张吉怀高速铁路深路堑边坡失稳机理及治理措施.pdf

第 63 卷 第 7 期2023 年7 月铁道建筑Railway EngineeringVol.63 No.7July 2023文章编号：10031995（2023）07013806张吉怀高速铁路深路堑边坡失稳机理及治理措施谭家华中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063摘要 张吉怀（张家界吉首怀化）高速铁路某深路堑施工过程中出现坡顶开裂错动、环形裂缝、桩孔护壁开裂等变形迹象，通过地质调绘、钻探、地表及深部位移监测等手段，查明坡体地质特征，获取滑面信息，并结合施工现状采取了针对性工程处理措施。结果表明：工程区为炭质页岩地层，风化层厚，受区域断裂带影响，岩体破碎，属劣质岩边坡；地质条件软弱、降雨影响、施工扰动是产生工程滑坡的主要诱因；边坡存在类均质体圆弧滑动和顺弱风化层顶面深层滑动两种破坏模式；通过采取刷方卸载+支挡加固+综合防排水综合处理措施，经评价边坡安全稳定。关键词 高速铁路路基；劣质岩边坡；炭质页岩；位移监测；风化界面滑坡；滑坡治理中图分类号 U238 文献标识码 A DOI：10.3969/j.issn.10031995.2023.07.27引用格式：谭家华.张吉怀高速铁路深路堑边坡失稳机理及治理措施 J.铁道建筑，2023，63（7）：138143.张吉怀高速铁路某深路堑长约90 m，前接隧道，后接桥梁，中心最大挖深14.49 m。线路位于张家界古丈吉首断裂带影响范围内，以寒武系下统牛蹄塘组炭质页岩为主，岩体软弱破碎，为典型劣质岩边坡。2019年1月，施工单位组织对该段路堑施工，23月份出现连续降雨天气。同年3月10日，边坡天沟外侧出现弧形宽张下错裂缝、两侧剪切裂缝、坡脚正在实施的抗滑桩护壁开裂等变形迹象，有逐步发展为滑坡的可能。众多学者对工程滑坡进行了研究。滑坡机理方面，文献 1-6 结合不同工程实例，从地形地貌、地层岩性、地质构造、降雨、人类活动等方面进行了分析，表明降雨入渗软化、工程切坡、加载等是滑坡发生重要诱因；文献 7-8 探究了斜坡内部水土力学变化及稳定性时空演化规律，得出降雨触发松散堆积体斜坡变形破坏过程及模式。稳定性分析方面，文献 9-10采用数值模拟对滑坡不同工况下稳定性进行了分析；文献 11 采用有限差分动力分析法对某整治后的滑坡进行抗震稳定性分析；文献 12 提出一种综合地表与深部位移监测数据的滑坡多目标加权位移反分析方法，提高了反演计算滑坡参数的准确性。滑坡治理方面，文献 13 通过数值模拟，提出斜向锚固桩加固效果要优于竖向桩；文献 14 采用三维有限元程序，分析了抗滑桩-锚索框架组合结构的受力机制，指出抗滑桩需要在边坡坡体产生一定量的位移后才能充分发挥作用，应将抗滑桩设置在牵引式滑坡下缘或推动式滑坡上缘。本文以张吉怀高速铁路某深路堑边坡变形灾害为例，基于综合勘察手段，剖析滑坡发生机理、参数及进一步开挖施工、地下水长期影响下的潜在破坏模式，在此基础上采取工程措施。经变形监测及运营检验，措施合理有效，可为类似工程勘察设计施工提供借鉴。1 工程概况 1.1地貌特征工程区属武陵山区构造剥蚀中低山地貌，见图1。路基工程所在微地貌形态为斜坡状山脊，坡度 20图1边坡工程全貌收稿日期：20230309；修回日期：20230512作者简介：谭家华（1985），男，高级工程师，硕士。E-mail:第 7 期谭家华：张吉怀高速铁路深路堑边坡失稳机理及治理措施30，相对高差近100 m。山体两侧为冲沟，小里程侧山沟较深，沟底较为平缓，坡度 510，沟内常年有水，局部基岩出露，沟两侧坡陡峭，坡度30 45；大里程侧山沟较浅，沟底较陡，平时无水。边坡植被茂密，以杉树为主，未见马刀树、醉汉林等。1.2地层岩性边坡表层分布粉质黏土，以棕黄色为主，硬塑，厚度25 m，局部夹页岩风化碎块，块径25 cm，含量约20%；重度19.3 kN/m3，黏聚力16.8 kPa，压缩模量10 MPa，基本承载力180 kPa。下覆基岩上部为全 强风化层，灰黄色间浅褐色，岩芯为碎块状、砂状，最大厚度25 m，见图2（a）；重度22 kN/m3，基本承载力250 kPa。下部为弱风化炭质页岩层，黑色，污手，裂隙发育，岩体破碎，局部夹煤层，岩芯成砂土状，局部间夹块状，见图2（b）；重度23.5 kN/m3，饱和抗压强度3.5 MPa，基本承载力350 kPa。1.3构造工程区断裂带走向北东、北北东，由一系列压扭性断裂构造组成。