復雜地形深挖路塹邊坡施工全過程穩(wěn)定性分析

■丘有貴

（長汀縣交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督站，龍巖 366300）

福建省以山地、丘陵地形為主，素有“八山一水一分田”之稱，其中，龍巖市山地丘陵占全市總面積高達94.83%，平均海拔460 m。由于道路展線要求，在山區(qū)多采用開挖山體的方式以保證公路工程的順利進行，這就對山體的平衡狀態(tài)造成了一定的破壞，在施工中以及施工后都會形成容易失穩(wěn)的深挖路塹邊坡[1-2]。 交通運輸部數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，我國約50%的深挖路塹邊坡存在嚴重的安全隱患，特別是開挖過程中未及時采取支護加固措施的深挖路塹邊坡，更易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象[3]。 設(shè)計與施工的脫節(jié)，以及施工工序不盡合理等也經(jīng)常導致開挖邊坡的失穩(wěn)[4]。 國內(nèi)外學者雖對深挖路塹邊坡的防護設(shè)計、穩(wěn)定性分析方法等做了大量研究[5-9]，并取得了很大進展，但對不同施工工序下施工全過程的穩(wěn)定性分析較少。本文依托實際工程，運用有限元強度折減法對不同施工工序下深挖路塹邊坡施工過程中穩(wěn)定性進行計算分析，研究結(jié)果可為同類工程提供參考。

1 工程概況及地質(zhì)條件

依托國道319 線長汀河田至城關(guān)段公路改建工程一期項目， 項目路線位于龍巖市長汀縣境內(nèi)，地處武夷山脈南段， 屬低山丘陵夾山間盆地地貌，全線無填土高度大于20 m 的高填路堤， 以深挖路塹居多。其中，K349+870～K350+280 區(qū)間最長，且最大邊坡高度達55.1 m（如圖1 所示），取該段典型邊坡為例進行計算分析。 邊坡開挖后形成7 級邊坡，邊坡坡率依次為：1∶0.75、1∶0.75、1∶1、1∶1、1∶1、1∶1、1∶1.25，邊坡分級高度為8 m，邊坡平臺2 m、4 m、2 m、4 m、2 m、2 m。

圖1 原始邊坡及邊坡開挖加固方案圖

場址區(qū)屬剝蝕丘陵區(qū)地貌，為北西質(zhì)南東向山嶺西側(cè)山坡，山坡自然坡度約40°～45°，山頂最大標高412.30 m，植被發(fā)育，山坡頂部較平緩，中、下部較陡。據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，主要巖土參數(shù)如表1 所示。

表1 邊坡巖土參數(shù)

2 邊坡防護加固措施

各級邊坡防護加固措施如表2 所示。 其中，第2、3、4 級邊坡設(shè)置錨索格梁，采用拉力型預應(yīng)力錨索， 錨索為6 束1×7-A15.24 mm 的無粘結(jié)鋼絞線，抗拉強度1860 MPa，錨固段長度12 m，設(shè)計張拉力600 kN。錨固鉆孔直徑為130 mm，錨桿傾角25°，錨索水平間距3 m，垂直間距3 m，框架梁采用C25 混凝土現(xiàn)澆，縱、橫梁截面尺寸為0.4 m×0.6 m。

表2 各級邊坡防護加固措施

3 施工過程穩(wěn)定性分析

3.1 有限元模型的建立

依據(jù)實際工程建立三維有限元模型， 如圖2 所示，模型整體尺寸為180 m×50 m×110 m。為降低模型復雜程度，采用板單元來簡化模擬人字形骨架，采用梁單元模擬框架梁，并以點對點錨桿模擬預應(yīng)力錨索的自由段，以Embedded 樁模擬錨索的錨固段[10]。其它各圍護結(jié)構(gòu)均采用實體單元進行模擬（噴播植草除外，模型中未予考慮）。 各支護結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3 所示。

圖2 有限元模型

表3 支護結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

3.2 施工工序

高邊坡工程開挖通常采用機械配合人工開挖，要求嚴格按照從上至下逐級開挖，逐級加固，并且應(yīng)待上級邊坡加固完成并產(chǎn)生加固作用再進行后續(xù)施工，直至全部工程施工完畢。 但設(shè)計與施工的脫節(jié)，以及施工工序不盡合理等經(jīng)常導致開挖邊坡的失穩(wěn)。 假設(shè)按以下3 種施工工序進行開挖，對深挖路塹邊坡施工全過程穩(wěn)定性進行分析，探究不同開挖工序下施工過程中路塹邊坡穩(wěn)定性：（1）直接進行開挖，全部開挖完成后再進行一次性加固；（2）每開挖一級按照相應(yīng)防護措施對已開挖部分進行防護；（3）開挖與支護同時進行，主要針對第2、3、4級邊坡，每開挖3 m 進相應(yīng)部位的錨索支護。

