高边坡综合防护及滑坡治理分析

李 斌

(中铁十八局集团 第一工程有限公司,河北 涿州 072750)

长期以来,路基高边坡综合防护施工都是高速公路施工的薄弱环节。20世纪80年代以前,我国主要以低等级公路建设为主,交通量比较小,深挖高填少,投资也比较小。边坡防护并不是高速公路建设的主体工程,边坡问题造成的影响和损失比较小,因此在实际施工中并没有得到高度重视。20世纪80年代以后,我国高速公路建设飞速发展,对高速公路路基高边坡防护成效提出了更高的要求,但高速公路路基高边坡防护技术系统化经验依然缺乏,其实践经验和技术理论还不够成熟,经常出现边坡坍塌问题[1],导致交通中断,引发系列安全问题和社会问题。为避免这些问题的频繁发生,对高速公路路基高边坡综合防护技术及滑坡治理技术研究已经迫在眉睫,早日提出有效的解决方法,是促进我国高速公路事业持续稳定发展的关键。

1 工程概述

广东省云浮罗定至茂名信宜(粤桂界)高速公路是广东省高速公路网规划的“九纵线”罗阳高速公路与“十纵线”包茂国家高速公路的联络线,贯通广东西北区域与广西壮族自治区的东部,东接在建的罗阳高速公路,西接广西壮族自治区规划的浦北至北流(清湾)高速公路。本合同段位于信宜市平塘镇及钱排镇,起讫桩号为K52+650—K59+825,全长7.175 km。笔者以K57+020—K57+200段高边坡防护为背景进行分析,其防护形式有客土喷播、三维网植草、锚杆格梁、锚索框梁,此高边坡共分6级,坡高56 m,分段长度180 m,位置靠段落右侧,具体各级坡率及坡高等数据如见表1所示。

表1 K57+020—K57+200段落高边坡路堑工程表

高边坡处于低缓丘陵带,地形起伏较大,坡体地面标高约450～520 m,右边坡设计坡向175°,设计坡角约45°。山体植被发育较好,生长松树、三华李及各种灌木、蕨类植物。

根据地质钻探及测绘结果,边坡覆盖层主要由第四系坡残积粉质黏土、碎石组成,基底由加里东期花岗岩及其风化层组成。边坡坡体范围内未发现断裂构造形迹,该边坡为土岩混合边坡,坡体第四系覆盖层及全-强风化较厚,植被发育,坡体范围内测得部分节理裂隙产状数据。Z201-X1为顺倾不利结构面/楔形体,易发生滑动破坏;Z201-X1-Z201-X2为顺倾不利结构面/楔形体,易发生滑动破坏。区内气候温和,雨量充足,地表径流对坡面及坡脚的冲刷较大。地下水主要来源为大气降水。

2 高边坡综合防护

由于本工程地形地貌和地质水文条件比较复杂,不同路段、不同结构需要采取与之相适应的高边坡防护技术,才能提升高速公路路基高边坡防护效果。根据设计要求将边坡挖至设计位置后,再刷坡。按照自上至下,由两侧向中间的顺序进行分级分段施工,每开挖1级,紧跟1级防护,绿化1级。防护工作开始前,具体检查边坡坡体地质情况,边坡平面位置及坡率,各级平台标高和宽度,经监理工程师验收合格后方可开始施工。对于稳定的挖方路基边坡,主要采用喷播植草、三维网植草等予以防护;对于欠稳定或不稳定的挖方路基边坡,主要采用锚杆或锚索框梁、客土喷播等措施进行加固防护。

2.1 客土喷播防护

K57+020—K57+200路堑边坡路段地处低缓丘陵,地形起伏较大,坡体地面标高约459～520 m,右设计坡向约175°,设计坡角45°。边坡主要由第四系坡残积粉质黏土和加里东期花岗岩及其风化层组成,满足各类植物生长发育的要求。因此,此路段适宜采用喷播植草防护技术,从而为后续各级边坡施工打好基础。

挂网客土喷播技术是先将土工格栅网(镀锌铁丝网)沿坡面纵向铺盖在边坡上,然后将客土、种子及绿化料、长效肥料等按比例配合,并放入专用设备内充分混合后,通过空气压缩机喷射到坡面上[2]。

