山區(qū)鐵路路基邊坡工程防治分區(qū)研究

劉亞劍

(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司武漢分公司,武漢 430074)

貴州省地形地貌、地質(zhì)條件復(fù)雜,鐵路建設(shè)過(guò)程中,高填方和深路塹邊坡時(shí)常發(fā)生災(zāi)變,對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成重大威脅[1-2]。甕馬鐵路是一條國(guó)鐵Ⅱ級(jí)單線(xiàn)電氣化貨運(yùn)鐵路,是貴州省鐵路規(guī)劃網(wǎng)中重要的地方資源外運(yùn)新通道,同時(shí)也是貴州省第一條自建自營(yíng)的地方貨運(yùn)鐵路項(xiàng)目。甕馬鐵路南北延伸線(xiàn)馬場(chǎng)坪至都勻段上連甕馬鐵路和遵義至甕安鐵路,下接黔桂線(xiàn),正線(xiàn)長(zhǎng)39.438km,設(shè)站場(chǎng)6處,橋隧比約70%。沿線(xiàn)設(shè)路基37段,其中,新建都勻北站DK36+552.34～DK37+430段路基主要為挖方,局部為填方,軸線(xiàn)最大挖深36.3m,右側(cè)最大邊坡高65.6m;填方段軸線(xiàn)最大填方高15.0m。由于該段深挖高填,導(dǎo)致其邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題突出。

高邊坡穩(wěn)定性一直都是相關(guān)學(xué)者研究的重點(diǎn)課題,李雋蓬采用模糊綜合評(píng)判法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析[3];謝強(qiáng)等發(fā)現(xiàn),鐵路邊坡開(kāi)挖將引起坡頂(變坡點(diǎn))張應(yīng)力和坡腳剪應(yīng)力集中,導(dǎo)致邊坡破壞[4];錢(qián)惠國(guó)等發(fā)現(xiàn)鐵路邊坡開(kāi)挖形成后,受地質(zhì)和大氣環(huán)境等因素長(zhǎng)期影響,邊坡穩(wěn)定性是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程[5]。因此,應(yīng)根據(jù)邊坡工程地質(zhì)特征,環(huán)境影響因素和穩(wěn)定狀態(tài),采取區(qū)別對(duì)待、分區(qū)防治的原則;另外,應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件的差異和監(jiān)測(cè)反饋的信息及時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),指導(dǎo)信息化施工。

1 地質(zhì)概況

1.1 地形地貌及地層巖性

測(cè)區(qū)為低山溝谷地貌,地形起伏較大,植被發(fā)育。表層為第四系崩坡積黏土、含礫黏土、角礫土、碎石土,局部地段分布?xì)埰路e粉質(zhì)黏土,古崩塌堆積塊石土,泥石流堆積塊石土及人工堆積素填土;下伏基巖分別為泥盆系上統(tǒng)望城坡組灰?guī)r、白云巖,泥盆系中統(tǒng)獨(dú)山組灰?guī)r、砂巖,局部夾頁(yè)巖。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造及地震動(dòng)參數(shù)

測(cè)區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)黔南臺(tái)陷貴定南北向構(gòu)造變形區(qū)北東部,區(qū)內(nèi)斷裂和構(gòu)造不發(fā)育,單斜產(chǎn)狀83°～85°∠43°～44°。巖體節(jié)理很發(fā)育至較發(fā)育,巖體極破碎至較完整。地震動(dòng)峰值加速度為0.05g,地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.35s,對(duì)應(yīng)抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度。場(chǎng)地類(lèi)型為Ⅱ類(lèi)。

1.3 水文地質(zhì)條件

測(cè)區(qū)地表水、地表徑流一般發(fā)育,受季節(jié)影響明顯,枯水季節(jié)水量較小,汛期地表水、地表徑流發(fā)育。主要有第四系松散層孔隙水、基巖裂隙水和碳酸鹽巖類(lèi)巖溶水3種地下水類(lèi)型。

根據(jù)地下水試驗(yàn)結(jié)果,測(cè)段內(nèi)水質(zhì)類(lèi)型為HCO3—Ca2+型,無(wú)氯鹽侵蝕性,無(wú)化學(xué)侵蝕性,無(wú)鹽類(lèi)結(jié)晶破壞作用[6]。

