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灌浆及锚固技术在高速公路路堑边坡中的应用

摘  要 :对广 东省 河龙 (河源一龙川 )高速公路 某路 堑边坡失稳 的原 因进行 了分析,并对边坡内存在的软弱夹层采用了高压灌浆技术进行了加固处理,采用分层多次灌浆的方式,对于塌方区安装了预应力锚杆,经实践检验 ,该方案取得 了圆满成功。 
  关键词:公路;路堑边坡;高压注浆;预应力锚杆 
  中图分类号:U416. 1  文献标识码:B   文章编号:1671—2668(2005)04—0093—02

  广东省河龙 (河源一龙川)高速公路某路堑边坡,原设计坡度为 1:0.65,由于勘察工作的失误,开挖后发现路堑右坡有一层厚度达 7 m的软弱夹层。施工时被迫将坡度放缓,但仍然发生了2次塌方事故 ,必须采取有效措施加以处理。经过详细的调查和论证,拟采用高压注浆加预应力锚杆技术的综合方案进行处理。 
1 工程地 质情 况及边坡失稳原 因分析 
  边坡岩石为石英砂岩,浅部节理裂隙极为发育,单体强度高 ,整体稳定性较差,是对边坡稳定最为不利的地质层。边坡岩体的主要节理裂隙构造面倾向与右坡坡面一致,这更加剧了坡面整体的不稳定性。更为严重的是,在路堑边坡的底部路基开挖线以上有一黄斑岩脉充塞的软弱夹层,厚度约为 7m,倾向与公路轴向相同,并由右坡向左坡侧伏。该软弱夹层沿轴线长约140 m,直接裸露在路堑边坡的岩层上,由于其侧伏方向与坡面倾向一致,稳定性很差,对右坡的稳定构成很大威胁。 
  软弱破碎带的存在始终是构成右侧边坡失稳的最直接和最危险的根源,原因在于:① 原始状态的破碎带含水丰富,具有良好的导通性,内有泥沙充填,开挖过程中的大量失水,以及护坡完成以后泄水,长期的冲刷必将带走部分泥沙,直接承载力降低,在上部岩土压力的作用下,必将发生沉降变形,致使边坡整体失稳,目前发生的局部严重滑坡塌方直接原因正在于此。② 破碎带侧伏方向与右坡倾向一致,在未作任何加固处理的情况下,上部岩体极易沿弱面滑动。③ 破碎带厚度大(7m),暴露范围大约140 m,只要局部塌落一点就有可能引起上部岩石大范围塌方,如果不作处理,后果严重。
2 处理方案 
2.1  软弱夹层处理方案 
  软弱夹层以上坡面岩石松软破碎,整体稳定性差,在坡比为 1:1的情况下,如果不受扰动是可以稳定的。但如果下部软弱夹层发生位移,则顶部破碎岩体必将发生整体滑移。因此加固软弱夹层本身即是边坡总体加固的重要组成部分,而且是至关重要的一环。对软弱夹层和破碎岩体的加固有多种手段,比如放缓边坡,或实行预应力锚固,但考虑到施工用地的困难及实际工程量的加大,本工程中拟采用高压灌浆的方法进行加固。该法主要有 以下优点:① 避免了由于传统处理边坡方案带来的土石方开挖及征地工作。② 和单纯的预应力锚 固方案相比,注浆方案从根本上解决了软弱夹层本身的工程性质,提高了自身的承载能力及稳定性。③ 注浆软弱夹层可以起到充填空隙、化学胶结和离子交换三重作用 ,为提高岩体的整体稳定性提供了更好的保障。 
2.2 塌方区处理方案 
  两次塌方均发生在 K99+300处,右坡一级台阶东侧出现一条较大的裂缝,缝宽 30 mm,长约6m;坡顶出现一条缝宽 50 mm、长达21 m的裂缝,随时有再次发生滑坡的危险,必须采取可靠的措施予以处理:① 裂缝内灌浆。目的在于:首先,通过灌浆可以有效地封堵夹层内的导水通道,堵水率一般可以达到 90%以上,从而可以有效地消除由于水存在的工程隐患;其次,灌浆后凝固的浆体充填于裂缝中,可增加塌落带的整体稳定性,使裂缝和裂隙充实后易于钻孔,便于施工;最后裂缝和裂隙充实后,浆液能得到广泛而有效的扩散,凝 固后的浆体可形成骨架,具有一定的承载能力。② 安装预应力锚杆锚注成孔后在塌方 区及 时插入2根 φ22的螺纹钢(或钢绞线)同时进行上述的高压注浆,最后张拉锁定 ,如此可达到用锚注结合的方式来加固边坡。 
3 计 算参数选择及 其依据 
3.1 计算依据 
  主要计算依据:《公路路基设计规范》(JTJ 013—95)、《土层锚杆设计与施工规范》(CECS22:90)、高压注浆前后加固边坡软弱夹层的物理力学参数及现场试验获得的注浆后的参数(见表 1)。


