臨空條件下鐵路順層邊坡的加固設計

臨空條件下鐵路順層邊坡的加固設計

石有權，陳 雷

(中鐵二院昆明勘察設計研究院有限責任公司，昆明 650200)

摘 要：通過總結渝懷鐵路、株六鐵路、內昆鐵路等鐵路順層邊坡處理工點的成功經驗及失敗教訓，論述可能產生順層滑動的幾種情況以及設計應注意的問題。首次提出順層情況下二面臨空及三面臨空的概念，應特別注意二面臨空及三面臨空情況下更容易發生順層滑動。論述順層邊坡開挖的影響範圍問題，分析總結相應的加固處理措施。

關鍵詞：鐵路邊坡；順層；臨空；滑動；加固

層狀岩體穩定性是人類工程活動中常見的問題，當岩層走向、傾向與開挖坡面滿足一定條件時，將產生岩體邊坡順層滑移[1，2]失穩現象。目前順層問題已經有了較多的研究和總結，但研究的工況主要是針對一面臨空情況。一面臨空順層邊坡是最常見的工程現象，即主要臨空面開挖時形成岩層傾向所開挖的臨空面，設計時容易引起重視，工程措施一般都能設計到位，通常人們所討論和關注的順層問題大多基於這種情況。

工程開挖還經常碰到二面臨空順層、三面臨空順層邊坡，但往往容易被忽視，也少見這方面的研究和報道。本文旨在通過對部分工程案例的分析，探討在順層邊坡設計中需要注意的多面臨空問題和處理措施，提出了順層分析難以確定的影響範圍問題，對於順層分析和檢算具有一定的參考價值。

1 順層形成條件

存在臨空面是形成順層滑動的充分條件，根據工程實踐經驗，一般岩層走向與線路走向夾角小於40°(存在二面或三面臨空時小於60°)且岩層傾向臨空面，視傾角大於10°(存在二面或三面臨空時大於7°)的岩石邊坡，在切割開挖形成臨空面時應按順層設計，由於二面臨空或三面臨空的存在，擴大了形成順層的邊界條件，更容易引發順層滑動。當層間綜合內摩擦角大於岩層視傾角時，一般判定順層邊坡穩定，可以不考慮順層影響。但實際工程中仍有不少因多面臨空、不利結構面以及地下水發育等多因素引起的傾角較緩(傾角小於10°)岩層發生順層滑動情況。因此，順層地段勘察設計應綜合考慮多面臨空等不利因素。

某鐵路DK586+030～+125右側塹坡最大高度僅13 m，為砂質泥岩地層，岩層走向與線路方向夾角達56°，岩層視傾角14°，岩層間綜合內摩擦角為15°，經過分析檢算，穩定係數為1.28，根據以上條件分析，邊坡可以不考慮順層問題，因此路塹按一般邊坡進行設計，坡腳僅設置一般擋土牆。由於岩層發育2組垂直節理，且路塹終點DK586+130為一條橫向溝槽，切割較深，形成3～5 m高臨空面，對於溝槽臨空面則形成順層邊坡，因對二面臨空順層邊坡的認識不足，施工圖設計中未考慮大里程端溝槽對邊坡穩定的影響，僅在路塹坡腳設置2～7 m高擋土牆，邊坡施工完畢1年後於2003年7月7日在經過幾天連續降雨後沿路塹邊坡和橫向溝槽交叉方向發生順層滑坡，滑坡將擋牆推倒，掩埋軌道。究其原因，主要是大里程端有一溝槽形成臨空面，且坡度較陡，由於形成兩面臨空而發生順層滑動。整治方案採用沿路塹及溝槽方向在1.5倍坡高的長度(自然順層溝槽)範圍內，增設抗滑樁、錨桿框架梁等加固工程處理。而與之相隔約300 m的路塹DK586+322～+455右側最大開挖高度達17 m，地質條件完全相同，設計工程措施一致，由於無二面臨空條件，邊坡至今穩定狀況良好。

2 順層邊坡臨空面的幾種情況

按臨空面形成條件，可分為3種情形：一面臨空、二面臨空和三面臨空。臨空面1為路塹邊坡開挖形成，臨空面2為切割較深天然溝槽或陡坎，臨空面3為橫向場坪開挖以及低等級鐵路小半徑曲線開挖形成。

一面臨空：即只有臨空面1，多見於地形為一面坡，坡面無較深切割溝槽、陡坎，線路也無場坪布設的單一路塹開挖情況。這種情況最為普遍，常見於路基邊坡開挖或下擋基坑開挖，由於一般岩層走向與線路方向有一定夾角，若岩層完整性較好，此類情況路塹兩端岩體對順層邊坡有一定約束牽製作用，對邊坡穩定有利，一般只要工程措施得當，施工期、運營期發生病害較少。如圖1所示。

