基于安全監測的軟質巖路塹高邊坡穩定性綜合評價研究

金海元

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

近20年來，我國鐵路建設快速發展，山區新建的鐵路工程不斷增加，在地形地質條件復雜的山區鐵路建設中，不可避免地存在大量的深挖方路塹高邊坡，有的高達數十米，因此，對邊坡工程的安全提出了更高要求，路塹高邊坡的設計階段及施工和運營階段的穩定安全性值得關注。向莆鐵路福建段內的尤溪車站軟質巖路塹邊坡最高達70余m，根據相關文獻和規范［1-3］進行了邊坡設計，采用了樁板墻和框架預應力錨索等進行了邊坡支擋。同時，針對邊坡的變形及支擋結構的受力等進行了監測設計［4，5］。文章通過對邊坡的監測成果進行分析研究，對邊坡的穩定性進行綜合評價。

1 概述

向莆鐵路尤溪車站位于福建省尤溪縣西南方向的西城鎮，屬于剝蝕低山區，山坡自然坡度30°～45°，山間谷地呈狹長帶狀分布，縱坡起伏大。出露基巖為侏羅系下統粉砂巖、砂巖，以鈣泥質膠結為主，局部夾磚紅色泥質粉砂巖、泥巖，全～弱風化。巖層產狀230°∠25°，巖層走向143.57°，視傾角25.0°。受溪口 -秀溪區域斷裂的影響，節理裂隙發育，巖體破碎，強風化層厚＞20 m。地下水以基巖裂隙水為主，較發育［1］。

尤溪車站DK395+020.00～DK395+240段路塹右側邊坡為深挖方高邊坡，邊坡最大設計高度約72 m，采用臺階式邊坡，共有7級，坡率1∶1，采用壓力分散型框架錨索進行邊坡支護，框架梁內三維排水柔性生態邊坡防護。最下級邊坡采用錨索樁板墻結構支護，臺階式邊坡每隔10 m一級平臺，平臺寬2.0～4.0 m，如圖1所示。

圖1 DK395+0.0～DK395+240.0右側邊坡正面

2 邊坡安全監測布置

邊坡安全監測本身是一套完整的體系，邊坡監測的目的和任務就是為評價邊坡在施工期、運營初期和正常運營期提供所需要的資料，監測邊坡時空域演變信息、誘發因素等，最大程度獲取邊坡各種狀態下的有效數據，應用于邊坡穩定性評估。

2.1 邊坡監測的主要內容

邊坡監測的主要內容包括變形和應力監測。

(1)邊坡變形監測，包括淺層和深層變形。

(2)邊坡應力監測，包括邊坡內部應力、支擋結構應力測試。

2.2 邊坡監測方法

(1)鉆孔測斜儀可以監測巖體深部位移，而且由于其測點沿深度方向連續布置，對垂直埋設的測孔而言，可以近似地獲得巖體沿深度方向上的連續的水平位移變化情況。考慮到邊坡地形條件的限制，本項目采用鉆孔測斜儀，監測深路塹邊坡開挖支護過程中，邊坡巖體內部水平變形，以此監測分析高邊坡巖體的變形機理。

(2)邊坡內土壓力監測采用智能記憶型土壓力盒，安裝在樁背，從樁頂到樁底每隔一段深度埋設土壓力盒。

(3)錨索受力監測采用三弦智能型穿心式力傳感器。

2.3 邊坡監測元器件布置

根據上面邊坡監測設計的主要內容和方法，向莆鐵路尤溪車站路塹邊坡典型斷面上布置了測斜孔、錨索測力計以及樁后土壓力盒以監測邊坡的變形和應力情況。典型監測斷面如圖2所示。

圖2 典型斷面監測元器件布置

3 邊坡監測成果分析

3.1 邊坡水平位移監測成果

隨著每級邊坡的開挖施工，在測斜孔的設計位置安裝了測斜管，經過近3年的監測得到了大量的邊坡水平位移監測成果。以DK395+110斷面線路右側39.84 m處的水平監測成果為例(圖3)，分析邊坡水平位移的變化情況。

圖3 DK395+110右側39.84 m處測斜曲線

圖3中位移為垂直邊坡向水平相對位移，垂直邊坡向左為“+”。

從圖3中可以看出，每級邊坡位移大部分出現在邊坡的上部，從上到下位移不斷減小，變形區域主要集中在各級平臺下10 m范圍內，夏季雨期監測到的位移值略顯偏大，隨著邊坡的開挖和邊坡高度增加，位移逐漸增加［6］。邊坡最大水平位移量51.9 mm，發生在DK395+110右側39.84 m處，即最下一級邊坡處。其他部位位移量為10～30 mm。

總體上，隨著邊坡的開挖，邊坡不斷向臨空面方向產生位移，隨著邊坡的開挖及邊坡高度的增加，位移量不斷增加，但隨著邊坡開挖完成，邊坡位移變化率越來越小，受邊坡開挖施工及夏季雨期的影響，邊坡位移變化有一定的波動，但截止到2013年6月，位移基本不再發展，邊坡已經趨于穩定。

