小南山隧道两侧边坡加固应用分析

周小琦 1 ，蒲利军 2 , 鲁俊 3

1， 2， 3 中建四局土木工程有限公司，广东 深圳 518000

【摘要】小南山隧道两侧现状边坡高度约为19～29.5m，坡率1：0.5～1：0.8，边坡无加固历史，上部为人工填土、坡残积层、岩石风化层，下部为中风化基岩，岩石裸露，结构节理发育。根据施工成本，施工工期等方面选择锚杆与格构梁组合力学体系进行边坡加固。其拉拔试验结果表明锚杆的抗拉拔力大于边坡岩体的设计倾覆力，对边坡有良好的支护作用。应用分析结果可作为实际工程经验为类似地形地区的边坡防护作为参考。

【关键词】工程地质；边坡加固；锚杆；格构梁；拉拔试验

0、引言

随着社会经济的飞速发展，国家基础设施建设力度的逐步加大^[1]，边坡岩体治理问题越来越受重视^[2]。因此，进行边坡的稳定性分析，更好的规划治理边坡危岩，建立安全和谐的生态环境已成为我国工程建设现代化发展的重要任务之一^[3]。因而，了解和认识边坡地质情况^[4]，加固治理危险边坡对切实保证人民人身财产安全与运维综合经济成本有重要的实际意义^[5,6,]。 小南山隧道两侧现状边坡高度约为19～29.5m，坡率1：0.5～1：0.8，边坡无加固历史，上部为人工填土、坡残积层、岩石风化层，下部为中风化基岩，岩石裸露，结构节理发育。现状边坡为人工切割边坡后形成，未进行支护，可见爆破松动圈，边坡安全问题极其严峻。对小南山进行岩土地质分析，明确其隧道两侧边坡的稳定性，危险区域加固支护处理，对保障小南山附近人民生命安全，推动周边经济发展有着极其重要的作用。

1、工程概况

拟建项目位于深圳市，全年气候温和湿暖，夏长冬短，雨量充沛，日照充足，干、湿分明。沿线的地貌单元主要为山地，残丘坡地和残丘之间坳谷，坡地覆盖植被等。道路地形沿线起伏较大，多为人工切割山坡，坡率为1：1.25~1：0.3，局部高陡峭壁，地面高程在14.5~77.5之间，本次调查区内断裂构造主要以北东和北西向断裂较为发育，褶皱不发育。据钻探揭露，场地地层为第四系人工填土，白垩系花岗岩，奥陶纪早奥陶世花岗岩岩层组成。岩土体设计参数建议值如下表（2-1）。

表2-1 岩土体设计参数建议值

通过地表工程地质调绘和钻探控制，在本次勘察的线路段内发现有如下不良地质现象：断层破碎带，崩塌，危石等。特殊性岩土为填土。

1.断层：该断层位于场地中段，斜交边坡，断层宽度15~18m，倾向南东，倾角45°~65°，在高切坡的原滑坡处和学校北东边坡处出现露头。断层破碎带内岩体破碎，发育构造早透镜体，断层泥厚度10~20cm，为软弱结构面。

2.崩塌：场地内高切坡是经人工爆破开挖形成，边坡坡面在风化淋滤，温差变化和地表水冲刷下，松动岩块在地表水冲刷和重力作用下，沿近于直立的风化节理裂隙面滑塌，倾倒，坠落，崩塌规模较小。

3.危石：由于坡面未治理，部分因爆破松动的岩块在风化作用下沿坡面滚落或掉块，大小不等，存在安全隐患。边坡加固工程简图如下（图1-1）。

图1-1边坡加固简图

2、应用研究方法

2.1锚杆格构梁应用原理

锚杆格构梁支护体系是由预应力锚杆和格构梁两种不同的常用支护体系单元组合而成。预应力锚杆在支护体系中的主要作用是通过锚杆与自然土体的结合产生一定的抗拉拔力。这种拉拔力将承载整个支护体系的最终受力终端产生的力。格构梁在支护体系中的主要作用是通过网格状的片状单元加固裸土土体表面，保护土体作为整体不产生影响边坡安全的位移。整个支护体系所承担的力来自于因不同土质、坡度、上部荷载等产生的土体倾覆。那么，锚杆格构梁支护体系的基本传力体系如下：土体倾覆力—格构梁—锚杆—锚杆抗拉拔力。

2.2锚杆格构梁防护技术参数

锚杆格构梁锚杆孔为130mm锚杆孔，锚杆钢筋采用32钢筋，锚杆长度采用6m~14m，锚杆格构梁（格梁）由C25砼及钢筋骨架构成，格梁宽30cm，厚40cm；锚固角度为15度。

