劉運澤，洪 勇，李柏霄

(1.中鐵十二局集團 第一工程有限公司，陜西 西安 710038；2.西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055)

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，工程建設(shè)日益頻繁、規(guī)模日益增大，遇到的邊坡穩(wěn)定問題也越來越突出，邊坡失穩(wěn)形成滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，輕則增加投資、延長工期，重則摧毀建筑物、造成人員傷亡.因此，邊坡治理一直是我國災(zāi)害治理的重要任務(wù)，邊坡支護設(shè)計也是土木工程領(lǐng)域的重要課題之一.

多年來，國內(nèi)外學者針對邊坡失穩(wěn)機理及加固理論的研究、邊坡加固方案的設(shè)計及優(yōu)化以及施工中的新技術(shù)等開展了大量的研究工作，取得了許多重要成果.隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，很多學者運用數(shù)值軟件對邊坡穩(wěn)定性及邊坡加固方案進行優(yōu)化及評價.吳紅剛[1]等考慮滑坡與隧道的空間關(guān)系，研究隧道-滑坡體系類型及其相互作用模式，結(jié)果表明不同體系受力與變形存在差異，相互作用隨距離的增加而減弱.孫學毅[2]基于巖土邊坡加固的豐富經(jīng)驗，總結(jié)了邊坡治理施工的工法要素，重點探討了預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡機理.蘇立君[3]等通過數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗研究了土釘支護結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)對邊坡加固的效果.Zhang[4]等通過離心模型實驗和基于圖像的分析方法研究了抗滑樁加固邊坡機理.楊志法[5]等針對不同工程地質(zhì)邊坡提出了四項邊坡加固新技術(shù).Li[6]等研究了混凝土帆布用于邊坡防護的力學性能和穩(wěn)定性.羅麗娟[7]等對滑坡防治工程及其現(xiàn)狀進行了綜述.王恭先[8]對滑坡防治方案的選擇和優(yōu)化進行系統(tǒng)的總結(jié)和歸納.洪勇[9]等采用支持向量機方法對邊坡的穩(wěn)定性進行了研究.

相關(guān)學者的理論研究、數(shù)值模擬、試驗研究為邊坡工程穩(wěn)定性分析和工程治理提供了一定的參考和依據(jù).但是由于邊坡工程的地質(zhì)條件、所處環(huán)境、巖土參數(shù)等各種因素影響，特別是針對大型邊坡工程的綜合加固相關(guān)機制研究和加固參數(shù)優(yōu)化比選還有待進一步深入研究.邊坡工程治理常見技術(shù)有削坡減載、支擋結(jié)構(gòu)、坡體加固等結(jié)構(gòu)形式及其組合[10-12]，針對單一的治理方案優(yōu)化相關(guān)學者已經(jīng)開展了很多研究工作.然而，傳統(tǒng)的治理方案往往不能做到全局最優(yōu)化設(shè)計，不是偏于保守就是偏于不安全，無法給出明確的安全、經(jīng)濟指標[8].因此，基于加固方案全局優(yōu)化設(shè)計得到的邊坡綜合治理技術(shù)體系，是邊坡加固治理方面極具應(yīng)用前景的工作，尤其對于規(guī)模較大的邊坡體具有顯著的理論指導意義和現(xiàn)實價值.

我國廣東嶺南地區(qū)分布有大量古堆積體邊坡[13-15]，隧道穿越堆積體邊坡將給施工帶來極大的困難[16-17]，尤其是體積巨大的不穩(wěn)定堆積體邊坡，須秉持先治坡后進洞原則，保證施工安全.本文以廣東省汕湛高速公路惠州至清遠段太和洞隧道洞口大規(guī)模古滑坡堆積體治理工程為背景，綜合考慮防排水、坡前反壓、抗滑樁、錨索錨桿框架梁等治理措施，研究了大型古堆積體邊坡綜合治理技術(shù).基于理論計算、數(shù)值模擬，對邊坡反壓現(xiàn)場技術(shù)方案，抗滑樁位置、尺寸、距坡頂距離，錨索預(yù)應(yīng)力值等參數(shù)進行設(shè)計并進行優(yōu)化，通過分析堆積體治理前后的穩(wěn)定性，形成了一套較完整的隧道洞口堆積體綜合治理技術(shù)，為大規(guī)模堆積體邊坡加固工作的定量化優(yōu)化設(shè)計和工程安全提供理論依據(jù)和工程指導.

