黄土-砂泥岩深挖路堑边坡失稳分析与处治设计研究

崔晓如

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

某在建高速公路K88+815—K89+000段右侧深挖路堑边坡原设计高度达95.2 m，共12级边坡，边坡地质主要为上覆薄层黄土，下伏全风化-中风化泥岩夹砂岩。通过现场调查，2021年5月边坡已开挖至第三级，但边坡未按设计要求及时进行防护加固。2021年10月，遭受了罕见的秋季强降雨天气。2021年11月下旬，边坡坡面出现开裂，裂缝开始呈现闭合状态，至12月初，开裂变形逐渐变大，顶部最大裂缝宽约2 m，除了坡面有裂缝，坡顶出现裂缝群，裂缝呈东西走向，平行排列。2021年12月下旬，第四至十级边坡发生滑塌，下滑方向为与路线方向成40°左右，滑体最大深度约23 m，边坡后缘及侧缘产生裂缝，滑体周界清晰，前缘剪出口明显，边坡处于不稳定状态，该深挖路堑边坡存在较大安全隐患。

1 区域自然地理及工程地质条件

1.1 地形、地貌

深挖路堑位于构造剥蚀低中山区，路堑范围内微地貌为基岩缓坡、冲沟、陡坎，地形起伏较大，地势两侧低中间高，路堑开挖范围内植被较发育。

1.2 地层分布、岩性及特征

根据勘察结果，路堑边坡由第四系上更新统（Q3dpl）粉质黏土、碎石土和三叠系二马营组（T2er）砂泥岩组成。地层特征见表1所示。

表1 工程规模及造价比较表

表1 深挖路堑地层特征表

1.3 地质构造及水文

项目区位于吕梁-太行断块的Ⅳ级构造单元沁水块坳中的郭道-安泽近南北向褶带，南北长约140 km，东西宽约20 km，出露地层为石炭系、二叠系、下三叠统。该褶带走向北北东，褶皱排列较为紧密，单个褶曲宽度2～3 km，两翼倾角10°～40°。未见地下水和地表水分布，滑体前缘有零星泉点分布呈渗水状。

2 边坡失稳分析与稳定性计算

2.1 原设计情况与边坡破坏特征

K88+815—K89+020段深挖路堑边坡，边坡共12级，除第三级与第六级平台分别为14 m、4 m宽外，其余每8 m高设2 m宽平台；第一级至第三级边坡为中风化泥岩夹砂岩，坡率为1∶0.75，采用框架锚杆（索）+植草袋防护，锚杆长9.0 m；第四级至第六级边坡为强风化泥岩夹砂岩，坡率为1∶1.5，采用框架锚杆+植草袋防护，锚杆长4.5 m；第七、八级边坡为全风化泥岩夹砂岩，坡率1∶1.5，采用框架锚杆+植草袋防护，锚杆长4.5 m或9 m；第九、十级边坡为碎石土，较松散，坡率1∶1.5，采用框架锚杆+植草袋防护，锚杆长4.5 m；第十一级及以上为可塑粉质黏土，坡率为1∶1.5，边坡植草绿化。

该路段边坡滑动面位于全风化与中风化泥岩夹砂岩交界处，滑体平面上呈半圆形，主轴长约145 m，宽约 87 m，总面积约 12 615 m2，滑体最大厚度约23.0 m，平均厚度16.5 m，总体积约21万m3，初步定义为中小型浅层工程滑坡。边坡主滑动方向160°左右，垂直于路线走向。滑体目前已经发生整体滑动，坡体变形较为剧烈，坡面裂缝发育，滑体周界清晰，受岩体两组节理裂隙控制，后缘呈陡坎状，错台高度约7.8 m，较为光滑，可见明显擦痕，小里程侧缘裂缝一直延伸至坡顶，裂缝宽 1～2 m，深约 2～4 m，大里程侧缘为一小型冲沟；前缘剪出口目前已被滑坡掩埋，剪出口位于第四级平台（宽14 m）底部坡脚附近，滑坡体块碎石多呈稍密状，且局部含孔隙水稍明显，滑体中下部相对较厚，侧缘较薄。根据我国滑坡治理前辈徐邦栋对滑坡的定义[1]，通常把由人工开挖而引起的小范围内软弱带（或面）失稳仍称为边坡滑塌或边坡失稳，而不视为滑坡[2]。故该工程定义为边坡滑塌或边坡失稳更为合理。

