蘭新第二雙線深路塹基巖順層高邊坡裂縫工程的加固處理研究

辛文棟

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 工程概述

蘭新第二雙線鐵路DK1818+863.80～DK1819+881.93段,路基長1 018.13 m。位于新疆地區達坂城風區G312國道北側,跨312國道大橋與芨芨槽子大橋之間。地形略有起伏,溝梁相間,植被不發育。出露地層為第四系上更新統坡積細角礫土、石炭系上統砂巖。地表流水為季節性間歇水流,平時干涸,雨季才有水流,水量不大,未見地表水及地下水。地震動峰值加速度0.15g(相當于地震基本烈度7度),土壤最大凍結深度162 cm。

該段路基工程最大挖方深度約40 m,砂巖呈層狀分布,泥鈣質膠結,因膠結物中泥鈣質含量差異,常形成軟硬相間厚薄互層,右側路塹邊坡砂巖傾向路基,砂巖順層易產生塌方[1]，對鐵路安全產生影響。工程施工過程中,在爆破施工作業完成最上兩級邊坡后,右側塹頂出現了4處裂縫,最大裂縫寬度20 cm,施工工程存在安全隱患。結合施工現場存在的問題,通過方案研究比較,采用了重力式擋土墻結合順層清方處理方案,成功解決順層滑坡問題,確保了施工過程及運營安全。

2 原工程設計與施工

2.1 原工程設計

2.1.1 原工程設計地質特征

工點范圍內出露地層為第四系上更新統坡積細角礫土、石炭系上統砂巖。

細角礫土：零星分布于溝底及緩坡,層厚0～3.5 m,淺黃色、灰色,呈尖棱狀,成份以砂巖為主,粒徑2～10 mm的占15%～25%,10～20 mm的占50%～30%,20～40 mm的占5%～10%,余為雜粒砂及粉黏粒充填,巖芯大部分呈散狀,小部分呈碎塊狀,土質不均,稍密-中密,稍濕,Ⅱ級普通土,σ0=300 kPa。

砂巖：層狀分布于地表及下伏于第四系細角礫土,青灰色,粉砂狀結構-細粒結構,薄層-中厚層構造,泥鈣質膠結,因膠結物中泥鈣質含量差異,常形成軟硬相間厚薄互層,裂隙發育,巖體較破碎,屬較軟巖。風化層厚0.5～17.6 m,巖芯呈碎塊狀、塊狀,Ⅳ級軟石,σ0=450 kPa,風化層以下Ⅳ級軟石,σ0=700 kPa。

2.1.2 原工程設計邊坡工程措施

(1)DK1819+430～DK1819+635段右側設置高4.0 m、寬1.36 m的重力式路塹擋土墻,擋土墻以上邊坡坡率1∶1.25,分級高度10 m,分級平臺寬度2.0 m。擋土墻以上兩級邊坡采用錨桿框架梁防護,塹頂一級邊坡采用拱形骨架護坡防護。見圖1。

圖1 原設計路塹橫斷面(單位：m)

(2)其余地段右側路塹邊坡采用錨桿框架梁防護,邊坡坡率1∶1.25,分級高度10 m,分級平臺寬度2.0 m。

(3)左側路塹邊坡采用拱形骨架及混凝土空心磚護坡防護,邊坡坡率1∶1.0,分級高度10 m,分級平臺寬度2.0 m[2]。

(4)擋土墻采用C35片石混凝土砌筑。錨桿框架梁框架采用C30鋼筋混凝土澆筑,錨桿采用φ32 mm HRB400鋼筋,錨桿水平夾角25°。拱形骨架采用M10漿砌片石砌筑。

(5)為有效防止風蝕破壞,拱形及錨桿框架內鋪設混凝土空心磚,空心磚內培土,培土表面低于空心磚表面2～3 cm。

2.2 施工中出現的問題

工程施工完成路塹最上兩級邊坡開挖后,右側距線路20～60 m范圍內路塹邊坡發生滑動和移位,山體上部形成長度40～80 m不等的4處張拉裂縫,裂縫寬度1～20 cm,部分山體已產生錯位,由于山體坡面為堆積碎、塊、片石,下部錯動位置不明顯,且裂縫長度、寬度有不斷加大的趨勢。分別如下所述。

(1)DK1819+260～DK1819+310段長50 m,距塹頂面0.50～12.3 m,地表縱向裂縫長50 m,寬1～5 cm,裂縫延伸方向N25°W。見圖2。

(2)DK1819+410～DK1819+490段長80 m,距塹頂面0.30～12.3 m,地表縱向裂縫長50 m,寬3～20 cm,裂縫延伸方向N25°W。見圖3。