1 堆積體邊坡概況

太和洞隧道隧址區(qū)場地為低山地貌，地形切割較為劇烈，隧道洞口淺埋，地表為含有碎石、塊石的粉質(zhì)黏土，層厚為3～10 m不等，下部基巖為全風化泥質(zhì)粉砂巖，V級圍巖，巖體結(jié)構(gòu)破碎，極易失穩(wěn)，洞門上方坡度約為45°.隧道右洞洞口上方存在一個常年人工取土形成的取土陡坎古堆積體邊坡，堆積體平面呈圈椅狀.由于取土后山坡形成臨空面，坡體自然支承力削弱，順坡向巖層產(chǎn)生卸荷作用產(chǎn)生拉裂，導致地表產(chǎn)生裂縫.同時雨水常年沿裂縫灌入，進一步侵蝕軟化巖層，使裂隙有擴大趨勢，但目前滑面并未貫通.

圖1 隧道洞口堆積體縱斷面示意圖Fig.1 Longitudinal section of the accumulation body at tunnel portal

表1 巖土體計算參數(shù)表

根據(jù)平面地質(zhì)調(diào)繪、超高密度電法物探、地質(zhì)鉆探及室內(nèi)試驗等勘察方法，表明堆積體具有多層、多級的特點，具體可劃分前、中、后三級.如圖1，其中前級邊坡為既有變形區(qū)，中級邊坡為潛在變形區(qū)，后級邊坡則為坡體后部較大范圍的緩坡區(qū)域.該堆積體長期處于極限平衡狀態(tài)，洞口開挖前須對邊坡進行預(yù)加固處理.

2 邊坡加固理論計算

通過對該邊坡的簡化模型進行理論計算初步擬定邊坡支護結(jié)構(gòu)布置方案，后續(xù)運用數(shù)值模擬對方案中的具體布置參數(shù)優(yōu)化比選后制定.邊坡簡化模型理論計算包括確定計算斷面及滑面參數(shù)、計算剩余下滑力、擬定初步方案幾個步驟.

2.1 滑面參數(shù)及反算指標確定

選取該邊坡的中間主軸斷面(如圖1)作為計算斷面.在邊坡治理工程實施前，結(jié)合各潛在滑動面的變形特點及穩(wěn)定程度，確定的各地層的土體力學指標作為反算參數(shù).由于邊坡前緣出現(xiàn)多條拉裂縫，中部及后緣未出現(xiàn)拉裂縫，因此該斜坡體處于蠕滑變形階段，未形成貫通滑動面和大規(guī)模失穩(wěn).滑面參數(shù)結(jié)合邊坡主滑方向斷面地質(zhì)勘探資料，取不同工況下兩種計算穩(wěn)定系數(shù)進行下滑力反算.計算結(jié)果見表2.

表2 邊坡治理前各滑面穩(wěn)定程度評估與穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果

表3 計算斷面穩(wěn)定性分析與滑坡推力計算結(jié)果

2.2 剩余下滑力計算

結(jié)合邊坡穩(wěn)定性評估與各地層土體力學指標反算成果，設(shè)計邊坡加固治理方案，并驗算治理方案效果.根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》采用安全系數(shù)1.25和1.30計算邊坡剩余下滑力.

表3給出了三個潛在滑動面的穩(wěn)定評估，及其相應(yīng)的抗滑樁剩余下滑力.其中第二級滑面：內(nèi)摩擦角φ=11.4°，粘聚力c=15 kPa.當安全系數(shù)FS=1.25時，計算剖面第一排抗滑樁設(shè)樁處下滑力為1 420.2 kN/m，第二排抗滑樁設(shè)樁處下滑力為1 200.9 kN/m，滑體的剩余下滑力為1 672.4 kN/m；當安全系數(shù)Fs=1.30時，計算剖面第一排抗滑樁設(shè)樁處下滑力為1 811.4 kN/m，第二排抗滑樁設(shè)樁處下滑力為1 445.2 kN/m，滑體的剩余下滑力為2 153.7 kN/m.

