低山丘陵区煤系地层路堑边坡破坏机理及防治对策探讨
时间：2023-03-05 08:40:04 来源：千叶帆 本文已影响人
徐冠兰XU Guan-lan
（中铁十四局集团第三工程有限公司，济南 250000）
煤系地层通常是对炭质页岩、煤质地层、泥岩及含炭砂岩等称为。煤系地层边坡的岩性较为复杂，其坡体内地下水大多较为丰富且埋深较浅。由于边坡开挖导致坡体松弛，地表水通过下渗补给地下水，雨季期间因基底（煤系地层）长期泡水承载力不足，潜在沿地下水浸润饱水带发生大型深层滑动，影响高速公路的建设安全。本文以清云高速TJ3标地豆服务区AK0+803～K36+315右侧路堑为例，通过地质调查、补充勘探、稳定性分析及计算等方法分析研究煤系地层边坡的破坏机理及治理对策，以及对存在煤系地层的路堑边坡治理提供借鉴经验。该边坡坡顶为缓坡地形，在刷方线外约5m见后缘裂缝，暂未见前缘剪出口，坡面暂未见明显变形，推测位于坡脚为揭露煤系地层地段。
1.1 自然地理概况
该边坡位于广东省四会市，属丘陵山地地段，运输条件较为不便，施工前需修筑运输便道。边坡所在区域无大的河流通过。本工程所属地域为南亚热带海洋性季风性气候区。年平均降雨量约为1850mm，四月至九月为雨期，降雨量占全年的80%左右。存在对边坡工程有灾害性的天气有春季低温阴雨与夏季龙舟水。
1.2 地形地貌
该边坡属于低山丘陵地貌，山体较高大，形态复杂，山坡较陡，山体底部为残坡积阶地沟谷。线路切割的山体呈陡坡状，堑顶为缓坡地形（图1），地表植被较为茂盛，自然坡坡度约18°，线路走向222°，坡向132°。
图1 地豆服务区AK0+803～K36+315右侧路堑全貌
1.3 地层岩性
根据设计文件及补充勘探（3个断面7个钻孔）及开挖揭露，该路堑揭露地层如下：
②1全风化变质砂岩：芯样呈土柱状，岩质软，褐黄色。
②2强风化岩。
1）砂土状强风化炭质页岩：颜色为灰黑色，岩质极软，遇水条件下易崩解风化。2）砂土状强风化变质砂岩：薄层状构造，颜色为褐黄色，岩质强度极软，遇水情况下易崩解风化。3）强风化炭质页岩：芯样呈碎块状、角砾状，颜色为灰褐与灰黑色，岩体较为破碎，岩质强度较软，遇水条件下易崩解风化。4）强风化变质砂岩：芯样呈碎块状、角砾状，褐黄色，变余结构，薄层状构造，节理裂隙极发育，岩质软。
②2-3强风化夹中风化炭质页岩：岩芯呈碎块状，存在少量短柱状，节理裂隙发育，颜色为灰褐与灰黑色，局部存在褐黄色变质砂岩，岩质强度较硬，遇水条件下易风化崩解。
②3中风化炭质页岩：芯样呈状短柱状、有少量碎块，节理裂隙较为发育，灰褐、灰黑色，岩质强度较硬。
通过现场勘察发现，坡脚揭露强风化炭质页岩，芯样照片见图2、图3。
图2 K36+260断面堑顶全风化变质砂岩
图3 K36+260断面碎落台钻孔强风化炭质页岩
1.4 地质构造
根据地质资料，该路堑高边坡位于广东省粤西隆起区东部边缘吴川－四会褶断带影响范围区域。经区域变质和动力变质作用，岩层节理裂隙发育，产状变化大，岩体破碎。
1.5 水文地质条件
该边坡所属区域地下水主要由基岩裂隙水组成，主要由大气降水下渗补给，岩石裂隙较为发育，富有一定基岩裂隙水，含水量受季节变化影响较大。在雨季时，水量一较大，地下水在坡脚会以泉水型式渗出，旱季枯竭。边坡范围地下水位较高，通过钻孔勘察孔内见稳定水位，地下水埋深2～16m。
该段边坡自然状态下稳定较好，边坡开挖后，将使山体的受力情况重新分布，将会导致坡脚应力集中，在大气降水，尤其是突发性强降雨情况，孔隙水压力将会增大，边坡岩体自重增加，岩体结构层面抗剪强度会显著降低，若出现坡脚受力集中和岩体抗剪强度不足而产生的沿相对软弱面的坍塌滑动变形，这对边坡的稳定是不利的。
另外，根据现场勘察结果，结合已开挖路堑揭露的岩层进行地质描述，坡脚岩体揭露出现强风化炭质页岩（见图4），小里程段显示出露位置较高，局部地段为顺倾层面，砂岩具有透水性，炭质页岩具有隔水阻水特点，坡脚地下水位较高，埋深12~24m，若基底煤系地层在雨季期间长期被水浸泡，将导致承载力不足，在变质砂岩与炭质页岩交界面处有潜在发生大型深层软弱层面滑移问题。
图4 一级边坡揭露煤系地层、坡脚地下水位较高
3.1 原设计支护强度低
通过对原设计边坡加固形式分析，该路堑为四级坡，最大坡高40m，边坡分级高度为10m，一～三级坡比为1:1，四级坡比为1:1.25，分级平台宽度为2m。第一、二级边坡加固均采用4排Φ32锚杆（长度8.5～11.5m）框架梁，第三级坡坡面采用预制混凝土人字形骨架+喷薄植草，第四级坡采用喷薄植草，该边坡原设计支护断面图见图5。
图5 K36+260原设计断面图
3.2 岩体结构本身强度不够
