高速公路煤系边坡破坏特征及处治技术

高速公路煤系边坡破坏特征及处治技术

苏堪祥1（通讯作者）徐进2,3刘事莲1朱自强2

1.广东省南粤交通投资建设有限公司广东广州510199；2.中南大学地球科学与信息物理学院湖南长沙410083;3.中国国际工程咨询有限公司北京100048

摘要：煤系土的典型特性是土层软硬不均、层间胶结较差、结构松散、开挖后风化速度较快且遇水易软化、稳定性极差，易受冲刷破坏。目前关于煤系地层这一特殊岩土体的工程性质在边坡开挖条件下的变化规律研究较少，导致在实际工程中人们对煤系地层工程性质的规律没有全面的认识，因此有必要基于已有研究基础，把引起煤系地层边坡失稳破坏的各种因素进行综合分析研究，从而建立相应的稳定性评价体系并提出合适的防护措施及施工工艺，对于提高边坡失稳灾害的预防以及灾害发生后的应急处理能力，减小边坡失稳对交通造成的损失具有重要的现实意义。

关键词：高速公路；煤系地层；破坏特征；处治技术

1.项目概况

广东省仁化（湘粤界）至博罗公路项目位于广东省中北部山区，沿线区内发育有软土、煤系地层和花岗岩球状风化残积土边坡，煤系地层分布较广，石炭系砂岩、炭质页岩夹劣质煤有广泛出露，该地层属于煤系地层，同时沿线设计有大量3-5级边坡甚至9级边坡。这些高边坡在天然状态下处于稳定状态，但是在开挖扰动作用、尤其降雨诱发下将处于不稳定状态，边坡的安全储备不能满足该拟建公路的设防要求，对公路安全运营不利，必须相应采取防治措施。因此，把引起煤系地层边坡失稳破坏的各种因素进行综合分析研究，从而建立相应的稳定性评价体系并提出合适的防护措施及施工工艺，对提高本项目边坡失稳灾害的预防以及灾害发生后的应急处理能力，减小边坡失稳对交通造成的损失具有重要的现实意义。

2.开挖条件下煤系地层边坡破坏特征分析

2.1煤系土滑坡破坏特征

根据煤系土滑坡的空间形态将煤系土滑坡划分为整体滑动与错落滑动两种基本类型。

呈整体滑动的煤系土滑坡一般发生在坡体空间几何形态相对规则，边坡规模相对较小，坡体厚度相对较薄及边坡的临空条件较好的情况下。当滑坡滑动面与滑坡周界的变形裂缝完全贯通之后，滑坡发生整体滑动，整体滑动的滑坡体在滑动过程中保持相对较完整状态，滑坡体之间不会发生较大的相对位移。

错落型滑坡的规模相对整体滑动型滑坡大，滑体厚度较厚。错落型滑坡的滑体一般由多个滑块组成，在平面上呈现出多条、多级滑动的特点，在剖面上会出现多层滑动面。在滑坡滑动过程中由于各滑坡块滑动的先后顺序、速度和滑动距离存在差异，因此形成了较复杂的滑坡外貌形态特征。通常在错落型滑坡区会存在不同规模和类型的滑坡并生的现象。

2.2煤系地层边坡破坏机理

煤系地层边坡渐进性破坏的机理在于：煤系地层岩土体在雨水入渗的情况下的遇水软化导致煤系土强度参数降低是煤系地层边坡渐进性破坏的主要原因。开挖卸荷造成的边坡应力重分布，坡脚处剪应力集中，导致坡脚处土体的剪应力首先越过峰值强度而破坏。随着坡脚破坏区的剪应力降低、应变能释放，引起临近坡脚其他区域卸荷而相继越过其峰值强度，破坏区逐渐扩展，最终导致边坡的整体破坏。

