胡登燦

(中鐵二院貴陽勘察設計研究院有限責任公司，貴州 貴陽 550002)

新建黃桶至織金鐵路(簡稱“黃織鐵路”，下同)，為時速120 km/h的國鐵Ⅱ級客貨共線鐵路，全線巖溶峰叢、洼地、溶洞、漏斗、暗河等分布廣泛。線路在DK56+338～DK56+498段以路基通過，為中低山巖溶地貌，海拔1340 m～1440 m，相對高差20 m～100 m。自然橫坡陡峭(25°～43°)，測區(qū)碳酸鹽巖分布廣，巖溶極其發(fā)育。該段路基為高邊坡工點，坡面部分基巖出露，植被為少量灌木叢。左側路塹邊坡由于坡面陡峭、溶槽發(fā)育，易引起邊坡失穩(wěn)、基底沉降塌方等工程安全問題，需要采取安全可靠的加固防護措施進行徹底整治、不留后患。

1 工程概況

DK56+302.9～DK56+498段路基工程，線路左側以挖方通過，右側以填方或淺挖通過，線路中心挖方最大高度12.6 m，左側路塹邊坡最大高度36.5 m。路基工程于2006年6月5日開始施工，由于該段路基工程地質條件復雜，現場施工時在該地段采取了信息化施工、動態(tài)設計的原則，在充分掌握地質情況的條件下，開展工程設計工作，主要地質情況如下。

1.1 主要地質情況及地震動參數

本測區(qū)上覆粘土、碎石土，下伏基巖為灰?guī)r，地層描述如下:碎石土(Qal+pl4):褐黃色、灰黃色，稍濕～潮濕，松散～中密，碎石含量50%左右，石質成分為灰?guī)r質，φ2 cm～φ7 cm，厚0 m～10 m，為Ⅲ級硬土，分布在斜坡上。粘土(Qdl+el4):灰黃色、褐黃色，夾有10%左右碎石角礫，石質成分為灰?guī)r質，主要分布在坡面，厚0 m～17.5 m，屬Ⅱ級普通土?；?guī)r(P1m):灰黑色、深灰色，弱風化，致密結構，厚層狀構造，局部方解石脈充填，巖心堅硬較完整，多呈柱狀，局部破碎，為Ⅴ級次堅石。本段測區(qū)地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應譜特征周期為0.35 s。

1.2 水文地質特征

地下水主要為少量基巖裂隙水和壤中水;地表為大氣降水，經對附近取水分析，水質為HCO3-Ca2+，對混凝土無侵蝕性，按照TB 10005-2010鐵路混凝土結構耐久性設計規(guī)范為碳化T2環(huán)境。

1.3 巖溶及其他不良地質

該段工程范圍為低山溶蝕地貌，巖溶強烈發(fā)育，溶洞、溶槽發(fā)育明顯(見圖1)，在線路DK56+384～DK56+406段、DK56+427～DK56+460段土層較厚，DK56+406～DK56+427段土層較薄，部分基巖出露，植被為淺灌木叢。

上覆全風化及粘土層厚度為6 m～12 m，溶槽深度超過18 m，部分呈石筍狀、孤石狀出露。溶洞溶槽內充填軟～硬塑狀粘土或潮濕～飽和狀碎石土，部分揭示為空溶洞(見圖2)。

圖1 現場開挖揭示的大型溶槽

圖2 現場發(fā)現的巖溶空洞

綜上，該段地質巖溶發(fā)育強烈，地質條件十分復雜，若不采取有效的措施對巖溶病害進行徹底整治將給鐵路運營埋下巨大的安全隱患。該段路基工程設計重點是左側自然邊坡高達一百多米，且地形陡峭，線位橫跨兩個大型溶槽，溶槽內充填粘土層厚，局部基底以下仍然有溶洞發(fā)育;因此，左側路塹邊坡加固措施設計是該段路基工程設計的重點。

2 邊坡的破壞模式及加固措施選擇

2.1 邊坡破壞模式

根據該邊坡地形陡峭、溶槽內土層厚薄不一、土石界面處積水排泄路徑不同的特點，路塹邊坡可能存在兩種深層破壞模式:沿土石界面滑移破壞(見圖3)、沿深厚土層的圓弧滑動破壞(見圖4)。

圖3 土石界面滑移

圖4 土層圓弧滑動

以下是采用著名的巖土軟件FLAC對DK56+440斷面進行的穩(wěn)定性分析，采用摩爾庫侖模型、運用強度折減法［1］計算穩(wěn)定系數。根據試驗地質參數計算得原自然邊坡安全穩(wěn)定系數為1.12(見表1，圖5)，開挖后邊坡坡率更陡峭，從施工開挖后自然邊坡垮塌可以看出，必須采取深層加固措施保證邊坡的穩(wěn)定性。

