姜瑜，李亮輝，彭沉彬，張志，王容，彭文順

(1.北京市首發(fā)高速公路建設(shè)管理有限責(zé)任公司，北京市 100071；2.北京市首都公路發(fā)展集團(tuán)有限公司；3.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司)

延崇高速公路被稱為冬奧之路，是2022年冬季奧運(yùn)會(huì)的賽場(chǎng)聯(lián)絡(luò)通道，對(duì)冬奧會(huì)的舉辦起重要的交通保障作用。延崇高速公路自2016年12月開(kāi)工建設(shè)，2019年12月底通車，延崇高速地處北京市延慶山區(qū)，是華北平原向張北高原的過(guò)渡區(qū)域，具有高寒、高地應(yīng)力、水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜的特點(diǎn)，工程建設(shè)中邊坡問(wèn)題比較突出。該文針對(duì)延崇高速公路松山隧道進(jìn)口邊坡在建設(shè)期每年春融期間反復(fù)出現(xiàn)的淺表層滑塌病害，為避免通車運(yùn)營(yíng)后再次出現(xiàn)滑塌，造成不必要的損失，對(duì)該邊坡滑塌的內(nèi)在影響因素進(jìn)行分析和判斷，并擬定有效的永久防護(hù)措施。

1 工程概況

松山隧道進(jìn)口左側(cè)ZK28+764.5～ZK28+960段為挖方路基，邊坡高度約14 m，為粉質(zhì)黏土層邊坡，原設(shè)計(jì)為二級(jí)邊坡，采用拱形骨架防護(hù)，路基挖方于2017年3月開(kāi)始施工，5月施工完成。2017年已施工完成的邊坡在經(jīng)歷一個(gè)冬季后，在2018年4月由于天氣降雨因素發(fā)生第一次塌陷，塌陷長(zhǎng)度15 m，最大塌陷深度1 m，拱圈內(nèi)的土發(fā)生滑移，造成拱圈脫空，滑塌形態(tài)見(jiàn)圖1，經(jīng)臨時(shí)修復(fù)后的邊坡在2019年3—4月期間在降雨誘因下又陸續(xù)發(fā)生了幾次淺表層滑塌，塌陷長(zhǎng)度約40 m，最大塌陷深度約1.5 m。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

松山隧道進(jìn)口邊坡位于北京市延慶區(qū)松山國(guó)家自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，場(chǎng)地地貌上屬低中山山前坡麓地貌，現(xiàn)狀地形整體南北兩側(cè)高，中間低，場(chǎng)地地形起伏較大。

2.2 地層巖性

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及鉆孔資料，邊坡垂向分布地層由新到老依次為：① 雜填土，為施工場(chǎng)地，水泥地面開(kāi)孔，以碎石和砂為主，含建筑垃圾，層厚0.5～2.1 m；② 一般第四紀(jì)坡洪積粉土，黃褐色，稍濕，主要礦物成分為石英、云母，含大量碎石及砂礫，層厚6～7.5 m；③ 一般第四紀(jì)坡洪積粉質(zhì)黏土，黃褐色，稍濕～濕，可塑～硬塑，含氧化鐵、氧化錳，局部含大量碎石及砂礫，層厚5.4～6 m；④ 碎石，雜色，密實(shí)，碎石呈棱角狀，一般粒徑為2～15 cm，最大粒徑20 cm，碎石含量占50%～75%，局部含大直徑塊石；⑤ 燕山期強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，肉紅色，細(xì)?！至＝Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖芯呈碎塊狀，局部呈短柱狀，節(jié)長(zhǎng)3～10 cm，節(jié)理裂縫較發(fā)育。

