廣州地鐵南沙停車場高邊坡加固方案設計

徐順明，梁海瑩，鄧超榮，周會媛 （廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510330）

1 工程概況

廣州地鐵南沙停車場位于金隆路西側，南側為莞佛高速公路、北側緊鄰高陡邊坡山體，車場按貫通式布置，出入線分別自東西兩側接入場內。總用地面積約為19.95hm2。南沙停車場與新造車輛段共同承擔四號線配屬車輛的運用與檢修任務，停車場停車規(guī)模近期30列位，遠期51列位,場址現狀主要為山體林地，東南方向有幾棟廠房建筑，擬建停車場內由于歷史采石作業(yè)的原因形成的人工山塘，山塘面積約為48000 m2,山塘底部最深處深約有15m。該場址用地規(guī)劃性質為林地、防護綠地及農村城市化用地，停車場初擬場坪標高為7.79m。由于人工采石作業(yè)形成的，坡頂標高約27m～105m，坡底標高約8m～12m，邊坡高度約為80m～100m。見圖1、2。

圖1 場地地理位置圖

圖2 場地現狀圖

2 地質概況與邊坡災害分析

2.1 地表水及地層巖性

地表水南沙停車場高邊坡南側所在場地中間有一個大水塘，開采石場形成的水塘面積約為48000 m2，水塘底部最深處深約15m，地層巖性見表1。

2.2 巖坡劃分

按工程地質縱斷面將場地山體坡面劃分為以下兩種。

①巖質邊坡：據鉆孔連線得出，標高為30m～80m區(qū)間為混合花崗巖，屬于8H～9H，巖石抗壓強度較高，天然極限單軸抗壓強度為 25.36MPa～66.75MPa，屬于極硬巖，為典型的以強度為主控制塹坡的穩(wěn)定。

②土質及類土質邊坡：其余地段為全風化混合花崗巖和殘積土層，屬于5H-2～7H，巖芯極為破碎，以土體內部的粘聚力和巖體強度控制塹坡的穩(wěn)定。

按上述巖坡的劃分，坡高直陡的巖質邊坡區(qū)域是本項目加固和防護的重點，土質及類土質邊坡區(qū)域在山體頂部，設計原則為刷方減重，降低邊坡高度，避免土質及類土質邊坡因雨水沖刷等外力作用而滑塌，巖體劃分情況見圖3。

圖3 巖坡劃分區(qū)域示意圖

2.3 場地地震效應與地質災害分析

本工程為地鐵工程，為大型公用建筑設施，為重點設防類（乙類建筑）。按國家標準《建筑抗震設計規(guī)范》抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，設計地震分組為第一組。

南沙停車場高邊坡所在地區(qū)域地貌為剝蝕低丘陵，場區(qū)山體整體穩(wěn)定，無明顯地質構造，現山體邊坡為采石場采石形成的高邊坡，采石坡面主要為巖質邊坡，背坡面主要為山體林地和荔枝林，缺少泥石流形成條件，無可溶巖分布，無地下采空區(qū)，未發(fā)現地面塌陷地質災害，局部存在危巖崩塌及滑坡等。通過統(tǒng)計分析，場地地質災害主要為崩塌、滑坡、危險性較小。

2.4 邊坡穩(wěn)定性分析

根據區(qū)域地質資料及現場地質勘察資料，本項目停車場山體整體穩(wěn)定性高，但山體斜坡存在多處崩塌，其中停車場出入線起點位置為土質崩塌，原采石場東北角崩塌為巖質崩塌，局部出現巖石沿順坡節(jié)理坍塌，因此，可以判斷停車場周圍自然斜坡局部出現不穩(wěn)定狀態(tài)。如遇強降雨易使巖體結構面軟化，降低結構面強度，預測北側采石高邊坡在工程建設過程中和建設完工后可能遭受邊坡崩塌、滑坡地質災害的危害。其中邊坡崩塌地質災害對停車場的危險性為中一大。因此，對北側山體邊坡需進行加固防護。

巖土施工工程分級表 表1

3 加固方案設計

3.1 工程地質比擬法

該法是將已有的自然穩(wěn)定邊坡的坡角、坡率作為參考，根據勘察報告本區(qū)山體自然狀況如下：

①土質及花崗巖全風化殘積層（5H-2及7H）：場地西側及東側為自然山坡，坡角約30°，坡高約15m～20m，土質邊坡，狀態(tài)基本穩(wěn)定，坡率約1:1.73。

②巖層（8H及9H）：場地北側大部分基巖出露，北側自然山坡角50°～55°，坡高約50m～110m，邊坡狀態(tài)基本穩(wěn)定，坡率約1:0.7～0.83，坡頂土質邊坡不穩(wěn)定，目前存在一土體滑塌，方量約250m3。

