風蝕環境下膨脹性泥巖路塹邊坡防護措施應用研究

辛文棟

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

1 工程概況

新建鐵路蘭新第二雙線新疆段位于新疆維吾爾自治區境內，膨脹性泥巖路塹長度57.6 km，占路基長度的23.0%。泥巖廣泛分布于鹽池北、哈密、吐魯番盆地西北緣、鹽湖等一帶，為第三系、白堊系和侏羅系泥巖，成巖作用差，巖質較軟，節理裂隙發育，易風化剝落，巖體遇水易崩解，脹縮性大，具弱～中等膨脹性，具有吸水膨脹軟化的特性，吸水膨脹時對路基擋護工程產生膨脹力，尤其有地下水時，結構面強度大大降低，易導致路塹邊坡失穩［1］。同時泥巖路塹邊坡分布于4個大風區(煙墩風區、百里風區、三十里風區、達板城風區)，風力強勁，路塹邊坡遭受強風蝕的破壞。

2 路塹邊坡防護研究的必要性

(1)線路穿行于4大風區，其風蝕對路基邊坡影響很大，需研究膨脹性泥巖區滿足風蝕條件的邊坡防護工程措施。

(2)研究戈壁干旱區膨脹性泥巖路塹邊坡坡率及邊坡分級高度，突破《鐵路特殊路基設計規范》(TB10035—2006)關于膨脹巖路塹邊坡邊坡坡率及分級高度的限制，減少土石方及防護圬工工程數量，節省工程投資。

(3)研究戈壁干旱區膨脹性泥巖工程特性，選取能夠保證邊坡穩定、抗風蝕、節省工程投資以及美觀、適應當地自然環境特點的防護形式。采用數值計算與工程實際相結合的方法，參照既有蘭新鐵路，采用新結構、新技術，勇于創新。

(4)以技術方案攻關為依托，研究新疆戈壁干旱區膨脹性泥巖路基工程的邊坡防護方案，為設計積累成功經驗，同時可為規范修編提供參考依據。

3 膨脹巖路塹邊坡防護現狀

膨脹巖中含有親水礦物，具有吸水膨脹、軟化的特點［2］，根據《鐵路特殊路基設計規范》(TB10035—2006)及結合多條鐵路膨脹巖的路塹邊坡防護，基本按以下原則進行設計施工。

(1)膨脹巖地區路基應嚴格控制邊坡高度，避免高路堤及深長路塹。路堤邊坡高度不宜超過10 m，路塹邊坡高度不宜超過15 m，并應加強穩定邊坡措施。

(2)膨脹巖邊坡設計應遵循緩坡率、寬平臺、加固坡腳和適宜的坡面防護相結合的原則。邊坡高度不超過10 m時，邊坡坡率及平臺寬度可根據邊坡的高度和土質按表1設計;邊坡高度大于10 m時，邊坡坡率及形式應結合穩定性分析計算進行設計。穩定性檢算宜采用圓弧法，安全系數不小于1.25［3］。

表1 膨脹巖路塹邊坡坡率和平臺寬度

(3)路塹邊坡防護和加固可依據工程地質條件、環境因素和邊坡高度按表2及表3進行設計。骨架凈間距不宜大于3.0 m，寬度不小于0.5 m，深度不應小于0.6 m。

表2 膨脹巖路塹邊坡防護加固措施

表3 膨脹巖路塹邊坡支擋加固措施

4 風蝕邊坡防護工程措施研究

4.1 路塹邊坡風蝕的特點

路塹邊坡風蝕為風對路塹邊坡的吹蝕和磨蝕作用。風吹過路塹邊坡時，產生紊流，使邊坡細粒土離開，從而使路塹邊坡遭受破壞，稱為吹蝕作用;風緊貼路塹邊坡遷移時，沙礫對路塹邊坡的沖擊、摩擦的作用，稱為磨蝕作用。風蝕作用在風日多、風速大的干燥區極為盛行。在泥巖邊坡上，經風蝕形成大小不等、形狀各異的小洞穴和凹坑［4］。路塹邊坡風蝕特點如下。