2.3锚杆格构梁施工方法

1.测量放线

测量组需对边坡按设计坡率进行放样，并用横纵交叉广线拉直，以便确定边坡修整的情况，且测量组需做好书面和现场的技术交底工作。

根据具体工点锚固施工设计图要求，用全站仪和GPS将锚孔位置准确测放在坡面上，孔位在坡面上纵横误差不得超过土50mm。如遇既有刷方坡面不平顺或特殊困难场地时，需要设计监理单位认可，在确保坡体稳定和结构安全的前提下，适当放宽定位精度或调整锚孔定位。

2.搭设脚手架

脚手架搭设前必须先对现有边坡的稳定情况进行观察，确定安全后再搭设脚手架。脚手架采用φ48mm*3.5钢管搭设，支架立柱应置于坚硬稳定的岩石上，不得置于浮渣上；

操作平台采用钢管脚手搭设，双排双立杆；外架立杆距离坡面0.3m-0.5m，横距为1.5m ，纵距为1.2m，大横杆步距1.80m。且下部设置斜撑。

搭设管扣要牢固和稳定，钢架与壁面之间必须楔紧，相邻钢架之间应连接牢靠，以确保施工安全。

脚手架搭设完成后，应根据施工需要在脚手架上设置脚手板和爬梯，且脚手板和爬梯应绑扎牢固，以保证人员及机具的施工安全。

具体搭设要求详见4.3.8章节高边坡防护脚手架。

3.钻孔

钻进方式选择：钻孔要求干钻，禁止采用水钻，以确保锚杆施工不至于恶化边坡岩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，造成下锚困难或其它意外事故。

1）进行孔位放测，放测后应用油漆在岩层面上画出孔位，孔位误差不大于50mm，并做好放线技术交底。

2）将钻机用三脚支架提升到稳定平整的竹跳板上，根据坡面测放的孔位准确安装固定钻机到指定孔位，并严格认真进行机位调整，孔位误差不大于50mm，钻孔倾角和方向应按设计要求设置，倾角允许误差位±1.0°。

3）锚杆孔达到设计深度后，不能立即停钻，要求稳钻1～2分钟，防止钻孔尖灭，达不到设计孔径，为确保锚杆孔深度，要求实际钻孔深度不小于设计深度（尺量抽查20%）。

4）在钻进过程中，应精心操作，精神集中，合理掌握钻进参数，合理掌握钻进速度，防止埋钻、卡钻等各种孔内事故。一旦发生塌孔缩孔等不良钻进现象时，须立即停钻，及时进行固壁灌浆处理（灌浆压力0.1～0.2MPa），待砂浆（水泥浆）初凝后重新钻孔。

5）如遇锚孔中有承压水流出，待水压、水量变小后方可安装锚杆杆体与注浆，必要时在周围适当部位设置排水孔处理，或采用注浆封堵、二次钻进等方法处理锚孔内部积聚水体。

6）为防止岩层面风化，钻孔、安设锚杆杆体及注浆也循环进行。

4.清孔、验孔

1）在达到设计钻孔深度后，应用高压风枪清除孔内和孔口处的水、浮渣及粉尘，注意清孔顺序是自上而下。清孔完成后，应将孔口暂时封堵，避免碎屑杂物进入孔内。

2）在清孔的同时，需对孔位、孔深进行检查，锚杆孔位、孔深允许偏差为±50mm，漏钻孔及深度不够的孔位应及时补钻。

3）锚杆杆体插入前，需经监理工程师检查确认合格后，方可插入锚杆杆体。

5.杆体制作

杆体为L=6m~14m，φ32的螺纹钢筋,杆体制作前钢筋应平直、除油和除锈杆体的加工地点为钢筋加工棚，杆体下料制作应按设计要求进行，严格按设计长度下料，钢筋宜采用切割机切断。加工好的锚杆杆体存放在钢筋棚。（锚杆大样图见图3-1）

图3-1锚杆大样图

6.锚杆杆体插放

1）杆体放入钻孔之前，需经监理工程师检查杆体的加工质量及锚杆孔平面位置、孔径、深度及钻孔倾角、水平方向角检测合格后，方可放入钻孔，杆体放入插放时应避免插体扭压和弯曲，插体入孔内深度不应小于锚杆长度的95﹪，亦不得超深，以免暴露长度不足。若达不到设计深度，应重新钻孔。杆体安装后，不得随意敲击。

