云南蒙自至文山至砚山高速公路是国家高速公路网中天保至猴桥、文山至砚山高速公路在云南境内的重要组成部分, 是连接滇西与东南沿海的主要通道。本工程PK32+500—PK32+590左侧高边坡于2015年7月开挖两级后出现裂缝, 发生表层滑塌, 放坡清方处理后再次发生垮塌。经过2次清方处理后边坡坡面整体后移, 开挖高度增加, 形成一个三角放坡区。因滑坡体的复活与扩展, 促使滑坡裂缝有向后沿山体发展的趋势, 故须对此段病害进行处治, 以确保建设及运营期间通行安全。

项目区域整体呈现中等~浅切割中山山地高原地貌, 总体地势南高北低、海拔约1 550m, 所在区域属中、浅切脊状山沟谷地貌区, 周边峰顶多呈圆形或椭圆形, 整体地势较为陡峭。坡体有类似坡残积土老滑坡的地貌形迹, 自然坡度10°~25°。坡体上植被茂盛, 主要为灌木, 部分已作为耕地使用, 老滑坡已基本处于稳定状态。

滑塌区地表覆盖第四系土层, 下伏基岩为三叠系中统法郎组 (T2f) 泥岩 (夹粉砂岩) 。依据各岩土层地质时代、风化程度可分为2层三亚层, 各层工程地质特征分述如下: (1) 含碎石粉质黏土:斜坡地带多分布, 棕红色, 稍湿, 可塑, 含少量角砾及碎石, 石质成分粉砂质泥岩, 干强度高。承载力基本容许值[f_ao]=200k Pa, 黏聚力c=20k Pa, 内摩擦角φ=10°, 土石等级为Ⅱ级; (2) _-1强风化泥岩:青灰色, 褐黄色, 粉砂质、泥质结构, 岩质较软, 破碎不完整, 局部土状, 承载力基本容许值[f_ao]=400k Pa, 黏聚力c=20k Pa, 内摩擦角φ=15°, 土石等级Ⅳ级; (2) _-2中风化泥岩:青灰色, 褐黄色, 粉砂质、泥质结构, 岩质较软, 破碎不完整, 局部碎石状, 承载力基本容许值[f_ao]=700k Pa, 黏聚力c=50k Pa, 内摩擦角φ=25°, 土石等级Ⅳ级, 如图1所示。

地表水主要为降水, 降水主要集中在5—9月, 年均降雨量1 200mm;地下水主要为松散岩类孔隙水, 松散岩类孔隙水含水层为滑坡堆积层, 其透水性好, 赋水性较差, 具有就地补给、就地排泄的特征, 其动态变化受季节性降雨的影响和控制。

PK32+500—PK32+590左侧边坡长约90m, 路线走向方位角约为180°, 中线处最大切坡深度21.6m, 边坡最大放坡高度44.4m。PK32+500—PK32+579泥岩区均按1∶1放坡, 第1级采用窗式护面墙植草防护, 第2, 3级采用锚杆框格梁植草防护, 第4级采用拱形格植草防护;PK32+579—PK32+590白云质泥岩区按1∶0.75, 1∶0.75, 1∶0.75, 1∶1放坡, 坡面均采用锚杆+主动防护网防护。

该段边坡于2015年7月开始施工, 开挖完成两级后, 后缘堆积体发现拉张裂缝, 受降水影响, 该段边坡出现滑塌。8月上旬, 进行清方放坡处理, 继续施工至第3级边坡时, 边坡平台及坡脚均见地下水渗流, 且坡脚处渗流量较大, 坡顶后缘重新产生拉张裂缝, 且有继续扩张的趋势。此时, 裂缝长度约70m, 滑体厚度约6m, 滑坡和潜在的滑体均指向路基, 现场停止施工, 在坡顶设置位移观测点。

坡体岩土体强度较低, 遇水易软化, 并且局部为顺向坡, 是滑坡形成的内因;路堑的开挖为坡体的滑动、变形提供了空间条件。由于边坡开挖破坏了原有山体的应力平衡状态, 下部切脚形成陡坡临空面, 上部堆积层孔隙率高、渗透性好, 其所处地形使斜坡成为山体汇流区, 降水期间坡面流水下渗, 使泥岩体饱水软化, 重度迅速增加, 抗剪强度降低, 边坡随之变形滑塌。依据边坡变形特征分析, 此处属切层牵引式滑塌。其形成条件如下。