2 不良地質(zhì)及特殊巖土

2.1 不良地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪、鉆探及物探成果,測(cè)區(qū)內(nèi)對(duì)路基邊坡穩(wěn)定性影響較大的不良地質(zhì)體主要為堆積體、泥石流、順層及不穩(wěn)定斜坡[7]。

(1)堆積體

對(duì)鐵路建設(shè)有影響的堆積體主要為2處古崩塌和坡積堆積體。DK35+835～DK36+773段堆積體長(zhǎng)200～400m,寬938m,厚8～42m;DK36+968～DK37+486段堆積體長(zhǎng)160～240m,寬750m,厚5～20m。堆積體現(xiàn)狀整體基本穩(wěn)定,若施工開(kāi)挖,堆積體易發(fā)生失穩(wěn),對(duì)路線(xiàn)危害較大。

(2)泥石流

測(cè)區(qū)內(nèi)發(fā)育有2處距鐵路較近的泥石流堆積物,DK36+040～DK36+070段泥石流堆積物長(zhǎng)150m,寬20～60m,厚1.0～2.0m,體積約9000m3;DK36+500段右側(cè)泥石流堆積物長(zhǎng)120m,寬20～30m,厚1.0～2.0m,體積約4000m3。

(3)順層

DK36+795～DK36+970段邊坡長(zhǎng)約175m,基巖為灰?guī)r、白云巖,存在軟弱夾層,巖層產(chǎn)狀85°∠44°,走向與線(xiàn)路夾角為11°,呈小角度斜交,為巖質(zhì)順層邊坡。邊坡開(kāi)挖后可能發(fā)生順層滑動(dòng)。

(4)不穩(wěn)定斜坡

DK37+270～DK37+350段不穩(wěn)定斜坡位于既有線(xiàn)隧道洞口西側(cè)80m,上覆崩坡積層塊石土,厚2.0～7.0m,堆積體長(zhǎng)約100m,寬50～80m,厚3.0～8.0m,主要由塊石、碎石及黏土組成;下伏基巖為砂巖,強(qiáng)風(fēng)化層較厚,節(jié)理發(fā)育,巖體破碎,弱風(fēng)化層巖體較完整。邊坡開(kāi)挖臨空后易發(fā)生失穩(wěn)。

2.2 特殊巖土

測(cè)區(qū)內(nèi)特殊巖土主要為膨脹土、軟土、松軟土及填土。膨脹土分布于DK36+545～DK36+750段,厚3.0～6.0m;軟土分布于DK36+750～DK36+800段,厚3.0～5.0m;松軟土分布于DK37+100～DK37+500段,厚3.0～5.0m;填土分布于DK35+480～DK35+780段,長(zhǎng)280m,寬200m,厚10.0～30.0m。

3 路基工程防治分區(qū)

3.1 路基分段特征

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪、鉆探及物探成果,路基邊坡類(lèi)型可分為土質(zhì)邊坡、巖質(zhì)邊坡及巖土混合邊坡。各評(píng)價(jià)單元的路基類(lèi)型及邊坡基本特征見(jiàn)表1。

表1 路基邊坡段落分類(lèi)統(tǒng)計(jì) m

3.2 推薦巖土體物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察及試驗(yàn)成果[8],結(jié)合類(lèi)似工程治理經(jīng)驗(yàn),并參照相關(guān)規(guī)范以及反算結(jié)果,推薦物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 推薦巖土體物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)

3.3 路基邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法主要有定性分析法和定量分析法。其中,定性分析法可分為有過(guò)程機(jī)制分析法、工程類(lèi)比法、圖解法及巖體質(zhì)量分級(jí)法;定量分析法可分為極限平衡法與數(shù)值分析法。定量分析法中,極限平衡法因其物理力學(xué)概念清晰,賦予相應(yīng)的邊(滑)坡穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行邊(滑)坡穩(wěn)定分析設(shè)計(jì),操作簡(jiǎn)便,為工程界普遍接受[9-10]。本研究對(duì)土質(zhì)邊坡主要采用剛體極限平衡法進(jìn)行定量分析,采用赤平投影法對(duì)巖質(zhì)邊坡進(jìn)行定性分析[11-12]。

采用剛體極限平衡法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性時(shí),未考慮動(dòng)孔隙水壓力及靜孔隙水壓力的作用;降雨對(duì)路基穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)為增加下滑力和降低抗剪強(qiáng)度,采用勘察成果提供的暴雨工況下的巖土體物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算;穩(wěn)定性計(jì)算選擇的斷面應(yīng)體現(xiàn)區(qū)段邊坡潛在變形失穩(wěn)模式、坡度、坡高、地層巖性、坡體結(jié)構(gòu)等特征。