最終以第二級滑面的計算結(jié)果參數(shù)進行支護方案設(shè)計.第二排抗滑樁支擋后，剩余下滑力將不再傳遞，則第一級抗滑樁處剩余下滑力為1 215.8 kN/m.

3 加固治理方案參數(shù)優(yōu)化及效果評價

3.1 原邊坡穩(wěn)定性分析

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，通過強度折減法對原邊坡的穩(wěn)定性進行分析，整體模型X方向長160 m，Y方向?qū)?20 m，豎向(Z方向)高75 m.模型上部邊界取至地表，為自由邊界，其余邊界均施加固定約束.模型分為地表粉質(zhì)黏土和下伏基巖兩層.模型巖土體計算參數(shù)均來自于試驗結(jié)果計算和工程地質(zhì)勘察報告.相應(yīng)的計算參數(shù)見表1.

數(shù)值分析結(jié)果圖2表明，自然狀態(tài)下滑坡體的安全系數(shù)為1.05，遠未達到《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中三級邊坡安全系數(shù)為1.25的要求，且處于極限平衡狀態(tài)，稍加擾動即可能發(fā)生坍塌破壞，因此必須進行加固治理.

圖2 自然滑坡體剪切應(yīng)變增量分布、安全系數(shù)及速度矢量圖Fig.2 Incremental distribution of shear strain, safety factor and velocity vector diagram of natural landslide

3.2 加固方案擬定

以邊坡中間主軸中級滑面為控制滑面，剩余下滑力作為計算推力，依托理論計算結(jié)果，初步加固方案為：塹頂處設(shè)計兩排埋置式抗滑樁；邊坡坡面處設(shè)計低預(yù)應(yīng)力錨索、錨桿框架梁，用于錨固穩(wěn)定邊坡，防止邊坡土體繼續(xù)被牽引.另外，在洞口坡腳處減一跨橋梁并增設(shè)路基進行回填反壓；在滑坡體周界外圍設(shè)計截排水溝，坡體內(nèi)設(shè)計若干集水井，完善排水措施，用粘土充填坡頂處的拉裂縫，阻隔滲流，防止雨水對滑坡體進一步侵蝕.

抗滑樁在塹頂處共設(shè)置前后兩排，間距50 m；第一排共16根，樁長28 m，其中左洞左側(cè)7根，樁間距6 m，左右洞之間5根，樁間距5 m，右洞右側(cè)4根，樁間距5.5 m；第二排共15根，間距6 m，樁長36 m.所有抗滑樁均按照工程實際布置，模型中抗滑樁通過FLAC中的pile結(jié)構(gòu)單元添加.

在第一排抗滑樁處，每根抗滑樁布置兩根預(yù)應(yīng)力錨索，錨索總長23 m，其中錨固段10 m，自由段13 m.在坡面靠近坡頂處設(shè)置4根預(yù)應(yīng)力錨索，規(guī)格與抗滑樁上錨索相同，在坡面靠近坡腳處設(shè)置4根錨桿，長度為15 m.所有錨索均按照工程實際布置，坡面錨索、錨桿通過cable結(jié)構(gòu)單元添加.其中坡面處采用框架梁連接錨索及錨桿，框架梁間距為3 m×3 m.支護結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4、表5.

表4 預(yù)應(yīng)力錨索、錨桿物理力學參數(shù)

表5 抗滑樁物理力學參數(shù)

3.3 加固方案參數(shù)優(yōu)選

為確定最優(yōu)的邊坡加固參數(shù)，針對抗滑樁位置、抗滑樁尺寸、錨索預(yù)應(yīng)力三個參數(shù)進行優(yōu)化分析，對比分析不同參數(shù)下邊坡安全系數(shù)以及坡頂最大水平位移.與此同時，現(xiàn)場選取三個監(jiān)測點監(jiān)測坡頂最大水平位移，1#監(jiān)測點位于第一排抗滑樁之前，主要監(jiān)測坡體前緣變形信息；2#監(jiān)測點位于兩排抗滑樁之間，隧道左右洞之間，主要監(jiān)測既有滑面變形；3#監(jiān)測點位于第二排抗滑樁之后，變形體潛在不穩(wěn)定周界之外，主要監(jiān)測坡體后緣變形信息.