表1 物理力學參數

2.2 加固措施選擇

根據我院山區(qū)鐵路設計經驗，結合國內施工技術條件，一般可以選用的路塹支擋加固措施主要有:重力式擋土墻、土釘墻(錨桿擋土墻)、錨固(索)樁間結合擋土墻、土釘墻或樁間擋土板等。可以選用的防護措施主要有:噴錨網、錨桿(索)框架梁、截水骨架內灌草護坡、片石護坡、噴混植生、掛三維土工網植草護坡、噴播植草護坡等。根據支擋、防護措施適用條件和前述兩種可能的破壞模式，必須采取深層加固與淺層防護結合的措施。

1)深層加固措施。

圖5 DK56+440剪應變云圖

為防止邊坡發(fā)生深層滑動破壞，保證路塹邊坡施工安全及久永性穩(wěn)定，需要采用預加固樁(錨固樁)進行深層加固，且為了避免“剝山皮”現象，挖方邊坡較高時需要采用高懸臂段錨固樁(15 m)收坡，高懸臂段的錨固樁設計時應注意滿足 TB 10025-2006鐵路路基支擋結構設計規(guī)定［2］的錨固點不大于1 cm及樁頂位移不大于10 cm的規(guī)范要求。

由于該段地下水為碳化環(huán)境，故懸臂較高時采用錨固樁上設錨索以減小樁頂和錨固點位移，錨索錨固段深入弱風化灰?guī)r內。樁間采用外掛式擋土板加固樁間巖(土)體。

2)淺層防護措施。

深層穩(wěn)定性加固措施確定后，仍然需要加強坡面防護設計，防止淺層坡面滑移和危巖體失穩(wěn)破壞。根據土層厚度、巖層完整程度、橫向地形坡度結合各類防護措施適用條件，在土層較厚地段采用錨索框架內噴播植草防護，防止深厚土層發(fā)生越頂滑移破壞;土層較薄地段采用錨桿框架梁內噴播植草防護，防止發(fā)生淺表坍塌破壞;在破碎巖層內采用錨桿框架梁內噴錨網防護的措施，防止破碎巖層掉落、小型巖體失穩(wěn)破壞。

3 錨固(索)樁設計

3.1 錨固(索)樁懸臂段外力計算

1)土石界面滑移失穩(wěn)的推力計算。

土石界面滑移為相互變化不大的折線型滑面，按照傳遞系數法［3］計算，選擇代表性斷面DK56+440。剩余下滑力計算公式如下:

其中，Ks為安全系數(一般為 1.05 ～1.25，本工點取 1.25)，ψi為傳遞系數，其余參數符號見文獻［3］。

滑面參數按照地質提供的地層力學參數，與該斷面原自然坡面反算值［4］比較，取最小值作為計算參數:φ =26.5，c=10 kPa。推力計算結果見表2。

2)土層圓弧滑動推力計算。

圓弧滑面法計算原理及相關要求見文獻［1］;經過計算最大出口推力為908 kN/m。設計中還應將土層摩擦角φ和粘聚力c換算成綜合內摩擦角后，按照庫侖土壓力公式計算土壓力，以上3種計算方法得出的滑力最大值作為錨固(索)樁懸臂段的外力荷載值。

經計算分析，DK56+440斷面按照傳遞系數法計算的出口下滑力最大:下滑力值為1924.2 kN/m，水平推力1729.4 kN/m。由于為土層邊坡，可以假定樁懸臂段按照三角形分布，合力作用點位于錨固點以上1/3懸臂高度處。

3.2 錨固(索)樁內力計算及結構設計簡要介紹

樁的內力計算分為:懸臂段內力計算和錨固段內力計算。樁的懸臂段計算較為簡單，不在贅述。以下主要簡單介紹錨固段內 力計算過程。

表2 DK56+440斷面?zhèn)鬟f系數法計算

表3 地層物理力學參數

圖6 DK56+440圓弧滑面安全系數等值線圖

樁錨固段計算根據樁周土體地基系數的變化情況，可以分為K法(K為地基系數)和m法(m為地基系數沿樁埋置深度的變化率)，由于本工程樁錨固段在巖層內，一般認為地基系數為常數，采用K法。首先根據假定的樁尺寸(矩形樁的計算寬度為實際寬度+1 m)及樁的變形剛度按下式確定樁是彈性樁，還是剛性樁:

βh≤1，屬于剛性樁;βh＞1，屬于彈性樁。

根據不同樁形，結合樁與土體的協調變形、樁在外力作用下的擾曲線方程以及樁底(一般按照自由端考慮)和樁頂約束條件，求得樁在不同埋置深度范圍內的內力和變形。

錨索樁計算內力時，還要考慮錨索節(jié)點處錨索、樁、土體的變形協調和力學平衡關系，以確定樁錨索的初始預應力值。

組織的硬度與組織的結構密切相關，組織結構在很大程度上取決于組織的分子構成以及這些分子構成的組織形式。然而，傳統醫(yī)學影像模式（包括超聲、x－射線、計算機斷層掃描、磁共振）都無法提供組織的硬度信息。因此，超聲彈性成像(ultrasounic elastography，UE)這一可以提供組織硬度的新技術被Ophir等[1]人提出來后，得到了廣泛關注并快速發(fā)展，已成為超聲領域的一個研究熱潮。

內力計算完成后，按照現行《混凝土結構設計規(guī)范》進行結構設計;一般情況下，荷載分項系數可采用1.35［2］。

4 工程措施

1)主要工程措施。

a.DK56+342～DK56+494左側長152 m路塹設樁板墻加固，共設樁26根;其中DK56+354～DK56+378左側、DK56+452左側為錨索樁板墻，其余為一般錨固樁板墻;最大懸臂段高度15 m、最小懸臂段高度8 m，最大樁長35 m、最小樁長16 m;最大樁截面尺寸為2 m×3.5 m，樁間距6 m～7 m;樁身采用C30混凝土澆筑，樁間設C30混凝土外掛式擋土板。錨索樁上設兩孔錨索(并在兩錨索孔中部預留一個錨索孔)，共設樁錨索12孔，單孔錨索設計錨固力為1200 kN，初始預拉力值計算確定。

b.DK56+338～DK56+380路塹左側樁頂以上邊坡按1∶1刷坡、DK56+380～DK56+416和DK56+424～DK56+498路塹左側樁頂以上邊坡按1∶1.25刷坡后設錨索框架梁防護，錨索坡面間距4 m×4 m，共設置坡面錨索185孔，每孔錨索采用6束φ15.24 mm高強度、低松弛鋼絞線制作，每束鋼絞線抗拉強度級別不小于1860 MPa。

c.DK56+416～DK56+424左側路塹邊坡采用錨桿框架梁內噴錨網防護。錨桿間距4 m×4 m，錨桿長8 m，共12根。錨孔直徑110 mm，采用 M30水泥砂漿灌注，注漿壓力不小于0.4 MPa?？蚣芰翰捎肅30混凝土現場立模施工?？蚣芰簝炔捎脟婂^網防護。

d.DK56+342～DK56+358左側路塹樁頂邊坡、DK56+380～DK56+460錨索(錨桿)框架梁護坡以上邊坡采用人字形截水骨架內液壓噴播植草防護。

2)變形及受力監(jiān)測。

a.選取2孔樁錨索設置量程不小于1600 kN的GMS錨索測力計;選取10孔坡面錨索設置量程不小于1200 kN的GMS錨索測力計。

b.分別于錨索樁樁頂、錨固樁樁頂及坡面、坡頂典型斷面處共設置10處邊坡位移變形監(jiān)測點。

3)施工完成后現場照片見圖7。

圖7 施工完成后現場圖

5 結語

黃織鐵路于2008年建成通車，該高邊坡經過了多年汛期考驗，未發(fā)現邊坡失穩(wěn)破壞等現象，表明原設計方案是安全可靠的。設計總結主要有以下幾點:

1)巖溶地區(qū)地質情況。

難以查明，需要施工過程中加強信息反饋，按照信息化施工、動態(tài)設計的原則進行，必要時需要根據實際巖溶發(fā)育變化情況調整設計方案。

2)巖溶地區(qū)高邊坡巖土破壞模式多樣，需要根據工程設計經驗，得出多種可能的邊坡破壞模式，并根據多種破壞模型計算邊坡安全穩(wěn)定性及推力計算分析，最終按照最危險滑面及最大推力值進行加固設計。

3)深路塹高邊坡工程施工完成后，在運營階段也應加強樁身、坡面、坡頂位移監(jiān)測及錨索有效受力的監(jiān)測工作，持續(xù)時間一般不少于一個汛期。

［1］鄭穎人，陳祖煜，王恭先，等.邊坡滑坡與工程治理［M］.第2版.北京:人民交通出版社，2010.

［2］TB 10025-2006，J 127-2006，鐵路路基支擋結構設計規(guī)范［S］.

［3］李海光，周德培，李安洪，等.新型支擋結構設計與工程實例［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］鐵道部第一勘測設計院.鐵路工程技術手冊 路基(修訂版) ［M］.北京:中國鐵道出版社，1992.