2）锚杆杆体接长：锚杆杆体接长可采用电焊在工地绑焊焊接。

3）锚杆杆体插入钻孔：插入锚杆杆体时应将灌浆管与杆体同时放入钻孔底部，一般情况要求洗孔后，立即插放杆体，插入时将锚杆杆体支架的一面向下方。

7.锚杆孔注浆

1）灌浆前应对细集料进行检查，不得出现石子等杂物，防止机器的堵塞，并应检查注浆泵、管路及接头的牢固程度，防止浆液冲出伤人。

2）向下倾斜的钻孔内注浆时，采用压浆机将M30水泥浆（按施工位置确定）注入锚孔，注浆需按孔位自下而上进行。灌浆压强宜不小于0.2MPa的工作压力。注浆量不得少于计算量，压力注浆时充盈系数为1.1~1.3。按照设计要求，注浆材料宜选用水灰比0.45～0.5、灰砂比为1：1的M30水泥砂浆（具体配合比由试验室实验得出），注浆时注浆管应插至孔底5～10cm处，随砂浆（水泥浆）的注入缓慢匀速拔出，并在孔口处应减压或松压至零。 注浆要保证砂浆（水泥浆）饱满，不得有里空外满的现象。

3）向上倾斜的钻孔内注浆时，应在空口设置密封装置，将排水气管端口设于孔底，注浆管应设在离密封装置不远处。

4）注浆设备拌制的浆液需大于现场砂浆（水泥浆）需求，采用注浆管应能在1h内完成单根锚杆的连续注浆。

5）浆液硬化后不能充满锚固体时，应进行补浆，注浆量不得小于计算量。

6）砂浆（水泥浆）拌和均匀，随拌随用，一次拌和的砂浆（水泥浆）要在初凝前用完，注浆结束后，应将外露的钢筋、注浆管、注浆枪和注浆套管清洗干净，同时做好注浆记录。

7）浆体强度检验用的试块每台班制作2组试块，每组不应少于6个试块。

2.4施工检测方法——锚杆拉拔试验

锚杆锚固段的抗拔承载力的检测，主要通过基本试验和验收试验完成。基本试验是在工程 锚杆正式施工前，为了确定锚杆的设计参数和施工工艺^[7]，在现场进行的锚杆极限抗拔承载力试 验；验收试验是为检验工程锚杆抗拔承载力是否符合设计要求而进行的锚杆抗拔试验。具体的 抗拔试验方法在行业标《锚杆检测与监测技术规程》JGJ/T401-2017 中有详细的规定。锚杆抗拔 试验装置主要包括荷载加卸载装置（通常用穿心液压千斤顶）、加载反力装置、荷重传感器及位移测量仪表。加载反力装置的作用是支撑液压千斤顶，将荷载反力传递至反力装置支座和其周围的岩土层中。加载反力装置主要有支座横梁反力装置、支撑凳式反力装置和承压板式反力装置三 种形式（反力装置示意图可参见 JGJ/T401-2017 第 4.2.6 条附图）

^[8]。

2.5边坡施工技术监测

（1）基本要求

（a）位移监测测点设置原则：沿坡顶及平台按20～30m间距设置观测点，单个边坡监测剖面设置应不少于3条，每条剖面上布置监测点不少于2个。

（b）锚杆拉力测点比例不少于锚杆总数的3％

（2）监测要求

（a）应在开工前设置好位移兼沉降观测点，并建立初始读数。

（b）边坡预警值及允许值：水平位移要求控制在0.002H（H为边坡高度），且不大于30mm；沉降变形要求控制在0.0015H，且不大于20mm；报警值作为现场监测报警的标准，取控制值的75％。

3、小南山隧道两侧边坡锚杆格构梁加固应用分析

3.1工程地质定性分析

边坡的稳定性与组成边坡的岩土体的物理力学性质，边坡的规模，形态，岩土体的空间分布特征，水文与气象条件，地震影响和人工作用等因素有关。通过对赤湾学校边坡进行的野外地质调查和室内相关资料的分析，构成边坡的岩土体主要为第四系回填土和强风化，中分化花岗岩。该边坡为开山填海人工开挖形成的台阶边坡，按边坡的形态特征可将边坡分为A，B，C三段，其中A段边坡为岩质边坡，B段边坡局部第四系回填土层较厚和有较厚的强风化层，该段主要为以岩质为主的岩土质混合边坡；C段边坡属于岩质边坡。岩质边坡内岩体中原节理裂隙不发育，块状结构，岩体较完整，参照国家标准GB50330-2013《建筑边坡工程技术规范》中划分标准，边坡岩体类型为Ⅱ类，直立高边坡欠稳定，出现岩块局部落块。

小南山隧道两侧边坡为岩质边坡，坡高约30~44m，总体坡度为50°~62°，从东到西按2~4级放坡，每级边坡高9~15m，坡率1:0.35~0.55,平台宽1~2m，符合坡率要求。在该段边坡岩体中，因爆破形成的风化结构而较发育，岩体被结构面切割形成局部楔形体，调查发现坡体表面局部有不稳定危石存在。综合评定该段边坡岩体总体稳定性较好，但局部潜在不稳定岩体，该边坡可能存在的破坏形式为危岩和崩塌，危岩规模一般小，体积多小于10m3，局部崩塌规模可达50~100m3。