(1)抗滑樁位置優(yōu)化

對于抗滑樁位置，本文選取三種布置方案進行對比分析.三種布置方案分別為：第一排抗滑樁距離坡頂前端5 m，第二排抗滑樁距離坡頂前端55 m；第一排抗滑樁距離坡頂前端10 m，第二排抗滑樁距離坡頂前端60 m；第一排抗滑樁距離坡頂前端15 m，第二排抗滑樁距離坡頂前端65 m.三種加固工況下滑坡體的坡頂最大水平位移曲線及安全系數(shù)計算結(jié)果見圖3.

圖3 雙排抗滑樁不同位置時滑坡體最大水平變形曲線及安全系數(shù)Fig.3 Maximum horizontal displacement curve and safety factor of sliding slope at different positions of double-row anti-slide pile

計算表明第一排抗滑樁距離坡頂前端5 m第二排抗滑樁距離坡頂前端55 m時，滑坡體安全系數(shù)為1.227；第一排抗滑樁距離坡頂前端10 m第二排抗滑樁距離坡頂前端60 m時，滑坡體安全系數(shù)為1.301；在第一排抗滑樁距離坡頂前端15 m第二排抗滑樁距離坡頂前端65 m時，滑坡體安全系數(shù)為1.191.形成以上規(guī)律的主要原因是由于邊坡前緣坡腳處人工開挖形成陡坎，滑動方式表現(xiàn)為牽引式，方向在近坡面處上翹，表現(xiàn)為“剪出”；邊坡中部處滑動方向幾乎與坡面平行，且沿順坡向，表象為“剪切”；邊坡后緣坡頂處較緩，滑動方向為垂直向下，表現(xiàn)為“地表沉降”.上述規(guī)律表明抗滑樁的位置過于靠前以及靠后都不利于邊坡的穩(wěn)定.同時，坡頂最大水平位移變形特點也很好地反映了上述規(guī)律，當坡頂抗滑樁分別位于10 m和60 m的位置時坡頂水平變形量最小.綜合考慮邊坡安全系數(shù)以及水平變形量，認為最有方案為第一排抗滑樁距離坡頂前端10 m第二排抗滑樁距離坡頂前端60 m處.

(2)抗滑樁截面尺寸優(yōu)化

對于抗滑樁截面尺寸，本文選取三種截面尺寸進行對比分析.三種尺寸分別為：2 m×2 m，2 m×3 m，3 m×3 m.其中,2 m×3 m抗滑樁截面較長邊順坡向布置.三種加固工況下滑坡體坡頂最大水平位移曲線及安全系數(shù)計算結(jié)果如圖4所示，可以看出，抗滑樁截面積對于滑坡體穩(wěn)定性影響較小，在使用截面積為4 m2的抗滑樁時，坡體安全系數(shù)計算結(jié)果為1.280；在使用截面積為6 m2的抗滑樁時，坡體安全系數(shù)計算結(jié)果為1.301；在使用截面積為9 m2的抗滑樁時，坡體安全系數(shù)計算結(jié)果為1.309；不同截面面積下坡頂最大水平位移量隨著抗滑樁尺寸的增大而減小.顯然，抗滑樁截面面積越大，對于坡體穩(wěn)定性提升效果越好.但考慮到經(jīng)濟效益，在已滿足安全要求的前提下，應(yīng)盡可能節(jié)省材料使用，在工況三比工況二樁身橫截面積增加近一倍的情況下，安全系數(shù)增幅僅為0.008，因此認為最優(yōu)方案應(yīng)為截面尺寸2 m×3 m 的抗滑樁.

