蒙華鐵路平陸站土質(zhì)高邊坡設(shè)計(jì)及監(jiān)測分析

李會章

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

1 概述

目前，主要通過定性和定量的方法對土質(zhì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評價(jià)[1]，吳海剛在研究內(nèi)容中引入特高邊坡概念，通過工程比擬法及自然比擬法對特高邊坡進(jìn)行宏觀控制及定性分析[2]；王旭等采用基于極限平衡法的蒙特卡洛模擬進(jìn)行邊坡可靠度計(jì)算[3]；陳國慶等[4]提出基于動態(tài)和整體強(qiáng)度折減法的邊坡動態(tài)穩(wěn)定性評價(jià)方法；董文文[5]等介紹了近幾年國內(nèi)外邊坡變形檢測技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀，主要有分布式光纖傳感新型監(jiān)測技術(shù)等；陳效星[6]以深云車輛段巖質(zhì)高邊坡為依托，通過建立長期監(jiān)測系統(tǒng)，對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析探討；郭帥杰等[7]對路塹邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理方法進(jìn)行了研究，并在長昆客專路塹邊坡監(jiān)測中取得了良好效果。

在蒙華鐵路平陸站黃土高邊坡設(shè)計(jì)中，首先對場地地質(zhì)情況進(jìn)行深入研究，在滿足邊坡穩(wěn)定的前提下進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并建立了長期監(jiān)測系統(tǒng)。以下以該土質(zhì)高邊坡的優(yōu)化設(shè)計(jì)和監(jiān)測成果為基礎(chǔ)，對其穩(wěn)定性進(jìn)行分析和探討。

2 工程概況

2.1 邊坡概況

蒙華鐵路北起內(nèi)蒙古浩勒報(bào)吉，終至江西省吉安市，全長1 837 km。平陸站位于山西省平陸縣境內(nèi)，該段線路主要以挖方形式通過黃河高階地，地形起伏較大，整體地形左高右低。線路中心最大挖深41.9 m，左側(cè)邊坡最大高度90.1 m。

2.2 地層巖性

場區(qū)內(nèi)地層主要有砂質(zhì)新黃土(Q3dl+pl)、黏質(zhì)新黃土(Q3dl+pl)、黏質(zhì)老黃土(Q2pl)、粉砂(Q2pl)、細(xì)砂(Q2pl)。其中，砂質(zhì)新黃土具濕陷性，濕陷厚度為12～27 m，濕陷性為Ⅲ級(嚴(yán)重)，地震動峰值加速度為0.15g，地震基本烈度為Ⅶ度。以現(xiàn)場地質(zhì)報(bào)告提供的物理力學(xué)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)為基礎(chǔ)，綜合考慮該區(qū)域既有鐵路設(shè)計(jì)資料，選取的邊坡穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 土層穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)

3 高邊坡設(shè)計(jì)

路塹高邊坡設(shè)計(jì)主要涉及3個因素，坡形、坡率和邊坡平臺。該段路塹高邊坡設(shè)計(jì)采用安全系數(shù)法，同時輔以工程比擬及自然比擬法，在滿足穩(wěn)定的前提下對邊坡進(jìn)行優(yōu)化[8-10]。

3.1 坡形設(shè)計(jì)

根據(jù)黃土路塹邊坡設(shè)計(jì)原則及區(qū)域內(nèi)黃土自然穩(wěn)定邊坡的坡形結(jié)構(gòu)，確定黃土路塹高邊坡的最佳坡形為臺階形。

3.2 坡率設(shè)計(jì)

根據(jù)地勘資料推薦坡率以及工程類比分析，確定設(shè)計(jì)坡率選取范圍介于1∶1.0～1∶1.5之間。采用圓弧滑動法進(jìn)行計(jì)算，對邊坡穩(wěn)定性、邊坡高度、占地情況等因素進(jìn)行綜合分析，各種檢算結(jié)果如表2所示。

