山區鐵路路塹邊坡滑塌整治技術研究

董艷輝

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

1 引言

隨著鐵路網的建設，鐵路已逐步延伸入山區，山區鐵路的建設為人們出行和經濟發展提供了重要的交通工具。在山區鐵路工程中多以路塹形式通過，路塹邊坡的穩定是路基設計的重點，但是受地質條件、水的下滲、凍融作用、人為影響等，施工期間和鐵路運營期間路塹邊坡常出現滑塌現象[1－3]。對于滑塌的路塹邊坡一般采用削坡減載、加固、引排水等措施進行治理[4－6]，以達到穩定路塹邊坡的效果，整治方案應根據工程情況具體分析。本文以某鐵路路塹邊坡滑塌治理工程為例，探究邊坡滑塌原因，并制定相應的整治方案[7－9]。

2 工程背景

2.1 工程與水文地質條件

項目所在區域地層巖性主要為第四系上更新統坡、洪積層粉質黏土、碎石土，下伏太古界贊皇群石家欄組黑云斜長片麻巖。粉質黏土厚度為1～2 m，成分為砂巖和片麻巖等；碎石土厚度為5～20 m，顆粒成分以石英、黑云斜長片麻巖為主；黑云斜長片麻巖全風化層厚度約19 m，強風化層厚度約1～3 m，弱風化層節理裂隙較發育。

工程區域地下水類型主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水。第四系孔隙潛水主要分布于碎石土土層中，隨季節性變化，主要接受大氣降水及地表水補給，沿坡面向低洼處排泄，形成地表徑流，局部滲入到土體內部。基巖裂隙水主要以風化裂隙水為主，多賦存于黑云斜長片麻巖等風化裂隙中，水量較小。

2.2 項目概況

發生滑塌段原設計鐵路路塹左側邊坡高為32 m，邊坡最下部采用Ⅰ、Ⅱ型兩種樁板墻加固，Ⅰ型樁樁長25～26 m，懸臂端長11～12 m；Ⅱ型樁樁長20～22 m，懸臂端長8～10 m。樁板墻前后邊坡較矮段設重力式路塹擋土墻，墻高3.0～8.0 m。邊坡較高段一、二級邊坡采用框架錨桿，其余邊坡采用骨架護坡。

2017年10月，樁板墻、擋墻頂上部的邊坡滑塌，設計單位對現場進行補充勘探揭示中部粉質黏土層處于飽水狀態。經分析，路塹開挖后，2017年9月至10月邢臺地區連續降雨，持續降雨最長達一周之多，致使上部松散土層受連續降雨影響處于飽水狀態，開挖邊坡后土體中地下水不斷沿碎石土與粉質黏土交界面排出，土體軟化，強度急劇降低，路塹邊坡開挖后破壞了山體原有的力學平衡狀態，在卸荷和地下水作用的影響下，形成沿碎石土與粉質黏土交界的軟弱滑動面(軟弱面傾向線路側)，導致路塹邊坡發生滑移。

設計根據現場情況對現場工程進行加固，于路塹邊坡中后緣(框架錨桿上方)增設一排37根共3種樁型埋入式抗滑樁，樁長9～28 m，并在原樁板墻、擋墻頂及碎石土與粉質黏土分界面分別設置一排仰斜式排水孔。

2021年7月抗滑樁樁體、擋墻、骨架和框架梁陸續完成施工，10月發現左側邊坡局部發生開裂變形，主要位于邊坡中上部埋入式抗滑樁與最下部樁板墻間(見圖1)，邊坡最下部擋墻墻頂向外推移(見圖2)。邊坡中上部埋入式抗滑樁以上邊坡未發現變形和開裂的現象。

3 原因分析

路塹邊坡發生滑塌后，當地村民仍在塹頂耕種，進行生產灌溉且2021年7月至9月降雨較往年頻繁，而后續增設的邊坡及加固措施施工不及時；通過對現場調查發現，已實施完成的邊坡仰斜式排水孔少見或未見施工，碎石土層的含水量變大且長期處于飽水狀態，巖土體松軟，(雨)水下滲無法快速引排出，土層被多次擾動，造成滑面下移；框架梁等的施工也增加了變形土體的重量。