(1)土質(zhì)邊坡

由表1可知,土質(zhì)邊坡共6段,其中挖方邊坡和填方邊坡各3段。挖方土質(zhì)邊坡開(kāi)挖臨空后極易產(chǎn)生垮塌、滑移失穩(wěn);填方路堤若處理不當(dāng),易產(chǎn)生變形,側(cè)滑,潛在破壞模式均為弧形滑動(dòng)。利用Geoslope計(jì)算軟件計(jì)算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。天然工況邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)取1.25,暴雨工況邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)取1.20。

建模過(guò)程中,根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)以及研究對(duì)象地質(zhì)情況,計(jì)算模型左側(cè)邊界至邊坡坡腳的距離應(yīng)≥1.5倍邊坡高度,右側(cè)邊界至邊坡坡頂距離應(yīng)≥2.5倍邊坡高度,模型高度應(yīng)≥2倍邊坡高度,典型斷面的地質(zhì)剖面見(jiàn)圖2～圖4,模型尺寸見(jiàn)圖5～圖10。邊界條件方面,采用位移邊界條件,即模型左右兩側(cè)約束X向位移,底部約束X向、Y向位移。

圖1 擬建路基全貌

圖2 DK36+242地質(zhì)剖面

圖4 DK37+160地質(zhì)剖面

圖5 正常工況 DK36+242穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖3 DK36+363地質(zhì)剖面

圖6 暴雨工況DK36+242穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

巖土體的重度、黏聚力及內(nèi)摩擦角取值見(jiàn)表2,彈性模量和泊松比參考規(guī)范推薦值和類(lèi)似工程:塊石土彈性模量取0.5GPa,泊松比取0.35;含礫黏土彈性模量取0.3GPa,泊松比取0.35;灰?guī)r彈性模量取10GPa,泊松比取0.3。邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3、圖5～圖10。

圖10 暴雨工況 DK37+160穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

表3 土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖7 正常工況 DK36+663穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖8 暴雨工況DK36+663穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖9 正常工況 DK37+160穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

(2)巖質(zhì)邊坡

DK36+795～DK36+967段為巖質(zhì)高邊坡,下伏基巖為灰?guī)r,巖層產(chǎn)狀83°～85°∠43°～44°,主要發(fā)育2組節(jié)理(J1:234°∠60°、J2:16°∠60°)。強(qiáng)風(fēng)化巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖體較破碎;弱風(fēng)化層巖體較完整,弱風(fēng)化層結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度一般。

以DK36+897橫斷面為例(見(jiàn)圖11),根據(jù)邊坡設(shè)計(jì)方案,按1∶1.5坡率放坡后,右側(cè)邊坡最高為65.6m,邊坡巖土類(lèi)型為Ⅱ類(lèi),安全等級(jí)為一級(jí)。巖層走向與線(xiàn)路夾角11°,呈小角度斜交,路基開(kāi)挖后右側(cè)形成的順向坡,巖層面視傾角大于開(kāi)挖坡面角度,無(wú)不利結(jié)構(gòu)面及結(jié)構(gòu)面組合。受J1、J2結(jié)構(gòu)面組合切割的影響,邊坡巖體較破碎,易發(fā)生崩落,掉塊,見(jiàn)圖12。

圖11 DK36+897右邊坡地質(zhì)剖面

圖12 DK36+897右邊坡赤平投影

(3)巖土混合邊坡

巖土混合邊坡有DK36+967～DK37+070、DK37+285～DK37+430兩段,邊坡主要以巖質(zhì)為主,土層厚0～9.5m。上覆土體較松散,開(kāi)挖臨空后土體極易產(chǎn)生垮塌失穩(wěn),破壞模式為圓弧形滑動(dòng),巖質(zhì)邊坡部分開(kāi)挖臨空的基巖為弱風(fēng)化灰?guī)r,巖層面視傾角大于開(kāi)挖坡面角度,有利于邊坡穩(wěn)定。巖土混合邊坡潛在滑體主要為表層覆蓋層,潛在滑帶為覆蓋層與基巖過(guò)渡帶,定量計(jì)算主要是針對(duì)表層覆蓋層的穩(wěn)定性,不考慮基巖結(jié)構(gòu)面。以DK37+000、QDK0+210橫斷面(見(jiàn)圖13,圖14)為例,計(jì)算正常工況(天然狀態(tài))和非正常工況I(暴雨或連續(xù)降雨?duì)顟B(tài))穩(wěn)定性系數(shù),穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