表2 不同坡率檢算結(jié)果

由表2可見，邊坡坡率采用1∶1.0、1∶1.15、1∶1.20三種方案時，穩(wěn)定系數(shù)均小于1.25，達(dá)不到規(guī)范要求，高邊坡存在安全隱患；邊坡坡率采用1∶1.25、1∶1.5時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范要求，但1∶1.5坡率方案邊坡用地及挖方數(shù)量較1∶1.25坡率方案明顯增加，經(jīng)濟(jì)效益差。因此，通過對不同方案的綜合分析，擬定坡率為1∶1.25。

3.3 邊坡平臺設(shè)計(jì)

根據(jù)黃土地區(qū)邊坡設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，高邊坡中設(shè)置大平臺可有效降低坡腳應(yīng)力集中，有利于邊坡穩(wěn)定，同時便于施工。因此，本項(xiàng)目采用大平臺、小平臺相結(jié)合的設(shè)計(jì)方式，路塹邊坡大平臺每3級邊坡設(shè)置一處，寬10～20 m，每級邊坡設(shè)置小平臺，寬3 m。以下對土方、用地、邊坡高度、穩(wěn)定系數(shù)4方面進(jìn)行綜合評價(jià)，以選取適宜的平臺寬度。檢算結(jié)果見表3。

表3 不同邊坡平臺寬度檢算結(jié)果

當(dāng)邊坡平臺設(shè)置過小時，穩(wěn)定系數(shù)不滿足規(guī)范要求；當(dāng)邊坡平臺設(shè)置過大時，穩(wěn)定系數(shù)滿足規(guī)范要求，但邊坡占地及土方開挖工程量過大。因此，在滿足邊坡穩(wěn)定性前提下，選取合適的大平臺寬度對邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)有顯著意義。

最終確定的高邊坡設(shè)計(jì)方案：坡形為臺階形，邊坡坡率采用1∶1.25，小平臺寬3 m，大平臺寬度采用15 m、20 m、15 m。考慮坡腳應(yīng)力集中情況，每級大平臺下的三級邊坡分別采用一級拱形骨架、兩級錨桿格梁進(jìn)行防護(hù)(見圖1)[11]。

圖1 邊坡檢算示意

4 邊坡自動化監(jiān)測分析

4.1 監(jiān)測項(xiàng)目及測點(diǎn)布置

為了及時掌握施工期及運(yùn)營期路塹邊坡的穩(wěn)定性和變形情況，需要對邊坡變形、錨固拉力、含水量等項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測；根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析變形發(fā)展趨勢及邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，為鐵路安全運(yùn)營提供預(yù)警保障[12-14]。

平陸站高邊坡監(jiān)測主要針對邊坡高陡、地質(zhì)情況復(fù)雜段落，一般沿線路方向每隔30～50 m設(shè)置一個監(jiān)測斷面，局部可根據(jù)地形、巖性和支護(hù)結(jié)構(gòu)等情況進(jìn)行調(diào)整。每個監(jiān)測斷面一般設(shè)置2～3個深層監(jiān)測孔，按照縱、橫斷面呈十字布置，形成合理的測網(wǎng)。監(jiān)測孔應(yīng)設(shè)在變形敏感位置，鉆孔深度需結(jié)合邊坡滑動弧面確定(達(dá)到穩(wěn)定地層不少于2 m)。錨桿測力計(jì)布設(shè)在邊坡較高段落的錨固工程中，通過拉力計(jì)監(jiān)測錨桿應(yīng)力變化，進(jìn)而分析邊坡變形情況。

本工程共布設(shè)監(jiān)測斷面20個，深部位移監(jiān)測點(diǎn)226個，錨桿測力計(jì)6個，含水量計(jì)24個，各監(jiān)測項(xiàng)目數(shù)據(jù)均采用遠(yuǎn)程自動化采集傳輸。

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

(1)含水量分析

含水量計(jì)于2016年9月安裝，監(jiān)測數(shù)據(jù)截止2018年6月，代表性測點(diǎn)的含水量變化曲線見圖2。

圖2 含水量變化曲線

在五級平臺和十級平臺的2 m和8 m深度設(shè)置含水量計(jì)。如圖2所示，不同位置處含水量不盡一致，整體表現(xiàn)為十級邊坡處含水量高于五級邊坡處；邊坡表層2 m處含水量隨時間變化出現(xiàn)大幅波動，邊坡中部8 m處含水量隨時間變化不明顯。邊坡表層含水量劇烈變化時間與當(dāng)?shù)赜昙緯r間較為吻合。

