高速铁路隧道洞口杂填土高边坡稳定性分析及处治

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February2020（C）

高速铁路隧道洞口杂填土高边坡稳定性分析及处治

孙长升

（中国铁路设计集团有限公司天津

中图分类号：F530.3摘

要

文献标识码：A

300000）

DOI：10.16871/j.cnki.kjwhc.2020.02.027

杂填土，其成分复杂、结构松散、压缩性高，物理、

Keywordsslope;miscellaneousfill;high-speedrailway;tunnel

力学性质不均匀，稳定性较差。如果在堆积之后不采取必要的加固措施，很容易发生地质灾害。本文结合山西省某高速铁路明挖段杂填土地层高边坡防护工程，利用数值模拟手段，采取放缓坡、加强坡脚、防渗处理、绿色防护等措施，结合监控量测信息反馈，提供了一种杂填土高边坡防护方案和思路，在很好地遵从“安全可靠、先进成熟、经济适用、保护环境”原则的基础上，解决了杂填土高边坡的防护问题，并经受了实践的检验。关键词

边坡；杂填土；高速铁路；隧道

1引言

杂填土是人类活动所形成的无规则的堆填物。其成分复杂、无规律性、含腐殖质及水化物，性质随堆填龄期变化。杂填土结构松散、压缩性高，物理、力学性质在水平、垂直方向上均呈现不均匀性，稳定性较差。在同一场地的不同位置，此类土层的地基承载力和压缩性也有较大的差异[1]。

国内对杂填土的研究主要集中在杂填土地基的处理和基坑边坡的防护方面。关于杂填土地基的处理，国内常用的方法有表层压实法、换土垫层法、桩基础和各类复合地基[2,3]，不过这些地基处理的方法难以用于杂填土边坡的防护。杂填土边坡的防护较为困难，关于杂填土边坡的防护治理，国内研究的主要是坡高小于15m的边坡[1,4,5]，且多为临时边坡[6-9]。杂填土高边坡永久防护的研究比较少[1]，关于高速铁路杂填土高边坡处治的研究更少。本文结合某高速铁路隧道洞口一高18m的永久性杂填土边坡的处治设计施工实例，借助数值模拟和监控量测进行了杂填土高边坡稳定性分析及处治研究。

StabilityAnalysisandTreatmentofHighMiscellaneousFillSlopeatHigh-SpeedRailwayTunnelEntrance//SunChangsheng

AbstractMiscellaneousfillhascomplexcomposition,loosestructure,highcompressibility,unevenphysical,mechanicalpropertiesandpoorstability.Withoutnecessaryreinforcementmeasuresaftertheaccumulation,itisverypossibletobringgeo-logichazards.Basedonamiscellaneousfillhighslopeprotectionprojectofahigh-speedrailwayopencutsectioninShanxiprovince,byusingnumericalsimulationmethodandcombiningmonitoringinformationfeedback,thispaperprovidesaschemeandsomeideasindealingwithmiscellaneousfillhighslope,whichprovidesatestedsolutionofmiscellaneousfillhighslopeprotection,bytakinggentleslope,strengtheningthetoe,an-ti-seepagetreatment,greenprotection,miscellaneousfillhighslopeprotection,basedontheprincipleofsafe,reliable,ad-vanced,mature,economicalandenvironmentalprotection.

2工程概况

本文所研究的工程为位于山西省晋东南某高速铁路黄土隧道进口明挖段边坡，该明挖段边坡原设计为老黄土边坡，边坡总高度为41.8m，分6级开挖，下部2级边坡为临时边坡，开挖坡率1:1，采用喷锚防护，上部4级为永久边坡，开挖坡率1:1.5，采用菱形锚杆框架防护，每两级边坡之间设2m平台。实际施工后发现地表耕植土以下为夹杂建筑垃圾和生活垃圾的杂填土。经地质勘查后，杂填土最大厚度约

基金项目：中国铁路设计集团有限公司科技开发课题“太焦城际铁路特长隧道穿越复杂地质条件下的技术研究”（项目编号：721658），项目级

别：重点课题，项目负责人：翁东郁。作者简介：孙长升（1990—），男，硕士，工程师，主要研究方向为隧道与地下工程。

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教改教法

表1工况分析表

序号地层情况老黄土临时坡率老黄土永久坡率杂填土永久坡率其他缓坡平台

工况一工况二工况三工况四

老黄土

杂填土+老黄土杂填土+老黄土杂填土+老黄土

1:1.01:1.01:1.01:1.0

1:1.51:1.51:1.51:1.5

———1:1.51:2.01:3.0

——————

每8m高一级，每级

——————

杂填土坡脚设8m缓坡平台

坡脚设2m宽缓坡平台

工况五杂填土+老黄土1:1.01:1.51:3.0

29m。杂填土堆填后经过简单压实厚上覆0.5m耕植土复耕。如按原设计施工，永久边坡上部2级位于杂填土地层中，高约18m，边坡稳定性堪忧，需确定处理方案。

经地质勘查，该段典型段落地质横断面见图1，其中层①为杂填土，褐灰色，16.8～21.0m黄褐色，21.0m以下灰褐色，稍密，稍湿，成分以回填黏性土为主，含建筑垃圾及生活垃圾；层②为老黄土，黄褐色，硬塑，可见铁锰质斑点和白色菌丝，偶见姜石。

