黄织铁路岩溶发育区路堑高边坡设计

胡登灿

(中铁二院贵阳勘察设计研究院有限责任公司，贵州 贵阳 550002)

新建黄桶至织金铁路(简称“黄织铁路”，下同)，为时速120 km/h的国铁Ⅱ级客货共线铁路，全线岩溶峰丛、洼地、溶洞、漏斗、暗河等分布广泛。线路在DK56+338～DK56+498段以路基通过，为中低山岩溶地貌，海拔1340 m～1440 m，相对高差20 m～100 m。自然横坡陡峭(25°～43°)，测区碳酸盐岩分布广，岩溶极其发育。该段路基为高边坡工点，坡面部分基岩出露，植被为少量灌木丛。左侧路堑边坡由于坡面陡峭、溶槽发育，易引起边坡失稳、基底沉降塌方等工程安全问题，需要采取安全可靠的加固防护措施进行彻底整治、不留后患。

1 工程概况

DK56+302.9～DK56+498段路基工程，线路左侧以挖方通过，右侧以填方或浅挖通过，线路中心挖方最大高度12.6 m，左侧路堑边坡最大高度36.5 m。路基工程于2006年6月5日开始施工，由于该段路基工程地质条件复杂，现场施工时在该地段采取了信息化施工、动态设计的原则，在充分掌握地质情况的条件下，开展工程设计工作，主要地质情况如下。

1.1 主要地质情况及地震动参数

本测区上覆粘土、碎石土，下伏基岩为灰岩，地层描述如下:碎石土(Qal+pl4):褐黄色、灰黄色，稍湿～潮湿，松散～中密，碎石含量50%左右，石质成分为灰岩质，φ2 cm～φ7 cm，厚0 m～10 m，为Ⅲ级硬土，分布在斜坡上。粘土(Qdl+el4):灰黄色、褐黄色，夹有10%左右碎石角砾，石质成分为灰岩质，主要分布在坡面，厚0 m～17.5 m，属Ⅱ级普通土。灰岩(P1m):灰黑色、深灰色，弱风化，致密结构，厚层状构造，局部方解石脉充填，岩心坚硬较完整，多呈柱状，局部破碎，为Ⅴ级次坚石。本段测区地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35 s。

1.2 水文地质特征

地下水主要为少量基岩裂隙水和壤中水;地表为大气降水，经对附近取水分析，水质为HCO3-Ca2+，对混凝土无侵蚀性，按照TB 10005-2010铁路混凝土结构耐久性设计规范为碳化T2环境。

1.3 岩溶及其他不良地质

该段工程范围为低山溶蚀地貌，岩溶强烈发育，溶洞、溶槽发育明显(见图1)，在线路DK56+384～DK56+406段、DK56+427～DK56+460段土层较厚，DK56+406～DK56+427段土层较薄，部分基岩出露，植被为浅灌木丛。

上覆全风化及粘土层厚度为6 m～12 m，溶槽深度超过18 m，部分呈石笋状、孤石状出露。溶洞溶槽内充填软～硬塑状粘土或潮湿～饱和状碎石土，部分揭示为空溶洞(见图2)。

图1 现场开挖揭示的大型溶槽

图2 现场发现的岩溶空洞

综上，该段地质岩溶发育强烈，地质条件十分复杂，若不采取有效的措施对岩溶病害进行彻底整治将给铁路运营埋下巨大的安全隐患。该段路基工程设计重点是左侧自然边坡高达一百多米，且地形陡峭，线位横跨两个大型溶槽，溶槽内充填粘土层厚，局部基底以下仍然有溶洞发育;因此，左侧路堑边坡加固措施设计是该段路基工程设计的重点。

2 边坡的破坏模式及加固措施选择

2.1 边坡破坏模式

根据该边坡地形陡峭、溶槽内土层厚薄不一、土石界面处积水排泄路径不同的特点，路堑边坡可能存在两种深层破坏模式:沿土石界面滑移破坏(见图3)、沿深厚土层的圆弧滑动破坏(见图4)。

图3 土石界面滑移

图4 土层圆弧滑动

以下是采用著名的岩土软件FLAC对DK56+440断面进行的稳定性分析，采用摩尔库仑模型、运用强度折减法［1］计算稳定系数。根据试验地质参数计算得原自然边坡安全稳定系数为1.12(见表1，图5)，开挖后边坡坡率更陡峭，从施工开挖后自然边坡垮塌可以看出，必须采取深层加固措施保证边坡的稳定性。

