高速公路碳质页岩高边坡加固处治研究

岩石力学与工程学报 Vol.25 No.2

2006年2月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Feb.，2006

高速公路碳质页岩高边坡加固处治研究

杨永红12，吕大伟3

，

(1. 华南理工大学 交通学院，广东 广州 5100；2. 长安大学，陕西 西安 7100；

3. 广东汕揭高速公路有限公司，广东 揭阳 522015)

摘要：结合汕梅高速公路梅州至梅南段边坡防护工程实例，介绍对黑色碳质页岩高边坡在不利季节尤其是雨季施工时动态设计、动态施工的方法，采用由上至下、分级开挖、边开挖、边防护的原则，提出先排基岩裂隙水，再喷素混凝土，后进行锚杆和锚索格子梁施工的加固处治措施。工程实践结果表明，采用该方法施工效果良好。 关键词：边坡工程；边坡防护；碳质页岩；动态设计；动态施工；锚杆(锚索)格子梁

中图分类号：P 2.22 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)02–0392–07

STUDY ON TREATMENT OF HIGH-CUT CARBONACEOUS SHALE SLOPE

IN EXPRESSWAY

YANG Yong-hong12，LU Da-wei3

，

(1. College of Traffic and Communications，South China University of Technology，Guangzhou，Guangdong 5100，China；

2. Chang′an University，Xi′an，Shaanxi 7100，China；

3. Guangdong Shanjie Freeway Co.，Ltd.，Jieyang，Guangdong 522015，China)

Abstract：The Meizhou to Meinan section of the Shantou—Meizhou Expressway lies in the east of Guangdong Province，which connects the northeast and southeast mountainous areas of Guangdong littoral region. Its construction is important in completing the expressway network，providing access to northeast mountainous areas，improving the investment environment，and further accelerating economy development. The route is 12.288 km long with designed speed 80 km/h，and four lanes in both directions and with whole cross section. The subgrade width is 24.5 m. In the K1+300–K1+600 section，the cut depth of right side is more than 30 m and the left side is more than 50 m. This article is combined with the slope prevention example in this section，the methods of dynamic design and construction for with high-cut slope with carbonaceous shale in unfavorable season are presented. Because construction time is limited and rain is often heavy in summer，this section is constructed during period of light rain. Based on slope datum，preliminary slope treatment is designed. Then the nature of rock conditions，the rock flaw water increment and the directions of rock layer etc. are continually observed. As a result，the design can be adjusted in time according to new conditions. The principle of from up to down，excavation and prevention for each stage are put forward. In addition，draining of rock flaw water，spraying concrete and strengthening action of anchor-stick grid beam are adopted. In the late of 2003，this expressway was completed and slope prevention measures were adopted.

Key words：slope engineering；slope prevention；carbonaceous shale；dynamic design；dynamic construction；anchor-sticks grid beam

收稿日期：2004–10–07；修回日期：2004–11–23

作者简介：杨永红(1977–)，女，2002年毕业于长安大学道路与铁道工程专业，现为博士研究生、讲师，主要从事道路工程方面的教学与研究工作。E-mail：yangyh@scut.edu.cn。

第25卷 第2期 杨永红等. 高速公路碳质页岩高边坡加固处治研究 • 393 •

1 引 言

汕梅高速公路梅州至梅南段位于广东省东部，是粤东北部山区与东南部沿海地区连接的纽带。其建设对完善广东省粤东高速公路网络，发挥粤东北山区的区位优势，改善投资环境，促进经济进一步发展具有重要意义。路线全长12.288 km，设计计算行车速度为80 km/h，双向四车道，采用整体式路基断面，路基宽为24.5 m，整个测设路段采用全封闭、全立交设计。本区多山，广布丘陵，属于山岭重丘区，该工程位于莲花山脉西部，起始于梅州盆地南部边缘，往南、南东穿行于构造剥蚀丘陵区。地形起伏，绵亘山脊或分水岭。海拔高程一般为132～320 m，梅南镇梅江河谷海拔标高约为.5 m，相对高差为40～213 m。