经历多期构造运动，断层带内岩体破碎，碎块状、散体状结构，且风化不均。岩层产状300 22（反倾）。1.4水文地质工程区为单面坡山脊地貌，未见常年性地下泉水。在现场调查（5月13日，前两日下较大的雨）中，工程区附近共发现3处地下水出露点（图3），水量不大，出露点均位于炭质页岩弱风化层顶面附近。表明表层粉质黏土夹块石全 强风化层为相对透水层，弱风化层为相对隔水层，地下水主要在弱风化层顶面富集。1.5原设计措施原设计三级边坡，坡脚采用抗滑桩加固，坡面采用框架锚索内客土植草防护。2 边坡变形特征分析 2.1地表裂缝分布特征边坡裂缝主要为后缘弧形裂缝、两侧剪切裂缝以及前缘臌胀裂缝和抗滑桩护壁开裂（图3）。现场采取反压回填后，裂缝无进一步发展。2.1.1后缘弧形裂缝后缘弧形裂缝分布有2条，位于后缘山脊中心两侧，近弧形展布，两者交汇形成整个滑坡的后缘裂缝。大里程侧裂缝最早出现，延伸长度达 60 m，缝宽10 15 cm，顶部错距达 0.8 1.0 m，下部错距达0.4 m，见图4（a）；小里程侧裂缝为后期形成，延伸长度约30 m，缝宽5 10 cm，错距0.1 0.2 m，见图4（b）。由山脊中心向两侧，裂缝宽度及错距逐渐变小，表明中部变形最大。从裂缝出现时间分析，大里程最先出现，小里程侧为后期出现，表明整个边坡变形由局部逐步牵引至整个坡体。2.1.2两侧剪切裂缝两侧剪切裂缝（图5）分布于坡体两侧，与线路方向接近垂直。大里程侧裂缝延伸长度约 3 m，缝宽0 5 cm，无明显下错和位移；小里程侧裂缝贯通性差，共发现3处，单个延伸长度2 4 m，缝宽约5 cm，无明显下错和位移，局部呈X形。总体而言，两侧剪切裂缝断续出现，但未贯通和撕开，表明滑坡现阶段未形图2典型岩芯图4后缘弧形裂缝图3滑坡平面示意139铁道建筑第 63 卷成完全滑动态势。2.1.3前缘鼓胀裂缝和抗滑桩护壁开裂在坡脚施工平台局部出现鼓胀微裂缝，延伸长度约1 m，缝宽1 2 mm。正开挖的抗滑桩护壁出现竖向裂缝，见图6。从边坡整个裂缝分布特征分析，边坡后缘裂缝已贯通并错开，滑体中前部被挤紧，两侧羽毛状裂缝陆续出现但并未贯通和撕开，前缘 X 形微裂缝局部出现，综合判定边坡现阶段处于挤压变形阶段，现场反压回填后，变形趋势明显变缓。2.2边坡平面变形特征现场布置矩形监测网开展位移和沉降监测，确定边坡平面变形范围和主轴断面AA（参见图3）。其水平位移和沉降随时间变化曲线见图7和图8。由图7、图8可知：线路左侧监测点1、裂缝外侧观测点7无明显位移和沉降，表明山体整体稳定性好，现阶段边坡滑动位于线路右侧施工影响范围内，与施工扰动有一定关联。边坡前期变形速率较大，现场采取反压回填临时处理措施后（4月14日），变形基本停止，表明回填反压临时处置措施安全有效，施工开挖形成的临空面是边坡发生变形破坏的主要原因。2.3边坡深部位移特征对AA剖面附近邓路A、邓路B、邓路C、邓路D进行深部位移分析，由于深部位移监测在反压回填完成之后实施，此时边坡变形速率低，所监测变形量较小，见图9。其中，桩左侧为位移曲线，单位为mm。可知：邓路A、邓路B、邓路C均存在明显的位移突变，推测为现状滑面，从滑面形态分析，呈圆弧状；邓路D总变形小于5 mm，曲线形态呈Y形，无明显位移特征。总体而言，深部位移监测结果与平面变形监测基本一致，边坡变形范围为施工开挖形成的临空面控制范围，未形成以山体坡脚为临空面的滑动变形。3 滑坡原因分析 从现场调查及变形监测数据分析，该滑坡属牵引式工程滑坡。因路基本体开挖在前缘形成临空面，地图6抗滑桩开裂图7AA剖面监测点水平位移随时间变化曲线图8AA剖面监测点沉降-时间曲线图9滑坡滑面位置示意图5剪切裂缝140第 7 期谭家华：张吉怀高速铁路深路堑边坡失稳机理及治理措施表水下渗，岩土体重度增大同时被软化，下滑力增大，物理力学参数降低，产生滑移，得益于及时发现并采取有效反压回填临时处置措施，边坡变形未进一步剧烈发展，也未继续向后缘山体扩大牵引范围，形成更大规模滑坡。从深部位移监测数据可知，现阶段滑面为浅部近圆弧滑面，位于全强风化层内部，为典型类均质体结构内发生的圆弧滑动破坏。该滑坡发生的主要原因为工程地质条件极差、降雨影响和施工扰动。1）工程地质条件极差。边坡属典型劣质岩边坡，对水敏感，工程性质差，易受工程扰动、降雨等外界因素影响而发生变形破坏。2）降雨影响。该区近期多连续降雨天气，受堑顶迁坟及坡面施工开挖影响，地表植被和地表覆土封闭层遭到破坏，降雨几乎全部下渗。