2.2 边坡失稳原因分析

根据地质勘察成果，结合现场实地踏勘，分析该深挖路堑边坡失稳主要原因为：

a）地质内因 岩性特征为滑体形成提供了内在基础[3]。该边坡地层岩性主要由三叠系二马营组（T2er）全-强风化泥岩夹薄层砂岩组成，全风化泥岩受差异风化控制，呈碎块状，局部呈砂糖状，球状风化。滑体整体结构较疏松，为雨水下渗提供了有利条件。全风化泥岩遇水易软化，强度降低。

b）外因 全-强风化泥岩节理裂隙发育，抗风化能力弱，边坡未按设计要求及时进行防护加固，边坡开挖后在大气环境的影响下全-强风化泥岩风化严重，部分已风化近土状，同时，边坡开挖采用爆破方式施工，受爆破振动影响，岩体内节理裂隙发生变形、位移，原有裂隙充填物被清除，并沿节理面产生新的裂隙，致使边坡岩体松散破碎而发生滑塌[4]。

c）诱因 项目区内2021年雨季遭遇罕见的极端暴雨，降雨持续时间长，降水形成地表径流，对坡面进行冲刷、侵蚀破坏，同时使坡脚岩体软化，抗剪强度急剧降低，并形成软弱结构层。另一方面雨水入渗，岩体自重增加，下滑力增大，这为滑塌的形成提供了滑动条件。

2.3 边坡稳定性计算分析与评价

2.3.1 强度参数确定及滑坡推力计算

选取主滑典型剖面（K88+977），天然重度 γ=21.5 kN/m3，根据边坡目前的稳定状态，通过反算确定一般工况下c=4.8 kPa，φ=23°；地震工况下c=4.8 kPa，φ=24.2°；安全系数取1.3。滑体剩余下滑力计算结果详见表2。

表2 方案技术优缺点对比表

表2 边坡稳定性计算参数与下滑力计算表

2.3.2 稳定性评价

根据裂缝的位置、长度、宽度，坡体侧滑的实际状态，以及现有的地质勘察资料综合分析，经计算该深挖路堑边坡目前处于不稳定状态，尤其是滑体后缘形成的临空面，仍存在进一步下滑的风险；另外较差的岩土地层性质，对坡体的稳定性有一定的不利影响。为保证路基的安全稳定，需对该深挖路堑边坡及时进行处治。

3 深挖路堑边坡处治设计方案

按照“确保边坡长期稳定，一次根治，不留后患”的原则，结合工程地质勘察资料及边坡稳定性分析结果，并考虑方案的有效性、可行性和经济性，拟对K88+815—K89+020段深挖路堑边坡滑塌失稳采用两种方案进行对比分析，即方案一：卸载+抗滑挡土墙+注浆微型桩支挡加固方案；方案二：设置明洞方案。

3.1 处治设计方案一

综合以上分析，结合地勘资料，对K88+820—K89+020段右侧路堑边坡进行卸载后，采用抗滑挡土墙+注浆微型桩+植草防护，同时完善排水系统设计。

3.1.1 边坡设计（卸载）

边坡第一至三级边坡为中风化泥岩夹砂岩，地层岩性较好，未发生变形破坏，坡率维持原设计。第三级平台上设置8 m高C25片石混凝土抗滑挡土墙，挡墙上边坡高2.0 m，第五至九级边坡坡率为1∶2，第十至十二级边坡坡率为1∶1.5。边坡每8 m高设平台一处，第二、四级平台宽度为4 m、第三级平台宽度为14 m、第五级平台宽度8 m，其余平台宽度均为2 m。