3.2锚杆布置图

3.3工程重难点分析

锚杆格构梁在其优势条件下，对于施工过程操作和管理仍然存在一定的施工难度。我们假定其优势条件为：高边坡土质良好，施工工期合理。边坡的开挖按设计放坡开挖一次开挖到底。高边坡支护施工需利用临时搭设的操作架体作为其成孔、锚杆安装、注浆、张拉、检测等各个工序的作业平台。由于操作平台的条件空间限制、安全隐患等给上述施工作业带来一定的施工难度。由于锚杆在施工过程的不可见性质，决定了施工技术的难度。需通过试验锚杆对成孔深度、清孔、锚杆安装方式、一次注浆压力、二次注浆压力、注浆体养护时间、张拉值、张拉时间、拉拔力检测等一系列工序的试验研究方可确定有效的技术参数。这些技术参数是作为锚杆施工的重要依据，是其安全性和可靠性的重要保障，同时也是技术的难点所在。

工程特点如下：

（1）本段高边坡防护工程工程量大，施工工序多样，涉及到多专业，多工种，平行交叉作业。在高边坡上作业，施工工作面大，属高空作业，危险系数大，安全防护难度大。

（2）施工场地布置、施工安全管理、工程质量控制、施工前后工序组织安排等是本工程施工管理的关键。

（3）本工程挖方边坡有强风化边坡，经开挖或遇雨易崩塌，必须及时防护。

3.4拉拔实验结果

表4-1 抗拉拔试验结果表

对小南山隧道两侧边坡5根锚杆抗拉拔验收实验的检测结论为：

1.所测1#（A204-9#）锚杆的最大试验荷载达到180kN。

2.所测2#（A204-13#），3#（A202-14#）锚杆的最大试验荷载均达到240kN，满足设计要求。

3.所测4#（A204-20#），5#（A204-23#）锚杆的最大试验荷载均达到210kN，满足设计要求。

拉拔试验结果表明：设计锚杆的抗拉拔力均小于实际最大试验荷载。在边坡危岩的治理上，根据锚杆格构梁组合设计体系传力分析，预应力锚杆的最大抗拉拔力大于设计上危岩倾覆力，对危险边坡具有较好的加固功能。

4、结论和不足

4.1结论

1.小南山隧道两侧边坡因爆破形成的风化结构而较发育，岩体被结构面切割形成局部楔形体，调查发现坡体表面局部有不稳定危石存在。综合评定该段边坡岩体总体稳定性较好，但局部潜在不稳定岩体，该边坡可能存在的破坏形式为危岩和崩塌。

2. 预应力锚杆在支护体系中的主要作用是通过锚杆与自然土体的结合产生一定的抗拉拔力。这种拉拔力将承载整个支护体系的最终受力终端产生的力。格构梁在支护体系中的主要作用是通过网格状的片状单元加固裸土土体表面，保护土体作为整体不产生影响边坡安全的位移。

3. 锚杆是作为拉力传递构件，有效的利用稳定边坡岩土体的抗剪强度，来承受结构物的拉 拔力、抵抗边坡与结构物间的剪切和拉伸位移。工程实际抗拉拔力大于设计边坡倾覆力，对边坡具有较好的防护作用。

4.2不足

1.所选抗拉拔试验样本较少，且地理位置分布集中在隧道顶部，结论不具有显著代表性。

2.锚杆附近的支座压力可以改善岩层的应力状态，提高岩层的力学性能，增强注浆体周围 的侧限，增大注浆体与土层间的摩阻力，在这种情况下，锚杆抗拔试验得出的抗拔承载力较实际抗拔能力偏高。

参考文献

[1] 雷军.考虑滑体中锚拉力扩散效应的锚固边坡稳定性分析方法.岩土工程学报.2019，41（9）；1724-1730.

[2]王明远.舜过山滑坡治理施工中降雨诱发灾害的处理措施分析[B].江苏建筑.2020，5；82-85.

[3]唐永刚.刍议锚杆格构梁在滑坡应急治理工程中的应用.甘肃科技.2020，36（13）；112-114.

[4]胡浩捷.永久性高边坡锚索格构梁支护体系的应用与研究.第十届深基础工程发展论坛论文集；413-415.

[5]朱伟.锚索格构梁工艺在某土质滑坡治理工程中的应用.地质勘查；132-133.

[6]何兴鹏.探讨锚杆格构梁在地灾治理工程中的应用.西部资源，2020（4）；143-145.

[7]雷晓峰.格构梁锚杆加固滑坡地震动力响应分析.水文地质工程地质,2020,47（1）;91-95.

[8]刘丽萍.高边坡格构梁锚杆（索）支护的施工技术探析.施工技术研究与应用.94-95.