山区高速公路高边坡的治理历来对工程建设的安全、进度、造价影响很大，若治理方案不合理或施工方法、工艺不当，很容易酿成安全事故或造成重大经济损失，因此必须对高边坡的防护治理给予高度的重视，不断总结边坡治理经验，不断提高设计、施工、管理水平，确保高边坡治理安全、实用、经济、美观。

汕梅高速公路梅州至梅南段第一标段K1+300～K1+600处为深挖路堑，右侧最大挖深大于30 m，左侧最大挖深超过了50 m，且山势陡峭，该区段岩质为碳质页岩，岩层破碎，遇水后强度迅速降低，在施工开挖过程中发生局部滑坡(崩塌)，危及该段右侧坡顶处的220 kV高压输电铁塔，若处理不好，将会造成重大的安全事故和经济损失，为保证建设期、运营期边坡的稳定、安全，尽可能不拆迁高压铁塔，减少高压线拆迁成本，满足环境景观要求等原则，经过方案比较、选择和研究，对该段碳质页岩高边坡进行加固处治，取得较好效果。

该高边坡若不采用锚杆、锚索等的加固治理方法，而只放缓边坡，则该边坡存在安全隐患，并且边坡放缓而增加的土石方、公路用地的增加、弃土场的增加等费用很高，通过经济比较，采用锚杆、锚索的技术方案可大大节约造价。

2 地质特征

该区段位于梅县程江镇大亨村，为一山岭垭口，

发育高地沼泽。根据区域地质资料和开挖剖面初步判定，场区内发育一条冲扭性逆断层，逆断层的上盘为二叠系下统文笔山组石英砂夹泥质页岩(P1W)，下盘为二叠系中统龙潭组黑色灰质页岩(P2I)，场地周围地貌整体上呈低矮而平缓的起伏地形，绝对高度小于500 m，相对高度小于200 m，地貌类型为山区丘陵地貌。

根据岩土工程勘察钻探揭露，所钻探的深度范围内存在地下水，同时受大气降雨的影响，地表水补给充沛，水文地质条件较为复杂。

本勘察区域深度范围内，地基土从上到下可分为如下岩土层：

(1) 素填土 ：由碳质页岩碎屑及黏性土组成，欠压实状，为新近堆填。

(2) 含碎石粉土：棕黄色～土黄色，含较多棱角状碎石，成分为石英细砂岩，局部夹块石(滚石)，稍湿，稍～中密。

(3) 粉质黏土：上部灰黄色，下部棕红、灰黑等色，含少量砂砾，可塑，底部硬塑，切面较光滑，具较大干密度。

(4) 强风化碳质页岩：黑～灰黑色，岩石风化强烈，岩芯呈半岩半土状，碎块状。岩性脆，局部夹较多弱风化岩块。

(5) 弱风化碳质页岩：黑色，泥质结构，薄层状构造，岩质脆，岩芯破碎，局部夹强风化，遇水易崩解，强度稍低。

(6) 微风化碳质页岩：黑色，泥质结构，层理构造，岩芯呈短柱状，岩质新鲜，性脆，强度较高。

(7) 弱风化石英细砂岩：灰～深灰色，细粒结构，层理构造，裂隙发育，裂面铁质渲染强，破碎，岩石致密、坚硬。

(8) 微风化石英细砂岩：灰～深灰色，细粒结构，层理构造，岩质新鲜，表面稍有风化迹象，岩石致密、坚硬。

碳质页岩质软[1

～4]

，遇水易软化崩解，受扰动

后，岩层极为破碎，呈煤渣状，层间结合更松弛，受基岩裂隙水的影响，加之地表补水充裕，岩层经常处于湿润状态，强度降低，开挖后常会产生塌方、碎落等问题。

3 边坡稳定性计算

分析该边坡工程地质条件和岩、土体结构特征

• 394 • 岩石力学与工程学报 2006年

的具体情况后，依据现有地勘资料，分别采用Sarma法[5

，6]