1) 对边坡进行清理,清除杂物及岩块,修整坡面转角处及坡顶的棱角呈弧形,平整作业面,以便于进行客土喷播施工及增强绿化效果。对于光滑岩面,可在作业面上每隔一定高度开一个横向槽,以增加作业面的粗糙度,使客土对作业面的附着力加大,避免客土下滑[3]。

2) 截、排水沟施工。在平台设置排水沟,在边坡适当位置设置踏步式急流槽。

3) 挂网施工,6 cm客土喷播采用土工格栅网、8 cm客土喷播采用镀锌铁丝网。土工格栅网采用GSL20/PE双向拉伸土工格栅网。镀锌铁丝网的铁丝直径为2.2～2.4 mm,网眼尺寸一般为(5～5.6) cm×(5～5.6) cm。

图1 挂网客土喷播平面图(单位:cm)

4) 客土喷播时要尽量采用适合当地自然条件和气候条件的草种,根据实际情况添加0%～20%的灌木种子。为保证混喷厚度和草籽分布的均匀性,在进行喷播时,把控好风压,尽量在稳定的风压下自上而下进行两次喷播,先喷播3 cm厚,待客土稳定10～20 min后,再喷至设计厚度。若遇硬坡或岩性破碎段可适当增加喷层厚度,具体客土喷播护坡厚度见表2。

5) 完成喷播之后,按30 g/m2及时覆盖上土工膜,以防止雨水冲刷。要及时做好洒水、病虫害防治及补播等养护工作[5]。

2.2 三维网植草防护

K57+020—K57+200路堑边坡坡体范围内未发现断裂构造形迹,该边坡为土岩混合边坡,坡体第四系覆盖层及全-强风化较厚,植被发育,坡体范围内测得部分节理裂隙产状数据,区内气候温和,雨量充沛,地表径流对坡面坡脚的冲刷较大。为解决雨水对边坡冲刷造成的影响,确保高边坡路基的稳定,6级边坡采用三维网植草防护技术,具体做法:人工清除路基边坡上的杂物及块石,并于路基边坡顶部和底部沿着边坡走向分别开挖出一条矩形沟槽。三维植被网在坡面纵向全覆盖铺设。在铺网操作时,首先将三维网伸出80 cm铺设于坡顶沟槽内并用方木桩固定,然后在沟槽内回填土进行人工夯实,再顺坡自上而下铺设。相邻三维网搭接重叠宽度不低于10 cm,U型钢筋梅花形布置,相隔200 cm,坡面用U型钉进行固定,铺设坡底时,将其伸出80 cm,埋入坡脚沟槽内,用方木桩固定三维植草网,并填土夯实[6]。等三维网全部铺设完成,再用机械设备喷播草种,分层覆土,洒水润湿,喷播完成后及时覆盖上无纺布。

2.3 锚杆格梁防护

高边坡每开挖一级后根据图纸要求,采用锚杆格梁护坡、预应力锚索框架梁护坡等方式及时进行加固,再向下开挖,每施工一段加固一段。K57+020—K57+200的2级坡在开挖过程中发现岩层极破碎,且经过多天大雨冲刷,2级坡出现了不同程度的滑塌,情况较严重,仅凭植草技术难以实现对边坡的有效加固。案例工程对2级边坡采用锚杆格梁防护技术。

1) 检查坡面的稳定情况,清除不稳定的石块或其他杂物,对坡面极为不平整处进行平整,凹陷处采用石块进行填补,对于光滑岩面需要通过挖掘横沟等方式进行加糙处理。根据设计图纸将锚杆位置放出,并做清晰标识。

2) 钻孔时根据确定好的每个孔的位置,控制孔位误差低于±2 cm,倾斜度不能超过5%。在钻孔施工中采用空压机供风,浅水钻无水干钻成孔,钻孔深度要大于设计深度50 cm以上。钻杆与水平夹角呈20°,钻机及其安放操作平台均牢固稳定。钻孔深度大于设计深度0.5 m以上。钻孔倾角和方向符合设计要求,倾角允许误差±1.0°,利用高压风将钻孔中的岩粉和积水清除,并对钻孔质量进行检查,检查合格后灌入M30水泥砂浆。