3.1.2 防护支挡加固

边坡第一至三级边坡维持原设计的框架锚杆（索）+植草袋防护，第三级平台上设置8 m高C25片石混凝土抗滑挡土墙，挡墙上边坡高2 m；第五至十二级边坡培50 cm厚种植土后植草绿化；第四级平台设置两排微型桩；第九与第十一级平台均设置一排微型桩加固，微型桩间距50 cm，微型桩孔径φ150 mm；顶面采用50 cm厚C25水泥混凝土现浇顶梁连接。

3.1.3 完善排水系统

完善排水设施系统设计，根据岩层情况调整平台排水沟形式。边坡两侧设置急流槽，并与平台排水沟相接，将雨水引至涵洞。

为排除坡体内的滞水或岩层裂隙水，第四级边坡出水点位置设置仰斜式泄水孔，出水量较大的部位可增设一处或多处，其余路段三级平台以上40 cm处每隔20 m设置仰斜式泄水孔一处。

图1 方案一 边坡滑塌处治设计示意图（卸载+支挡加固）

3.2 处治设计方案二

经对K88+815—K89+020段路线平纵面指标条件进行核查，可满足规范要求的隧道明洞设置桩号为K88+847—K89+011，长164 m。由于连拱隧道中隔墙厚度不满足现行规范的要求，中间带宽度需增加1 m，导致行车道中线位置需向两侧偏移，进而前后连接段的路线方案、桥梁设计方案均需进一步调整。鉴于该滑体目前处于不稳定状态，尤其是滑体后缘形成的临空面，存在进一步下滑的可能。为了保证隧道明洞施工及运营安全，需同时对滑塌边坡进行卸载与支挡防护。

3.2.1 明洞连拱设计

隧道明洞采用钢筋混凝土一体浇筑结构，并增设钢拱架。洞外开挖边坡采用锚喷钢筋挂网防护，明洞两侧回填C15片石混凝土，洞顶回填碎石土，顶部设黏土隔水层，明洞回填完成后，完善洞顶排水系统。

3.2.2 路线方案及前后段桥梁调整设计

调整路线平面方案，将中间带宽度加宽1 m，即左线行车道向外偏移1 m，前后段4座桥梁方案重新布设，涉及路线改线，影响重大。

3.2.3 边坡滑塌处治设计

a）卸载 按照方案一对边坡进行卸载。

b）支挡、防护 第一至三级边坡采用锚喷钢筋挂网防护，其余边坡的支挡防护与方案一相同。

3.3 工程规模及造价比较

图2 方案二 明洞内轮廓及建筑限界示意图

3.4 方案技术优缺点比较

综合以上技术、经济因素，结合边坡破坏机理与失稳原因，针对黄土-砂泥岩二元结构受水影响易诱发沿岩土交界软弱面发生失稳破坏，在完善排水设施系统下，对该浅层黄土-砂泥岩深挖路堑边坡采用卸载+抗滑挡土墙+注浆微型桩支挡加固方案更加可行与实用。

4 结语

岩土交界面常为软弱结构面，边坡开挖后受水影响易诱发沿岩土交界软弱面的坡体失稳破坏[5]，是黄土-砂泥岩深挖路堑边坡常见病害之一。本文通过某黄土-砂泥岩深挖路堑边坡失稳实例，分析破坏机理与失稳原因，通过高边坡稳定性分析，有针对性地提出卸载+抗滑挡土墙+注浆微型桩与设置明洞两种处治方案，对该类浅层黄土-砂泥岩深挖路堑边坡采用卸载+抗滑挡土墙+注浆微型桩方案具有可行性与实用性，为今后同类工程处治提供一定借鉴作用。