4.1 右侧边坡

右侧边坡最大挖深在K1+480达到33.12 m，分三级施工，坡率由下至上分别为1∶0.85，1∶1，1∶1.25。其他边坡第一级采用1∶0.85，第二、三级为1∶1.25。坡高根据边坡的岩、土体结构，一般每10 m一级[9]。另外，由于右侧边坡垂直高度13.7 m 处有一农业灌渠，为保证灌渠的标高和纵坡不变，右侧边坡一、二级坡高设置分别为10 m和3.7 m，

和Bishop法[7

，8]

对边坡进行了非圆弧滑裂面

和圆弧滑裂面假设的计算，计算结果如表1所示。

表1 边坡稳定性计算结果

Table 1 Stability calculation results of the side slope

边坡稳定系数

计算剖面

计算方法

旱季

Sarma法 雨季

1.307 1.096 从而保证灌渠的正常使用。因高压铁塔下部天然植K1+460

Bishop法

1.242 0.911

由表1可知，旱季时边坡是稳定的，雨季时边坡处于极限平衡状态。考虑到该边坡上有220 kV高压线铁塔，为确保边坡的长期稳定，有必要对边坡进行加固处治。边坡加固处治按最不利条件考虑，即未加固前边坡的稳定系数取雨季时的Bishop法计算结果0.911，加固后边坡的稳定系数取1.300。

4 治理方案

根据该边坡的岩、土体结构和水系发育情况，采用了当前实用的动态设计、动态施工的方法，由上至下、分级开挖、边开挖、边防护。先根据已有资料对该边坡的防护进行初步设计，然后在施工过程中动态观察开挖边坡的岩质情况、裂隙水发育情况、岩层节理情况等，根据新的情况及时调整方案。

广东省年降雨量大而降雨频繁，由于项目工期较紧，该边坡的设计和施工在雨季进行，根据碳质页岩的力学特点，设计的主要思路是保证边坡在开挖和防护过程中岩质的干燥，从而确保边坡的强度和稳定性，及时采取措施完善排水系统，拦截地表雨水，截断坡面雨水的补给，做好泄水孔的施工，尽可能把本区外渗流过来的裂隙水及时排除于岩体以外。边坡边开挖修整、边喷射2 cm厚素混凝土，封住坡面，尽量减少雨水的渗入，保证边坡在开挖和防护施工过程中始终处于干燥状态，减少水对碳质页岩强度造成的影响，进而保证边坡的稳定。

由于岩层裂隙发育，采用锚杆、锚索压浆的处理方法效果较好。通过压浆，水泥砂浆扩散，固结岩体，增强边坡岩体的强度和整体稳定性，最后进行坡脚挡墙加固施工。在边坡治理过程中，需做好边坡防护施工的组织工作，注意施工资源的投入，准备工作要充分，同时作出几套抢险施工预案，保证边坡施工及时、快速、高质量，避免边坡开挖后暴露时间过长而导致边坡失稳。

被茂盛，并局部有强风化基岩裸露，天然坡面较陡，

二、三级边坡坡率分别采用1∶1和1∶1.25。右侧边坡处治标准横断面如图1所示。

坡面防护采用锚固钢筋混凝土框格骨架，框格为矩形，格子梁尺寸为横梁40 cm×30 cm(宽×高)，纵梁30 cm×30 cm(宽×高)，设置间距采用为450 cm×500 cm(垂直高度)，

骨架采用C25现浇混凝土，网格内培土植草，并在骨架节点处打设锚杆或锚索。

对一般路段，即K1+300～K1+420，K1+ 530～K1+600段，各级边坡骨架节点处打设普通锚杆，长度为6～9 m，锚杆采用φ25HRB335的螺纹钢筋，孔径为φ66 mm。

