寬平臺在深挖路塹邊坡防護中的應用

■劉志強

（長江勘測規劃設計研究有限責任公司，福州 350000）

我國東南部山區高速公路的建設過程中，受制于路線走廊及地形地貌條件等因素，深挖路塹邊坡數量多、規模大。 按照JTG D30—2015《公路路基設計規范》的要求，對土質挖方邊坡高度大于20 m、石質挖方邊坡高度大于30 m 的路塹段落均需進行特殊設計。 由于直臨高速公路，深挖路塹邊坡一旦發生滑動、崩塌等破壞，輕則中斷交通，重則直接威脅人民生命財產安全，因此深挖路塹段邊坡的防護設計十分重要。 目前常規的邊坡加固技術已較為成熟，在此基礎上，本文以福建泉州某山區高速公路邊坡防護設計為例，通過對比常規邊坡加固方案，進一步對寬平臺在巖土質結構深挖路塹邊坡防護中的應用展開探討，以期達到提高邊坡防護安全性、經濟性的有益效果。

1 工程概況

擬建項目位于福建省泉州市安溪縣，道路等級為高速公路。場區屬低山丘陵地貌，地形高低起伏較大，植被較為發育。 路塹邊坡位于線路樁號K48+970～K49+230 右側，邊坡長度約260 m，為七級二元結構邊坡，最大上邊坡高度約58 m，平面展示圖見圖1。場區坡地表層為全風化花崗巖，下伏底層為砂土狀強風化花崗巖、碎塊狀強風化花崗巖及中風化花崗巖。 場區未見活動性斷裂構造，未見滑坡、崩塌、泥石流、采空區、巖溶等其他不良地質作用，現狀整體保持穩定。

圖1 深挖路塹平面圖

地層巖性分述如下：（1）全風化花崗巖，褐土黃色，巖芯呈砂土狀，手折易散，組織結構已大部分破壞，礦物成分除石英外已大部分風化成土狀，遇水易軟化、崩解，完整程度為極破碎；（2）砂土狀強風化花崗巖，土黃色，巖芯呈砂土狀，手折易散，原巖結構清晰，風化強烈，遇水易軟化、崩解；（3）碎塊狀強風化花崗巖，灰黃色，巖體風化強烈，巖芯呈3～5 cm 碎塊狀，組織結構大部分破壞，節理裂隙發育，巖體大都通體風化，錘擊易碎，極破碎；（4）中風化花崗巖，淺紅色，中細粒結構，塊狀構造，巖芯呈8～30 cm 中短柱狀，巖質較新鮮，節理裂隙發育，為較硬巖；參數見表1。

表1 巖土物理力學參數

2 加固設計原則

路塹邊坡設計應該根據外業實地調查以及勘探資料的情況綜合確定合理的邊坡坡率以及防護類型。 邊坡坡率的選取應該結合地形地貌和地質情況，在滿足安全性的前提下，因地制宜、順勢而為。路塹邊坡應該盡量避免單一坡率一坡到頂，一般采取下陡上緩的過渡式坡率，以拋物線的形式更好地融入周圍自然環境。同時，邊坡坡度的選擇在保證安全的前提下，也應該酌情考慮植物防護的需要。 碎裂式結構以及存在控制性結構面的巖質路塹邊坡，通過邊坡穩定性分析計算確定邊坡的坡度以及防護形式；對于巖土質的二元結構邊坡，對土質邊坡部分可能出現的滑坡、崩塌等應采取相應的防護措施[1]。

路塹邊坡防護設計的目的是確保邊坡在高速公路建設及運營過程中保持長期安全，通過一系列工程措施預防邊坡產生不利的變形和破壞。 具體措施包括坡面、淺表層、塊體和深部變形防護，坡腳應力集中防護和排水處理等。（1）坡面變形防護。中風化及以上巖體，以植草（喬）防護或不防護為主，坡率0.25～0.5；強～中風化巖體，以巖面錨桿鍍鋅網植草（喬）防護或鍍鋅網植草（喬）防護為主，坡率0.5～0.75；全～強風化層，以拱形骨架或（錨桿）鍍鋅網植草（喬）防護為主，坡率0.75～1.0；坡殘積層，拱形骨架或液壓噴播植草（喬）防護，坡率1.0～1.25；松散土層，液壓噴播植草（喬）防護，坡率1.25～1.5。按照“恢復自然景觀”的現代化設計理念，防護措施均采用綠色化防護，盡可能利用本土化草種，并做到草喬結合。 （2）淺表層變形防護。 下部的中風化～微風化巖，以系統錨桿防護為主；上部的土層、強風化巖以預應力錨桿框架、地梁防護為主。 （3）塊體、深部變形防護。以預應力錨桿框架梁及墊墩防護為主。（4）坡腳應力集中防護。 土質邊坡坡腳加固按實際情況設抗滑樁、擋土墻、預應力錨索（桿）框架等。 強風化巖石坡腳加固，采用壓力注漿錨桿框架，以預防坡腳產生漸進性破壞。 對設置了錨固工程的路塹邊坡，開挖時要嚴格按照從上到下的施工順序，逐級開挖，逐級加固，待上級邊坡的錨固工程全部實施完畢且生效后，才可進行下級邊坡的開挖，以確保坡體穩定和結構安全。