(3)錨索預(yù)應(yīng)力優(yōu)化

對于錨索預(yù)應(yīng)力設(shè)置，本文選取三種預(yù)應(yīng)力大小計算結(jié)果進行對比分析.三次分別施加100 kN、150 kN、200 kN預(yù)應(yīng)力.三種加固工況下滑坡體坡頂最大水平位移曲線及安全系數(shù)計算結(jié)果如圖5所示，由圖可以看出，在較低預(yù)應(yīng)力水平時，預(yù)應(yīng)力大小對于滑坡體穩(wěn)定性影響較大，在較高預(yù)應(yīng)力水平時，預(yù)應(yīng)力大小對于滑坡體穩(wěn)定性影響較小.因此對預(yù)應(yīng)力大小的設(shè)置要適中，才能最大限度地對坡體進行有效加固.在工況一預(yù)應(yīng)力大小為100 kN時，安全系數(shù)計算結(jié)果為1.275；在工況二預(yù)應(yīng)力大小為150 kN時，安全系數(shù)計算結(jié)果為1.301，提升較為明顯；在工況三預(yù)應(yīng)力大小為200 kN時，安全系數(shù)計算結(jié)果為1.304，提升非常?。徊煌A(yù)應(yīng)力大小下坡頂最大水平位移量隨著錨索預(yù)應(yīng)力的增大而減小.顯然，錨索預(yù)應(yīng)力越大，坡體穩(wěn)定性提升效果越好.同樣，在滿足安全和規(guī)范要求的前提下，基于加固成本的經(jīng)濟效益考慮，推薦最優(yōu)方案為采用預(yù)應(yīng)力150kN的錨索對邊坡進行加固治理.

圖4 抗滑樁不同截面尺寸時滑坡體最大水平變形曲線及安全系數(shù)Fig.4 Maximum horizontal displacement curve and safety factor of sliding pile with different cross section sizes

圖5 錨索施加不同預(yù)應(yīng)力時滑坡體最大水平變形曲線及安全系數(shù)Fig.5 Maximum horizontal displacement curve and safety factor of landslide body with different prestress applied to anchor cable

3.4 洞口路基反壓對邊坡穩(wěn)定性影響

太和洞隧道洞口施工時，隧道洞口前方與橋相連，橋隧相連處場地較窄，出于安全和增大施工場地考慮，研究了洞口橋梁減跨增設(shè)路基對坡體進行反壓的加固措施.本文也分析了該措施對滑坡體穩(wěn)定性的影響以及治理效果.路基反壓的數(shù)值實現(xiàn)通過在坡腳前部施加均布荷載后進行坡體穩(wěn)定性分析.

增設(shè)路基反壓能夠有效的抑制滑動面的產(chǎn)生與貫通，從圖6可以看出，增設(shè)路基反壓后，在坡腳前的地面處，由于受路基壓力，能夠有效地抑制邊坡下滑，其安全系數(shù)提高了3%，由1.301提升至1.340，表明滑坡體穩(wěn)定性得到了明顯提升，且能夠很好地結(jié)合工程現(xiàn)場實際情況，節(jié)省施工成本，擴大施工場地，帶來巨大收益.

圖6 路基反壓前后坡體最大水平變形曲線及安全系數(shù)Fig.6 Maximum horizontal displacement curve and safety factor before and after subgrade reverse pressure

3.5 邊坡綜合治理效果評價

經(jīng)分析計算，不同最優(yōu)加固參數(shù)下以及自然狀態(tài)下洞口邊坡的安全系數(shù)如圖7所示，自然狀態(tài)下下滑坡體安全系數(shù)為1.05，幾乎處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，稍加擾動即可能發(fā)生破壞，單項邊坡加固措施僅能夠滿足規(guī)范要求的安全系數(shù)，但是缺少一定的安全儲備；經(jīng)綜合加固治理后，則安全系數(shù)提升至1.340，綜合治理效果見圖8.根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，一般工況下安全等級為三級的永久邊坡安全系數(shù)須大于1.25，顯然綜合加固治理方案已完全滿足規(guī)范要求，其安全等級已達到一級，可認為已足夠安全，可進行后續(xù)施工.