(1)路塹內風向變化比較紊亂。紊亂程度與路塹邊坡坡率、邊坡高度以及風向與線路交角大小等有關。如邊坡坡率陡于1∶4的情況，則于塹內出現順線路方向的拉溝風，或稱“順槽風”，邊坡愈高，拉溝風愈大;風向與線路的交角愈小，拉溝風愈大。塹頂順風向層至拉溝風向層之間有一層渦流層(圖1)。如邊坡坡率緩于1∶4，尤其是在1∶7～1∶8時，氣流流線比較平順(圖2)，且產生滑移沖力(由壓力差產生的上升力)，路塹邊坡遭受吹蝕、磨蝕作用的影響。

(2)邊坡坡率愈陡，邊坡高度愈高，風速降低愈多。當邊坡高2～3 m，邊坡坡率1∶0.75，背風坡坡腳30 cm高的風速比遠方2 m高的風速降低80%(圖3)，路塹邊坡遭受吹蝕、磨蝕作用的影響。

圖1 路塹風向示意之一

圖2 路塹風向示意之二

圖3 路塹風速增減率等值線

4.2 風蝕邊坡防護工程措施

從路塹邊坡防護措施防風蝕的角度考慮，路塹邊坡宜采用全坡面的漿砌片石或混凝土的防護措施，徹底阻斷風對泥巖邊坡的風化及風蝕作用［5］。但對于膨脹巖路塹邊坡必須考慮以下問題。

(1)既有蘭新線防護現狀

既有鐵路風區路基邊坡并不是全坡面采用混凝土或漿砌片石防護，其防風蝕在路堤地段于路肩下設置了2 m高混凝土塊板進行防護，路塹泥巖邊坡大多數地段設置了擋土墻，擋土墻以上坡面大多數地段未采用坡面防護措施。結合多年既有線運營經驗，路基邊坡未因風蝕出現坍塌等事故，但絕大多數泥巖路塹邊坡風蝕嚴重，路塹邊坡多出現風蝕凹坑、泥巖風化形成的細粒土下滑至路肩，形成沙害，增加了大量的養護工作量。

(2)泥巖膨脹力的釋放問題

泥巖膨脹性的存在使得泥巖邊坡在遇水后產生膨脹力，在新疆干旱少雨區，雖然天然降雨量很小，但局部暴雨強度很大，暴雨歷時很短，邊坡易被水沖破壞，尤其泥巖路塹邊坡。泥巖遇水后其膨脹力的釋放易造成混凝土或漿砌片石等全面防護工程的開裂損壞。而設置成網格狀坡面防護，如空心磚、骨架護坡、空窗式護墻、框架梁等，可使泥巖的膨脹力在網格內有效釋放，不會損壞坡面防護工程。也就是說，膨脹力的存在使得泥巖路塹邊坡不適用全坡面的防護措施。

(3)規范相關規定的問題

根據鐵建設［2009］172號《鐵路邊坡防護及防排水工程設計補充規定》第二十一條規定:邊坡防護設計不得采用全坡面混凝土或漿砌片石防護［6］。

(4)邊坡種植植物的問題

因新疆戈壁干旱荒漠區平均降雨量很小，除烏魯木齊市外其余地段年平均降雨量為16.6～63.2 mm，年平均蒸發量為2 164～4 803 mm，植物存活困難，絕大部分段落邊坡均無種植植物的條件，同時泥巖邊坡其土質條件也不具備種植植物的條件。

5 邊坡坡率及分級高度的研究

膨脹巖路塹邊坡的破壞形式多種多樣，但從破壞的深度區分，大體可歸納為淺層破壞和深層破壞兩類［7］。淺層破壞是指發生在氣候影響層內的邊坡變形，超過這層厚度的邊坡變形便是深層破壞。在考慮邊坡的穩定時，應針對這2種破壞類型分別對待。由于淺層破壞是受氣候變化、風化程度、裂隙發育程度等因素的影響，其抗剪強度明顯低于深部的強度。因此，對于整體邊坡(包括淺層和深層)的穩定，如果不考慮邊坡防護加固，則需按淺層土質特征考慮邊坡坡率。如果考慮邊坡防護加固，則淺層的工程地質問題已基本得到解決，只需按深部的地層強度決定邊坡坡率，如采用支擋加固工程時也可以用較陡的邊坡坡率。對膨脹巖路塹邊坡，除考慮膨脹巖本身特性以外，還必須考慮構造環境對膨脹巖結構的影響。