2.3 氣象水文

項(xiàng)目區(qū)位于延慶西北部山區(qū)，屬大陸季風(fēng)氣候區(qū)，由于海拔較高，地形呈口袋形向西南開(kāi)口，冬季干冷，夏季多雨，春秋兩季冷暖氣流接觸頻繁，對(duì)流異?；钴S。延慶區(qū)多年平均氣溫8.7 ℃，7月平均氣溫23.2 ℃，1月平均氣溫-8.8 ℃，最高氣溫34 ℃，最低氣溫-27.3 ℃，全區(qū)多年平均降雨量約436 mm，年內(nèi)降水主要集中在汛期6—9月，地下水類型主要為孔隙潛水及裂隙潛水，受大氣降水影響明顯。

3 邊坡滑塌成因分析

延崇高速地處山區(qū)，不同季節(jié)溫差較大，邊坡受坡向、植被、土壤性質(zhì)及含水率等影響，在冬春季節(jié)氣溫反復(fù)變化易產(chǎn)生季節(jié)性凍融效應(yīng)，松山隧道進(jìn)口段邊坡處于陰坡面，日照時(shí)間短，受凍融循環(huán)作用更為明顯,從該邊坡的每次滑塌季節(jié)及破壞形態(tài)看，受凍融作用影響較大。季節(jié)性凍土主要受影響位置為地表淺層，當(dāng)氣溫在零下時(shí)開(kāi)始發(fā)育。由地表開(kāi)始向土壤內(nèi)部(邊坡內(nèi)部)發(fā)育。一般時(shí)間為11月下旬至次年1月中旬。季節(jié)性融土主要在春季開(kāi)始，早春時(shí)期，氣溫在0 ℃左右波動(dòng)，隨著空氣溫度不斷升高，土層開(kāi)始融化。由于春季降雨量大，進(jìn)一步影響邊坡內(nèi)土層溫度，邊坡上層的土體基本處于飽和狀態(tài)，隨著含水率的增大，土的抗剪強(qiáng)度急劇下降，從而造成邊坡的滑塌。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形條件及周邊水文地質(zhì)環(huán)境，該邊坡位于東、西兩條沖溝與主溝蘭角溝交接部位，邊坡南側(cè)為山體，正常情況下，一部分地表水流入兩條沖溝后再匯入主溝蘭角溝內(nèi)或直接流入蘭角溝內(nèi)；另一部分下滲形成淺層地下水，同時(shí)山體基巖裂隙水從上往下滲流，受隧道施工以及堆渣的影響，山體地表水進(jìn)入蘭角溝渠道受阻，大量地表水下滲形成淺層地下水，冬季由于坡面受凍，坡體內(nèi)地下水位較高，春融季節(jié)邊坡表層土體解凍后，融化深度范圍內(nèi)的土體順著坡面向下滑動(dòng)，造成路塹邊坡滑塌。

4 邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 滑塌力學(xué)模型分析

根據(jù)邊坡凍融滑塌的破壞原因分析及實(shí)際滑塌面現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，為便于進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析，將凍融滑塌的受力分析進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：① 邊坡的破壞模式按直線形破壞，且與邊坡的坡面平行；② 滑體處于飽和狀態(tài)，滑動(dòng)面是相對(duì)隔水層，滑面以下仍處于凍結(jié)狀態(tài)；③ 此類破壞多屬于淺表層破壞，滑動(dòng)土體厚度遠(yuǎn)小于坡長(zhǎng)，因此邊坡受力分析時(shí)可不考慮坡長(zhǎng)因素；④ 每個(gè)單元土柱垂直面上作用的水平力大小相等，方向相反。如圖2、3所示。

圖2 邊坡計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖3 邊坡凍融滑塌破壞受力分析

R=c+(σ-u)tanφ

其中σ=Qcosω=γsathscos2ω，u=γwhscos2ω

邊坡滑動(dòng)面上產(chǎn)生的剪應(yīng)力為：

T=Qsinω=γsathscosωsinω

則穩(wěn)定系數(shù)：

K=[(γsat-γw)hscos2ωtanφ+c]/(γsaths·cosωsinω)