表1 物理力学参数

2.2 加固措施选择

根据我院山区铁路设计经验，结合国内施工技术条件，一般可以选用的路堑支挡加固措施主要有:重力式挡土墙、土钉墙(锚杆挡土墙)、锚固(索)桩间结合挡土墙、土钉墙或桩间挡土板等。可以选用的防护措施主要有:喷锚网、锚杆(索)框架梁、截水骨架内灌草护坡、片石护坡、喷混植生、挂三维土工网植草护坡、喷播植草护坡等。根据支挡、防护措施适用条件和前述两种可能的破坏模式，必须采取深层加固与浅层防护结合的措施。

1)深层加固措施。

图5 DK56+440剪应变云图

为防止边坡发生深层滑动破坏，保证路堑边坡施工安全及久永性稳定，需要采用预加固桩(锚固桩)进行深层加固，且为了避免“剥山皮”现象，挖方边坡较高时需要采用高悬臂段锚固桩(15 m)收坡，高悬臂段的锚固桩设计时应注意满足 TB 10025-2006铁路路基支挡结构设计规定［2］的锚固点不大于1 cm及桩顶位移不大于10 cm的规范要求。

由于该段地下水为碳化环境，故悬臂较高时采用锚固桩上设锚索以减小桩顶和锚固点位移，锚索锚固段深入弱风化灰岩内。桩间采用外挂式挡土板加固桩间岩(土)体。

2)浅层防护措施。

深层稳定性加固措施确定后，仍然需要加强坡面防护设计，防止浅层坡面滑移和危岩体失稳破坏。根据土层厚度、岩层完整程度、横向地形坡度结合各类防护措施适用条件，在土层较厚地段采用锚索框架内喷播植草防护，防止深厚土层发生越顶滑移破坏;土层较薄地段采用锚杆框架梁内喷播植草防护，防止发生浅表坍塌破坏;在破碎岩层内采用锚杆框架梁内喷锚网防护的措施，防止破碎岩层掉落、小型岩体失稳破坏。

3 锚固(索)桩设计

3.1 锚固(索)桩悬臂段外力计算

1)土石界面滑移失稳的推力计算。

土石界面滑移为相互变化不大的折线型滑面，按照传递系数法［3］计算，选择代表性断面DK56+440。剩余下滑力计算公式如下:

其中，Ks为安全系数(一般为 1.05 ～1.25，本工点取 1.25)，ψi为传递系数，其余参数符号见文献［3］。

滑面参数按照地质提供的地层力学参数，与该断面原自然坡面反算值［4］比较，取最小值作为计算参数:φ =26.5，c=10 kPa。推力计算结果见表2。

2)土层圆弧滑动推力计算。

圆弧滑面法计算原理及相关要求见文献［1］;经过计算最大出口推力为908 kN/m。设计中还应将土层摩擦角φ和粘聚力c换算成综合内摩擦角后，按照库仑土压力公式计算土压力，以上3种计算方法得出的滑力最大值作为锚固(索)桩悬臂段的外力荷载值。

经计算分析，DK56+440断面按照传递系数法计算的出口下滑力最大:下滑力值为1924.2 kN/m，水平推力1729.4 kN/m。由于为土层边坡，可以假定桩悬臂段按照三角形分布，合力作用点位于锚固点以上1/3悬臂高度处。

3.2 锚固(索)桩内力计算及结构设计简要介绍

桩的内力计算分为:悬臂段内力计算和锚固段内力计算。桩的悬臂段计算较为简单，不在赘述。以下主要简单介绍锚固段内 力计算过程。

表2 DK56+440断面传递系数法计算

表3 地层物理力学参数

图6 DK56+440圆弧滑面安全系数等值线图

桩锚固段计算根据桩周土体地基系数的变化情况，可以分为K法(K为地基系数)和m法(m为地基系数沿桩埋置深度的变化率)，由于本工程桩锚固段在岩层内，一般认为地基系数为常数，采用K法。首先根据假定的桩尺寸(矩形桩的计算宽度为实际宽度+1 m)及桩的变形刚度按下式确定桩是弹性桩，还是刚性桩:

βh≤1，属于刚性桩;βh＞1，属于弹性桩。

根据不同桩形，结合桩与土体的协调变形、桩在外力作用下的扰曲线方程以及桩底(一般按照自由端考虑)和桩顶约束条件，求得桩在不同埋置深度范围内的内力和变形。

锚索桩计算内力时，还要考虑锚索节点处锚索、桩、土体的变形协调和力学平衡关系，以确定桩锚索的初始预应力值。

组织的硬度与组织的结构密切相关，组织结构在很大程度上取决于组织的分子构成以及这些分子构成的组织形式。然而，传统医学影像模式（包括超声、x－射线、计算机断层扫描、磁共振）都无法提供组织的硬度信息。因此，超声弹性成像(ultrasounic elastography，UE)这一可以提供组织硬度的新技术被Ophir等[1]人提出来后，得到了广泛关注并快速发展，已成为超声领域的一个研究热潮。

内力计算完成后，按照现行《混凝土结构设计规范》进行结构设计;一般情况下，荷载分项系数可采用1.35［2］。

4 工程措施

1)主要工程措施。

a.DK56+342～DK56+494左侧长152 m路堑设桩板墙加固，共设桩26根;其中DK56+354～DK56+378左侧、DK56+452左侧为锚索桩板墙，其余为一般锚固桩板墙;最大悬臂段高度15 m、最小悬臂段高度8 m，最大桩长35 m、最小桩长16 m;最大桩截面尺寸为2 m×3.5 m，桩间距6 m～7 m;桩身采用C30混凝土浇筑，桩间设C30混凝土外挂式挡土板。锚索桩上设两孔锚索(并在两锚索孔中部预留一个锚索孔)，共设桩锚索12孔，单孔锚索设计锚固力为1200 kN，初始预拉力值计算确定。

b.DK56+338～DK56+380路堑左侧桩顶以上边坡按1∶1刷坡、DK56+380～DK56+416和DK56+424～DK56+498路堑左侧桩顶以上边坡按1∶1.25刷坡后设锚索框架梁防护，锚索坡面间距4 m×4 m，共设置坡面锚索185孔，每孔锚索采用6束φ15.24 mm高强度、低松弛钢绞线制作，每束钢绞线抗拉强度级别不小于1860 MPa。

c.DK56+416～DK56+424左侧路堑边坡采用锚杆框架梁内喷锚网防护。锚杆间距4 m×4 m，锚杆长8 m，共12根。锚孔直径110 mm，采用 M30水泥砂浆灌注，注浆压力不小于0.4 MPa。框架梁采用C30混凝土现场立模施工。框架梁内采用喷锚网防护。

d.DK56+342～DK56+358左侧路堑桩顶边坡、DK56+380～DK56+460锚索(锚杆)框架梁护坡以上边坡采用人字形截水骨架内液压喷播植草防护。

2)变形及受力监测。

a.选取2孔桩锚索设置量程不小于1600 kN的GMS锚索测力计;选取10孔坡面锚索设置量程不小于1200 kN的GMS锚索测力计。

b.分别于锚索桩桩顶、锚固桩桩顶及坡面、坡顶典型断面处共设置10处边坡位移变形监测点。

3)施工完成后现场照片见图7。

图7 施工完成后现场图

5 结语

黄织铁路于2008年建成通车，该高边坡经过了多年汛期考验，未发现边坡失稳破坏等现象，表明原设计方案是安全可靠的。设计总结主要有以下几点:

1)岩溶地区地质情况。

难以查明，需要施工过程中加强信息反馈，按照信息化施工、动态设计的原则进行，必要时需要根据实际岩溶发育变化情况调整设计方案。

2)岩溶地区高边坡岩土破坏模式多样，需要根据工程设计经验，得出多种可能的边坡破坏模式，并根据多种破坏模型计算边坡安全稳定性及推力计算分析，最终按照最危险滑面及最大推力值进行加固设计。

3)深路堑高边坡工程施工完成后，在运营阶段也应加强桩身、坡面、坡顶位移监测及锚索有效受力的监测工作，持续时间一般不少于一个汛期。

［1］郑颖人，陈祖煜，王恭先，等.边坡滑坡与工程治理［M］.第2版.北京:人民交通出版社，2010.

［2］TB 10025-2006，J 127-2006，铁路路基支挡结构设计规范［S］.

［3］李海光，周德培，李安洪，等.新型支挡结构设计与工程实例［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］铁道部第一勘测设计院.铁路工程技术手册 路基(修订版) ［M］.北京:中国铁道出版社，1992.