1) 在高边坡的中部或者坡脚分布泥岩层, 在降水及地下水作用下, 其抗剪强度降低, 小于上部堆积层坡体压应力。

2) 高边坡坡比、预留平台宽度设计不合理, 接近了岩体自然的极限坡率。

3) 雨季降水量大、地下水丰富, 地下水的长期浸泡、软化泥岩呈现软弱的结构面。

通过位移观测分析得出该滑坡破坏模式大致概况为:后缘土体拉裂→后部土体错动→前部岩体剪切破坏→整体滑移破坏。

边坡滑坡后, 坡脚出现剪应力集中, 发生剪切位移。坡肩后缘地段拉应力集中, 出现张裂缝;渗透部位发生改变, 地下水沿后缘裂缝下渗灌入, 由于水位开始升高, 静水压力急剧增大, 在裂缝末端, 拉应力集中, 缝隙扩张;地下水如此反复, 张裂缝不断沿潜在滑动面扩张。同时, 因频繁变化的渗流, 对根部已裂的泥岩层错动面反复软化, 使其抗剪强度降低, 发生剪切位移, 形成较大临空面;随着后部错动的破坏, 后部下滑力越积越大, 当后部下滑力大于前部抗剪段抗剪极限强度时, 前部岩体被剪断, 边坡整体滑移。

1) 在综合评价工程地质条件和工程状态的前提下, 以稳定性为基础, 采取“一次根治, 不留后患”的原则, 采用“稳定为本, 加固为主, 排水、防护并重”的综合治理措施。

2) 处治方案科学、可行、经济合理, 设计选用操作性强的工程结构。治理措施应因地制宜、就地取材、节能环保。

边坡滑塌区岩土体主要为表层含角砾粉质黏土及部分破碎强风化泥岩, 在降水、渗流等外部因素影响下易发生滑塌, 为查明滑塌区域地质详情, 在滑塌区重新布置2个钻孔。依据地质钻孔资料及现场踏勘描绘, 重新组建边坡滑塌模型, 模型建立计算参数如表1所示。

对于土质边坡主要通过BISHOP圆弧滑动法计算确定其滑动面;对存在土~岩界面或强~中风化岩界面的边坡, 将风化界面作为边坡可能滑动的控制位置。

选取PK32+530断面作为计算截面, 如图2所示。各潜在滑动面计算下滑力如表2所示。

从稳定性结果看出, 在天然状态下, 滑坡体的稳定系数介于0.930~1.064, 放坡后坡面处于稳定-欠稳定状态, 需要进行支挡加固处治。

依据计算结果, 提出“放坡卸载+抗滑桩坡脚支挡加固+加强坡面防护+完善截排水”的综合处治方案。具体设计方案为PK32+500—PK32+590左侧边坡按6级边坡放坡, 如图3所示。各级边坡参数及防护形式如表3所示。

除上述防护外, 在第1级平台上设置抗滑桩支挡, 抗滑桩截面采用2m×3m, 桩长20m;各平台均须设置平台截水沟, 坡顶外设截水沟, 第3~6级坡面加设仰斜式深层排水管引排地下水。

1) 施工坡顶截水沟, 对坡面积水进行引排。

2) 逐步由上至下对坡体进行开挖施工, 同时完成坡面防护施工, 切实做到“开挖一级、防护一级”。并按要求设置仰斜式深层排水管。清方过程中, 对非清方区域的各级斜裂缝进行封堵压实处理, 必要时进行地表注浆。

3) 第1级边坡暂不开挖, 间隔法施工第1级平台抗滑桩。

4) 待平台抗滑桩施工完成后清理坡脚剩余土石方, 砌筑第1级坡面护面墙。

本段高边坡治理实施期间, 处治效果监测主要项目为地面位移监测及人工巡视和裂缝观测两项主要工作内容。

1) 监测系统 (1) 地表水平位移监测; (2) 地表垂直位移监测; (3) 人工巡视及裂缝观测。

2) 监测点布设的基本原则 变形监测点处埋设观测墩, 水平位移和垂直位移观测用同一观测墩, 观测墩布置在稳定的土体上。处治段落监测设计以表面变形监测点为主, 边坡开挖前对所有测试项目测试2遍, 作为初值。