下渗的雨水赋存于岩土体中，使土体重度增大，整个坡体重度增加，下滑力增大。地下水具有软化作用，降低边坡岩土体物理力学性质，减少滑坡抗力。下部弱风化层为相对阻水层，降雨后滑体中地下水位上升，存在静水压力，地下水径流形成一定的渗透压力，对滑坡稳定不利，是滑坡产生的重要诱因。3）施工扰动。施工开挖边坡造成坡脚应力集中，破坏了原有的应力平衡，且受天气及春节假期影响，原边坡设计支挡防护措施未能及时实施。4 边坡变形趋势预测及滑面参数 4.1边坡变形趋势预测边坡处于微动阶段，主要是以现状开挖面为临空面的浅部圆弧滑动。从施工状态分析，边坡尚未施工到位，坡脚需进一步下挖，因此滑面是否会随着开挖向深部发展需进行分析论证。根据前文分析，表层粉质黏土夹块石全 强风化层属相对透水层，弱风化层为相对隔水层，因此弱风化层顶面成为地下水集中径流面，在长期浸泡软化和渗透力作用下，可能形成贯通的软弱带；同时浅层变形滑移一定程度上破坏了坡体结构，加剧了地表水体的下渗。因此，不排除滑面继续向深部发展，形成以弱风化层顶面为滑面的深层滑动，尤其是在坡脚继续下挖，应力集中进一步加强的情况下，滑面向深部转移的风险进一步增大。综合分析后，将弱风化层顶面作为坡体潜在滑动面，项目组对附近地质条件调查发现，在既有公路、施工便道同类溜坍、滑坡工点较多（图10），进一步印证了分析的准确性。4.2滑面参数滑带土主要为强风化块石夹全风化，难以取样试验，滑面参数获取主要基于地质条件分析，采用反算结合经验确定。4.2.1现状滑面参数回填前，坡面出现滑动，安全系数取 0.95；回填后，坡面稳定，安全系数取1.05。采用圆弧滑动法反算滑动面参数，综合考虑取黏聚力 5 kPa，内摩擦角19.4。4.2.2深层滑面参数深层滑面现阶段处于稳定状态，滑面尚未形成，安全系数取1.2。利用折线法反算滑面参数，综合考虑地下水软化作用及地区工程经验，取黏聚力8 kPa，内摩擦角13。5 边坡综合加固及稳定性分析 将现有边坡开挖至设计标高后，采用传递系数法计算得出，现状滑面和潜在滑面剩余下滑力分别为334.06、1 298.37 kN。受地形限制，不具备大体积刷方卸载条件，需开展专门的支挡加固设计。5.1边坡综合加固根据坡体地质条件及滑坡发生机理，结合工程设置，对边坡采取“刷方卸载+支挡加固+综合防排水”综合处置措施（图11），同时为验证加固措施有效性，于主滑断面上设置地表位移监测点、深部位移自动监测系统。图10弱风化层顶面溜坍体图11边坡整合方案示意141铁道建筑第 63 卷5.1.1刷方卸载边坡整体坡高100 m，不具备大范围刷方减载条件。原设计已采用1 1.75坡率刷坡。在此基础上，将坡脚抗滑桩后移4 m，保留桩前土，加大刷方量，减少下滑力。5.1.2支挡加固边坡共设计三级抗滑桩加固，桩长30 m，截面尺寸 2.5 m 3.0 m，滑面以下锚固段长度 16 17 m。第 1、第 3 级为 2 孔锚索桩板墙，锚索长度 28 30 m，5根钢绞线，锚固段长度12 m，设计锚固力350、400 kN，采用压力分散型锚索；第2级为锚固桩。坡面采用框架锚索加固，锚索长度30 m，5根钢绞线，锚固段长度12 m，设计锚固力425 kN，采用压力分散型锚索。5.1.3综合防排水1）框架内采用40 cm厚C30混凝土护坡。护坡每隔2 3 m上、下、左、右交错设置孔径0.1 m PVC管泄水孔，孔后 0.5 m 0.5 m 范围内设砂砾石窝状反滤层，厚0.3 m。2）各级边坡下部设仰斜排水孔，长度至弱风化层顶面，排除坡体内部地下水。3）边坡外设置天沟，边坡平台设拦水坎，坡脚设侧沟。各排水措施相互连通，形成完善的坡面地表、地下防排水系统。5.2边坡稳定性分析锚索应力按设计锚固力取值，抗滑桩抗剪强度取1.25 MPa，采用SLope计算得出，现状滑面、潜在滑面安全系数分别为2.446、1.353，见图12，满足边坡稳定性要求。整治完成后，监测结果显示边坡变形、应力处于正常范围内。张吉怀高速铁路现阶段已全面开通运营，该边坡历经2个水文年未见滑移迹象，边坡整治措施安全合理。6 结论与建议 本文通过地质调绘、钻探、地表及深部位移监测等手段，查明了坡体地质特征，获取了滑面信息，并结合施工现状采取了针对性工程处理措施。主要结论如下：1）工程区为寒武系下统牛蹄塘组炭质页岩地层，为极软岩，易风化，易软化崩解，且处于区域断裂影响带内，岩体破碎，全 强风化层厚度达25 m，属典型劣质岩边坡。2）连续降雨、施工扰动是产生工程滑坡的主要诱因。