綜上所述，滑面下移、飽水層加厚造成土體容重加大，且有邊坡防護荷載等因素影響，對邊坡最下部的樁板墻與擋土墻的剪力增大，造成邊坡及擋墻變形。

4 穩定性分析及加固整治

4.1 邊坡穩定性分析

路塹滑移變形曾發生多次牽引式滑動，經現場調查，主要存在兩個滑動面:滑面①位于埋入式抗滑樁至擋墻或樁板墻頂的邊坡坡腳處；滑面②位于埋入式抗滑樁前至擋墻頂以下1～2 m處(見圖3)。

圖3 滑面①、滑面②示意

根據現場路塹邊坡鼓脹滑移、擋墻出現外傾開裂變形特征及其所發生階段與發展趨勢，并結合滑動體的巖土體性質、滑動面位置與形態等，通過反算法、工程經驗類比法確定滑動面合適的抗剪強度指標C、Ф。

滑面①:因中上部埋入式抗滑樁至擋墻或樁板墻頂以上邊坡出現鼓脹、開裂、滑移，表明已發生邊坡變形失穩，故設定滑面①的安全系數k1＝0.95，滑面黏聚力c＝5 kPa，γ＝19 kN/m3，通過反算法得出滑面①內摩擦角φ＝14.84°。

滑面②:因擋墻出現外傾、局部出現裂縫，表明擋墻尚處于極限平穩狀態，故設定滑面②安全系數k2＝1.0，滑面黏聚力c＝5 kPa，γ＝19 kN/m3，通過反算法得出滑面②內摩擦角φ＝16.13°。

從滑面①、②的反算結果可知，滑動面的強度指標滑面①較滑面②稍低，以滑面①的強度指標為主并結合類似工程經驗綜合考慮，本工點取值c＝5 kPa、φ＝15°。

對抗滑樁前邊坡采用減載處理，考慮雨水繼續下滲，滑動面可能存在向下發展趨勢，對滑面③及滑面④在最不利情況下進行穩定性分析，見圖4。

圖4 加固整治方案的滑面③、④檢算斷面

原設計擋墻墻背庫倫主動土壓力Ea＝171 kN，水平分力Ex＝170 kN，豎向分力Ey＝18 kN。采用Janbu、Morgenstern-Price兩種計算方法，計算塌滑體減載后最不利情況下沿滑面③、滑面④的路塹邊坡整體穩定性:

滑面③:經計算剩余下滑力F2＝275 kN，大于前述計算的擋墻背庫侖土壓力Ea＝171 kN及其水平分力Ex＝170 kN，故擋墻背土壓力以滑面③的剩余下滑力控制。

滑面④:若不考慮抗滑樁的抗滑作用，路塹邊坡整體穩定安全系數K＝1.70>1.25(見圖5)，剩余下滑力F3＝31.48 kN，小于前述計算的擋墻背庫侖土壓力Ea＝171 kN及其水平分力Ex＝170 kN；若考慮抗滑樁的抗滑作用，則K＝2.49，遠小于1.25(見圖6)，剩余下滑力F3＝0 kN。

圖5 滑面④未設置抗滑樁時整體穩定性

圖6 滑面④設置抗滑樁后整體穩定性

計算可知，路塹邊坡塌滑體減載后沿滑面④在最不利情況下整體處于穩定狀態，沿滑面①最不利情況下主要控制路塹邊坡整體與擋墻的穩定性。

4.2 擋墻穩定性分析

在墻背剩余下滑力F1＝275 kN的情況下，驗算原設計擋墻的抗滑動、抗傾覆能力(見圖7)。

圖7 加固前擋墻受力分析

(1)抗滑穩定性計算

擋墻抗滑動安全系數:

經驗算:滑移力T＝207.96 kN，抗滑力R＝120.77 kN，Kc＝0.58<1.30，故擋墻的抗滑穩定性不滿足要求。

(2)抗傾覆穩定性計算

擋墻抗傾覆安全系數:

