多级框架梁和抗滑桩联合作用下边坡支护方案研究

黄郑文

(中铁大桥局集团第六工程有限公司，湖北武汉 430000)

滑坡具有很复杂的工程地质特性，尤其是坡脚开挖后坡体的自稳能力差，易造成局部滑塌、位移等病害；倘若遇到暴雨或地震，极易形成大规模的滑坡，破坏性极大，严重威胁居民人身和财产安全[1]。在滑坡防止中主要的工程措施有抗滑桩、框架梁和挡土墙等。锚索框架梁为近年来在边坡加固中广泛应用的复合支护结构，将锚索这一柔性支护手段和框架梁结合起来，在实际工程中取得了良好的支护效果[2]。锚索抗滑桩也是滑坡治理工程中常用的一种支挡结构物，相对普通的抗滑桩，其在受力状态上的优点很明显[3]。

近年来，国内外学者对边坡支护工程做了大量研究[4]。韩爱民[5]等对预应力锚杆框架梁支护体系的力学响应及其对设计参数的敏感性问题进行了研究。戴自航[6]等将预应力锚索框架梁加固边坡按三维问题进行稳定性分析，揭示其加固滑坡的机理。李德宏[7]等研究了圆形锚索抗滑桩在滑坡治理中的应用。杨波[8]等采用强度折减的有限元法讨论了双排抗滑桩在三种典型滑坡的计算与受力规律分析。目前大多研究为单独研究锚索框架梁或单独研究锚索抗滑桩的力学性能和方案设计，对两者联合作用下的边坡支护研究较少。

本文以深圳外环高速公路深挖路堑边坡支护为工程背景，展开在多级锚索框架梁和锚索抗滑桩联合作用下边坡支护的研究，为今后同类深挖路堑边坡的支护设计提供参考。

1 工程概况

深圳外环高速公路深圳段一期工程K24+706.570～K24+742.083段观光路跨线桥38#、39#桥墩布设于现状观光路边坡上，需对现状观光路边坡进行开挖削坡，后施工桥梁桩基、承台、桥墩。在设计桩号K24+725现状观光路左侧第三级边坡坡顶有一处110 kV高压铁塔(目前已通电)。现状观光路为通车的城市主干道，车流量较大。

观光路现状边坡的地质勘察资料揭示：第一层为厚约0.9 m左右的亚黏土：灰黄、褐红、浅黄色，稍湿-湿，可-硬塑状态；第二层为厚约10.7 m左右全风化混合岩：褐红、褐黄色，原岩结构基本破坏，但可辨认，岩芯呈土柱状，坚硬状态；第三层为强风化混合岩：褐黄色，原岩结构大部分破坏，岩石裂隙极发育，岩芯呈土柱状、土夹块状，27.9～30.1 m段见有较多的弱风化岩块，其它地段含少量弱风化岩块，合金钻进容易。边坡现状如图1所示。

图1 边坡现状

2 边坡稳定性分析

本项目边坡稳定性分析、验算采用理正岩土6.0计算软件。计算方法采用简化Bishop法和Janbu法。由于边坡大部分为全风化混合岩和强风化混合岩，岩体碎裂，为土质、类土质边坡，因此滑动面采用圆弧滑动面考虑。根据JGJ D30-2015《公路路基设计规范》，选取正常工况和暴雨工况两个计算工况，正常工况边坡稳定性安全系数应大于1.35，暴雨工况边坡稳定性安全系数应大于1.20。参数选取快剪指标，两个工况各土层具体参数如表1所示。

支护方案采用开挖第一级边坡采用桩板墙支护，桩顶以上第二、三、四级边坡采用锚索框架梁加固联合支护。经计算，正常工况下边坡安全系数Fs=1.680，暴雨工况下边坡安全系数Fs=1.240，均满足规范要求。滑坡推力作用情况下，锚索抗滑桩桩侧地基最大的横向土反力为869.587 kPa；库仑土压力作用情况下，锚索抗滑桩桩侧地基最大的横向土反力为624.981 kPa。两者均小于横向容许承载力，满足规范要求。