3 加固方案研究

3.1 常規加固方案

根據《公路路基設計規范》3.7.7，正常工況下高速公路路塹邊坡的穩定安全系數為1.2～1.3，暴雨工況下路塹邊坡的穩定安全系數為1.1～1.2，地質條件復雜或破壞后危害嚴重時穩定安全系數取大值；根據《公路路基設計規范》3.7.8，深路塹邊坡宜采用折線式或臺階式，臺階式邊坡的中部應該設置平臺，平臺的寬度不宜小于2 m。

該邊坡坡腳地層為碎塊狀強風化花崗巖，結構面較發育。 按照“固腳強腰”的邊坡治理理念，底階采用非預應力錨桿框架結合TBS 鍍鋅網植草喬，可有效加固坡腳、防止掉塊；第三～五級采用預應力框架錨索，可對巖土體產生擠密作用，提高其整體受力性能，有效提高邊坡的穩定性。 故常規防護方案如下：第一級1∶0.75 非預應力錨桿框架結合TBS 鍍鋅網植草喬，第二級1∶0.75 TBS 植草喬結合系統錨桿，第三～五級1∶1.0 預應力框架錨索結合TBS 植草喬，第六～七級1∶1.0～1∶1.25 拱形骨架噴草植喬防護，每級8 m，設置2 m 平臺，如圖2 所示。

圖2 常規加固方案典型斷面

采用GeoStudio 建立模型，計算該邊坡支護前后天然和暴雨工況下的穩定系數，結果如圖3～6所示。

圖3 常規加固方案支護前天然工況下的穩定系數

圖4 常規加固方案支護前暴雨工況下的穩定系數

圖5 常規加固方案支護后天然工況下的穩定系數

圖6 常規加固方案支護后暴雨工況下的穩定系數

以上結果可以得出，開挖后自然邊坡天然工況下的穩定系數為1.186，暴雨工況下的穩定系數為0.997，處于不穩定狀態；按常規方案進行支護后，邊坡天然工況下的穩定系數為1.446， 暴雨工況下的穩定系數為1.247，支護后的邊坡穩定性滿足設計要求。此時預應力框架錨索支護數量為3 階，錨索加固長度為（26+28+22+24+24+26）×2/8=37.5 m/m，征地范圍（坡腳起算）為80 m，土石方開挖量（坡腳起算）為1 560 m3/m。

3.2 寬平臺優化方案

邊坡設置寬平臺的主要目的是減載，即在不增加邊坡高度的情況下，減少滑塊下滑力以提高邊坡穩定性，同時減少支護數量，節省造價。 陡坡邊坡支護中，常規支護方案較寬平臺方案可較好地實現收坡，而寬平臺的設置導致“拔山皮”現象，邊坡級數增加，邊坡穩定性降低，如圖7～8 所示。 故寬平臺不宜應用于陡坡，宜設置于坡頂較平緩的邊坡。

圖7 陡坡常規方案示意圖

圖8 陡坡寬平臺方案示意圖（拔山皮）

3.2.1 寬平臺設置原則

寬平臺宜設置于邊坡中部，以對邊坡進行有效分割[2-3]。 平臺寬度設置應結合地質情況：在土、巖交界面，交界處的一階邊坡往往為土、石二元結構，常規方案按保守設計原則，邊坡宜按性質較差的土質坡進行加固，往往采用設置預應力錨索框架的形式加強支護。 設置寬平臺后，可通過加寬平臺致二元結構變為巖質，增加了邊坡穩定性的同時，上階可采用巖質坡支護方式，如系統錨桿等，減少了防護數量[4]。 寬平臺階數應根據地質、土石方和用地界限制等情況綜合考慮，下面以一階和二階為例進行分析，更多階設置可參照二階。

3.2.2 一階寬平臺方案

一階寬平臺加固方案的典型斷面如圖9 所示，第二級坡頂采用10 m 寬平臺， 則第三級由二元結構變為巖質，采用1∶0.75 TBS 植草喬結合系統錨桿進行防護，其余防護同常規方案。 計算一階寬平臺方案支護前后天然和暴雨工況下的穩定系數，結果如圖10～13 所示。

圖9 一階寬平臺加固方案典型斷面

圖10 一階寬平臺加固方案支護前天然工況下的穩定系數

圖11 一階寬平臺加固方案支護前暴雨工況下的穩定系數

圖12 一階寬平臺加固方案支護后天然工況下的穩定系數

圖13 一階寬平臺加固方案支護后暴雨工況下的穩定系數

可以得出，一階寬平臺優化方案下，支護前邊坡天然工況下的穩定系數為1.220， 處于穩定安全系數范圍的下限，暴雨工況下的穩定系數為1.031，處于不穩定狀態，故應進行進一步的加固處理；支護后，邊坡天然工況下的穩定系數為1.455，暴雨工況下的穩定系數為1.303，均滿足穩定性要求。 此時預應力框架錨索支護數量為2 階，錨索加固長度為（22+24+24+26）×2/8=24 m/m，征地范圍為88 m，土石方開挖量（坡腳起算）為1 810 m3/m。 對比常規加固支護方案，設置一階寬平臺后，通過增寬平臺致第三級由二元結構變為巖質坡，邊坡整體穩定性有所提高，且節省了1 階的預應力框架錨索支護，改為TBS 植草喬結合系統錨桿，節約錨索（26+28）×2/8=13.5 m/m，錨索造價節約36%。 但坡頂用地界外移了8 m，征地費用增加10%，土石方開挖增加了250 m3/m，土石方費用增加16%。