3.3 結(jié)果分析

邊坡工程穩(wěn)定性分析通常側(cè)重于給出潛在滑動面和安全系數(shù)，并不關(guān)注位移矢量，且由于采用有限元強度折減法，其基本原理是構(gòu)建理想的彈塑性模型， 逐漸對土體抗剪強度參數(shù)進行折減并計算，直至到邊坡達到破壞臨界狀態(tài)，因此，最終得到的位移量并無實際意義。 盡管如此，仍能用來近似判斷邊坡潛在失穩(wěn)區(qū)域。

3.3.1 潛在滑動面

圖3、4 分別為路塹山坡開挖過程中加固及不加固情況下的潛在滑移范圍。 由于第7 級、第6 級邊坡開挖后加固處理方式為噴播植草，對邊坡穩(wěn)定性影響相對較小，模擬中未予考慮，故從第5 級邊坡開挖開始分析。 由圖3 可知，邊坡開挖過程中未作任何加固處理的情況下，在第4 級邊坡開挖之前，潛在滑動面均發(fā)生在原邊坡表層。 隨著邊坡開挖高度的增加，第4 級邊坡開挖之后，潛在滑動面轉(zhuǎn)移至開挖之后形成的邊坡；并且，隨著邊坡的開挖潛在滑動面逐漸擴大。 將圖4 與圖3 對比分析可知，每級邊坡開挖完成后立即做相應(yīng)邊坡加固處理，可顯著降低邊坡位移量，減小潛在滑動面。 尤其采用錨索格梁加固后，路塹邊坡的整體失穩(wěn)得到了有效控制，潛在滑動面幾乎消失。

圖3 路塹邊坡開挖過程（未加固）潛在滑移范圍

圖4 路塹邊坡開挖過程（加固）潛在滑移范圍

3.3.2 安全系數(shù)

圖5 為路塹邊坡按不同施工工序開挖過程中邊坡安全系數(shù)變化圖。由圖可知，在第7 級和第6 級邊坡開挖過程中，邊坡安全系數(shù)變化不大；第5 級邊坡開挖之后， 隨著路塹邊坡高度的持續(xù)增加，不同施工工序下邊坡安全系數(shù)整體均呈現(xiàn)下降的趨勢，但在施工過程中每一次的加固措施會使安全系數(shù)呈現(xiàn)局部增加的現(xiàn)象。

圖5 不同施工工序下路塹邊坡開挖過程中安全系數(shù)變化

在第（1）種施工工序下，隨著路塹邊坡的開挖，開挖至第1 級邊坡時，邊坡安全系數(shù)降低至最小值0.897，表明邊坡可能已經(jīng)處于失穩(wěn)狀態(tài)。 之后一次性進行整體邊坡加固，安全系數(shù)增加至1.263。

在第（2）種施工工序下，由于邊坡每開挖一級進行相應(yīng)的邊坡支護，邊坡開挖過程中安全系數(shù)變化曲線呈現(xiàn)局部波動整體下降的趨勢，開挖至第一級邊坡時，安全系數(shù)降至最小值1.176，隨著最后一級邊坡支護施工，安全系數(shù)增加至1.324，分別較第（1）種施工工序下增加31.10%和4.83%。

在第（3）種施工工序下，邊坡開挖至具備邊坡支護條件時即進行相應(yīng)支護，與第（2）種工況類似，邊坡開挖過程中安全系數(shù)變化曲線呈現(xiàn)局部波動整體下降的趨勢，但波動頻率略有增加，波動幅度略有減小。 同樣開挖至第1 級邊坡時安全系數(shù)降至最小值1.207，隨著最后一級邊坡支護施工，安全系數(shù)后增加至1.364，分別較第（1）種施工工序下增加34.56%和8.00%。

綜合分析可知，雖然邊坡加固方案不變，但不同施工順序?qū)吰路€(wěn)定性存在較大影響。 在深挖路塹工程中， 除了應(yīng)進行合理的邊坡加固方案設(shè)計外，施工過程中及時進行邊坡加固也是防止工程事故發(fā)生的重要手段。

4 總結(jié)

本文以實際工程為例， 運用有限元強度折減法，研究了深挖路塹邊坡在不同施工工序下施工全過程穩(wěn)定性，主要得出以下結(jié)論：（1）深挖路塹邊坡開挖與加固施工交替過程中， 邊坡安全系數(shù)呈波動狀態(tài)，期間隨著邊坡局部的加固安全系數(shù)會有所增加，但整個邊坡開挖過程中安全系數(shù)整體呈降低趨勢；（2）在邊坡加固方案相同的情況下，邊坡加固時機不同，對邊坡穩(wěn)定性有較大影響。 深挖路塹邊坡開挖過程中，逐級開挖逐級加固和每具備加固方案實施條件時及時進行邊坡加固處理，比全部開挖完成后再進行加固處理，安全系數(shù)最小值有顯著提高；（3）實際施工過程中應(yīng)嚴格按照從上至下逐級開挖，逐級加固，并且應(yīng)待上級邊坡加固完成并產(chǎn)生加固作用再進行后續(xù)施工。 為進一步提高深挖路塹邊坡施工全過程邊坡穩(wěn)定性，建議開挖過程中每具備加固方案實施條件時及時進行邊坡加固處理。