根據(jù)邊坡表層和深部含水量隨時間變化的情況可知，深層土受降雨影響較小，含水量較穩(wěn)定，表層土含水量受降雨影響較大，但雨季過后，坡體含水量又趨于穩(wěn)定。針對坡體含水量變化規(guī)律，邊坡開挖后應(yīng)及時進(jìn)行防護(hù)，并做好臨時排水，減少雨水下滲對坡體產(chǎn)生的影響。

(2)鉆孔測斜儀數(shù)據(jù)分析

兩批鉆孔測斜儀分別于2016年9月和2017年5月安裝，監(jiān)測數(shù)據(jù)截止2018年6月，代表性測斜數(shù)據(jù)見圖3～圖5。

圖3 二級平臺深孔位移曲線

圖4 五級平臺深孔位移曲線

圖5 十級平臺深孔位移曲線

代表性斷面設(shè)置在二級、五級和十級平臺，每級平臺測斜孔深度根據(jù)邊坡高度以及潛在滑動面綜合確定。

鉆孔測斜儀監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，每級邊坡變形情況不盡相同。十級邊坡變形較大，最大值約為10 mm，邊坡變形量隨鉆孔深度的增加明顯減小，其原因?yàn)槭夁吰挛挥诟哌吰马敳浚貙又饕獮樯百|(zhì)新黃土，土體相對松散，隨著邊坡開挖累計(jì)變形量逐漸增大，但當(dāng)邊坡整體開挖結(jié)束，變形速率有所減小并逐漸趨于穩(wěn)定。五級邊坡總體位移變化較小，但邊坡9月～12月有變形加劇情況出現(xiàn)，主要原因是受降雨影響，雨水下滲后土體含水率增大，強(qiáng)度降低，變形有所增加。二級邊坡位移總體較小，但前期位移有較大突變，造成突變的主要原因是5月～11月施工單位進(jìn)行一級邊坡開挖，開挖卸荷后應(yīng)力重新分布所致。

由圖3～圖5可知，邊坡曾出現(xiàn)局部位移突變情況，但逐漸趨于穩(wěn)定，邊坡最大水平位移及坡體變形速率均在規(guī)范預(yù)警范圍內(nèi)，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)錨桿測力計(jì)數(shù)據(jù)分析

兩批錨桿測力計(jì)分別于2016年9月和2017年5月安裝，監(jiān)測數(shù)據(jù)截止2018年6月，代表性錨桿測力計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)見表4。

表4 錨桿測力計(jì)數(shù)據(jù)變化

在二級、五級邊坡錨桿格梁護(hù)坡處設(shè)置錨桿測力計(jì)。根據(jù)表4中錨桿測力數(shù)據(jù)可以看出，五級平臺錨桿拉力普遍較小，錨桿軸力變化幅度不大；二級邊坡測點(diǎn)數(shù)據(jù)隨時間變化有較大變動，主要原因是一級邊坡開挖卸荷后邊坡局部位移增大，由于錨桿格梁具有變形限制作用，錨桿拉力隨著坡體開挖逐漸增大，當(dāng)土方施工結(jié)束后，邊坡變形增量逐漸減小，錨桿軸力也逐漸趨近穩(wěn)定。

錨桿測力計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，錨桿拉力小于設(shè)計(jì)值，錨桿工作正常，各測點(diǎn)附近不存在邊坡失穩(wěn)情況。總體來說，錨桿作為一種被動支護(hù)措施，只有在土體錨固范圍內(nèi)有破壞或存在破壞趨勢時，錨桿軸力才會出現(xiàn)持續(xù)增大情況。

5 結(jié)論

平陸站高邊坡段落各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果顯示，高邊坡坡體表層及深部無明顯位移，錨桿、格梁受力合理，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。