3.2.3 二階寬平臺方案

二階寬平臺加固方案的典型斷面如圖14 所示，第二、五級采用10 m 寬平臺，底階采用1∶0.75非預應力錨桿框架結合TBS 鍍鋅網植草喬，第二、三級采用1∶0.75TBS 植草喬結合系統錨桿，第四～七級采用1∶1～1∶1.25 拱形骨架噴草植喬防護。 計算二階寬平臺加固方案天然和暴雨工況下的穩定系數，結果如圖15～16 所示。

圖14 二階寬平臺加固方案典型斷面

圖15 二階寬平臺加固方案天然工況下的穩定系數

圖16 二階寬平臺加固方案暴雨工況下的穩定系數

可以得出，設置2 個寬平臺后，土石方開挖量（坡腳起算）為1 950 m3/m，土石方開挖量更大，邊坡減載更加明顯，邊坡穩定性大幅提高，不使用預應力錨索框架而采用拱形骨架支護的情況下在天然和暴雨工況均能滿足設計要求。 較常規方案，錨索節約37.5 m/m，用地界增加了18 m，征地費用增加22.5%，土方開挖增加了390 m3/m，土石方費用增加25%。

3.3 方案選擇

常規方案使用預應力錨索框架數量較多，造價高，但征地范圍小，土石方開挖量較小，適用于用地緊張、棄土場尋找困難的情況；寬平臺方案通過平臺加寬，減少了預應力錨索框架的使用，且進一步提升了邊坡的穩定性，方案更加經濟，但土石方數量和征地范圍會有所增加，適用于用地較為寬松，棄土場較易尋找的情況。 其中，設置一階寬平臺即可對邊坡穩定性有一定提高，減少了部分防護工程量，錨索造價節約36%，征地費用增加10%，土石方費用增加16%，兼顧了安全性和經濟性；二階寬平臺對于提高邊坡穩定性、 降低防護工程量效果顯著，無需使用預應力錨索框架支護，但征地費用增加22.5%，土石方費用增加25%，征地及尋找棄土場較為困難。 加固方案對比及優缺點分析如表2 所示。

表2 加固方案對比

由此可得各加固方案的適用條件：常規加固方案加固工程量大，費用高，但占地和土石方工程量少，在用地、土石方限制嚴格段最為適用；二階寬平臺對于降低防護工程量效果顯著， 經濟性最好，且邊坡穩定性滿足設計要求，在用地、土石方條件寬松的情況下最為適用；一階寬平臺方案，既可對邊坡穩定性有一定程度的提高，也可減少部分防護工程量，兼顧了安全性和經濟性，在用地、土石方條件有一定限制時最為適用。

該路塹邊坡用地較為寬松， 棄土處理難度一般，一階寬平臺方案可保證邊坡穩定的同時經濟性較好，故選擇一階寬平臺方案為優選方案。

4 結論

常規支護方案加固后的邊坡可以達到穩定狀態，且征地范圍較小，土石方開挖量較少，但其支護工程量較大，經濟性一般。 針對上述不足，研究了寬平臺的優化方案，得出寬平臺方案具有以下運用條件及優化效果：（1）寬平臺方案適用于坡頂較平緩的邊坡。 若陡坡設置寬平臺，可能導致邊坡出現“拔山皮”現象，邊坡級數增加，穩定性降低。 （2）土、石二元結構邊坡，通過加寬平臺致上級由二元結構變為巖質，增加了邊坡的穩定性，減少了防護數量。（3）寬平臺方案優化效果：對比常規加固方案，一階寬平臺加固方案下，邊坡天然、暴雨工況下的穩定系數分別由1.446 增加到1.459，1.247 增加到1.303，錨索節約13.5 m/m，錨索造價節約36%，但征地費用增加10%，土石方費用增加16%；二階寬平臺加固方案下，無需使用預應力錨索框架支護，邊坡天然、暴雨工況下的穩定系數即可達到1.459、1.236，錨索節約37.5 m/m，錨索造價節約100%，但征地費用增加22.5%，土石方費用增加25%。 （4）各加固方案適用條件：常規加固方案加固工程量大，費用高，但占地和土石方工程量少，在用地、土石方限制嚴格段最為適用；二階寬平臺對于降低防護工程量效果顯著，經濟性最好，且邊坡穩定性滿足設計要求，在用地、土石方條件寬松的情況下最為適用；一階寬平臺方案， 既可對邊坡穩定性有一定程度的提高，也可減少部分防護工程量， 兼顧了安全性和經濟性，在用地、土石方條件有一定限制時最為適用。