对K1+420～K1+530段经过高压铁塔段(高压铁塔位于K1+478.8右侧距路基中线横距82 m处)，第一级边坡骨架节点处打设预应力锚索，长度为 15 m，锚索采用5φ15钢绞线，成孔直径φ110 mm。锚固段长为8 m；第二级边坡骨架节点处打设普通锚杆，长度为6～9 m，锚杆采用φ25 mm的螺纹钢筋，成孔直径为φ66 mm；第三级边坡骨架节点处打设预应力锚索，长度为20 m，锚索采用5φ15 mm钢绞线，成孔直径φ110 mm。锚固段长为8 m。

锚杆和锚索打入角度皆为与水平线呈25°俯角。每个混凝土网格骨架内下端靠骨架交接处设一泄水孔，泄水孔采用孔径为φ80 mm的软式透水管，泄水孔长度按3 m和6 m交错布置，呈5%的仰坡打入。

坡脚设置矮挡墙，墙顶出露路肩高2 m，埋深1 m，顶宽120 cm。在距坡口边缘5 m位置设截水沟一道，在适当位置处引入路基平台上的改沟中。 4.2 左侧边坡

左侧边坡最大挖深在K1+440处达到48.80 m，分四级施工，坡率由下至上分别为1∶0.75，1∶1，1∶1，1∶1.25，每10 m一级。左侧边坡处治标准横断面如图

2所示。 第25卷 第2期 杨永红等. 高速公路碳质页岩高边坡加固处治研究 • 395 •

图1 右侧边坡处治标准横断面(单位：cm)

Fig.1 Standard cross-section of the right side slope treatment(unit：cm)

图2 左侧边坡处治标准横断面(单位：cm)

Fig.2 Standard cross-section of the left side slope treatment(unit：cm)

• 396 • 岩石力学与工程学报 2006年

第一至三级坡面采用锚固钢筋混凝土网格骨架护坡，第四级坡面植草防护。网格为矩形，其格子梁尺寸及设置间距同右侧边坡，网格内培土植草，并在骨架节点处打设锚杆。

对K1+276～K1+380段边坡坡度较矮段，打设锚杆长度为6～9 m；对K1+380～K1+490段边坡坡度较高段，第一级边坡骨架节点处打设长度为12 m普通锚杆，第二级边坡打设长度为9 m的普通锚杆，螺纹钢筋，试验结果显示锚杆和锚索的抗拉拔力满足设计要求，可以进行大规模施工。抗拉、拔试验结果见表2，3。

表2 右边坡1锚索抗拉试验数据

Table 2 Anchor rope No.1 tension data of the right side

slope

长度/m

设计张拉强度/(10 kN)

实际张拉强度/(10 kN)

#

第三级边坡打设锚杆长度为6 m；坡面植草防护。

5 施工方法和工艺

设计方案确定后，严格按照设计文件和相关的规范、规程组织施工。若施工方法不当，不仅达不到加固处治的效果，可能会增加边坡的不稳定因素，甚至导致边坡失稳。因此，应注意施工方法和工艺，施工时必须按既定的施工顺序和工艺、施工操作规程和安全操作规程进行，科学合理组织实施，同时加强边坡稳定性监测，保证施工的进度和质量。 5.1 施工顺序及注意事项