式中：Q為土體單元重；c為以有效應(yīng)力表示的黏聚力；φ為以有效應(yīng)力表示的內(nèi)摩擦角；ω為邊坡坡角；σ為總應(yīng)力；u為孔隙水壓力；γsat為土的飽和重度；γw為水的重度；hs為滑動(dòng)土體的平均厚度。

4.2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

松山隧道進(jìn)京線K28+870～K28+935段左側(cè)邊坡補(bǔ)充勘察共完成鉆孔7個(gè)，計(jì)算用剖面3個(gè)，其中2-2剖面作為計(jì)算控制性剖面，該邊坡土質(zhì)主要為可塑～硬塑狀粉質(zhì)黏土，原設(shè)計(jì)邊坡坡率為1∶1，春融季節(jié)邊坡失穩(wěn)破壞前土體處于飽和狀態(tài)，滑帶土c、φ值參考同類地層殘余抗剪強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合穩(wěn)定性反算成果綜合確定，滑體土重度值：飽和重度取γsat=20 kN/m3；穩(wěn)定性計(jì)算采用的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為：黏聚力平均值c=8.3 kPa、內(nèi)摩擦角φ=15.5°。根據(jù)幾次滑塌現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)查，滑塌體平均厚度約為1 m。根據(jù)上述公式計(jì)算穩(wěn)定性結(jié)果如表1所示。

表1 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

穩(wěn)定系數(shù)K=0.97<1，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，表明在春融季節(jié)邊坡飽水條件下，原設(shè)計(jì)坡率1∶1(邊坡坡角為45°)是不穩(wěn)定的，根據(jù)此思路，可以設(shè)定穩(wěn)定系數(shù)反求出邊坡臨界坡率，如設(shè)定：

K=[(γsat-γw)hscos2ωtanφ+c]/(γsathscosωsinω)=1

代入已知參數(shù)，求出ω=41°(坡率1∶1.15)，即當(dāng)邊坡坡率為1∶1.15時(shí)，邊坡處于極限平衡狀態(tài)。

根據(jù)JTG D30-2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》要求邊坡的穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)大于1.2，同樣反求出ω=29.8°(坡率1∶1.75)，即當(dāng)邊坡坡率緩于1∶1.75時(shí)，該挖方邊坡基本能自穩(wěn)并滿足規(guī)范安全系數(shù)要求，如邊坡設(shè)計(jì)坡率陡于上述坡率時(shí)，需對(duì)邊坡進(jìn)行加強(qiáng)支擋并輔以邊坡土體排水措施。

5 凍融循環(huán)效應(yīng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析

5.1 模型的建立

為揭示凍融對(duì)邊坡土體的劣化過(guò)程，以及對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性的影響。該部分采用數(shù)值分析的手段，對(duì)凍融次數(shù)和凍融深度兩個(gè)要素進(jìn)行研究。模型采用Midas/GTS建立，材料采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，地層嚴(yán)格按勘察報(bào)告劃分，共分為5個(gè)地層。模型物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 邊坡土體物理力學(xué)參數(shù)

計(jì)算流程分3個(gè)施工步：

(1) 施加重力作用，并進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，位移清零。

(2) 進(jìn)行正常工況邊坡穩(wěn)定性分析。

(3) 通過(guò)改變單元材料屬性改變凍融影響深度坡表土體參數(shù)，進(jìn)行凍融條件下的邊坡穩(wěn)定性分析。

5.2 結(jié)果分析

5.2.1 不同坡率

坡率分別為1∶1、1∶1.5、∶1∶1.75條件下邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖4～6所示。

圖4 坡率為1∶1邊坡計(jì)算結(jié)果

圖5 坡率為1∶1.5邊坡計(jì)算結(jié)果

從分析結(jié)果可看出：隨著坡率的減緩，邊坡安全系數(shù)顯著增大，從1.36增加到1.62。同一坡率下，凍融

圖6 坡率為1∶1.75邊坡計(jì)算結(jié)果

對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成影響。穩(wěn)定性的影響程度還需進(jìn)一步研究。