圖7 不同加固方案邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fig.7 Safety factor of landslide body with different reinforcement measures

4 工程加固效果

依據(jù)優(yōu)化后的邊坡加固處理方案，對太和洞隧道洞口處邊坡進行治理，如圖8，布設(shè)兩排抗滑樁支護，同時在斜坡上設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索框架梁對因開挖損失的應(yīng)力進行補償.另外，從工程最不利工況出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，在洞口坡腳處減一跨橋梁并增設(shè)路基進行回填反壓；在滑坡體周界外圍設(shè)置一條截排水溝和若干集水井，完善排水措施.用粘土充填坡頂處的拉裂縫，阻隔滲流，防止雨水對滑坡體進一步侵蝕.

圖8 現(xiàn)場效果圖Fig.8 Scene diagram

在方案制定實施過程中，現(xiàn)場同時進行了滑坡體變形監(jiān)測，一個鉆孔中布置A、B兩個方向的位移監(jiān)測，A方向平行于邊坡坡面，B方向與之垂直.邊坡加固治理施工開始時間在6月底，8月上旬結(jié)束，隨后進行隧道開挖施工.圖9反映出，施工過程中由于邊坡開挖卸荷及隧道進洞開挖施工，在開挖坡面、掌子面及隧道圍巖附近的一定范圍內(nèi)應(yīng)力水平急劇降低，變形體應(yīng)力調(diào)整，臨空面應(yīng)力釋放，巖體原有的節(jié)理張開或產(chǎn)生新的節(jié)理，形成開挖卸荷松弛區(qū)，影響變形體的整體穩(wěn)定，造成變形體位移增量增加，發(fā)生波動，但位移增量都位于10 mm以下，截至9月上旬，隧道已開挖18 m左右，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，隧道進洞開挖以后，邊坡變形增量呈明顯下降趨勢，前中后三級邊坡位移速率逐漸減少，整體變形速率始終處于較低值，加固治理有效提高了坡體穩(wěn)定性.

圖9 鉆孔監(jiān)測位移增量變化Fig.9 Borehole monitoring displacement increment

5 結(jié)論

(1) 太和洞隧道洞口邊坡為大型堆積體邊坡，由于長期人工取土坡前形成人工陡坎造成邊坡堆積體處于極限平衡狀態(tài)，隧道穿越堆積體施工易造成邊坡失穩(wěn)，堆積體規(guī)模巨大，加固治理效果要求高.因此，單一的支護措施無法滿足要求，需綜合采用多種支護措施并優(yōu)化組合.

(2) 通過數(shù)值模擬對抗滑樁位置、抗滑樁截面尺寸、坡面錨索預(yù)應(yīng)力三個支護結(jié)構(gòu)設(shè)置參數(shù)進行了優(yōu)化必選.結(jié)果表明，當?shù)谝慌趴够瑯毒嚯x坡頂前端10 m，第二排抗滑樁距離坡頂前端60 m，抗滑樁截面尺寸為2 m×3 m，錨索施加預(yù)應(yīng)力為150 kN時，該邊坡加固治理方案為最優(yōu)方案.

(3) 本工程滑坡體坡腳處地基土體較軟，承載力差，易造成路堤失穩(wěn)或產(chǎn)生過大的工后沉降變形.治理過程中結(jié)合太和洞隧道出口明洞、路基及橋臺的設(shè)計，采用了減一跨橋臺并增設(shè)路基的方案，加強洞口坡腳對邊坡的反壓效果.數(shù)值模擬計算結(jié)果表明對路基和橋臺優(yōu)化后邊坡安全系數(shù)提高了3%，由1.301提升至1.340，有利于邊坡安全和施工.

(4) 經(jīng)過綜合加固治理后的古滑坡堆積體邊坡安全系數(shù)提升至1.340，已滿足《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》要求，其安全等級已達到一級，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，邊坡加固治理施工及隧道進洞開挖施工過程中，邊坡變形未見明顯增加，綜合加固治理效果安全可靠.