碳质页岩是软质岩石，遇水易软化崩解，应加强防、排水措施，注意观测边坡变形情况，确保施工安全。具体措施如下：

(1) 坡顶截水沟或急流槽的施工，拦截地表水； (2) 边坡开挖，注意施工方法，尽量减少边坡扰动；

(3) 泄水孔(软式透水管)施工，排出裂隙水； (4) 喷2 cm厚素混凝土，防止破碎边坡崩塌，防止地表雨水渗入；

(5) 锚索、锚杆快速动态施工；

(6) 矩形钢筋混凝土网格骨架(格子梁)护坡施工；

(7) 每级平台及时设置排水沟，及时排除坡面水；

(8) 坡脚挡墙采用跳槽法施工，确保边坡的稳定；

(9) 培土植草(或挂网培土植草)。 5.2 锚杆、锚索施工前的抗拉拔试验

为了验证设计的合理性，便于进行动态设计和指导施工，施工前做了锚杆和锚索的抗拉拔试验，锚索采用强度为1 860 MPa钢绞线，锚索没有焊点、搭接、锈蚀和损坏现象，锚杆采用φ25HRB335的

20 33

44

表3 右边坡1# 锚杆抗拔试验数据

Table 3 Anchor rod No.1 tension data of the right side

slope

长度/m

设计张拉强度/(10 kN)

实际张拉强度/(10 kN)

12 10

13.66

5.3 锚杆、锚索施工

抗拉拔试验后开始全面施工[10]。

锚索施工顺序：钻孔、编索、安装锚索、注浆、浇骨架和混凝土斜托、张拉、封锚。

锚杆施工顺序：钻孔、清孔、放入锚杆、灌浆。 5.4 坡脚挡墙施工

挡墙基坑开挖采用跳槽法，间距为10 m，严禁整段开挖；挡墙采用C20片石混凝土施工，沿墙身纵向每隔10～15 m设伸缩缝一道，沿墙面每隔2～3 m交错设置泄水孔，最下一排泄水孔与路肩齐平[11]。

5.5 其他注意事项

边坡上的灌溉沟渠在施工前就将水引出边坡范围以外，防止沟渠水的渗漏对边坡的影响，待防护主体工程施工完后再恢复。在施工中加强现场监控，布设观测网以观测高压线塔、裂缝、坡顶及墙顶位移，并根据观测情况及时调整技术方案和施工方法，以指导施工。

针对该边坡治理提出的施工技术要求如下： (1) 钻机：根据锚固地层的类型、钻孔直径、钻孔施工的场地条件等来选取钻孔设备，岩层中应采用以压缩空气为动力的潜孔冲击钻机，在岩层破碎或松软等易于塌缩孔地层中应采用跟套管的钻进技术。

(2) 钻进方式：采用无水钻进，禁止开水钻，以确保锚索施工不致于恶化边坡岩体的工程地质条件，保证孔壁的黏结性能。

(3) 钻孔顺序：采用间隔钻孔，防止邻孔干扰。

第25卷 第2期 杨永红等. 高速公路碳质页岩高边坡加固处治研究 • 397 •

(4) 钻孔速度：钻孔速度要严格控制，不得高出钻机本身标准钻速的1%～2%，采用匀速钻进，以防止钻孔弯曲和变径，造成下锚困难。由于钻孔尖部的钻渣很难彻底清除干净，为了保证钻孔的有效深度和锚固段的有效长度，一般钻孔深度不得浅于设计深度的101%，且不得少于20 cm，并采用超声波仪进行检测。

(5) 钻进过程要求：钻进过程中，对每个孔的地层变化、钻进状态(钻速、钻压)、地下水及一些特殊情况做现场记录，如遇地层松散、破碎时，应采用跟管钻进技术，以保证钻孔完整不塌，如遇塌孔，应立即停钻，进行固壁灌浆处理(灌浆压力0.1～0.2 MPa)，待水泥砂浆初凝后，重新扫孔钻进。

(6) 孔底要求：钻进达到设计深度之后，不能立即停钻，必须在停止进尺的情况下，稳钻1～2 min，防止孔底端部尖灭，达不到设计的锚固直径。

(7) 钻孔孔壁：钻孔孔壁不得有黏结土或粉砂滞留，必须清洗干净，清洗方法可先用高压水清孔，后用高压气吹干，以免降低水泥砂浆与岩体的黏结强度，防止锚索不能下到预定深度。若遇孔中有承压水流出，待水压、水量变小后方可下锚索与注浆，必要时在周围布置排水孔。

