山区新建公路顺层路堑边坡防护措施设计研究

郑亦博

(内蒙古自治区交通运输事业发展中心，内蒙古 呼和浩特 010020)

随着我国对公路铁路等基础设施建设投入力度的不断加大，公路铁路网不断完善，公路铁路在地形较为复杂的地区施工越来越普遍，很多路基工程也面临着需在顺层岩体中开挖施工的情况。公路铁路的大开挖施工易形成高边坡现象，当开挖遇到岩层的倾向与开挖的边坡倾向接近或一致时形成了顺层路堑边坡，其变形毁坏与路段的地势地貌、地质构造、地层岩性、岩体结构、水的作用等特征有关。

1 工程概况

1.1 地形地貌

设计一条新建二级公路，公路穿过地形较为复杂的山区，山区地势起伏较大，为冲沟发育地貌，总体地势由左向右微倾斜。此次设计的公路需进行挖方作业，左侧为开挖路堑高边坡，边坡的高度大约为25m。

1.2 地层岩性

路堑开挖的岩层局部覆有第四系全新统风积砂粉砂；粉砂上面为更新统坡洪积层，主要包含有新黄土、细角砾土以及粗角砾土；下面为伏侏罗统凝灰质砂岩，存在挤压错动状态；岩层产状为 SW250°∠30°。具体土质特征情况如下：①粉砂呈黄褐色，中密，潮湿，主要的成分为长石、石英，局部夹有少量砾石以及少量铁锈色斑迹。②新黄土呈黄褐色，硬塑，含有少量碎石和风化碎块，手捏易碎。③细角砾土呈褐黄色，稍密，稍湿，分布于冲沟部位。主要成分为凝灰质砂岩，呈尖棱状，一般粒径为10mm～15mm，最大粒径为100mm， 充填粉细砂。④粗角砾土呈褐黄色，稍密，稍湿，分布于冲沟部位。成分以凝灰质砂岩为主，呈尖棱状，一般粒径为60mm～100mm，充填粉细砂。⑤凝灰质砂岩呈紫灰色，含角砾碎屑，强风化～弱风化，节理发育，岩体存在破碎，有挤压错动的情况；岩层产状SW 250°∠30°。

2 顺层路堑

2.1 顺层边坡

顺层边坡的岩层倾斜方向和边坡坡面的倾斜方向为同方向时，称为顺向坡。反之则称为逆向坡。顺向坡表示边坡坡面的沉积堆积方向，顺向坡相较逆向坡更容易发生山崩、滑塌的风险。

2.2 边坡分类

按岩石性质，边坡可分成软质岩路堑边坡(如页岩、泥岩、砂岩等)、硬质岩路堑边坡(如灰岩、白云岩、石英砂岩等)；按岩层的组合特点，边坡可分成单一岩层路堑边坡、双层路堑边坡、互层路堑边坡；按岩层视倾角大小，边坡可分成缓倾角路堑边坡(5°～15°)、中倾角路堑边坡(15°～35°)、陡倾角顺层路堑边坡(35°～60°)；按岩层的厚度，边坡可分成薄层路堑边坡、中厚层路堑边坡、厚层路堑边坡以及巨厚层路堑边坡。

2.3 稳定性判定

顺层路堑边坡的毁坏形式主要是沿开挖边坡脆弱夹层或岩层之间结构面产生滑移，顺层路堑边坡稳定性的主要影响因素是岩层结构面的抗剪强度以及岩性、岩层厚度等。目前在地勘中对顺层路堑边坡稳定性的主要判定依据是：首先边坡岩层倾向与建设路段的夹角应符合一定的范围值，然后再对岩层的倾角进行计算，最后综合计算结果进行判定。

2.4 岩层视倾角计算方法

在岩体层面的倾斜面上斜交走向线所引的任意一条直线均称为视倾斜线，视倾斜线与其在水平参考面上投影的夹角称为视倾角。计算视倾角公式为：

tanβ=tanα×cosω

(1)