表1 边坡软弱夹层物理力学性质参数

    类 型
容重/kN·m -3

  岩体抗剪强度
  层面抗剪强度

天然
饱水
c/kPa
  ψ
c/kPa
  ψ

软弱 原始状态
25.0
25.2
35
27
8
26

夹层 注浆后
25.8
26.0
43
28
19
28

夹层上下岩体
26.8
27.1
64
31
20
30


3.2 计算方法 
  根据该边坡的工程地质条件 ,当边坡软弱夹层中剪应力达到其抗剪强度或因某种原因导致其本身抗剪强度降低时,边坡体将沿剪切面发生破坏,对此类边坡破坏采用极限平衡法进行分析,在此采用毕肖普法进行边坡稳定性验算(在受力分析中考虑了锚固力的作用),经受力分析推导出安全系数表达式 : 
             Fs=1/∑ (Wsinα+Li cos(α+β)•(c′b +(W +Li sinβ)tgψ′) /ma 
  式中:W为条块的体力 (kN/m 3);Li为作用于条块上的锚固力 (kN);α为下滑面斜角;β  为锚索安装角;b为条块水平宽度(m);c′、ψ′为滑面上的抗剪强度指标;ma =cosα+tanψ′/Fs sinα。 
3.3 计算结果 
  根据以上导出的计算公式,编制计算程序,经上机计算,得出该边坡软弱夹层及塌方区加固设计应采用的主要参数:① 软弱夹层实施高压注浆,钻孔密度确定为3.0 m×3.0 m,钻孔深度为 10 m,孔内插入 2根螺纹钢筋 (φ22)以增加其抗剪力。② 塌方区边界部位采用高压注浆预应力锚固技术,锚杆材料采用热轧螺纹钢筋,预应力值为 60 kN,长度为10.5 m,安装倾角为10°~15°,注浆参数与软弱夹层高压注浆的参数相同。 
4 施工方案的实施 
4.1 方案确定 
  按上述方案及相应参数选择的原则和结果,确定了最终施工方案,即在软弱夹层实施高压注浆;在高压注浆的基础上于塌方区外边界安装预应力锚杆(见图 1)。




  由于是在露天坡面上实施高压注浆,工艺要求严格,难度很大,主要有以下两点:① 由于软弱夹层本身的特点,加之周围岩体的破碎,浅层扩散的浆液将从节理裂隙溢出,而且由于范围大,难于采取有效措施加以封堵,也就无法施加高压力。② 由于没有加固的软弱夹层和破碎岩体本身承载力低,施加高压时,如浆体在浅层扩散,掌握不好会造成表面岩层崩裂,不但达不到加固的目的,而且还有可能造成对坡面的破坏。 
4.2  实施工艺 
  由于该边坡地质情况十分复杂,要达到设计要求,只是采用常规的注浆工艺远远不够,本次施工拟采取特殊的施工技术和工艺来完成这一任务: 
  1)预埋孔口管。为防止破碎带中难以一次成孔,以及实施高压注浆的需要,钻孔前,先开 1.5m深的笔直的 115 mm钻孔,埋入孔口管。 
  2)注浆。本次注浆拟采用“单孔分层多次高压注浆加固技术”,工艺步骤如下:一次注浆,不加压,以孔口溢为准 ;二次注浆,养护 15 h后进行,注浆压力设定为3MPa;三次 注浆,二次注浆后3 h内进行,注浆压力设定为 5 MPa。 
5 施工过程及效果
  首先按设计要求在塌方区两侧软弱夹层上打孔注浆,施工开始时曾多次发生卡钻塌孔事故,耽误了一定的工期,再加上时至雨季,边坡顶部的裂缝有不断扩大的趋势,故调整了施工顺序,及时进行裂缝灌浆,有效地稳定了边坡,经过 60 d的努力,完全按设计要求完成了全部施工任务。
  施工结束后,经过对坡顶标志裂缝的量测,没有发现任何位移现象,现场采集了高压注浆后的软弱夹层试样,发现原松散的土样完全被固化,强度超过设计要求。夹层上预埋的泄水孔中的水,随着工程的进展而逐渐减小,以致全部断流,整个工程完全达到了预期效果。 
6  结  论 
  1)在条件如此复杂的边坡上运用高压注浆的方法加固软弱夹层,比传统的放坡,修筑挡墙施工方便、工程量小。 
  2)本工程成功地运用了先进技术,实现了在无约束条件的边坡上巧妙地实施高压注浆。 
  3)本工程利用注浆的方法很好地解决了夹层内水的问题,从根本上杜绝了由于水的因素所造成的边坡失稳的隐患。 
  4)本边坡加固技术在采矿、铁路边坡上都值得推广和借鉴。 

参考文献 : 
[1] GBJ 7—89,建筑地基基础设计规范 [s]. 
[2] 顾晓鲁,等.地基与基础 [M].北京:中国建筑工业出版社。1993. 
[3] 工程地质及岩土工程新技术新方法论文集[C].武汉:中国地质大学出版社,1994. 
[4] 地基与基础规范编写组.地基与基础规范[s].北京:中国建筑工业出版社.
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