淺談滑坡處治工程中施工設計一體化的應用

（甘肅省臨夏公路局，甘肅 臨夏 730070）

0 引言

在應用現代科學技術建設公路工程中，優秀的工程設計會給工程建設帶來革新的技術進步，但有時候設計方案過于理想化，或受制于工程地質條件，或費用太高，最終工程社會價值和經濟價值低于預期。所以對于技術復雜和地質復雜的公路工程，應以大數據為基礎，采用智能化為方向的施工設計一體化的科學技術，考慮施工可行性，合理降低施工風險，建立能模擬施工階段的模型，保證工程全壽命周期的經濟和安全等關鍵指標。

施工設計一體化技術并非邊設計邊施工，而是采用大數據模型+高精度監測網數據，通過計算機技術，將施工階段及運營階段中的各種信息建成模型，根據模型預測和預判，以動態方案設計來解決施工及運營中的問題。本文以G310線臨夏至大河家公路滑坡處治工程中的關鍵工程抗滑樁的優化運用，對在實際工程建設中施工設計一體化技術應用開展探討。

G310線臨夏至大河家公路二級公路癿藏梁隧道進口段（K182+820～K182+943）在2018年受強降雨影響，發生坡體滑坡，導致邊坡防護受損，公路交通受到影響，為確保公路交通安全及和邊坡穩定，擬對該滑坡進行治理。設計單位提出“坡體上部自上至下進行刷方卸載，坡面設置支撐滲溝，下部采用抗滑方樁進行支擋，修復既有擋墻及框格梁防護”的施工方案。因為滑坡處治工程位于半通車路段，采用人工挖孔施工抗滑樁安全風險大，為保證滑坡處治設計方案的成功和降低施工安全風險，臨夏公路局成立由筆者負責的課題小組，采用大數據模型設計施工一體化綜合技術為項目建設提供服務。

1 滑坡體產生原因分析

1.1 滑坡概況

2018年4月初，G310 線K182+820～K182+943 段（癿藏梁隧道進口）受強降雨影響，左側山體發生變形：滑坡體鉆孔揭示厚度3～19m，滑體寬40～140m，長250m，屬于中層中型滑坡。滑體后緣弧形拉張裂縫并不明顯，淺層張裂較明顯，兩側剪張裂縫貫通，滑坡體廣泛發育裂縫，縫寬20～40cm，可見深度40～50cm。根據地質勘察資料，初步判斷屬于推移式現代滑坡，在滑坡剪出口推擠現有框格梁、擋墻，造成防護設施局部變形破壞。滑坡體蠕動明顯，嚴重影響交通安全。

1.2 地質概況

設計單位提供的地質鉆探資料顯示：①滑體：淡黃色黃土較多，表面為灰黑色種植土；也有較多粉質粘土，含有局部礫砂成分的強透水層。②滑帶：青灰色粉質粘土和青灰色淤泥質土為主。③滑床：中更新世粉質粘土，性質為弱透水或不透水。斜坡土體地層的整體工程力學性質較差；滑坡土體上下土層透水性質、力學性質差別較大，形成明顯的滑帶，為滑坡的發生提供了基礎。

該段滑坡位于左側山體坡面（陰坡），自然坡度15°～35°，土體含水量大，呈季節性凍融交替的特點，加之地下水豐富，為邊坡變形提供了有利條件。經多年凍融積累，土體在2017年冬季封存的大量地下水在2018年4月初春融季節集中釋放，使土體含水量增大，土體抗滑能力下降，內部剪切力失衡，這是造成滑坡的主因之一。

1.3 滑坡變形機理

此次滑坡變形機理主要可劃分如下階段：

1）臨夏州地處北方，大氣降水集中在秋季，此時地表及地下水含量處于高位水平。

2）臨夏冬季氣溫低于零度，部分地下水和土壤含水形成固態，變冰過程中體積增大，引起土體膨脹，產生裂隙等現象，使土體的抗剪性能降低，顯著降低土體的粘聚力等物理性能。

3）臨夏春天回暖遲，固態冰變為水，沿礫砂、砂土層流動，水的集中釋放使透水層附近的土體抗剪強度明顯降低，形成軟弱面，長時間的土壤凍融貫通了不同軟弱結構面，形成抗剪能力極差的滑動帶，最終滑坡體發生蠕滑變形，在2018年7月雨季的影響下，滑坡體的變形更加明顯，出現擠壓變形滑動的地質災害。