圖13 DK37+0000地質(zhì)剖面

表4 巖土混合邊坡計(jì)算結(jié)果

圖14 QDK0+210地質(zhì)剖面

3.4 路基工程防治分區(qū)

(1)路基工程防治分區(qū)的原則

開(kāi)展鐵路路基工程防治分區(qū),有利于針對(duì)不同路基工程分區(qū)特點(diǎn),有針對(duì)性地采取工程措施,規(guī)避工程風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)貴州省地形地貌復(fù)雜、邊坡災(zāi)害多發(fā)的工程實(shí)際,結(jié)合鐵路建設(shè)所面臨的路基高填深挖邊坡的安全穩(wěn)定問(wèn)題,確定鐵路路基工程防治分區(qū)原則如下。

①第一級(jí)路基工程防治分區(qū):按照邊坡工程地質(zhì)條件、巖土體特征、邊坡類(lèi)型、路基設(shè)計(jì)斷面、穩(wěn)定性和剩余下滑力,進(jìn)行鐵路路基工程防治分區(qū)。

②第二級(jí)防治工程分區(qū)是防治亞區(qū):考慮邊坡失穩(wěn)的危害性和危險(xiǎn)性,按照“區(qū)內(nèi)相似,區(qū)際相異”和“就高不就低”的分區(qū)原則,進(jìn)一步細(xì)分亞區(qū)。

(2)依托工程防治分區(qū)

根據(jù)分區(qū)原則和計(jì)算分析結(jié)果,甕馬鐵路南北延伸線(xiàn)馬場(chǎng)坪至都勻段DK36+552.34～DK37+430段路基邊坡防治工程分區(qū)包括重點(diǎn)防治區(qū)(Ⅰ)、次重點(diǎn)防治區(qū)(Ⅱ)、一般防治區(qū)(Ⅲ)3種區(qū)級(jí),在此基礎(chǔ)上細(xì)分為9個(gè)亞區(qū),分區(qū)及特征見(jiàn)表5及圖15。

圖15 邊坡防治分區(qū)平面示意

表5 路基工程防治分區(qū)

4 路基工程處理措施建議

根據(jù)既有研究成果[13-15]及相關(guān)規(guī)范[16-17],結(jié)合剩余下滑力等路基分區(qū)特征,對(duì)各類(lèi)防治分區(qū)提出下列處治措施建議。

(1)重點(diǎn)防治區(qū)(Ⅰ):放緩邊坡,在路基右側(cè)分級(jí)設(shè)置抗滑支擋(錨索樁/樁板墻)對(duì)坡體進(jìn)行加固,并施作坡面防護(hù),同時(shí)加強(qiáng)坡面截排水措施。

(2)次重點(diǎn)防治區(qū)(Ⅱ):在路基兩側(cè)設(shè)置抗滑支擋(樁/擋墻),樁頂以上放緩邊坡并加固,同時(shí)完善防排水措施。

(3)一般防治區(qū)(Ⅲ):在路基兩側(cè)設(shè)置支擋(樁/擋墻)措施,加強(qiáng)坡面防護(hù),并設(shè)計(jì)完善的防排水措施。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)利用Geoslope計(jì)算軟件,采用剛體極限平衡法對(duì)土質(zhì)邊坡及巖土混合邊坡進(jìn)行定量分析,采用赤平投影法對(duì)巖質(zhì)邊坡進(jìn)行定性分析,獲取邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)。

(2)根據(jù)貴州省地形地貌復(fù)雜、邊坡災(zāi)害多的工程實(shí)際,結(jié)合鐵路建設(shè)所面臨的路基高填深挖邊坡的安全穩(wěn)定問(wèn)題,提出鐵路路基工程防治分區(qū)原則。按照邊坡工程地質(zhì)條件、巖土體特征、邊坡類(lèi)型、路基設(shè)計(jì)斷面、穩(wěn)定性和剩余下滑力,劃分第一級(jí)鐵路路基工程防治分區(qū);考慮邊坡失穩(wěn)的危害性和危險(xiǎn)性,按照“區(qū)內(nèi)相似,區(qū)際相異”和“就高不就低”的分區(qū)原則,進(jìn)一步細(xì)分亞區(qū)。