3) 测试频率 位移、沉降测试:施工期间1次/2d, 下一级边坡开挖前应保证测试1次。同时根据位移变化情况减少或加密测试, 在雨季加密测试次数。

4) 人工巡视和裂缝观测 人工巡视检查由具有一定专业经验的人员实施, 施工期间2~3次/周, 雨期适当加密。人工巡视主要内容为坡顶、坡面、坡脚裂缝、变形观测;检查各层边坡因爆破开挖后岩体卸荷松动及变形状况;检查边坡渗水情况等内容。

5) 量测数据分析 量测数据采集完成, 绘制边坡位移量u与时间t的关系曲线 (见图4) 。从u-t散状图数据收敛趋势, 得出地面的最终位移值及稳定时间满足滑塌治理的需求, 边坡治理方案合理, 效果明显。

因滑塌稳定性受降水影响较大, 该段边坡需在9月至来年3月 (旱季) 完成施工, 施工中合理安排施工顺序, 重点在于由上至下对坡体进行开挖施工的同时, 完成坡面防护施工, 减少因施工顺序不当造成的二次滑塌。

1) 抗滑桩按由浅至深、由两侧向中间的间隔法施工, 每次间隔1~2孔。

2) 表层松散地层以人工开挖为主, 孔口作锁口处理, 桩身采用C25钢筋混凝土护壁;基岩或孤石段采用少药量、多炮眼的松动爆破方式, 需严格控制单次开挖深度不超过设计要求。

3) 桩身钢筋笼在后场长线法加工成型, 现场吊装入孔下放;主筋接头采用双面焊接, 相邻接头错开布置, 且接头位置不得位于土石分界面和滑动面处。

4) 桩身混凝土采用干法浇筑, 孔口串筒入孔, 每连续灌注0.5m, 插入式振捣棒振捣密实。对露出地表的抗滑桩, 专人采用麻袋、草帘覆盖洒水养护。

预应力锚索施工包括了施工准备、锚孔成孔、锚筋制安、锚孔注浆、混凝土钢筋制安、框格混凝土浇筑、锚孔张拉锁定及验收封锚等主要工序。其中锚孔成孔、锚孔注浆、锚孔张拉锁定为锚索框格梁施工的关键控制要点。

1) 锚孔成孔严格按照设计孔位、倾角进行钻进, 依据不同地层选用相应钻机成孔。严格控制钻进速度, 防止孔位偏斜、扭曲, 钻进过程中严禁开水冲钻或冲洗孔道。

2) 锚孔钻造完成后须及时进行锚筋安装和锚孔注浆, 原则上不超过24h。锚孔注浆采用水灰比为0.4~0.45的水泥浆, 当锚固段位于强风化泥岩层且富水时, 采用二次高压劈裂法注浆提高地层锚固力。锚孔注浆采用孔底返浆方法, 直至孔道口溢流出新鲜浆液;若发现孔道口浆液面回落, 须在30min内进行孔底压注补浆2~3次, 确保孔口浆体饱满。

3) 当孔道浆体及张拉台座混凝土强度达到设计强度的90%时, 进行锚筋张拉锁定工作。锚筋张拉采用专用张拉设备, 且在张拉作业前完成标定检验。张拉时应将施加的预应力值分成3~5级进行循环张拉, 每级的张拉荷载为设计张拉力的1/3~1/5, 岩质地层取3级, 土质地层取较多的级数。锚索锁定后48h内若发现有明显的应力松弛时, 应进行补偿张拉。

诱发高速公路高边坡滑塌的原因很多, 了解滑塌的破坏模式是边坡防治与治理的基础。本文通过对PK32+500—PK32+590左侧高边坡滑塌的分析总结, 判断出滑坡机理, 提出了综合性的处治方案。从已完成的边坡数据采集分析发现, 该段边坡已经基本稳定, 加固处治取得了满意的效果, 进而验证了该富水、破碎地层边坡滑塌机理的正确性, 证实采用抗滑桩加锚索 (锚杆) 框格梁综合治理该类型高边坡是行之有效的方式。本项目的分析总结, 可为类似工程设计及处治提供参考。