5.2.2 不同凍融循環(huán)次數(shù)

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，得到了不同凍融循環(huán)次數(shù)條件下邊坡土體的強(qiáng)度參數(shù)，并通過(guò)數(shù)值模擬，分析了不同凍融循環(huán)次數(shù)條件下邊坡的穩(wěn)定性，分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同凍融循環(huán)次數(shù)下邊坡安全系數(shù)

從圖7可看出：① 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，邊坡安全系數(shù)逐漸下降。坡率越陡，安全系數(shù)下降越快。且在凍融循環(huán)的前期，下降幅度稍緩，到第2個(gè)循環(huán)，下降幅度開(kāi)始增大，后期又減緩。這同邊坡表層土體的劣化過(guò)程基本保持一致。邊坡坡率放緩到1∶1.75才能保證凍融條件下還處于安全狀態(tài)。

5.2.3 不同凍融深度

根據(jù)工程所在地氣象數(shù)據(jù)，該地凍土深度為1 m左右。為研究邊坡土體凍融深度對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響，通過(guò)數(shù)值模擬，分析了凍融深度取0.25、0.5、0.75、1.0、1.25 m條件下邊坡的穩(wěn)定性，分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同凍融深度下邊坡安全系數(shù)

從圖8可看出：隨著凍融深度的增加，邊坡安全系數(shù)逐漸下降。坡率越陡，安全系數(shù)下降越快。坡率為1∶1和1∶1.5工況下，極限凍融深度均為0.75 m。坡率為1∶1.75在凍融深度達(dá)到1.25 m時(shí)仍能保持安全狀態(tài)。

6 處治措施

針對(duì)該邊坡在施工期間經(jīng)臨時(shí)修復(fù)后也不斷出現(xiàn)滑塌破壞的現(xiàn)象，永久方案設(shè)計(jì)遵循“一次根治，不留后患”的原則，采用如下措施進(jìn)行整治：① 根據(jù)前文分析的結(jié)論，通過(guò)放緩坡率提高邊坡的穩(wěn)定性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形及實(shí)際可行性，將邊坡坡率放緩至1∶1.5，并增強(qiáng)邊坡防護(hù)強(qiáng)度，采用鋼筋混凝土拱形護(hù)坡；② 為減輕坡面受凍融影響，坡面綠化采用袋裝腐殖土的方式，降低邊坡凍融深度并有利于促進(jìn)邊坡植被恢復(fù)；③ 為了加強(qiáng)坡面及坡體內(nèi)排水設(shè)計(jì)，拱形骨架護(hù)坡窗孔內(nèi)填鉛絲石籠，滲水通過(guò)排水管匯集進(jìn)入道路路面下的暗排系統(tǒng)排出。

7 結(jié)論

(1) 對(duì)于高寒山區(qū)的路塹邊坡，在邊坡設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮冰凍地區(qū)的特點(diǎn)，邊坡高度很低的路塹邊坡在受凍融影響下往往也會(huì)發(fā)生滑塌。

(2) 凍融滑塌的破壞以直線形為主，厚度一般約為1 m，基本屬于淺表層滑塌。

(3) 隨著凍融次數(shù)及深度的增加，邊坡安全系數(shù)逐漸下降。坡率越陡，安全系數(shù)下降越快。坡率為1∶1和1∶1.5工況下，極限凍融深度為0.75 m。坡率為1∶1.75在凍融深度達(dá)到1.25 m時(shí)仍能保持安全狀態(tài)。

(4) 寒區(qū)邊坡設(shè)計(jì)建議采用放緩邊坡坡率并加強(qiáng)邊坡地下水引排的設(shè)計(jì)思路，并充分考慮山區(qū)冬季嚴(yán)寒對(duì)導(dǎo)排水設(shè)施的不利影響。