图2 锚杆主筋结构(单位:cm)

安装前,需保证每根钢筋顺直、无锈、无油污。先核对锚孔编号无误后,再安装锚杆体,接着用高压风吹孔,利用人工缓慢将锚杆体放入孔内,并用钢尺量测露出孔外的锚杆长度,推算孔内的锚杆长度,确保锚固长度满足要求。

4) 采用M30水泥浆通过孔底返浆法进行注浆,注浆压力控制在0.6～1.0 MPa范围内。注浆结束时,由孔底缓慢抽出注浆管,在孔口冒浆至少10 s后可停注,并且注浆量不得少于计算量。在此期间严禁拔出注浆管,注浆完毕待浆液收缩后,采用M30水泥浆对孔口进行补浆,且需在水泥浆中添加阻锈剂。注浆结束后,清洗干净注浆管、注浆套管及注浆枪,并做好注浆记录[8]。

5) 最后进行锚梁施工,边坡高度为10 m,边坡坡率分别为1∶1,1∶0.75,锚杆格梁尺寸为30 cm×30 cm,锚杆纵横梁间距均为3 m,按照设计图纸尺寸,侧放出框架纵梁、横梁位置及施工起始范围。客土喷播植草格梁嵌入土层深度为20 cm,喷播植草格梁嵌入土层深度为25 cm。按框架竖梁、横梁尺寸及模板厚度精确挖出单根梁肋轮廓,采用人工及风镐等小型机具进行开挖。开挖完成后修整梁肋轮廓,要求线型平直顺滑,基底密实无浮土,然后用2 cm厚水泥砂浆对基底进行找平。

2.4 锚索框梁施工

K57+020—K57+200的1级坡在开挖过程中发现岩层破碎,又经过大雨,出现了不同程度的滑塌,必须采取紧急措施予以边坡加固处置:修整滑塌部位,对土体进行反压,之后用C20混凝土修整坡面。边坡的稳定性比较差,需要采用锚索框架梁+客土喷播等加固措施进行防护。锚索框架梁施工流程大部分与锚杆格梁施工相同。不同处为锚索注浆采用二次高压劈裂注浆,锚固段和自由张拉段要同步灌注M40水泥砂浆,一次性注浆完成,控制注浆压力为0.6～1.0 MPa。灌浆结束的标志为孔口冒浆持续10 s以上。在进行张拉锁定之前,需要对张拉设备进行检测。为保证钢绞线张拉时受力的均匀性,在成束张拉之前,要保证锚索体处于平顺状态。先用小型千斤顶对单根进行张拉,确保钢绞线平顺及受力均匀后,提升张拉力至设计张拉力的0.1～0.2倍,并进行1或2次预张拉,保证锚固体各部分接触密实;分别以25%,50%,75%,100%,120%分级张拉,前4级每级张拉完成后持荷2～5 min,5级张拉完成后需要持荷20～30 min。张拉完成后应及时开展封锚操作,接着进行框梁浇筑,先用厚度为3～5 cm的水泥砂浆进行基底找平,对超挖较大悬空处采用浆砌片石嵌补边坡。混凝土浇筑时用振动棒振捣密实,尤其对锚孔周围,需仔细振捣。浇筑完成后,及时采用土工布覆盖洒水养生至张拉龄期。在浇筑锚索框梁混凝土前,将锚具中的螺旋筋、锚垫板和钢套管按要求固定在纵梁钢筋上,与锚孔同向,平整摆放。横梁每12～18 m设一道伸缩缝,伸缩缝宽2 cm,用沥青麻筋填塞[9]。施工结束后,进行锚索框梁拉拔试验,试验数量不小于总锚索的5%。锚索框架立面见图3。

3 高边坡滑坡治理优化

K57+020—K57+200高边坡共分6级,坡高56 m,在高边坡施工中对产生的滑塌情况进行变形机理分析,其原因主要体现为:1) 线路因深挖方形成路堑高边坡,开挖方量较大,致使坡体开挖后地应力调整大,易形成较大的松弛区,从而导致边坡的稳定性降低。2) 构成本边坡的主要岩土体为粉质黏土和全—强中风化花岗岩。二元结构边坡,存在岩土界面失稳的可能。3) 边坡开挖后,在水的作用下容易沿结构面出现岩体崩塌、冲沟等灾害。4) 该段边坡右侧为垃圾填埋场,主要成分为生活垃圾,欠压实,易失稳,易产生污水。5) 开挖后岩层极破碎,且该地区台风暴雨频发,是产生滑塌的主要诱因。同时,需根据其变形原因,提出针对性的治理优化措施。