圖2 DK1819+280斷面 裂隙寬度約2.5 cm

圖3 DK1819+460斷面 裂隙寬度約14 cm

(3)DK1819+550～DK1819+630段長80 m,距塹頂面0.40～7.2 m,地表縱向裂縫長80 m,寬2～5 cm,裂縫延伸方向N25°E、N30°W。見圖4。

圖4 DK1819+570斷面 裂隙寬度約3 cm

(4)DK1819+730～DK1819+770段長40 m,距塹頂面5.60～12.4 m,地表縱向裂縫長20 m,寬2～3 cm,延伸方向N35°W。見圖5。

圖5 DK1819+750斷面 裂隙寬度約2 cm

3 邊坡裂縫原因分析

圖6 樁板墻抗滑方案設計橫斷面(單位：m)

(1)滑坡區地表層為細角礫土：層厚0.0～3.5 m,中密,稍濕,為Ⅱ級普通土。下伏石炭系上統砂巖：青灰色,細粒砂質結構,薄層-中厚層構造,厚薄互層,鈣質膠結,砂巖層間不均勻夾有薄層狀泥巖,巖層節理、裂隙發育,巖體較破碎,巖層產狀： N55°W/27°S26°；節理產狀：J1N25°W/77°N,平直,張開,間距0.1～0.2 m,延伸大于5 m；J2∶N80°E/81°N,平直,張開,間距0.1～0.3 m,延伸大于3 m,屬較軟巖。風化層厚2～8 m,巖石呈碎石狀,Ⅳ級軟石,σ0=450 kPa,風化層以下Ⅳ級軟石,σ0=700 kPa。山體巖層層面和1組節理面傾向線路。

(2)工程位于烏魯木齊山前拗陷,地貌上無明顯構造跡象。但發育若干條小斷層,分別為：DK1819+440,產狀為N30°E/70°N,寬度1.1 m；DK1819+220,產狀為N70°W/25°S,寬度1.0 m。附近巖體破碎,邊坡面未見完整巖體。

(3)山體變形段巖層產狀為線路不利順層,巖層為砂巖夾薄層泥巖。巖層產狀為極為不利,且容易產生順層滑坡的結構面[3]。

(4)設計選擇的1∶1.25的坡率陡于順層的角度,下部所設擋土墻對于順層下滑力估計不足,邊坡開挖過程中沒有自上而下及時施工錨桿框架梁進行加固。

(5)邊坡爆破開挖的振動,以及山體下部支撐山坡穩定的阻滑段巖體被清除,山體處于極不穩定狀態。

(6)施工過程中遇大雨,雨水沿節理、裂隙面滲入砂巖層間,使其膠結層遇水易軟化,形成了良好的滑動面,在重力牽引下,造成山體開裂,產生順層滑動。此處山體變形為一典型施工開挖形成的順層工程滑坡。

為了保證人體骨骼以及相關骨塊的高度真實感，在3D模型結構仿真的同時，還要對模型的材質進行渲染。材質是指物體的材料、質感，即物體本身的材料屬性與紋理。在Unity3D中采用標準Shader功能布局，首先設置Shader標準著色器，其次需要根據這個材質球(Materials)要渲染的骨骼的特性(不透明物體，透明物體)設置不同的渲染模式。最后利用Shader主要貼圖設置這個區域的貼圖和設置項控制模型最終的渲染效果，而Shader的次要貼圖，用于給模型增加細節。設置完主貼圖，再設置次要貼圖能增加人體骨骼及骨塊的精致度。建模過程如圖3。

(7)該段路基穿越的巖層節理發育,風化層厚度較深。原始地面自然坡度較緩,巖層在較緩的坡度下,巖體已處于外力的綜合平衡狀態,主要節理J1、J2的破壞作用不能體現。當坡度變陡,下部的支撐巖體被挖開,自然平衡被破壞,上部巖塊、巖體就在雨水的幫助下,沿層面借助重力的作用產生滑動和移位。

4 設計方案進一步分析研究

為有效解決順層安全隱患,提出了2種設計方案進行技術經濟比較論證。

4.1 預應力錨索樁板墻抗滑方案

(1)DK1819+021.00～DK1819+129.00、DK1819+375.40～DK1819+639.40段右側路塹邊坡高度大于20 m的地段設置預應力錨索樁板墻,樁板墻以上邊坡采用錨桿框架梁防護,墻頂預留10 m寬平臺,平臺以上邊坡坡率采用1∶2,每10 m一級。見圖6。

預應力錨索樁懸臂段受力按巖層順層下滑力計算,設計參數為r=21 kN/m3,φ=18°,c=16 kPa。懸臂段滑坡推力按矩形分布,樁間距為6.0 m,懸臂段均布荷載q=1 073×6/12≈540 kN/m。預應力錨索樁將樁、錨固段樁周巖土及錨索系統作為一整體,視為超靜定結構,錨索與樁聯接處樁的位移與錨索伸長變形相等。樁簡化為受橫向變形約束的彈性地基梁,根據位移變形協調原理,按地基系數法計算確定錨索拉力及樁身內力。