其中β表示视倾角，α表示真倾角，ω表示剖面方向与倾向的夹角。

经过计算，本次设计路堑边坡的视倾角为27.8°～28.9°。

2.5 顺层路堑防护设计原则

当计算的视倾角大于55°或岩层走向与线路夹角大于45°时，路堑边坡不用考虑顺层路堑边坡稳定性的影响。这种情况可以按照稳定坡率进行路堑边坡开挖施工。

岩层走向与线路夹角小于45°时：若视倾角坡率陡于1∶1.5(约33.7°)时，采用清方的方式进行路堑开挖施工，且路堑边坡坡率应缓于稳定坡率；视倾角坡率缓于1∶1.5(约33.7°)时：硬质岩路堑无软弱夹层且视倾角小于20°时，路堑边坡坡面采用锚杆框架梁防护。不宜清方且路堑边坡高度较高的路段，其边坡下部可设置桩板墙支挡防护，边坡上部坡面可采取锚杆框架梁来加固防护。

本设计施工路段的路堑边坡视倾角坡率缓于1∶1.5(约33.7°)，且路堑既有边坡较高，临近既有公路，不宜采用清方方式进行路堑开挖施工。根据以上论述判定，本路段施工设计经过顺层路堑边坡的防护措施采用边坡下部设置桩板墙进行支挡，边坡上部坡面用锚杆框架梁加固防护。

3 桩板墙设计

用传递系数法对本段路堑边坡进行了稳定性计算，根据边坡重要性程度，计算中采用安全系数为1.25。经计算边坡剩余下滑力为635kN，需采用加固工程，以确保道路施工安全与车辆行驶安全。

桩板墙设计尺寸为：抗滑桩的截面尺寸为B×H=2m×2.5m，桩间距为L=5m，设计采用C30混凝土灌注；桩长15m，其中悬臂段长7m，锚固段长8m。

设计参数选取：①土层参数：目前边坡治理最常用的方法有“m”法和“k”法及“c”法。本次计算选用“k”法。土层厚取50m，重度取23kN/m3。②物理参数：桩混凝土强度等级：C30，桩纵筋级别：HRB400，桩箍筋级别：HRB400，桩箍筋间距：200mm。板混凝土强度等级：C30，板纵筋级别:HRB400。墙后填土内摩擦角45.0°，墙背与墙后填土摩擦角：22.5°，墙后填土容重：23kN/m3，挡土板厚0.30m，板宽0.50m。

边坡荷载组合处于最不利状况时，桩身内力计算为：背侧最大弯矩=22 608.766kN-m，距离桩顶8.684m；最大剪力=5 238.750kN，距离桩顶 6.880m；桩顶位移=27mm。

4 防护措施

4.1 路堑开挖方式

因设计路段地势较为复杂，本着节约建设投资成本的目的，在初步设计阶段设计选线时尽可能地避开施工中可能存在的较为困难且费用较大的顺层地段，特别是存在有大型顺层滑坡隐患的地段。本次设计避开了大型顺层滑坡及处理困难的地段。在开挖施工时，为了有效地维护顺层边坡的整体稳定，宜采用先加固后开挖的方式进行施工。

4.2 防水工程

在施工设计中应充分考虑顺层边坡的防排水措施。对于软质岩以及节理裂缝发育硬质岩顺层边坡，应对边坡坡面采取护坡、护墙封闭，以减少边坡的暴露面积，避免雨水渗入边坡坡体。当施工路段遇到地下水发育、边坡渗水严重等特殊条件时，应在边坡设置仰斜排水孔。

4.3 注浆加固

为提高边坡顺层层面的抗剪强度，应对顺层边坡采取注浆加固的措施。通过对顺层边坡注浆，使浆液充分充填于层面间的空隙，且浆液在凝固成浆体时具有一定的膨胀性，可以增加层面对岩体的法向应力，改善填充物的力学性质，提高填充物自身的抗剪强度，提升边坡的抗滑稳定性。

4.4 抗滑挡墙

路堑边坡高度较低、顺层推力较小时，可在顺层边坡坡脚处设置抗滑挡墙。抗滑挡墙通过挡墙自身重量来抵抗顺层边坡的下滑力。当遇到顺层岩层推力较大、边坡较高的特殊地形时，抗滑挡墙在施工开挖过程中有引发边坡失稳的可能，应与桩结合设计。

5 结束语

大量的公路铁路工程实践已经表明，在公路铁路边坡加固工程中，运用桩板墙处理顺层路堑边坡是一种得到广泛应用并行之有效的边坡加固措施。在具体的工程设计过程中，应统筹考虑顺层路堑处理方式和防护措施，使工程在施工过程中更加安全、顺利。