經驗算:擋墻的傾覆力矩M0＝731.58 kN·m，抗傾覆力矩My＝767.41 kN·m，則K′0＝1.05 遠小于 1.6，故擋墻抗傾覆穩定性不滿足要求。

因此，受滑面③最不利情況下原設計擋墻自身難以抵抗其下滑力，邊坡穩定性及擋墻穩定性嚴重不足。為保證路基工程的長期穩定與運營安全，故尚須采取綜合補強加固整治措施。

4.3 擋墻補強加固計算

鑒于原設計邊坡穩定性及擋墻在滑面③最不利情況下的穩定性存在不足，需對擋墻進行補強。由于錨桿工程具有易施工、造價低、工作面小的特征，被廣泛應用于鐵路[10]、公路[11－12]等工程中擋墻的加固，因此本工程擬增設錨桿提供抗力，來補充擋墻的欠穩定力，與擋墻共同作用抵抗剩余下滑力，滿足規范要求的擋墻抗滑、抗傾覆穩定的最小安全系數Kc不小于1.3、K0不小于1.6。

(1)抗滑穩定性計算

為滿足擋墻抗滑動安全系數K′c≥1.3，計算補強錨桿加固提供的總抗力N(見圖8)。

圖8 加固后擋墻受力分析

得:N≥105 kN。

(2)抗傾覆穩定性計算

為滿足加固后擋墻的抗傾覆安全系數K0≥1.6，假定補強錨桿加固需提供的總抗傾覆力矩為M1，則錨桿對擋墻加固后抗傾覆安全系數，經計算得出需錨桿提供的抗傾覆力矩M1≥401 kN·m。

(3)補強錨桿設計與計算

假定擋墻上增設二排錨桿，上排錨桿距墻頂1.5 m，下排錨桿距墻頂5.0 m，每排縱向間距為2 m，錨桿傾角β＝20°，錨桿與滑動面相交處的滑動面傾角α＝5°，滑面內摩擦角φ＝15°。

①滿足擋墻抗滑動穩定性要求時，按補強錨桿加固需提供總抗力N≥105 kN，則需每孔錨桿加固提供抗力Nt1＝N×2/2＝105 kN。

②滿足擋墻的抗傾覆穩定性要求時，按錨桿加固需提供的總抗傾覆力矩M1≥401 kN·m以及錨桿布置形式，則需每孔錨桿加固提供抗力的水平分力Nt2＝2M1/[cosβ×(Z1x＋Z2x)＋sinβ×(Z1y＋Z2y)]＝80 kN。

③補強錨桿計算

綜上分析，比較Nt1、Nt2大小，取兩者最大值即Nt＝105 kN。

錨孔孔徑D＝130 mm，錨桿直徑d＝28 mm，則每錨孔內錨桿的設置根數n＝2。

錨固長度計算:通過對比錨孔壁與錨固體間抗剪強度、錨桿鋼筋與錨固體間粘結強度計算結果，錨桿錨固段長度采用8 m。

根據以上分析結果，對既有擋墻墻面增設框架梁錨桿加固，同時增設排水孔，并于邊坡平臺設置支撐滲溝以促進排水。目前加固工程已完成施工，邊坡鼓脹及擋墻開裂處未發生新的變形。

5 結束語

水是影響路基邊坡穩定的重要因素之一，尤其挖方較大的深路塹，而山區鐵路受地形地貌控制，深挖方邊坡較多，稍有不慎，極易造成邊坡溜塌或工程滑坡。本文結合工程實例，通過理論計算、數值模擬對因土方開挖改變原地下水及地表水的徑流方式后失穩邊坡進行了深入的研究，得到以下結論:

(1)邊坡開挖前，應采取臨時截排水措施且邊坡開挖后防護應及時跟進，務必做到邊開挖邊防護，避免開挖坡面長時間裸露，減少地表水下滲。

(2)路塹邊坡存在飽水層或局部有地下水外滲時，施工方應高度重視，嚴格按照設計施工，支撐滲溝、仰斜排水孔等引排水設施應及時施作。

(3)邊坡穩定性驗算過程中，應采用多種方法進行核驗，并對驗算結果進行逐層分析，為工程設計提供準確的計算依據。

(4)對已實施的處于欠穩固狀態的擋墻，在墻面增設框架梁錨桿進行補強加固，可以提高其抗傾覆、抗滑移能力，阻止墻身變形開裂，加固方式簡便、有效，可極大減少對既有邊坡工程的再次擾動破壞。