隴海鐵路路堤沉降變形與深部位移監測及防治

范家瑋 張玉芳 李知軍 徐勇

1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.云南省建設投資控股集團有限公司，昆明 650000

黃土抗水性差，其大孔隙性和濕陷性對工程影響巨大。黃土路基極易在極端降雨條件下產生滑坡、路堤沉降等工程病害［1-3］。2021年7月，受鄭州特大暴雨影響，隴海鐵路上街—黑石關區段發生大量路基水害，嚴重威脅鐵路運營安全，亟待開展病害段變形監測與綜合防治對策研究。

目前國內外對黃土路基邊坡降雨水害的研究取得了一定成果。張雁等［4］采用室內模型試驗與數值模擬相結合的手段，研究不同降雨強度對不同邊坡坡率黃土路基的沖刷規律。劉德仁等［5］開展壓實黃土浸水入滲室內模型試驗，研究非飽和黃土浸水入滲過程中體積含水率與孔隙氣壓力變化規律。盛明強等［6］開展現場黃土浸水試驗，比較了黃土微型樁在天然工況與浸水飽和工況下的力學性能。Chang等［7］研究了極端降雨條件下黃土邊坡的水敏性與濕陷性，提出了黃土邊坡由坡腳至坡頂分階段失穩的破壞模式。Wang等［8］為研究黃土滲透系數與基質吸力的相關性，改進了基質吸力監測三軸儀，為分析黃土降雨入滲提供新手段。Pham等［9］為研究瞬態非飽和滲流條件下黃土邊坡的穩定性，建立瞬態降雨入滲數學模型，為分析黃土降雨入滲提供理論基礎。

針對鐵路黃土路基受水軟化變形的現場研究仍然有待進一步深入。本文以隴海鐵路上街—黑石關區間路基水害為研究對象，采用現場調查、變形監測、數值模擬的綜合手段研究分析黃土路堤邊坡穩定性，并提出相應的防治對策。

1 沿線地質概況

1.1 地形地貌

隴海鐵路上街—黑石關區間位于洛陽盆地與黃河下游的華北平原南部過渡地段，黃河及其支流伊洛河南岸，整體地勢南高北低，最高點位于南部山區，最低點位于黃河河床。區內隴海鐵路總體走向NE～SW，東段沿黃河南岸山區布設，中、西段位于伊洛河南岸緊鄰河流布設。根據區域地貌的成因類型與形態特點，可劃分為構造剝蝕丘陵地貌和河流堆積平原地貌。

1.2 地層巖性

根據現場工程地質勘察，沿線地層主要為坡面上覆人工填土與下伏黃土狀粉質黏土。人工填土層厚2～4 m，呈黃褐色與灰黃色，土體近飽和，主要成分為黃土狀粉質黏土，局部夾雜碎石、礫石。下伏黃土狀粉質黏土呈褐黃色、淺黃色，土體近飽和，局部夾雜粉土。

1.3 氣象條件

隴海鐵路上街—黑石關區間屬大陸性暖溫帶半濕潤氣候，平均海拔110 m，年平均氣溫11℃，無霜期185 d左右，年降水量500～600 mm。2021年7月18—20日期間，鄭州地區最大降雨量達到438.7 mm，2 d內降雨量與該地區年降雨量基本持平。7月18日—9月7日，該地區累計降雨量達到862.2 mm，超過歷史同期降雨量。

2 監測原理與方案

依據現場調查，隴海鐵路上街—黑石關區間路堤黃土受水軟化后呈軟塑狀，承載力降低，路堤產生較大沉降。此外，地表水集中下滲，邊坡內軟弱巖土帶被軟化，引起路堤滑坡，危及列車運營安全。

2.1 監測設備及系統工作原理

根據YS 5229—96《巖土工程監測規范》與GB 50021—2001《巖土工程勘察規范》，針對路堤沉降與路堤邊坡滑坡病害，選用靜力水準系統與深部位移測斜技術進行監測。采用靜力水準系統（圖1）監測路堤沉降。靜力水準系統使用高性能壓力傳感器反映測點與基準點間的壓差變化，最終獲取多個測點的垂直位移［10］。該系統由一系列沉降傳感器組成，傳感器之間用通液管和通氣管連接，通液管與儲液罐相連，通氣管亦與儲液罐連接構成內壓自平衡系統，以消除大氣壓力變化對系統穩定性的影響。靜力水準系統根據連通器原理設計，將各測點與基準點由通液管串聯，并在儲液罐內存儲導壓液體，根據各測點與基準點間的液體變化量，計算各測點沉降。