5.1 抗剪強度參數的選用

在路塹邊坡穩定分析中，選用抗剪強度參數根據膨脹巖性泥巖的特性、埋藏條件(有無浸水、夾層等)及邊坡破壞的性質分別采用不同的設計參數。其參數應通過試驗取得，其強度指標應采用低于峰值強度值，當無試驗資料時可采用反算和經驗指標。

5.2 路塹邊坡整體穩定性的計算

膨脹性泥巖路塹邊坡整體穩定性計算可采用工程類比法、圓弧法、簡易的設計方法［8］3種計算辦法進行計算比較，以確定邊坡坡率、分級高度以及邊坡平臺寬度。

(1)工程地質比擬法

在調查統計既有塹坡的基礎上，對塹坡的穩定性進行分析和穩定性評價，并作為新設計塹坡的依據之一。另外，還可用數學地質中判別分析方法，建立判別函數，從而對邊坡進行定量的穩定性評價，并用于邊坡設計。

(2)圓弧法

膨脹巖塹坡的穩定計算，可按圓弧法，選擇適當的參數進行計算;此外，還可采用中鐵西北科研院裂土塹坡破壞類型及穩定性分析方法的研究建立的數學函數式。該函數式建立在按強度分區的基礎上，在一般情況下，該式可以簡化為

式中 Kf——安全系數，采用Kf≥1.25;

Wi——i塊土條的重力，kN;

ui——i塊土條的空隙水壓力(在土層中有空隙水存在時才計算);

PX——靜水壓力，PX=0.5yW·h2W，kN;

Li——土塊長度，m;

d——PX至圓心的距離，m;

R——破裂圓的半徑，m;

n——C 的折減系數(n=0.6 ～0.8)，這是考慮膨脹土(巖)的三性(裂隙性、超固結性、膨脹性)對強度影響的簡化計算方法。

(3)簡易設計方法

中鐵西北科研院建立的經驗公式為

式中 Hc——塹坡的臨界高度，m;

β——塹坡的坡角，(°);

γ——膨脹土(巖)的重度，kN/m3;

c'——膨脹土(巖)的黏聚力，kN/m2;

φ'——膨脹土(巖)的內摩擦角，(°)。

對于漿砌片石全封閉的塹坡，采用非浸水條件下的抗剪強度參數;對于無封閉的塹坡(含骨架護坡)采用浸水條件下的抗剪強度參數。

當路塹邊坡高度H＞HC時，表示邊坡不穩定;當H＜HC時表示邊坡穩定。

5.3 邊坡坡率及分級高度的確定

針對新疆段膨脹性泥巖的特點，用穩定和力學分析膨脹巖強度指標，采用低于峰值強度值，同時采用試驗、反算、經驗指標或綜合分析進行邊坡穩定性計算，確定路塹邊坡坡率、分級邊坡高度及邊坡平臺寬度。經過工程類比、理論計算比較研究按以下原則進行設計。

(1)對于無地下水影響的泥巖地段，弱膨脹巖路塹地段，邊坡坡率采用1∶1.5，邊坡分級高度10.0 m;中等膨脹巖地段，邊坡坡率采用1∶1.75，邊坡分級高度10.0 m;邊坡平臺寬度2.0～2.5 m。

(2)對于地下水發育地段，其邊坡坡率、分級高度及邊坡平臺寬度按照《鐵路特殊路基設計規范》(TB10035－2006)的相關規定進行設計。

(3)對于路塹邊坡高度大于20 m或基巖順層地段，根據穩定計算方法逐點計算后確定邊坡坡率及分級高度。

6 邊坡防護形式的研究

膨脹性泥巖路塹邊坡防護形式的選擇需滿足膨脹性的要求，且本線地處四大風區，風力強勁，風蝕破壞邊坡嚴重，氣候干燥，缺水，混凝土養護困難等諸多因素影響邊坡防護形式的選擇，同時還應考慮膨脹巖在含水量極低的情況下特別堅硬，路塹邊坡防護實施需開槽時，施工難度很大，采用人工開槽費時費力的問題。針對以上特點，需研究不同形式的邊坡防護措施。通過分析收集到國內外邊坡防護形式，對初步選擇的方案進行討論，以力學分析及綜合經濟比選為基礎，對初步方案進一步深化、篩選，然后選定適宜的邊坡防護形式。