③開采面：(9H):場地北側開采面平均邊坡角73.3°，局部80°～85°，坡率1:0.2～0.3，巖坡局部可見巖石順坡節(jié)理坍塌，坡面病害明顯。

綜上，對于土質及花崗巖全風化殘積層（5H-2及7H），穩(wěn)定坡率采用不陡于1:1.75，巖層（8H及9H）穩(wěn)定坡率采用不陡于1:0.75，完整基巖（9H）穩(wěn)定坡率采用不陡于1:0.5。

3.2 鐵路標準及工程參數

鐵路相關標準規(guī)定路塹邊坡高度不宜超過30m。相關邊坡參數，軟巖坡高控制在20～30m，硬巖30～50m，以下是匯集中外對巖石高邊坡的坡高及坡率的經驗參數，作為這次南沙停車場高邊坡設計的參考資料，并作為分析穩(wěn)定山坡的總平均坡率數值借鑒，見表4。

結合以往中外邊坡處理經驗，根據停車場工程性質和陡邊坡的地質特點，采取坡面的穩(wěn)定坡率（9H）確定為1:0.5～0.75，每一級邊坡的高度在40m 以內控制。

3.3 力學檢算法

基于天然陡坡的地質情況多變，到現在為止極少建設者對復雜邊坡中做力學方面的計算，經勘查，邊坡巖質（非構造、非破碎、非風化控制）較完整，所以設計中，穩(wěn)定坡高、坡率的采用齊姆巴列維奇空間要素法（齊氏法），公式：

完整、均質的坡體巖質，巖體內基本無長大裂面時，此時巖層以抗剪強度C為主控制塹坡設計，φ取0，公式簡化為：

C——巖層平均最大內聚力

堅硬巖石在不同高度與風化、破碎條件下的邊坡數值表 表2

完整巖石按堅硬程度確定邊坡的參考數值 表3

不同巖體結構的路塹邊坡坡度與高度的參考數值表 表4

C0的1/7～1/15（1/7～1/15是巖石內的不均勻系數）

γ——巖層單位容重（t/m3）；

h——切割塹坡的垂直高（m）；

α——切割的坡腳角度（°）；

m——設計所采用的安全系數，

①穩(wěn)定坡率計算：9H層中，當C=100 t/m2，r=2.65t/m3，m=3 時，已知切坡高度時穩(wěn)定坡率計算結果表5。

穩(wěn)定坡率計算結果表 表5

穩(wěn)定坡高計算結果表 表6

綜上：邊坡高為40m以下設置穩(wěn)定坡率數值為1：0.3～0.5，高為40m 以上時設置穩(wěn)定坡率為1：0.5～0.75。

②穩(wěn)定坡高反算：9H層中，當C=100 t/m2，r=2.65t/m3，m=3 時，已知邊坡角時穩(wěn)定坡高計算結果見表6。綜合：9H層，邊坡每一級的高度應該不超過50m，保持的原來坡度比率，邊坡高為70m以內控制。

③確定平臺：9H中，70m以下的邊坡，穩(wěn)定坡率設置為1:0.4～0.5時，土石分界處70m的平臺寬是S=（0.4（或0.5）-0.3）×70=7m～14m ，邊坡 40m處中部，平臺寬是 S=（0.4（或 0.5）-0.3）×40=4m～8m。

3.4 邊坡穩(wěn)定性計算

對于較完整（非構造、非破碎、非風化控制）的巖質邊坡，邊坡穩(wěn)定性的定量分析采用極限平衡法，計算采用經典的滑動力學公式如下：

自重沿滑面的下滑力：

沿滑面的抗滑力：

圖4 方案1橫斷面設計示意圖

圖5 方案2橫斷面設計示意圖

圖6 方案3橫斷面設計示意圖

Gi————為各斷滑面上的巖土自重；

θi————為各段滑面與水平線的夾角；

fi=tanФi————為裂面間摩阻系數；

Фi————為各段滑面間的內摩擦角；

∑CiLi————為沿滑面的抗滑力。

根據極限平衡狀態(tài)，當K等于1時，將各種外力（地震力、裂面間的水動、靜壓力等）的可能組合與面間C值的可能的變化，代入公式求得面間的綜合內摩擦角Ф，然后按各種短暫出現的外力組合與破壞性質，予以不同的安全系數K倍大的下滑力求出可能的推力，按最大推力平衡設計。

依工程的重要性、外界條件（如地震、雨水等因素以及滑動的后果及整治的難易等因素）綜合考慮邊坡穩(wěn)定系數，本次設計根據相關規(guī)范K取1.25。

9H層中，自場平標高以上75m處變坡，設置10m 大平臺，當C=100 t/m2，r=2.65t/m3，m=1.5～3，τ=500kpa 時，穩(wěn)定平均坡率取1:0.75 即θ=53.13°，選取代表性斷面G2K0+301計算，根據以式計算剩余下滑力約為4900kN～1380kN。

