化，饱水崩解。局部分布，厚度 1.00～5.20 m。

该项目地下水类型主要为松散层孔隙水，对坡体稳定影响较小，不良地质不发育。

2 路堑边坡加固方案

2.1 设计思路

该项目地质条件及路堑边坡周围环境相对较简单，主要限制条件为电塔距挖方路段道路边线较近。挖方路段道路左侧边线与电塔最小平面距离为3.78 m，该电塔所处里程由现状地面标高开挖至设计路面标高，垂直开挖深度约7 m，若采用放坡开挖将直接侵入电塔基础，故需采取相应的路堑边坡加固措施。

2.2 边坡加固设计方案

为确保对现状高压电塔实施有效保护，结合已有工程案例，综合考虑各因素，设计方案拟采用预应力锚索抗滑桩对路堑边坡进行加固。方案拟在高压电塔保护段布置平面长度为21 m的预应力锚索抗滑桩，高压电塔保护段之外路堑边坡采用仰斜式挡土墙加墙顶放坡设计。

设计方案拟设置8根抗滑桩，抗滑桩采用钻孔灌注桩，桩径1.2 m，间距3 m；桩长15 m，嵌固深度10 m，悬臂段5 m，桩顶设1 m高T形冠梁。桩间挂板，面板厚0.3 m，采用钢筋混凝土现浇板。各抗滑桩桩顶冠梁均锚固一根预应力束锚索，锚索长24 m，锚固段10 m，因部分锚索与电塔桩基础冲突，施工困难，故取消Z2、Z6号桩的锚索，并以锚索与电塔基础最小净距50 cm为标准调整剩余6根锚索偏移角度，偏移角度控制在5°以内，平面布置如图1所示。此外，为了便于电力人员日常对电塔进行检修，设计方案拟利用抗滑桩桩顶T形冠梁设计检修工作平台，边坡加固设计剖面图如图2所示。

图1 边坡加固设计平面图

图2 边坡加固设计剖面图

3 边坡稳定性分析

3.1 电塔荷载的考虑

根据电力部门提供的资料，电塔结构及电线竖向荷载共计2 545 kN，电塔基础采用桩基础，按抗拔桩设计，主要起抗拔作用。当桩基承受竖直向下荷载时，荷载通过桩基传递至地基深处，对边坡稳定性影响较小。因此，从不利角度考虑且为简化计算，假定电塔荷载由基础承台承担，换算成承台底面压应力为31.42 kPa，作用位置为边坡坡顶。

3.2 理正软件计算分析

3.2.1 岩土设计参数

1.5 统计学方法 采用SPSS 17.0软件对所得数据进行统计学分析，患者手术时间为计量资料呈正态分布，以均数±标准差（）表示，组间比较用t检验；术后血肿/血清肿、慢性疼痛及复发率为计数资料，采用χ2检验或Fisher确切概率法。P＜0.05表示有统计学意义。

根据现场调查及工程地质勘探，该路堑边坡在勘探深度范围内地层结构较为简单。土层采用摩尔-库仑本构模型，自上而下可分为3层。以边坡坡顶为原点，0～6 m为砂质粉质黏土1；6～16 m为砂质粉质黏土2；16～21.2 m为全风化花岗岩。左、右侧地下水位高度不同，水位以上采用天然重度，水位以下土层采用浮重度。边坡工程岩土体参数如表1所示。

表1 边坡工程岩土体参数

3.2.2 边坡稳定性计算

该项目为高速公路路堑边坡，边坡稳定安全系数依据JTG D30—2015《公路路基设计规范》要求考虑边坡处于天然状态下的工况及边坡处于暴雨或连续降雨状态下的工况。

利用理正岩土计算软件，建立路堑边坡稳定性计算模型，采用圆弧滑动面法对边坡稳定性进行验算，两种工况下边坡稳定安全系数如表2所示。

表2 边坡稳定安全系数计算结果

由表2可知：该项目采用预应力锚索抗滑桩边坡加固设计方案时，路堑边坡在天然工况及暴雨或连续降雨工况下的边坡稳定安全系数均大于1.3，边坡稳定性满足规范要求。

3.3 数值仿真计算分析

为进一步研究路基边坡开挖对电塔的影响，该文采用了Geo-Studio有限元岩土工程分析软件，对路基边坡开挖过程及支护过程进行模拟。

3.3.1 几何模型

图3 计算模型简图

3.3.2 材料参数

土层参数根据勘察资料取值(表1)。分析中抗滑桩和锚索分别采用梁和杆单元进行模拟，锚索中施加预应力。锚索分为锚固段和自由段。抗滑桩和锚索的力学参数取值如下：

抗滑桩：桩身C30混凝土弹性模量E=3.0×108kPa，钢筋弹性模量E=2.0×109kPa，根据配筋率计算，抗滑桩等效弹性模量E=3.56×108kPa，横截面积A=1.130 4 m2，惯性矩M=0.101 736 m4，按桩间距折减后的惯性矩M=0.033 912 m4。

锚索锚固段：弹性模量E=6×107kPa，横截面积A=1.766 25×10-2m2。

锚索自由段：弹性模量E=2.0×108kPa，横截面积A=7.254 656×10-4m2。

3.3.3 边界条件

数值分析采用二维平面应变模型，假设底部足够深，不受边坡开挖的影响，模型底部可采用水平位移和竖直位移为0作为边界条件；模型左右两侧距离开挖位置较远，假定其水平位移为0；电塔荷载等效为边坡坡顶线性荷载，大小为31.42 kPa；该处地下水位较深，地下水位对边坡开挖几乎无影响，数值分析中不予考虑。

3.3.4 结果分析

路基开挖至不同深度地层内部的水平位移云图及各阶段抗滑桩水平位移如图4、5所示。

由图4、5可以看出：① 在施工锚索抗滑桩时，桩顶由于预应力锚索的张拉，桩顶有向边坡侧挤压的趋势，在开挖至2 m时，桩顶仍有向边坡侧的位移。当边坡开挖至4 m深度时，桩顶位移已变为正值，为0.004 2 m，桩身最大水平位移约为0.012 7 m，位置约在深度为-9 m的位置。当边坡开挖至6 m深度时，桩顶位移为0.020 6 m，桩身最大水平位移约为0.026 3 m，位置约在深度为-6 m的位置；② 边坡在开挖施工的各个阶段，土体的水平位移均较小。由于预应力锚索的作用，抗滑桩存在较明显的“鼓肚子”现象，桩顶最大水平位移为0.020 6 m，桩身最大水平位移约为0.026 3 m，位移不大且可控，设计方案能够保证边坡稳定，且对电塔影响甚微。

图4 地层水平位移场云图(单位：m)

图5 各阶段抗滑桩水平位移曲线图

4 结论

(1)采用极限平衡法对预应力锚索抗滑桩边坡加固设计方案的稳定性进行了计算，在天然工况及暴雨或连续降雨工况下的边坡稳定安全系数均大于1.3，边坡稳定性满足规范要求。

(2)采用有限元数值分析方法对路基边坡开挖过程及支护过程进行数值模拟研究，研究结果表明：边坡在开挖施工的各个阶段，土体内部最大水平位移为0.026 3 m，桩顶最大位移为0.020 6 m，水平位移及抗滑桩位移均不大且可控。

(3)计算了预应力锚索抗滑桩边坡加固设计方案的稳定性及土体和抗滑桩的水平位移，确保边坡在开挖和运营中的稳定，且有效预估了边坡开挖对现有电塔塔基的影响，对类似工程设计计算具有一定的参考价值。