煤系土边坡浅层破坏的机理在于：煤系地层岩层在开挖揭露后迅速风化成为强度较低的煤系土。开挖卸荷导致坡顶出现拉张裂隙和原生闭合裂隙张开，土体强度丧失，裂隙积水而产生静水压力；大气干湿循环导致浅层岩土体发育密集裂隙；在雨水入渗作用下，裂隙周边的煤系地层岩土体遇水导致边坡浅层的局部应力集中，最终导致边坡出现浅层滑动。

3.煤系地层边坡处治研究

3.1边坡加固与防护措施

边坡灾害防治方法概括见表1。

表1滑坡防治措施分类

实际工程中具体加固措施的选择主要依据工程可行性、经济可行性、合规范性与合法性、社会的可接受性、环境的承载能力等几个方面。该地区煤系地层边坡高陡使得浅层土体难以在坡面固定，存在着严重的浅层失稳问题。一般考虑将现浇或预制的钢筋混凝土框架（格构）铺设在坡面，框架（格构）的节点处视情况可用锚杆或预应力锚索来固定，使深层和浅层岩土体均得到有效加固。对于浅层稳定性较好的坡体则可只采用地梁而将横梁取消以降低造价。主要采用锚杆索框格梁支护。

在边坡开挖与施工过程中，其原有应力场会重新分布，从而使边坡浅层土体发生变形、开裂、塌陷甚至滑坡。为了保证边坡浅层土体的稳定性，预防和治理此类由于人工扰动引起的边坡工程问题，实际工程中运用最为广泛的即为销杆框格梁复合支护体系。锚杆框格梁是指在边坡上现饶钢筋混凝土框架或将预制件铺设于坡面形成框架，在框架的节点处设置锚杆或锚索进行固定。

3.2煤系地层路基边坡防护

要确保路基路面的稳定性和安全性，除了进行有效的加固措施外，还必须加强边坡的防护，这是由于边坡在水、风、冰冻等自然因素的长期作用下，常发生变形和破坏，例如边坡表土脱落形成冲沟或滑塌，除了会威胁线路的行车安全外，亦会造成严重的水土流失和破坏路段两侧的植被和生态景观。因此，对于山岭重丘区公路，高填深挖较多，积极做好边坡防护尤为重要。传统的护坡方法大致可分为浅层防护类、砌石类、框格、护面墙和喷混类护坡，其优点是护坡能力强，对边坡具有较好的支撑和封闭作用。但因其一次性投资大，视觉效果差，不利于吸收阳光和汽车尾气，难以恢复自然植被。目前，生态护坡技术克服了传统型护坡的缺点，不仅能达到护坡固土的目的，还能起到绿化美观的效果，受到了广泛应用。

4.结论及建议

根据该地区煤系土边坡破坏的工程案例，结合该地区地质条件，对开挖条件下煤系土边坡的破坏类型、模式、机理及破坏原因等进行了分析和总结：

（1）该区域内广泛分布二叠系、石炭系、泥盆系的炭质类软岩，炭质类软岩具有易风化、遇水极易软化、强度低、矿物成分复杂及岩体破碎等工程特性。

（2）该地区的煤系土边坡变形一般会经历三个阶段：前期破坏阶段，即蠕动变形阶段、滑坡形成阶段，即滑动阶段与稳定阶段。

（3）根据煤系土滑坡的空间形态，煤系土滑坡运移的几何形态特征可划分为整体滑动与错落滑动两种基本类型。

（4）该地区特殊的地质条件、降雨入渗及人为因素是造成煤系地层开挖边坡破坏的主要原因。

参考文献(References)：

[1]苏少青,李应顺.浅谈京珠高速公路粤境北段特殊岩土路堑边坡的防护与加固[J].广东公路交通,2001,69(3):52-54.

[2]黄晓华,黄汝祥,刘杰.煤系地层采空区公路路堑高边坡的加固治理[J].重庆交通学院学报,2002,21(1):68-73.

基金项目：广东交通科技计划项目（201502008）