預應力錨索設計錨固力計算公式：

Pt—設計錨固力（kN）；

F—滑坡剩余下滑力（kN）；

Ф—滑動面內摩擦角（°）；

α—錨索與滑動面相交處滑動面傾角（°）；

β—錨索與水平面的夾角；

λ—折減系數。

根據公式算得每孔錨索錨固力Pt=520kN～700kN；每孔錨索鋼絞線根數4根～5根，錨固段長度L=6m～10m，錨索間距3m～5m。

3.5 防護方案

根據工程地質資料、力學檢算以及經驗參考值等方法，遵循“一次根治，不留后患”的原則，遵循刷方減重、強腰固腳，盡量減少擾動既有巖質邊坡的設計原則，綜合擬定自場平標高7.79m以上75m處（即土石分界處）邊坡，設計以下3種方案。

①方案1

坡腳設置高5m、頂寬2m的擋墻，其上按原坡面清除松動巖塊及綠化水泥板，對坡面進行嵌補整平，對坡面巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育的地段采用不低于42.5m的水泥漿將裂隙封灌，土石分界75m處設10m大平臺，其上按1:1～1.5放坡開挖，巖質坡面采用獨立錨索+張口式簾式網+鋼筋混凝土盛土槽，錨索間距3m×4m（豎向×縱向），錨索長度15m～30m，盛土槽豎向間距15m，槽內培土種植小灌木+爬墻虎，見圖4。

②方案2

坡腳設置高5m、頂寬2m的擋墻，其上按原坡面清除松動巖塊及綠化水泥板，對坡面進行嵌補整平，土石分界75m處設10m大平臺，其上按1:1～1.5放坡開挖，全坡面采用框架錨索+掛網噴植被混凝土防護，錨索間距3m×3m，錨索長度15m～30m，錨索橫梁形式稍作修改以便培土種植灌木，框架梁間距橫向6m，縱向3m，見圖5。

③方案3

坡腳設置高5m、頂寬2m的擋墻，其上按原坡面清除松動巖塊及綠化水泥板，對坡面進行嵌補整平，對坡面巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育的地段采用不低于42.5的水泥漿將裂隙封灌，土石分界75m處設10m大平臺，其上按1:1～1.5放坡開挖，巖質坡面采用獨立錨索+主動網，錨索間距3m×4m（豎向×縱向），錨索長度15m～30m，采用坡腳和平臺處種植攀爬或垂吊植物綠化坡面，見圖6。

工程造價估算及比較表 表7

圖7 傳統(tǒng)主動防護系統(tǒng)（GPS2）

廣州地區(qū)雨水較多，又多強降雨及暴雨，根據北側山體地形，坡頂設反坡，這樣阻止雨水沖刷坡面、滲入邊坡的坡體，坡腳要設置邊溝與將來建設的道路排水系統(tǒng)連接，在每級邊坡平臺設截排水溝與坡腳邊溝等組成綜合地表排水系統(tǒng)。

④方案工程造價及比較，見表7。

主動網和簾式網優(yōu)缺點：

主動網：采用的是“包裹”理念，使防護網主動“包裹”落石，從而起到防護的目的，但會使落石在防護區(qū)域高處堆積，很難維護清理，形成二次落石危害，見圖7。

簾式網：防護理念是控制、引導、衰耗，即允許落石在山體與防護網之間有序滾動，通過降低落石的能級和控制運動軌跡，最終進入預設的收集區(qū)來達到防護目的。簾式防護網實現了主、被動相結合的防護效果，大大的提升了防護能力，見圖8。

4 結論與建議

圖8 新型簾式網

①優(yōu)化場區(qū)內的土石方調配工作，最大限度利用邊坡挖石、挖土進行水塘及場地的回填，減少棄方和土石外購，從而降低工程總造價。

②由于地質條件的隱蔽性、多變性及復雜性，加之勘探測試的局限性，同時巖石邊坡力學分析難度較大，施工過程中不確定因素很多，因此需要施工時及時反饋，跟蹤動態(tài)設計，根據地質條件的變化，及時進行安全穩(wěn)定和經濟分析，調整設計方案，確保工程穩(wěn)定的前提下降低工程造價。

③由于本邊坡高度超高，分級大放坡方案為了能保證邊坡的使用年限及安全，坡率往往比較緩，因此帶來的土石方量巨大，經對比分析，分級大放坡方案，并不經濟。

④場地受紅線限制，能開挖的破體范圍受限，對于放坡不足的區(qū)段需設置拉錨結構，以保證坡體穩(wěn)定。若采用小坡率分級放坡，需采用預應力錨桿+格構梁支護形式。

⑤為減少坡面、坡腳被雨水沖刷的,邊坡采用草、灌木配合綠化，并為灌木的生長提供良好的溫濕環(huán)境，草種的選擇以狗牙根為主，在冷季施工可適當添加黑麥草。

⑥在治理工作開展前，建議盡量對現狀邊坡減少爆破和開挖擾動，擾動后使巖塊松動，節(jié)理裂隙張開，遇雨后容易坍塌。

⑦建議在規(guī)劃停車場建筑物時應盡量使建筑物遠離坡腳，一般距離控制在15m以外為宜，同時為了安全期間，要定期對高邊坡進行跟蹤監(jiān)測。