圖1 順層路塹一面臨空平面示意

二面臨空：在臨空面1的基礎上，存在臨空面2或臨空面3的一種情況。多見於路塹一端存在天然切割較深溝槽、陡坎、鐵路場坪開挖較寬出現折線邊坡地段或低等級鐵路小半徑曲線開挖地段。此類情況與一面臨空情形相比，由於減少一個方向的約束，即存在2個臨空面，因此路塹邊坡較一面臨空時的穩定性差。這種情況在路基工程中也常出現，需要引起重視。如圖2所示。

圖2 順層路塹二面臨空平面示意

典型工點如上述某鐵路DK586+030～+125右側路塹邊坡。又如某鐵路DK582路基工點位於車站內，為泥岩邊坡，橫斷面方向開挖路基邊坡無順層問題，但由於車站場坪橫向開挖形成長度28 m邊坡，縱向開挖路基邊坡存在順層問題，由於場坪開挖長度較短，設計時未引起注意，施工完成2年後於2004年6月站坪縱向邊坡發生順層滑坡，後採用順層清方處理。

三面臨空：即同時存在臨空面1、2、3的情況，多見於路塹兩端同時存在天然深切溝槽、陡坎或場坪開挖以及低等級鐵路小半徑曲線地段開挖情況。此類情況由於減少了主要臨空面1兩端兩個方向的約束，進一步增加了下滑的可能性，其穩定性最差。如圖3所示。

圖3 順層路塹三面臨空平面示意

二面臨空或三面臨空情況下，擴展了順層滑動的條件，減少了順層岩體兩端的制約，即使岩層走向與線路方向夾角大於40°或岩層傾角小於10°，也有可能發生滑動。

如某鐵路DK615+602～+830右側路塹邊坡最高20 m，路塹兩端臨空且岸坡較陡，形成三面臨空條件，開挖地層為泥岩夾泥質粉砂岩，發育2組垂直節理，坡頂為水田。岩層走向與線路夾角約10°，岩層傾向線路，傾角僅8°，岩層間綜合內摩擦角為13°，經過分析檢算，穩定係數為1.32，路塹邊坡未按順層設計，僅在坡腳設2～10 m高路塹牆，牆頂設骨架防護。施工中邊坡開挖至牆頂高程附近即發生順層滑動，整治過程中又發生兩次大的滑動，最後採取前緣臨時反壓處理，勉強維持鋪架車輛通行，永久整治措施為坡腳設樁間擋土牆，邊坡平台設置抗滑樁，坡面設錨索框架梁，並設置深層泄水孔排除地下水等綜合措施才得以穩定，增加投資2 000餘萬元。

3 順層邊坡開挖影響範圍

順層邊坡加固設計，若不是採用順層清方處理，則需要計算順層岩體的下滑力，為此需要確定順層坍滑的範圍。根據系列小比例尺模型試驗(圖4)及大量分析研究，不設支擋條件下，開挖鬆弛區沿層面影響範圍與切層厚度之比為4～6.5[3]；設支擋條件下，開挖鬆弛區沿層面影響範圍與切層厚度之比為3～5。根據某鐵路20餘處順層滑坡統計分析，對於已滑動的滑坡，順層滑動面長度與切層厚度之比為7～10；對於坡面出現裂縫、尚未滑動處於變形階段的滑坡，順層滑動面長度與切層厚度之比為4～7。經比較，設支擋後鬆弛區影響範圍較不設支擋時縮小約30%。綜合各種因素，建議順層滑動面長度與切層厚度之比按4～7考慮。順層邊坡分層開挖後及時進行加固，對保證邊坡安全，確保邊坡處理的經濟性和可靠性是非常必要的。

圖4 小比例尺模型試驗切層松馳區與切層厚度關係(單位：m)

4 順層邊坡設計問題探討

4.1 注意緩傾角軟質岩順層問題

一般認為岩層傾角較緩(小於10°)時，不穩定岩體的下滑力較小，開挖後對邊坡穩定影響不大，工程上適當加強支擋防護工程設計即可，但實際情況也有例外，如某鐵路DK174+800發生的錯落平推滑坡，滑面傾角僅有6°。對於緩傾角軟質岩順層，應充分考慮地表水、地下水及節理、裂隙發育、臨空條件等因素對順層邊坡的影響。

4.2 關於順層清方

岩層走向與線路方向夾角大於15°，當順層邊坡受斷層帶、向斜或背斜等影響時，岩層產狀變化較大，若按順層清方，因產狀變化較大，坡面不平順，難以施工，另外還可能會出現切層坡，此時不宜採用全斷面順層清方，宜採用坡腳設置擋土牆、錨固樁、錨索樁、坡面設置錨桿框架梁等綜合措施處理。