(1)空心磚護坡

空心磚護坡適用于泥巖路塹邊坡高度較小地段，對于邊坡高度較高地段空心磚護坡因其厚度很小，易脫落，不宜采用。邊坡滿鋪混凝土空心磚，底部設置M10漿砌片石護腳加固，路堤坡腳設置片石混凝土腳墻基礎，塹頂設置M10漿砌片石鑲邊。施工前應修整好坡面。砌筑基礎按設計要求掛線放樣，基礎頂面應平順。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。見圖4。

圖4 空心磚護坡正面(單位:m)

(2)拱形骨架護坡

拱形骨架護坡適用于泥巖路塹邊坡高度較高的地段。骨架、鑲邊、護腳均采用M10漿砌片石砌筑，截水槽采用混凝土預制塊砌筑。骨架下部設置1 m高腳墻基礎，骨架內鋪設六角混凝土空心磚等防護措施。截水槽需與漿砌片石同時施工，并保證其栽砌牢固，埋入土中深度10 cm。施工前應修整好坡面。施工時應自上而下布置放線、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一道。砌筑基礎應按設計要求掛線放樣，基礎頂面應平順。見圖5。

圖5 拱形骨架護坡正面(單位:m)

(3)空窗式護墻

空窗式護墻適用于泥巖路塹邊坡高度較高的地段。與拱形骨架護坡相比，空窗護墻施工不需開挖溝槽，對于泥巖非常堅硬，開槽難度較大的路塹邊坡，降低了施工難度，但其工程投資高于拱形骨架護坡。空窗式護墻采用M10水泥砂漿砌片石砌筑，空窗內鋪設預制混凝土空心磚，空窗縱向間距5.0 m。石料應選用不易風化的硬石，其極限抗壓強度不小于30 MPa。每級護墻空窗設置原則:當護墻高度H＜4 m時，不設置;4 m≤H＜9 m時，設置1排空窗;H≥9 m時，設置兩排空窗。為增強護墻的穩定性，當墻高大于8 m時，于墻背設置耳墻1道;當墻高大于13 m時，于墻背設置耳墻兩道。頂級護墻墻頂應嵌入邊坡20 cm，以防雨水灌入墻背。護墻的埋置深度路肩高度以下不小于1.0 m，并不應低于側溝砌體底面;當地基為凍脹土時，應埋置于凍結深度線以下不小于0.25 m。施工前必須清刷坡面松動土層，必要時應進行夯實。如有松動巖石，應先行清除，然后砌筑墻體。護墻漿砌前應將石料表面泥土沖洗干凈。施工時應分層砌筑，要求灰滿縫嚴，砌縫交錯。為了保證質量和外觀整齊，施工時應按設計的坡度，厚度掛線。墻背必須與坡面密貼，局部超挖或凹陷應先挖臺階，并采用M10漿砌片石砌筑。見圖6。

圖6 空窗式護墻正面(單位:m)

(4)錨桿框架梁護坡

錨桿框架梁護坡適用于泥巖路塹邊坡高度大于20 m的膨脹巖路塹邊坡，以及存在順層、滑坡等路塹邊坡穩定存在安全隱患的地段。既可以解決坡面表層問題，也可以處理較深層的邊坡問題。框架梁采用正方形布置，框架梁及封頭混凝土強度等級應一致，一般環境下采用 C30，現場立模施工。梁截面尺寸為0.5 m×0.5 m，埋深0.4 m，外露0.1 m。在進行框架梁的施工時，在泥巖邊坡必須采用人工開槽的方式嵌入坡面中，嵌入深度0.4 m。錨桿采用φ32HBR400螺紋鋼制作，錨桿間距4.0 m，正方形布置，長度6～10 m，錨桿體與水平面的夾角為20°～25°，錨桿配合框架梁使用，錨頭采用彎鉤與框架梁主筋焊接或綁扎牢固，支架與錨桿采用焊接連接。錨桿錨孔直徑70 mm，注漿材料一般環境下采用M30水泥砂漿或水泥漿，注漿壓力不小于0.2 MPa。一般環境和碳化環境下，框架梁和注漿材料所用水泥采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥;氯鹽環境、化學侵蝕環境下，根據環境作用等級注漿材料選用M35水泥砂漿或水泥漿，并摻入水泥質量一定比例的粉煤灰。框架內鋪設混凝土空心磚。路塹頂設鑲邊，路塹坡腳設護腳，起迄點采用M10漿砌片石鑲邊加固，寬0.5 m，厚0.6 m。錨桿施工前在同一標段范圍內應選擇有代表性、與錨桿錨固段地層相同，環境類似的相鄰地段進行抗拔試驗及開挖試驗，試驗孔數均不少于3孔，以驗證錨桿砂漿的握裹性和錨固段的設計指標，確定施工工藝及參數，其相關參數在同一標段內相同地層通用［9］。見圖7。