圖1 靜力水準系統構成

深部位移監測是通過一定的手段和方法，掌握邊坡體內部的相對位移變化情況，為分析和確定滑面深度以及采取合理的工程措施提供科學依據［11］。監測采用活動式測斜儀，其原理是：在邊坡上預先鉆孔，孔底置于預測的最深滑動面以下，孔內預埋特制的帶有十字刻槽的管件，測斜儀沿管中刻槽按固定間距從孔底至孔口測量，通過測量結果可計算出對應不同深度兩點間的相對位移。將孔底作為參照點，當測斜儀讀數顯示某深度側向位移相對孔底參照點的位移激增，則推測此處存在滑動面。

2.2 監測點布設方案

隴海鐵路上街—黑石關區間全長近40 km，依據現場調查，受暴雨影響，區內多處路堤局部段落線路高程異常，部分段落邊坡存在失穩風險。選取6處路堤沉降最嚴重的工點進行監測，路堤沉降監測區間長120 m，沿線路方向在路肩上布設監測點，每隔20 m設置1個監測點，測點1—測點7；選取3處潛在路堤滑坡風險的工點進行深部位移監測，每處監測點設置2個監測斷面，每個監測斷面布設3個深部位移監測孔。

3 監測數據分析

3.1 路堤沉降變形特征分析

監測區間路堤累計沉降見圖2。可知，該監測區間沉降變形嚴重，路堤整體呈下沉趨勢，自監測設備安裝4個月以來，最大累計沉降達22.33 mm。

圖2 監測區間路堤累計沉降

監測區間2021年10月—2022年1月路堤差異沉降見圖3。可知：2021年10月路堤整體沉降大，各測點沉降均超過8 mm，最大沉降達22.33 mm；2021年11月—2022年1月路堤整體沉降趨于平穩，各測點月沉降均小于3 mm，最大月沉降僅2.11 mm。該監測區間兩端測點整體沉降較小，10月沉降均小于10 mm；測點2—測點6整體沉降較大，10月沉降均大于15 mm；監測區間各測點間存在不均勻沉降現象，各測點不均勻沉降在空間上呈現兩端小、中間大的分布特征。

圖3 監測區間路堤差異沉降

結合現場施工進度與監測數據分析可知，2021年10月路堤整體沉降大是源于路堤加固仍處于施工階段，路堤尚未達到穩定狀態。在施作支擋加固措施后，2021年11月—2022年1月各測點沉降趨于平穩，特別是測點2，雖于10月產生最大沉降，但加固后在11月上拱2.76 mm，部分抵消路堤下沉引發的高程異常。因此判斷加固后路堤處于穩定狀態。

3.2 路堤邊坡深部位移分析

考慮到監測區間路堤邊坡監測孔位較多，且各監測孔監測數據特征一致，選取其中某測孔進行監測數據分析，研究路堤邊坡側向變形的時空演化規律，見圖4。規定測孔A軸方向為隴海鐵路線路方向，正方向由小里程指向大里程；測孔B軸方向為垂直線路方向，正方向由線路中心線指向路堤邊坡。

圖4 路堤邊坡監測點不同深度累計側向位移

由圖4可知：2021年11月—2022年1月路堤邊坡整體側向位移較小，35 m深度范圍內側向位移均小于1 mm，最大側向位移僅0.88 mm。因此判斷加固后路堤邊坡處于穩定狀態。路堤邊坡側向位移呈現近地表位移大、遠地表位移小的倒三角形。