因此，土質不良、水的作用、土體凍融是此次滑坡發生蠕變的主要原因，后期雨季降水是整體擠壓變形及淺層下滑失穩的最直接原因。

2 初步設計方案內容

初步設計方案如下：

1）上部卸載。卸載分兩部分，第一部分為抗滑樁樁頂平臺及以上卸載坡面（第二、三級坡面），第二部分為既有內護墻及內護墻以上的既有框格梁坡面防護拆除并修復（第一級坡面）。

2）抗滑樁。在120米長滑坡段設置24根抗滑樁，抗滑樁垂直于主滑方向布設；抗滑樁采用3.0×2.0m方樁，樁長20米，中心間距5m。抗滑樁采取人工挖孔灌注混凝土方式施工。

3）坡面防護。修復內護墻頂第一級坡面和既有框格梁防護；第二、三級坡面均采取草灌結合進行綠化。

圖1 初步設計橫斷面圖

3 現場施工情況

完成監測網施工觀測點的布設和抗滑樁上部山體卸載、坡頂盲溝等工作，制定詳細的人工開挖樁基施工專項方案。主要施工工序是：樁位—樁位場地整平—場地挖方邊坡臨時錨噴—鎖口盤施工—開挖樁節與護壁施工—樁體混凝土澆注。因人工挖孔速度慢，采用跳槽法隔孔同時進行樁基坑開挖和護壁。

完成兩根抗滑方樁開挖，在施工其他四根方樁過程中，施工監測網數據發出警示，觀察點位移速率增大，之后幾天，根據計算機安全風險模型提示，位移值已達到報警值。隨后，現場技術人員在巡查中發現，已澆筑的7#、10#、13#、16#、22#抗滑樁護壁混凝土出現裂縫、變形等現象，有塌孔和施工平臺滑坡的安全風險，所以停止孔內人工作業，相關人員立即撤退到安全地點。加強監測網的觀察頻率，經過7天的監測，部分位移值在20-30cm。

4 基坑出現變形的原因分析

4.1 采取措施的必要性

根據大數據模型計算機預測警示值和現場綜合評價，部分樁基坑位移速率增大，若不采取措施，可能幾天后產生樁基坑坍塌，引起邊坡滑塌的次生災害，造成公路交通阻塞和滑坡范圍擴大的經濟損失，決定采用對已開挖樁基坑回填，卸載局部滑坡體的緊急措施。

根據實際調查和模型推斷誘發因素如下：2019年5月初，項目區連續強降雨入滲坡體，一方面使坡體自重增大，導致邊坡下滑力逐漸增大，另一方面下滲的雨水軟化土體，致使土體抗剪強度降低。

4.2 引起基坑變形的主要因素

根據人工開挖樁基坑和護壁的計算機模型推斷，由于人工開挖，孔壁采用混凝土護壁的人工作業施工工藝。基本上開挖一根樁基坑需要10天時間，在護壁混凝土強度達到設計要求以前，孔壁臨空無支撐或低力量支撐的時間較長，樁基坑明顯存在時間效應和空間效應。在滑坡體樁基坑的坑壁下，產生滑動力，經幾天累積，滑塌力較明顯，所以基坑孔壁存在變形和失穩的安全隱患。原設計方案人工開挖抗滑方樁無法繼續開展。

5 施工設計一體化的應用

課題組經多方面討論和大數據模型推斷：抗滑樁采用3.0×2.0m方樁，雖然抗滑力滿足預期要求，但不符合現場地質情況。滑坡體處于蠕變狀態，采用護壁混凝土人工開挖，施工可行性差，安全風險評價極大，處于不可接受狀態。如果實施穩定基坑技術方案，如鋼板樁和地下連續墻方案，效果可達到，但防護成本過高，工程經濟價值太差，批準的總費用無法實現。目前工程處于停工狀態，剩余工期時間緊張。

課題組將國內抗滑樁的施工技術輸入計算機，建立和現場情況相符的模型，推斷施工中的問題，從經濟和時間多方面比較，以安全施工為關鍵，擇優選取施工方案。最終決定以圓樁為抗滑樁型，樁基混凝土早期強度應具有抗滑力，不得人工進基坑作業，采用綜合評價較好的機械化套管回轉鉆工藝為核心的施工方案。該方案預計樁基坑時間效應和空間效應較好，在基坑蠕變臨界前完成樁基混凝土的澆筑和強度增長。課題組按照該施工方案與設計單位進行技術攻關。