表1 岩土参数

3 支护方案

3.1 支护结构设计

3.1.1 总体布置

为保证开挖边坡的整体稳定，确保前缘桥梁墩台的施工及高速公路运营期间的安全，在充分结合开挖边坡的地形和地层特征的前提下，在深外环高速路左侧，沿路线方向布置一排锚索桩板墙，在38#桥墩承台两侧垂直路线方向各布置一排桩板墙。锚索桩板墙顶部边坡按照1∶0.75坡率进行放坡，最高为3级边坡，分级高度为10 m，平台宽2.0 m，平台处设置平台排水沟，桩顶以上边坡采用锚索框梁加固，同时在堑顶外5 m处设置截水沟。

现状观光路为四级边坡，边坡第一级高度为5 m，设置锚索桩板墙支护；第二级分级高度为10 m，坡率为1∶0.75，设置锚索框架梁支护(仅设置一排锚索)，第三级分级高度为10 m，坡率为1∶0.75,设置锚索框架梁支护(仅设置一排锚索)，第四级最大高度6 m，设置锚索框架梁支护(仅设置一排锚索)；坡顶距离高压塔基础最近距离为17.6 m。总体布置如图2所示。

图2 边坡支护方案总体布置

3.1.2 锚索抗滑桩

在深外环高速路路基左侧，布置一排锚索桩板墙，在38#桥墩承台两侧垂直路线方向各布置一排桩板墙。本工程共设置抗滑桩12根(1#～12#)，其中锚索抗滑桩7根(3#、4#、5#、9#、10#、11#、12#)，抗滑桩5根(1#、2#、6#、7#、8#)(图3)。抗滑桩为C30钢筋混凝土结构，现场浇筑，桩中心间距为5.6 m，桩截面为2.0 m×3.0 m，桩长16.0 m，其中路堑开挖后形成的悬臂段长8.0 m，嵌岩段长8.0 m。其中锚索抗滑桩的两排预应力锚索分别位于桩顶下1.0 m处和3.0 m处，设计采用8束1×7φs15.24钢绞线，锚固角度第一排20 °，第二排22 °，设计锚固力为700 kN，总长度22 m，其中自由段长12 m，锚固段长10 m(图4)。抗滑桩悬臂段之间设置挡土板，其截面尺寸为0.3 m×1.0 m，单块长3.4 m，共需设置桩间挡土板80块。其中5#与9#桩之间根据现场施工平台位置动态过渡，过渡区采用锚索框架加固。

图3 抗滑桩平面布置

图4 锚索抗滑桩横断面示意

3.1.3 锚索框架梁

左侧锚索桩板墙顶部以上边坡分级高度为10 m，平台宽2 m，坡率自下而上分别为桩顶上第一级1∶0.75，第二级1∶0.75，第三级1∶0.75。坡面锚索采用5束1×7φs15.24钢绞线，设计锚固力为550 kN，总长度20 m，锚固段长度10 m，锚固角度20 °，坡顶一排锚索总长度26 m，锚固段长度10 m，锚固角度20 °。锚索框梁纵横梁截面尺寸为40 cm×40 cm，采用C25混凝土浇筑。立面布置如图5所示，横断面布置如图6所示。

图5 锚索框架梁立面布置

图6 锚索框架梁横断面

3.2 施工方案研究

主体施工顺序安排如下：顶级边坡开挖→顶级边坡锚索框梁→截、排水沟→下部边坡开挖→下部边坡锚索框梁→平台排水沟→锚索抗滑桩→桩前土体开挖。

3.2.1 抗滑桩施工

抗滑桩施工工序：点位测放，孔口段开挖与锁口盘制作，桩身开挖与护壁，钢筋笼制作(安放)，混凝土浇筑。抗滑桩施工采取跳桩施工，根据桩孔实际开挖揭露的地层、滑面位置动态调整桩长和配筋。