①根据地勘资料结合现场调查，边坡上部为碎块状、角砾状强风化变质砂岩，结构面发育，岩体破碎；
下部为强风化炭质页岩、煤层、泥岩（煤系地层），这些岩石的自身强度就比较低，在外力作用下很容易发生变形。②煤系地层岩性极为软弱，遇水易崩解软化，其岩体强度较低。③坡脚揭露强风化炭质页岩、煤层、泥岩（煤系地层），揭露位置较高，岩质极软。④边坡位于褶断带影响范围内，在区域变质和动力变质作用下，基岩节理裂隙发育，产状变化较大，岩体破碎，很大程度上降低了边坡的整体自稳定性。
3.3 地下水降低了岩体强度
①根据地质勘探资料，地下水埋深较浅，勘探孔揭示位于孔口以下2～16m，若基底煤系地层在雨季期间长期被水浸泡，将导致承载力不足，潜在沿地下水浸润饱水带（软弱带）发生大型深层滑移问题。②根据地勘资料结合现场调查，边坡上部为强风化变质砂岩，结构面发育，岩体破碎，宜于地下水下渗，在其下部的强风化炭质页岩、煤层、泥岩等组成的隔水层阻挡下，坡体饱水后增大了下滑力，降低了边坡抗滑力，边坡开挖后在水的作用下易产生坍塌溜滑。
3.4 边坡开挖使坡脚失去支撑
道路施工、路堑开挖，导致坡脚失去侧向约束，使原自然坡面的自稳定性平衡状态被破坏，从而导致边坡下滑力急剧增加。综上所述，由于岩体比较松散，边坡岩质松弛，地表水易通过下渗途径向地下水补给，随着边坡向坡脚路槽开挖，揭露的炭质页岩、煤层、泥岩（煤系地层）岩性较差，长期受水后其岩土体强度急剧降低，因基底承载力不足极易沿地下水浸润饱水带（软弱带）发生大型深层滑坡，滑动后果危害极大，可能会掩埋整幅路基。
4.1 新处治方案
综合考虑该边坡顶地形较平缓，具备刷方减载条件，对本边坡采用放缓坡率（1:1.5～1:2.5）+降低坡高（8m）+加宽平台（20m）+固脚（挡墙+斜向钢锚管）的处治方案（图6）。较原设计，作了以下修改：增加了坡级数量、放缓了边坡坡率、降低了坡高、增设了坡脚挡墙、用锚管代替了锚杆、将原两级锚杆框架改为单级锚管框架。新处治方案设计图见图6。
图6 新处治方案设计图
4.2 受力计算
剩余下滑了力计算选取三个典型断面为例进行计算，安全系数按1.2考虑。
岩土计算参数主要根据地质勘察报告中的指标反算结果，并结合以往设计经验确定，计算结果如表1所示。
表1 岩土参数计算结果
需要说明的是，采用钢锚管并经过劈裂注浆，坡体软弱层的岩土力学参数可显著提高。
根据岩土力学参数进行剩余水平下滑力计算，以下分别计算K0+415、K36+260、K0+455断面剩余水平下滑力，计算结果见表2。
表2 剩余水平下滑力计算结果
4.3 坡形坡率
挡墙以上分级坡高均为8m，一级坡坡率1:1.5，二～六级坡坡率1:2.5，一级平台宽20m，其余分级平台宽度均为2m。
4.4 加固防护工程
第一、二级坡揭露地层主要为煤系地层（炭质页岩、煤层、泥岩），岩质软，泡水易风化崩解。考虑在坡脚设4m高挡墙，埋入地下1.5m，外露2.5m，挡墙墙顶以上第一级坡边坡采取3排Φ50×4.5钢锚管框架支护，钢锚管设计长度范围为10～14m，水平间距3.0m。
框架内及坡面采用客土喷播植草绿化防护。一级宽平台采用8～10cm厚的C15混凝土封闭。
4.5 排水措施
①根据补充勘探，钻孔内地下水埋深2～16m，在坡脚均有地下水出露。故考虑在坡脚设2排仰斜排水孔，孔深15m，水平方向间距3.0m。②完善地表排水措施。该边坡在采用以上方案进行加固处理后，未见明显变形，地表位移监测数据表明边坡整体较为稳定。
①煤系地层干燥时为较坚硬状态，强度较高；
遇水后极易崩解软化，强度很大程度降低，属易滑地层；
边坡开挖导致坡体松弛，地表水易于通过下渗向地下水补给，坡脚揭露的炭质页岩、煤层、泥岩（煤系地层）岩性较差，长期受水浸泡岩体强度会急剧降低，因基底承载力不足极易沿地下水浸润饱水带（软弱带）发生大型深层滑坡，滑动后危害极大，可能会掩埋整幅路基。②该边坡利用堑顶为缓坡大平台的有利地形进行减载，减少了边坡发生大规模深层滑动的可能性，对坡脚采用挡墙+斜向钢锚管注浆框架固脚，保证了边坡的整体稳定。③边坡的稳定性主要受控于其层面及发育的节理裂隙情况，并受水因素的影响较大，由于勘察钻孔及地质描绘工作的局限性，在施工阶段应加强边坡区域的地质工作，根据开挖后坡面岩层产状、节理裂隙产状、软弱结果面产状等加强边坡的动态设计工作。④本项目结合了路堑边坡的环境地质条件、地质调查、稳定性分析及计算结果对煤系地层边坡进行针对性的设计，并采取坡面防护及坡面防、截、排水加以辅助，防止地表水下渗，使岩体抗剪强度降低；
而完善地下深层排水系统的目的是为了截断地下水对煤系地层岩体强度的削减，防止岩体软化，是对存在煤系地层路堑边坡病害的有效防治。