6 優化后的設計方案

根據調查，邊坡后緣拉張裂縫基本貫通并有明顯的下錯，說明變形體上部下沉并有向前移動的趨勢；坡體兩側有羽狀裂縫出現，前緣剪出口裂縫貫通。從以上坡體的變形破壞形態，特別是邊坡范圍裂縫發展變形情況及誘發變形的主要因素，初步判斷目前邊坡整體處于蠕滑階段，整體穩定系數在0.95～1.0之間，其中主滑斷面處穩定系數0.96左右。如再遇強降水等不利因素，必將進一步加劇坡體的變形而形成整體劇烈滑動破壞，嚴重危害施工及運營安全。

6.1 計算剖面及計算方法

結合該滑坡實際情況，選取滑坡后緣裂縫所在部位，采用理正巖土軟件中塊體極限平衡法模塊，選定代表性斷面對現有滑面的穩定性驗算，選定代表性斷面對潛在深層滑面的穩定性及下滑力驗算。根據鉆孔揭露以及后緣裂縫和前緣剪出口位置，采用折線型滑面。滑坡的穩定系數計算方法采用較嚴格的摩根斯頓-普萊斯法，用傳遞系數法進行校核，剩余下滑力則用傳遞系數進行推力計算。

6.2 滑坡設樁處下滑力計算結果

表1 穩定性計算及剩余下滑力計算結果

為抵抗剩余下滑力和提高安全系數，在原施工圖設樁平臺上距坡口7m處設置樁板墻滿足設計要求。根據模型驗算，灌注后混凝土的抗滑樁需要早期承受荷載，所以應保證早期抗滑樁具有較強的抗滑強度，采用加早強劑的C30早強混凝土灌注。

圖2 優化后的設計橫斷面圖

7 優化后設計抗滑樁方案與方型抗滑樁方案的比較

在完成相關變更設計審批手續后，施工單位重新進場，按優化后的套管回轉鉆施工，在較短時間完成了全部的1.4米直徑（24米長）抗滑樁施工內容。施工中遇見的問題都在設計方案中有應對，在預定工期內完成，按期解除公路交通管制，在費用和進度上有較大的成就。就計算機模型和課題組擇優選用的機械化成孔工藝和人工開挖方樁工藝相比，兩者在該工程中有以下不同的特點：

1）優化后的方案安全風險降低：機械化套管回轉鉆工藝無需人員下井作業。樁基坑明顯無時間效應和空間效應，預估安全風險評價低，實際施工中也無安全隱患。

2）優化后的方案速度快：人工開挖方樁需14天方可成型，機械化成孔工藝基本上半天時間可完成鉆孔和灌注混凝土作業，預估能在延誤50天后仍按預定工期完工。方樁由于人工使用量大，費用較高，而圓樁機械化程度高，無需護壁，只是方樁成本的一半，經核算費用減少100.2萬元。

3）優化后的方案考慮水下作業：在最后一根樁中，地下水在孔內的一半深度，采用人工開挖和護壁是施工技術難點。而機械化套管回轉鉆只是鉆孔，無影響，灌注采用水下灌注混凝土等常規工藝完成作業。

4）抗滑方樁有受力簡單、抗滑力大的優點。但圓樁通過合理配置鋼筋、適當設置樁長也能滿足受力要求，各項指標滿足設計要求。優化后的圓樁和方樁抗滑效果相同。

8 總結

經過一年的運營，K182+820～K182+943段（癿藏梁隧道進口）滑坡處治工程運行良好。截止到目前，變形監測網數據表明，優化后的防護工程滿足設計要求，滑坡體穩定，滑坡處治工程達到預期的效果。

根據在滑坡處治工程中采用施工設計一體化技術對關鍵工程抗滑樁的選用，收到了經濟和進度的效益，安全也得到保障，工程質量達到最佳效果。大數據模型和高精度監測網數據的采用，通過計算機技術，將施工階段及運營階段中的各種問題建成模型，防止了設計的脫節，也防止了施工的盲目。