4计算模型及边界条件

由根据杂填土边坡典型段落地质横断面，利用有限差分软件建立了上述五个工况的杂土边坡的二维模型。以工况一为例，模型见图2所示。计算模型中，地层材料分为两层，分界面上部土体为杂填土，分界面以下为边坡原始地层老黄土。计算过程中，考虑边坡的实际情况，在模型的底部设置竖向的固定约束，在模型的左侧和右侧设置水平向的固定约束。土体本构模型采用摩尔—库伦模型，初始应力场按自重应力场考虑，各层土体的物理力学参数见表2。

图1杂填土边坡段地质横断面图

图2工况一计算模型图表2土体物理力学参数表

3处治方案及工况分析

结合该杂填土段落典型地质断面的工程地质情况，在遵照“安全可靠、先进成熟、经济适用、保护环境”的设计原则，初步确认采用“放缓坡+生态防护”方案。由于国内尚未有此类成熟案例参考，结合现场杂填土分布实际情况，工程技术人员拟运用数值模拟+现场监控量测试验的方法研究处理措施。

由于杂填土压缩性高，物理、力学性质在水平、垂直方向上均呈现不均匀性，稳定性较差，无稳定坡率依据。结合现场现状，数值模拟选取以下五种工况进行边坡稳定性分析，见表1。

杂填土老黄土427.32地层弹性模量E/（MPa）泊松比μ粘聚力c/摩擦角密度ρ/(kPa)247φ/(°)10243(g/cm3)0.150.33185017505计算结果分析

利用有限差分软件，采用强度折减法对上述五种不同工况下边坡稳定性进行了计算，并就五种工况计算结果进行讨论分析。

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教改教法

表3各工况计算结果分析表

项目工况一

工况二

工况三

工况四

工况五

边坡安全系数1.52

0.49

0.52

0.54

0.56

临界状态最大位移

26.1111.9186.042.333.5

根据表3的边坡安全系数可以看出，工况一全部为老黄土地层条件下，边坡按照1:1.5坡率开挖，边坡安全系数为1.52＞1.35，边坡稳定性满足要求。其余考虑杂填土地层的工况，边坡安全系数均远小于1.35，表明未经处理的杂填土边坡失稳风险很大，另外，结合现场原杂填土自然堆积的稳定情况来看，该计算结果说明模型中关于杂填土力学参数的取值偏于保守。

根据边坡临界破坏状态位移云图可以看出：当杂填土地层坡率由1:1.5减缓至1:3.0过程中，临界状态最大位移逐渐减小；而在杂填土坡脚设8m缓坡平台后，临界状态最大位移也随之减小。说明放缓坡、在杂填土坡脚增加缓坡平台长度，既能改变杂填土地层潜在的破坏面位置，又能很好地增加边坡的安全系数。

6具体处治方案

在参考上述数值模拟结果的基础上，结合相关设计经验，确定处治方案具体如下：

（1）放缓坡。

隧道进口边坡老黄土地层永久性仰坡坡率按1:1.5开挖，老黄土地层临时边仰坡坡率按1:1.0开挖。杂填土地层永久边坡坡率按1:3.0开挖。杂填土与黄土地层分界线处设坡度5%，宽8m的缓坡平台。

（2）坡脚临时边坡采用喷锚防护

临时边坡采用喷锚防护，锚杆采用φ22砂浆锚杆，长3.5m，间距1.0×1.0m，梅花形布置；喷射混凝土采用15cm厚C25网喷混凝土，钢筋网采用φ8，网格25×25cm。

（3）杂填土下部老黄土永久边坡防护适当加强老黄土地层永久边坡面防护采用菱形锚杆框架护坡。（4）杂填土地层作防渗处理并施作绿色防护

杂填土地层永久边坡采用两布一膜土工膜做防渗处理，上覆0.5m厚土层，撒草籽，种灌木紫穗槐防护。

（5）监控量测

边坡施工期间应加强监控量测。施工中如遇降雨，应采62

用塑料布覆盖开挖线内外杂填土，防止雨水下渗至杂填土内，以策安全。

7结论和建议

本文结合山西东南某高速铁路明挖段杂填土地层高边坡防护工程，遵从“安全可靠、先进成熟、经济适用、保护环

境”的原则，提供了一种杂填土高边坡防护方案和思路，经受了实践的检验。

（1）杂填土高边坡应尽量采用缓坡，必要时可于杂填土坡脚设缓坡平台，原则上杂填土放坡坡度应缓于周边杂填土自然堆积坡度，建议坡率采用1:3.0。

（2）杂填土的复杂成分使得经其渗出的地下水一般具有侵蚀性，故杂填土边坡应采用诸如两布一膜土工膜等防渗材料覆盖，一方面降低杂填土失稳可能，另一方面减少杂填土对结构耐久性的损害。

（3）对于位于杂填土以下的其他地层边坡，防护措施宁强勿弱”，应在该地层边坡一般防护措施的基础上适当加强。

参考文献

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编辑李金枝

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