为保证工程质量，施工中每隔20 m在一个断面钻取三孔岩芯，与开挖边坡岩质情况进行比较，进一步论证边坡加固处治技术方案的合理性。

6 监测结果及分析

锚杆和锚索工程为长期监控工程，本工程在每段边坡各埋设3个锚索传感器和3个锚杆传感器，及时进行监测，以便在受力变化剧烈后及时采取措

施。

位移监测共布设3个点，坡顶外缘水平位移和坡顶外缘垂直位移观测结果分别如图3，4所示。水平位移方向为向坡外，累计最大位移为10.5 mm，随着时间增长水平位移逐渐减小并逐渐趋于稳定；累积垂直位移小于3 cm，曲线逐渐趋于水平，说明垂直位移逐渐减少，垂直位移不再变化，边坡趋于稳定。在监测过程中出现的垂直位移波动是因为边坡在开挖、锚索锚固受力情况下，造成的边坡形变，属正常波动。

该工程一共埋设6只锚索测力计和6只锚杆测

m15

D1 m/移105D2 位平0D3

水－5

0

50

100150200

250

时间/d

图3 坡顶外缘水平位移

Fig.3 Horizontal displacement of the side slope top

m m20/移10D1 位直0D2 垂－10

D30

100

200

300

时间/d

图4 坡顶外缘垂直位移

Fig.4 Vertical displacement of the side slope top

力计，其中1个锚索测力计在长期荷载作用下，发生了渗油现象，锚杆测力计2只也已经破坏。右侧边坡1根锚索和锚杆拉力变化如图5，6所示，由于所有点的变化趋势近相同，本文只列出部分监测数据。

50 Nk/力40 拉索30锚 200

50

100

150200

250

300

时间

/d 图5 右侧边坡1根锚索拉力变化图

Fig.5 Tension variation of anchor rope in the right side slope

prevention

6

Nk5 /力4 拉3杆2 锚1 0 0

50100150200250300

时间/d

图6 右侧边坡1根锚杆拉力变化图

Fig.6 Tension variation of anchor rod in the right side slope

prevention

由图5可知，锚索张拉后预应力有一定的损失，预应力损失为24.2%，其原因为碳质页岩出现表面局部破碎，锚索应力需重新调整，但稳定后满

• 398 • 岩石力学与工程学报 2006年

足设计拉力要求，没有再进行二次张拉。从图6可知，锚杆所受的拉力随时间逐渐增加，随着边坡的稳定，变形渐小，锚杆所受的拉力也趋于稳定。同时也说明边坡也在渐渐变形，直到趋于新的应力平衡为止，锚杆已经发挥了作用，并且尚有一定的应力储备。锚杆是一种被动受力锚固技术，边坡变形大，锚杆受力大，反之锚杆受力小。锚杆受力小说明边坡变形小，边坡安全性较高，随着时间的推移，边坡有微小形变时，锚杆的作用将逐步得到发挥。

监测结果表明，边坡表层位移较小，锚索张拉规范，所测出的锚索拉力满足设计要求。由于施工的影响和对埋设仪器的保护不够，造成仪器损坏。该边坡工程经过处治，有效地防止了边坡位移的发展，经过观测边坡处于稳定状态。

7 结 语

在山区高速公路建设中，挖方边坡处治作为路基工程的重要部分，尤其是高边坡处治技术方案的合理性直接影响边坡的稳定安全、工程进度和造价控制。因此，在路堑边坡治理决策上，应进行动态设计、动态施工，根据边坡的工程地质特点，制定出切合实际的整治设计方案，科学合理组织施工。本文所述的特殊路段边坡处治措施，在2003年底通车的汕梅高速公路梅州至梅南段应用后，效果较好，具有很高的推广价值。 参考文献(References)：

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