边坡以施工开挖面为临空面的层内圆弧滑动，在地下水持续作用下，未来可能继续向深部转移发展成为顺弱风化层顶面的深层滑动。3）通过采取刷方卸载+支挡加固+综合防排水综合处理措施，现阶段边坡安全稳固。极软岩、破碎带、风化带等劣质岩边坡诱发的工程滑坡在铁路工程建设中屡见不鲜，应通过加强地下水的调查、工程滑坡变形趋势预判、施工过程控制等方法规避风险。参考文献1 陈记，袁坤，张玉芳.广东省龙川至怀集公路边坡滑坡机理及加固措施 J.铁道建筑，2020，60（10）：103-106.2 马贤杰，张玉芳，侯李杰，等.红层地区滑坡的分类及形成机制 J.铁道建筑，2021，61（2）：75-78.3 宋章，王科，崔建宏，等.路堑边坡滑坡成因机制浅析及防治对策 J.铁道工程学报，2015，32（4）：27-31.4 贾昊冉，黎志恒，伦国星，等.岩体结构对工程滑坡稳定性的影响分析 J.兰州大学学报（自然科学版），2015，51（6）：837-840.5 王德文，姚瑞珽.吉图珲高速铁路GDK283段膨胀土深路堑工程滑坡分析 J.铁道标准设计，2016，60（8）：25-29.6 曹春山，吴树仁，潘懋，等.工程切坡诱发黄土滑坡成因机制研究 J.岩土力学，2016，37（4）：1049-1060.7 孟生勇，江兴元，杨义，等.降雨诱发堆积体滑坡水土响应与稳定性时空演化试验研究 J.水文地质工程地质，2023，50（1）：104-112.8 王浩，王明哲，陈秀晖，等.复杂路堑高边坡施工期多次滑动机理分析与讨论 J.中国地质灾害与防治学报，2016，27（3）：14-21.9 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geological characteristics of the slope were identified，the slip surface information was obtained，and some targeted engineering treatment measures were taken based on the current construction situation.The results show that the project area is a carbonaceous shale stratum with thick weathered layer.Affected by the regional Fracture zone，the rock mass is broken and belongs to inferior rock slope.The main causes of engineering landslides are weak geological conditions，rainfall effects，and construction disturbances.There are two failure modes in the slope，namely circular sliding of homogeneous bodies and deep sliding along the weakly weathered top interface.The slope stability is evaluated by taking the comprehensive treatment measures of brush unloading，support reinforcement and comprehensive water prevention and drainage.Key words high speed railway subgrade；poor quality rock slope；carbonaceous shale；displacement monitoring；weathering interface landslide；landslide controlCitation format：TAN Jiahua.Instability Mechanism and Treatment Measures of Deep Cutting Slope of Zhangjiajie-Jishou-Huaihua High Speed Railway J.Railway Engineering，2023，63（7）：138143.（编辑：刘莉 校对：苗蕾）143