抗滑桩应跳桩分节开挖，按设计做好锁口盘和每节护壁。桩孔护壁采用C30混凝土浇筑，为提高护壁混凝土的早期强度，可加入适量早强剂。浇筑护壁混凝土时，必须保证护壁不侵入桩截面净空以内。桩孔开挖过程中应随时校准其垂直度和净空尺寸。桩孔挖到设计标高后进行验槽、浇筑封底混凝土，并应保证封底混凝土厚度。桩身混凝土应边灌注、边振捣，全桩混凝土应不间断浇筑完成。当孔内有地下水且不易抽干时，应采用水下混凝土灌注法进行混凝土浇筑。

3.2.2 预应力锚索施工

预应力锚索施工工序为：开挖→修坡→成孔→锚索体制作及安装。

边坡施工要求边挖边加固，即开挖一级，防护一级，不得一次开挖到底。坡面修整好后，测设孔位，准备钻孔设备进行钻孔。钻孔要求干钻，禁止采用水钻，以确保锚索施工不致于恶化边坡土体的工程地质条件和保证孔壁的粘结性能。钻孔速度根据使用钻机性能和锚固地层严格控制，防止钻孔扭曲和变径。对完成的钻孔进行清理并检查满足设计要求后安装钢绞线。沿锚索轴线方向每隔2.0 m设置3个定位支架以保证锚索有足够地保护层。锚筋尾端防腐采用刷漆、涂油等防腐措施处理。

3.2.3 锚索框架梁施工

锚索框架梁施工工序为：测放孔位→钻孔→清孔→锚索制安→注浆→挖槽→支模→绑扎钢筋→浇筑框架梁、肋→养护→框架内砌筑浆砌片石。

锚索孔位测放力求准确，偏差不得超过±5 cm，钻孔垂直于坡面，倾角允许偏差±2，成孔后用高压空气(0.2～0.4 MPa)清孔。锚索框架施工分片进行，每片长6.0 m，相临两片之间设置2 cm伸缩缝，内填浸沥青木条，深度15 cm。两根竖肋及其所连三根横梁组成一片框架，每片框架梁整体浇筑，一次完成，框架之间的空格用浆砌片石充填并与梁齐平。每片锚索框架放线时，按竖肋对应公路里程放线，并使竖肋投影垂直于路线，横梁与竖肋垂直，每片框架上的锚索孔应以第一根竖肋最上部的孔为基准，(按锚索框梁结构图确定)，然后再确定其余孔位。

4 边坡支护监测

4.1 监测方案

为了保证边坡施工中的安全和加固后的工程治理效果，为施工提供边坡稳定状态或变形特征的信息，指导安全施工，应进行边坡的监测设计。监测内容包括边坡变形地表位移、抗滑桩位移、深层水平位移和锚索应力。边坡监测项目如表2所示。监测点布置如图7和图8所示。

表2 边坡监测项目

图7 监测断面布置

图8 监测点平面布置示意

4.2 监测结果分析

边坡位移检测前三级平台各选取一个监测点数据，结果如图9所示。锚索应力同样选取三个测点(图10)。

图9 边坡水平位移

图10 锚索应力

由图9、图10可知，边坡整体水平位移在1.2～6.4 mm，满足规范要求。锚索应力较平均，说明锚固效果好。

5 结论

本文针对深圳外环高速公路深挖路堑边坡支护问题，采用多级锚索框架梁和锚索抗滑桩联合作用的支护方式。开挖第一级边坡采用锚索抗滑桩桩板墙支护，桩顶以上第二、三、四级边坡采用锚索框架梁支护，同时对边坡稳定进行计算、对边坡变形、抗滑桩位移和锚索应力等进行监测。根据计算和监测结果，该支护方案在正常工况和暴雨工况下，均满足规范要求，支护效果良好，可为今后同类边坡支护提供参考。