圖7為錨索樁結構計算圖式,樁錨固段頂端O點處樁的剪力Q0及彎矩M0計算如下

圖7 錨索樁結構計算圖式

樁的錨固段地基系數K=300 MPa/m,在距樁頂1.0 m和4.0 m處,各設一根預應力錨索,第一根錨索的自由段長度為24.0 m,第二根錨索的自由段長度為19.0 m,每一根錨索有8束φ15.2 mm的錨索,預加應力都為600 kN。滑面處位移為x0=4 mm,距樁頂1.0 m處錨索處樁的水平位移為25 mm,錨索拉力R1=885.17 kN；距樁頂4.0 m處錨索處樁的水平位移為19 mm,錨索拉力R2=884.46 kN。計算的彎矩圖、剪力圖見圖8、圖9。

圖8 樁的彎矩圖

圖9 樁的剪力圖

(2)DK1818+965.00～DK1819+021.00、DK1819+129.00～DK1819+200.00、DK1819+260.00～DK1819+375.40、DK1819+639.40～DK1819+846.70段右側路塹邊坡高度在10～20 m,設置重力式路塹擋土墻,樁板墻以上邊坡采用錨桿框架梁防護,墻頂預留10 m寬平臺,平臺以上邊坡坡率采用1∶2,每10 m一級。

(3)其余地段右側路塹邊坡采用錨桿框架梁防護,邊坡坡率1∶1.25,分級高度10 m,分級平臺寬度2.0 m。

(5)為有效防止風蝕破壞,拱形及錨桿框架內鋪設混凝土空心磚,空心磚內培土,培土表面低于空心磚表面2～3 cm。

(6)樁板墻樁長為24、22 m,截面尺寸分別為2.0 m×2.5 m、2.0 m×3.0 m,樁間距6.0 m[4],樁的錨固段長12.0 m,采用C40鋼筋混凝土澆筑。距抗滑樁頂1 m、3 m分別并排設2根預應力錨索,間距為1.25 m,錨索設計施加預應力為600 kN。樁之間設擋土板,采用C35鋼筋混凝土澆筑,擋土板后設0.3 m厚砂夾卵石反濾層,底部不平處可用M7.5漿砌片石找平。

(7)重力式路塹擋土墻采用C35片石混凝土砌筑。錨桿框架梁框架采用C30鋼筋混凝土澆筑,錨桿采用φ32 mm HRB400鋼筋,錨桿水平夾角25°。拱形骨架采用M10漿砌片石砌筑。

4.2 重力式擋土墻結合順層清方方案

(1)DK1818+960.00～DK1819+230.00、DK1819+250.00～DK1819+850.00段右側設置高3.5 m、寬2.0 m的重力式路塹擋土墻,擋土墻墻頂設置10.0 m寬平臺。擋土墻以上邊坡坡率1∶2.0,分級高度10 m,分級平臺寬度2.0 m。擋土墻各級邊坡采用錨桿框架梁防護。見圖10。

圖10 重力式擋土墻結合順層清方方案橫斷面(單位：m)

(2)其余地段右側路塹邊坡采用錨桿框架梁防護,邊坡坡率1∶2.0,分級高度10 m,分級平臺寬度2.0 m。

(3)左側路塹邊坡采用拱形骨架及混凝土空心磚護坡防護,邊坡坡率1∶1.0,分級高度10 m,分級平臺寬度2.0 m。

(4)擋土墻采用C35片石混凝土砌筑。錨桿框架梁框架采用C30鋼筋混凝土澆筑,錨桿采用φ32 mm HRB400鋼筋,錨桿水平夾角25°[6]。拱形骨架采用M10漿砌片石砌筑。

(5)為有效防止風蝕破壞,拱形及錨桿框架內鋪設混凝土空心磚,空心磚內培土,培土表面低于空心磚表面2～3 cm[5]。

4.3 方案技術經濟比較

(1)預應力錨索樁板墻抗滑方案

優點：①該方案采用錨索樁板墻抵抗下滑力,同時結合順層清方及錨桿框架梁對邊坡進行防護,有效地解決了順層滑坡的問題[7],能夠有效地保證工程安全。②樁板墻的設置能夠有效降低邊坡高度,節省土石方工程。

缺點：①該工程地處新疆干旱少雨區,且位于達板城風區,施工環境惡劣,樁板墻采用鋼筋混凝土澆筑,施工過程養護困難,易裂縫。②樁板墻施工難度大,施工過程易引起塌方隱患。③該方案鋼筋混凝土用量大,工程投資較大。