(5)路塹擋土墻

路塹邊坡坡腳位置由于脹縮最大，又屬于應力集中區，是最容易破壞的位置，對邊坡較高或膨脹性較大的路塹，宜在該處設置路塹擋土墻。膨脹巖路塹擋土墻設計應注意以下幾個問題:基礎埋入深度不宜小于氣候劇烈影響層［10］，一般認為在路肩或邊坡平臺以下不宜小于1.5 m(還要考慮路塹側溝的深度)、滑動面以下不小于1.0 m;墻背頂端至邊坡應有一定寬度的平臺，一般不宜小于2.0 m。加厚墻背反濾層。這不僅可加強排水能力，而且可抵消一部分卸荷膨脹力，反濾層的厚度應≥0.5 m。

圖7 錨桿框架梁護坡正面

通過對以上邊坡防護形式的研究，對于膨脹性泥巖路塹邊坡形式確定了以下原則:路基邊坡高度H＜3.0 m時，采用空心磚護坡防護;路基邊坡高度3 m≤H＜10.0 m時，對于易開槽地段采用拱形骨架護坡防護，不易開槽地段采用空窗式護墻防護;當路塹邊坡高度10 m≤H＜20.0 m，采用重力式擋土墻+拱形骨架護坡(或空窗式護墻)的措施;當路塹邊坡高度H＞20 m或存在基巖順層地段，結合穩定性計算，采用抗滑擋土墻+錨桿框架梁或骨架護坡的措施。圖8～圖11為現場施工完成后的效果圖，可以看出，在不同路塹邊坡高度，不同地質情況下選擇不同的防護措施，保證工程安全有效，邊坡防護視覺效果美觀。

圖8 空心磚護坡

圖9 拱形骨架護坡

圖10 錨桿框架梁護坡

圖11 空窗式護墻

7 結語

(1)對于膨脹巖地區的路塹邊坡防護，一般采用緩坡率(邊坡高度小于6.0 m時采用1∶1.5;邊坡高度在6.0～10.0 m采用1∶1.75)、寬平臺(邊坡平臺寬度不小于2.0 m)、邊坡分級高度6.0 m、坡腳采用支擋措施，此方案適用于降雨量較大的地區，如西南線、貴廣線等鐵路。對于新疆干旱區，采用以上的邊坡防護措施顯然過于保守，膨脹力的作用與該地區的降雨量有直接關系，從工程投資的角度考慮，可采用較陡一點的坡率、較高的邊坡分級高度、以及適宜的坡腳加固措施。

(2)結合既有蘭新線防風蝕的經驗以及相關規范要求，可采用空心磚護坡、骨架護坡、錨桿框架梁、空窗式護墻等網格狀坡面防護方案。考慮網格狀防護措施網格內邊坡易遭風蝕破壞，可于網格內鋪設混凝土空心磚，空心磚內夯拍密實的戈壁土。為減少空心磚內培土的風蝕脫落，空心磚內培土必須夯拍密實，同時培土頂面宜低于空心磚頂面2～3 cm。以上選擇的防護方案解決了膨脹性泥巖邊坡膨脹力釋放引起的破壞問題，滿足了相關規范要求，同時有效解決了風蝕破壞的問題。

(3)干旱區膨脹性泥巖特殊的工程力學性能決定了路塹邊坡防護措施的特殊性。通過對其邊坡穩定性及防護形式的研究，針對干旱區膨脹巖的特點，用穩定和力學分析膨脹巖強度指標，采用低于峰值強度值，同時采用試驗、反算、經驗指標或綜合分析進行邊坡穩定性計算，選定路塹邊坡坡率及分級邊坡高度。其邊坡坡率及分級高度的選擇突破了《鐵路特殊路基設計規范》(TB10035—2006)的相關規定，減少了大量的土石方及防護圬工數量。

(4)工程的成功實施可為新疆干旱區膨脹巖路基工程借鑒及參考，解決了新疆戈壁干旱荒漠區膨脹性泥巖路塹邊坡防護工程技術難題。

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