3.2 預應力錨索應力監測成果

錨索測力計主要是用來長期監測預應力錨索的應力狀態，通過錨索的受力狀態來評價邊坡的變形受力狀態［7］。邊坡分級開挖，分級支護，隨著每級邊坡開挖支護完成，錨索測力計也隨即安裝。經過近三年的時間，取得了大量的預應力錨索的應力監測成果，如圖4所示。

圖4 DK395+110斷面錨索錨固力監測值

由圖4可以看出，錨索設計荷載為350 kN，超張拉后的鎖定錨固力為385 kN，安裝后初期錨索的錨固力損失較快，下降到360 kN左右，下降了6.5%左右。錨索的前期錨固力損失與錨固初期巖體結構面的壓縮變形、錨索的施工工藝及錨索的材料回彈等有直接關系。錨固力下降到一定水平后，基本會隨著混凝土的徐變和鋼絞線的松弛等緩慢降低，圖中錨索錨固力的波動與邊坡的施工擾動關系密切，巖體的開挖卸載，形成較大的臨空面，巖體內部應力得以釋放，巖體向臨空面方向發生變形，從而增加了預應力值。這種增加預應力的效應具有明顯的時間性，隨著施工期的結束，錨固力的變化將逐漸趨緩。

另外，錨索錨固力的波動與降雨也有較大關系，雨季錨索的錨固力會有所增加，降雨量及降雨歷時對錨固力的影響集中反映在巖體裂隙較為發育，滲透系數較大的部位。降雨對巖錨預應力的影響主要表現為錨固應力的增加，而且，具有時間滯后效應。總體上，目前邊坡已經施工完畢，錨索的錨固力也相對比較穩定，工作狀態良好，錨固力的小幅振蕩屬于雨季和溫度影響的正常范圍。

3.3 樁背土壓力監測成果

樁板墻施工時，分別在樁背 1、3、5、7、9 m 的位置埋設土壓力盒以監測樁上土壓力分布情況，圖5為樁后土壓力監測曲線。

圖5 DK395+110斷面樁后土壓力分布曲線

由圖5可以看出，DK395+110斷面樁后的土壓力分布近似呈兩個“三角形”分布形式，這與此斷面邊坡的地層條件相關，在平臺下5 m的位置以上為強風化地層，巖體較破碎，變形較大，土壓力分布符合三角形主動土壓力分布形式。在5 m以下為弱風化地層，變形較小，土壓力也呈三角形分布，但大小更接近于靜止土壓力。

值得一提的是，樁后土壓力的分布規律與巖土體性質、地下水分布、支護結構的剛度、變形、位移模式、支錨的設置以及施工空間效應等多種因素有關，所以土壓力的分布規律也十分復雜，分布規律和大小會與理論值有所偏差，屬于正常情況。本邊坡樁后土壓力監測已近3年，施工期基本結束，土壓力也基本穩定，但隨著時間的增加，土壓力有一定的波動變化與降雨有較大關系，在雨季樁后土壓力會有所增加，雨季過后則土壓力又恢復正常狀態。

4 邊坡穩定性綜合評價

綜合分析DK395+110斷面邊坡的水平位移、錨索錨固力及樁背土壓力監測成果得到如下結論。

(1)樁板墻后邊坡水平變形較大，最大達51.9 mm。上部邊坡變形相對較小(10～30 mm)。邊坡可能滑動面分布在表層的強風化巖層內，在邊坡中部可能存在剪出口。目前邊坡變形已趨于穩定。

(2)錨索的錨固力在安裝初期會有一定減少，但隨著邊坡變形的增加，錨固力相應有一定的增加。錨固力隨邊坡的開挖及降雨會有一定波動，但波動較小，目前錨索錨固力已經基本穩定。

(3)樁板墻后土壓力符合庫倫土壓力理論，施工期土壓力有所波動，但目前土壓力已經基本穩定。

(4)通過對此軟質巖邊坡典型斷面的監測成果綜合分析，邊坡的變形和應力已經基本穩定，且處于變形和應力正常范圍內，可以判定邊坡處于穩定狀態。

［1］ 中鐵第四勘察設計院集團有限公司.土質及軟質巖高邊坡支擋加固技術深化研究報告［R］.武漢:中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2013.

［2］ 中華人民共和國鐵道部.TB10025—2006 鐵路路基支擋設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［3］ 中華人民共和國建設部.GB 50330—2002 建筑邊坡工程技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2002.

［4］ 二灘水電開發有限責任公司.巖土工程安全監測手冊［M］.2版.北京:中國水利水電出版社，2008.

［5］ 高俊強，嚴偉標.工程監測技術及其應用［M］.北京:國防工業出版社，2005.

［6］ 金海元，徐衛亞，孟永東，等.錦屏一級水電站左岸邊坡穩定綜合預報研究［J］.巖石力學與工程學報，2008，27(10):2058-2063.

［7］ 周勇，朱彥鵬.框架預應力錨桿柔性支護結構坡面水平位移影響因素［J］.巖土工程學報，2011，33(3):470-476.