(2)重力式擋土墻結合順層清方方案

優點：①該方案采用重力式擋土墻抵抗坡腳下滑力,采用順層清方及錨桿框架梁對邊坡進行防護,有效地解決了順層滑坡的問題,能夠有效地保證工程安全。②與樁板墻抗滑方案比較,節省了鋼筋混凝土用量,降低了施工難度,施工過程及質量安全更容易控制。

缺點：①邊坡高度較高,挖除的土石方數量大。②占用土地面積大。

(3)推薦方案

通過對以上2個方案的經濟技術比較,在2個方案均能保證工程安全有效的前提下,重力式擋土墻結合順層清方方案可降低施工難度,其施工過程及質量更容易控制,增加土石方數量的同時減少了鋼筋混凝土用量,節省工程投資約800萬元,因此,推薦采用重力式擋土墻結合順層清方方案。

5 工程施工

5.1 邊坡開挖

路塹自上而下進行分層爆破開挖,爆破采用控制爆破技術,控制裝藥量,減少對邊坡的振動,以免產生新的裂縫。坡面開挖一級即施工坡面防護工程,完畢后方可進行下部邊坡的開挖及坡面防護工程的施工。

5.2 錨桿框架梁的施工

錨桿施工工藝流程：確定孔位→鉆機就位→調整角度→鉆孔→清孔→安裝錨桿→注漿[8]。

5.3 拱形骨架護坡施工

(1)施工前應修整好坡面。

(2)施工時應自下而上逐條砌筑骨架,間距不足時調整拱間間距在下部增加設拱[9]。

(3)砌筑基礎應按設計要求掛線放樣,基礎頂面應平順。

5.4 重力式擋土墻施工

(1)擋土墻應分層砌筑,分層填筑墻背土,墻身不得做成水平通縫[10]。

(2)片石砌體所用石料為不易風化的石塊,其極限強度等級不小于MU30。砌筑時要求灰滿縫嚴、堅實平整。

(3)沿擋土墻墻長每隔10～20 m設置伸縮縫,在基底地層變化處設置沉降縫。縫寬2 cm,縫內沿墻的內、外、頂三邊填塞瀝青麻筋,瀝青麻筋塞入深度不小于0.2 m。

(4)擋土墻設置向墻外坡度不小于4%的泄水孔,自路肩以上上下左右每隔2～3 m交錯布置。

5.5 鋪設混凝土空心磚及培土

(1)施工前應修整好坡面。

(2)砌筑基礎應按設計要求掛線放樣,基礎頂面應平順。

(3)自下而上鋪設混凝土空心磚,鋪設時應拿橡皮錘擊打,不得使用鐵錘等重物。

(4)空心磚鋪設完成后,空心磚內夯拍戈壁土,為保證夯拍密實,需灑水夯拍。同時培土頂面應低于空心磚頂面2～3 cm,以減少風蝕對邊坡的破壞。

6 工程實施效果

工程采用重力式擋土墻結合順層清方和邊坡錨桿框架梁處理后,解決了順層安全隱患,邊坡穩定安全安全,美觀。

7 結語

本文針對新疆干旱荒漠區基巖順層深挖方邊坡防護的特點,通過對原設計施工過程中產生裂縫的分析,進行方案研究,第一次在新疆干旱地區深路塹順層邊坡中采用順層清方、錨桿加固的措施,節省工程投資的同時保證了工程安全,確保了蘭新鐵路運營安全暢通,為設計施工積累成功經驗,對類似工程具有較強的借鑒和推廣意義。

[1] 李守定,李曉.大型基層順層滑坡滑帶形成演化過程[J].巖石力學與工程學報,2007(12):2473-2480.

[2] 鐵道第一勘察設計院.TB10001—2005 鐵路路基設計規范[S].北京：中國鐵道出版社,2005.

[3] 工程地質手冊編委會.工程地質手冊[M].北京：中國建筑工業出版社,2007．

[4] 鐵道第二勘察設計院.TB10025—2006 鐵路路基支擋結構設計規范[S].北京：中國鐵道出版社,2005.

[5] 中鐵第一勘察設計院.鐵路工程設計技術手冊·路基[M].北京：中國鐵道出版社,1992.

[6] 李海光.新型支擋結構設計與工程實例[M].北京:人民交通出版社,2004.

[7] 萬軍利.預應力錨索樁板墻應用研究[D].北京:鐵道部科學研究院,2007:45-47.

[8] 王錦珊.淺議錨索框架梁與錨桿框架梁施工技術[J].商情(財經研究),2008(3):5-8.

[9] 岐峰軍.現澆混凝土拱形骨架施工質量控制[J].山西建筑,2010(23): 92-96.

[10] 高智亭.高速公路擋土墻施工分析[J].交通世界(建養、機械),2011(7):114-117.