4 數值模擬分析及綜合防治對策

4.1 模型建立

選取路堤滑坡工點條件最不利斷面進行邊坡的穩定性分析，根據現場測量情況建立有限元模型，分析斷面及網格劃分見圖5。

圖5 分析斷面及網格劃分

4.2 參數選取

數值計算參數由現場鉆探取注漿前后原狀土樣開展物理力學試驗確定，計算所用的邊坡巖土層計算參數見表1。

表1 邊坡巖土層計算參數

4.3 計算結果

選用摩爾庫倫準則進行強度計算，邊坡穩定性采用極限平衡法進行分析，計算暴雨后路堤邊坡的穩定性，暴雨后邊坡應變增量云圖見圖6?？芍哼吰缕茐哪Ｊ綖閳A弧形滑動，暴雨后路堤邊坡的穩定系數為0.98，在暴雨狀態下路基邊坡處于不穩定狀態，易發生坡面溜塌、淺層滑坡破壞。

圖6 暴雨后邊坡增量位移云圖

4.4 防治對策

通過分析隴海鐵路黃土路堤滑坡病害成因機制可知，黃土滲水后抗剪強度驟降，滑坡抗滑力被削弱，同時土體含水率增大導致土體自重增大，加劇滑坡下滑力。因此，需要從提升坡體黃土抗剪強度與施作支擋結構抵抗滑坡下滑力兩方面考慮防治方案。綜上，提出豎向鋼花管+斜向鋼錨管分段控制注漿的防治對策，實現黃土注漿加固與鋼花管支擋的共同作用機制。

4.5 防治效果

加固后邊坡應變增量云圖見圖7。經計算，加固后邊坡的穩定系數從0.98提升到1.26。由此可見，豎向鋼花管與斜向鋼錨管分段控制劈裂注漿作用顯著，通過劈裂注漿對巖土體進行擠密，提升注漿體與巖土體的黏結強度。

圖7 加固后邊坡增量位移云圖

為驗證鋼花管分段控制劈裂注漿效果與數值計算穩定性的可靠性，開挖鋼花管周土體，觀察劈裂注漿所形成的漿脈分布，如圖8所示，鋼花管分段控制劈裂注漿效果良好，劈裂注漿的擴散半徑大于50 cm，漿體可有效黏結鋼花管周的巖土體，在不同深度處形成樹根狀漿脈，在路堤邊坡中起到骨架作用，提升路堤整體穩定性。

圖8 鋼花管分段控制劈裂注漿漿脈分布

4.6 數值模型理論驗證

采用Bishop法對所模擬路堤邊坡的穩定性進行理論計算，將路堤邊坡滑動面以上土體分為若干個垂直土條。

針對每個土條列出靜力平衡與力矩平衡方程，即

式中：T i為第i個土條滑動面處抗剪力；c i為第i個土條滑動面處黏聚力；l i為第i個土條滑動面滑弧長度；Fs為穩定系數；N i為第i個土條滑動面處法向反力；φi為第i個土條滑動面處內摩擦角；W i為第i個土條重量；P i、P i+1為土條兩側的法向力；αi為第i個土條滑動面滑弧中點法線與豎直線夾角；R為滑弧半徑。

依據作用力在水平與豎直方向上的合力為0，并綜合式（1）—式（3）得出F s的迭代計算公式，即

依據式（4）并代入表1的巖土層計算參數與相應幾何尺寸，計算暴雨后加固前后路堤邊坡的穩定系數，得出暴雨后未加固工況邊坡穩定系數為0.99，加固后路堤邊坡穩定系數為1.27。所得結果與有限元模擬結果一致。

5 結論

1）在隴海鐵路監測區間內，路堤沉降在2021年10月施工期間達最大值22.33 mm，11月起沉降趨于平穩，月沉降均小于3 mm。路堤邊坡側向變形11月起處于穩定狀態，側向位移均小于1 mm。

2）路堤沉降各測點間存在不均勻沉降現象，其分布特征在空間上呈現兩端小、中間大的分布。

3）路堤邊坡側向位移呈現近地表位移大、遠地表位移小的倒三角形分布。

4）暴雨后路堤邊坡處于不穩定狀態，易發生坡面溜塌、淺層滑坡破壞。在施作加固措施后，鋼花管注漿形成樹根狀漿脈，提高了巖土體抗變形能力，路基穩定性增強。