3.1 3级坡滑塌情况分析及治理优化

开挖揭示岩层极破碎,3级坡施工时土质边坡右侧出现了滑塌,经现场调查,边坡沿3级平台垮塌到2级平台,边坡倾向175°,3级坡倾角53°,现场测量得到两组结构面200°∠38°,148°∠40°,结构面连续、光滑,角度较缓且与边坡小角度斜交,为不利结构面,两组结构面组合178°∠36°,是导致边坡滑塌的主要因素。采取如下处置措施:3级坡按原设计坡形坡率进行反压+四排锚索框梁(防护范围加长、锚索长度加长)+6 cm客土喷播+C20混凝土修复坡面施工。

3.2 2级坡滑塌情况分析及治理优化

K57+020—K57+200的2级坡在开挖过程中出现岩层极破碎现象,又经过连续多天的大雨,2级坡出现了不同程度的滑塌,情况较严重。经现场调查发现边坡倾向和不利结构面跟3级边坡相似,以3级边坡治理方式修整滑塌部位,对土体进行反压,再用C20混凝土修整坡面。2级坡改为使用锚索框架梁防护技术(图4)。

图4 2级滑坡治理立面(单位:m)

3.3 1级坡滑塌情况分析及治理优化

K57+020—K57+200的1级坡现场开挖揭示,该边坡为顺层坡,岩层极破碎。在开挖过程中该坡面局部多次发生滑塌,经现场调查边坡倾向和不利结构面与2～3级边坡相似,修整滑塌部位,对土体进行反压,之后用C20混凝土修整坡面。为提高滑坡治理效果,将1级坡改为锚索框架梁并增加泄水孔(图5)。

图5 1级滑坡变更后边坡立面(单位:m)

3.4 综合边坡防护技术优势

K57+020—K57+200高边坡在施工时,从3级坡开始,边坡围岩变差,岩质破碎,出现滑塌现象。对边坡防护形式及时进行了调整,之后又由于多天的大雨及台风天气带来的影响,2级坡及1级坡出现了不同情况的滑塌现象,情况比较严重,给施工带来了不小的影响。经现场确认,及时调整施工,由于4～6级边坡已完成施工,坡率无法调整,则3级坡按原设计坡形坡率进行反压+四排锚索框梁+6 cm客土喷播+C20混凝土修复坡面施工;2级坡改用锚索框架梁+8 cm客土喷播防护;1级坡改为采用锚索框架梁+8 cm客土喷播防护。施工完成后,采用全站仪、水准仪及应力计对位移监测桩及锚杆测力计进行边坡监测,平均位移速率不大于2.5 mm/d;累计沉降量及位移量都控制在标准范围内,防护成效良好。实践证明:经过对滑塌部位进行以上优化调整后,高边坡滑塌部位得到了及时治理,成效显著,达到了长期防护的效果,确保了施工质量,有利于维护生态平衡,值得大力推广。滑坡治理前后对比见图6。

图6 滑塌防护技术治理前后对比

4 结 语

高速公路高边坡防护施工具有较强的综合性和系统性的特点决定了其施工的复杂性。高边坡防护效果决定着高速公路运行的安全性能。在高边坡滑塌防护技术中,需根据现场实际及区域地质,及时调整防护措施。3级坡在按原设计坡形坡率的条件下进行反压,并采用4排锚索框梁,以6 cm客土和C20混凝土进行坡面的喷播防护和修复;2级坡采用锚索框架梁,以8 cm客土喷播防护;1级坡采用锚索框架梁,以8 cm客土喷播防护。施工过程及时治理滑塌部位,以确保长期有效的防护效果与施工质量,提升高边坡的稳定性,实现与周边环境相互融合的生态景观,体现人与自然和谐的生态理念。