如某鐵路DK468+120～+365右側深路塹順層工點為厚層白雲岩，岩層傾角35°，設計時按順層清方，坡面設錨桿框架梁加固，施工中發現由於受構造影響岩層傾角變化頻繁，坡面凹凸不平，出現切層坡，且層間有軟弱夾層，邊坡在開挖過程發生5次坍滑，整治非常困難，最後清方邊坡高達60餘 m，增加費用300餘萬元。

軟質岩邊坡若順層清方邊坡陡於1∶1.25，且邊坡過高時因岩體重力擠壓易出現塹坡滑移、滑移-拉裂、滑移-彎曲、彎曲-壓致拉裂、滑劈、潰屈[4-11]等破壞，邊坡穩定性也較差，設計時邊坡應每隔10 m高左右留設2～3 m寬平台分級刷坡，不宜一坡到頂。若岩體節理髮育，宜在邊坡中下部設置抗剪錨桿(錨桿直徑不小於25 mm，錨桿長度不小於8 m)，以確保邊坡整體穩定。

4.3 重視爆破對順層的影響

順層邊坡開挖爆破振動[12]對邊坡穩定性有影響，應盡量採用小爆破或光面、預裂爆破，以減少對岩層產生的鬆動、層裂，不能採用大爆破，否則易切斷層面或增大岩體孔隙，地表水極易滲入軟化層面，引起下滑。建議路塹主開挖區採用深孔爆破、緩衝爆破方法，在預留保護區採用小台階爆破、光面爆破方法施工，如圖5所示。某鐵路車站DK480+875～+990右側中厚層鈣質頁岩順層邊坡，岩層傾角為49°，邊坡高23 m，設計為順層清方，施工中採用大爆破，將坡腳岩層切斷後邊坡發生順層滑動。

圖5 順層邊坡開挖爆破分區、方式示意

4.4 順層地段線位方案問題

順層地段採用路基方案時，應盡量控制切層高度，邊坡太高時應對邊坡加固與局部移線方案進行比選。如內昆鐵路部分地段採取線位適當外移降低順層切層高度，「寧做下擋，勿做上擋」的設計理念，實踐證明是成功的，有效減少了大量順層邊坡加固工程。

4.5 順層邊坡防排水問題

順層路塹邊坡應加強塹頂、坡面防排水設計，減少地表雨水下滲軟化，加強地下水疏導。對於塹頂為水田、水塘地段應尤其重視。一般可在塹頂外設天溝，各級邊坡平台設截水溝，坡面防護工程設擋水緣、植物防護等，地下水發育或坡面滲水嚴重時，應設置深層泄水孔排泄。

5 順層邊坡加固措施

順層邊坡加固措施根據岩層產狀、臨空麵條件、傾角大小、節理髮育程度、風化破碎情況、不利節理面、邊坡高度、層間充填物及結合情況、地下水發育程度以及岩性等因素，可採取順層清方、抗滑樁、錨索樁、樁間擋土牆、樁間土釘牆、坡面錨桿、錨索框架梁等措施加固處理[13-16]。

5.1 順層下滑力計算

T=K×(W×sinα-W×cosα×tanφ)×cosδ

式中 T——順層下滑力；

K——安全係數；

W——滑體重力；

α——岩層真傾角；

φ——層間內摩擦角；

δ——岩層走向與線路方向夾角。

上式中滑體重力W由計算範圍(坡面長度)決定，其範圍對下滑力計算結果影響很大，應根據岩性、節理髮育情況等綜合確定，順層岩體影響範圍一般取4～7倍切層高度較為合適。抗滑樁設計順層推力一般按矩形分布考慮。

5.2 順層邊坡加固措施分析

(1)當岩層傾角大於35°，地面橫坡較緩，岩層走向與線路方向夾角小於15°時(存在二面臨空或三面臨空時夾角小於40°)可採取順層清方處理。由於產狀變化、岩層扭曲難以完全順層清方時，坡腳可設矮擋牆或小型抗滑樁(錨固樁臨空面高4～6 m)收坡。

(2)順層高邊坡加固一般採用「分級開挖，分層加固」的原則。對於軟質岩及破碎硬質岩，下部一般採用抗滑樁或錨索樁，推力較大時可在邊坡中部加設抗滑鍵，坡面設錨桿(索)框架梁加固。預應力錨索因其主動受力可提高層面抗剪強度[17]，將各層牢固地聯結起來，使層間壓密，增大了抗滑力，邊坡加固效果良好，特別是用於既有線或其他搶險工程時，有明顯優勢，適當加速凝劑後3 d左右即可張拉受力。錨索預應力應較一般邊坡適當加大。

(3)順層硬質岩無軟弱夾層，岩層傾角小於20°或邊坡高度小於5 m時，可不考慮順層影響，按一般路塹設計。順層硬質岩有軟弱夾層地段，宜優先採用鋼軌(或工字鋼)樁、錨桿地梁(豎梁)、抗滑鍵等措施加固。對於弱風化完整性較好的硬質岩，可按錨桿抗剪強度控制設計，其餘岩體按抗拉強度控制設計。錨桿地梁錨孔一般為φ100～130 mm，水平間距2～3 m，垂直坡面打設，待砂漿達到設計強度的75%以後，用扳手擰緊螺絲對錨桿施加5～10 kN預應力。某鐵路眾多邊坡採用錨桿加固，取得了滿意的效果。當坡面有施工條件時，可採用鋼軌樁加固，在株六複線及廣大線均取得較好效果，樁間距一般採用2～3 m，但滑面以上必須干鑽，加套管後滑面以下方可水鑽。

(4)軟質岩順層邊坡若垂直節理髮育，且地下水豐富或有侵蝕性時，單純設錨索加固，錨固力或耐久性難以達到設計要求，應採用以抗滑樁(擋土牆)為主的工程措施。如某鐵路DK532+862～+890右側泥岩夾砂岩順層地下水發育，1孔6束錨索實際抗拔力只有1 060 kN，而設計要求達到1 200 kN。

(5)對二面臨空或三面臨空順層岩體邊坡，在臨空面2或臨空面3方向上1～1.5倍坡高長度範圍內增設抗滑樁、錨桿等加固工程為宜。

(6)塹頂外及邊坡面應切實做好防排水工程，當地下水發育或岩體節理裂隙發育具有地表水下滲條件時，可設深層泄水孔將地下水引出。

6 結語

(1)一面臨空是順層邊坡開挖最為普遍存在的現象，路塹兩端岩體對順層邊坡有一定約束牽製作用，二面臨空、三面臨空多存在於路塹一端或兩端為深切溝槽、陡坎、鐵路車站橫向開挖較寬地段或低等級鐵路小半徑曲線開挖地段，多面臨空擴展了順層滑動的條件，減少了順層岩體兩端的制約，對順層邊坡穩定性不利。設計時應認真檢查順層邊坡是否存在多面臨空條件，如有存在應有針對性加強順層邊坡抗滑支擋設計，確保順層邊坡穩定。

(2)順層邊坡開挖切斷岩層產生岩體鬆弛區，根據模型試驗及工程案例統計調查分析，開挖鬆弛區沿層面影響範圍與切層厚度之比約為4～7，對於傾角較緩的順層邊坡，計算順層下滑力可參考此建議值進行分析。設置抗滑支擋工程後，鬆弛區影響範圍較不設支擋時縮小約30%。

(3)順層邊坡設計應重視岩層緩傾角(小於10°)地段節理、裂隙發育、地下水發育帶來的不利影響，考慮開挖爆破方法對岩體產生的鬆動、切斷層面或增大岩體孔隙引起表水下滲軟化層面因素，控制好線位和路肩高程，降低切層高度，「寧做下擋，勿做上擋」，加強邊坡防排水設計。

(4)順層邊坡有條件清方地段盡量順層面刷坡處理，必須採取加固措施時，應結合岩層產狀、臨空麵條件(注意多面臨空情況)、傾角大小、節理髮育程度、風化破碎情況、不利節理面、邊坡高度、層間充填物及結合情況、地下水發育程度等因素，合理採用抗滑樁、錨索樁、鋼軌樁、錨桿束樁、抗滑鍵、樁間擋土牆、坡面錨桿(索)框架梁等綜合措施處理，從上而下 「分級開挖，分層加固」。預應力錨索加固可提高層面抗剪強度，效果良好。

本文結合具體案例對不同臨空條件下順層存在問題及邊坡穩定性進行了分析，希望起到拋磚引玉的作用，引起同行重視，並建議對此進行深入分析研究。

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Consolidation Design of Railway Bedding Slope Subject to Empty Space

SHI You-quan， CHEN Lei

(Kunming Survey， Design and Research Institute Co.， Ltd. of CREEC， Kunming 650200， China)

Abstract：This paper summarizes the successes and failures in bedding slope treatment on Chongqing-Huaihua Railway， Zhuzhou-Liupanshui Railway， Neijiang-Kunming and other railway lines and discusses the possible bedding sliding and issues to be addressed in the design. The concept is put forward the first time of the bedding facing two and three empty spaces， where the bedding is more likely to slide. The effect of bedding slope excavation and corresponding consolidation measures are also analyzed.

Key words：Railway slope; Bedding; Facing empty space; Slide; Consolidation

文章編號：1004-2954(2017)04-0042-05

收稿日期：2016-07-15；

修回日期：2016-07-27

作者簡介：石有權(1970—)，男，工程師，2012年畢業於重慶交通大學土木工程專業，工學學士，E-mail：406864571@qq.com。

中圖分類號：U213.1+5

文獻標識碼：A

DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.04.010

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