某高速公路K132 段煤系地層滑坡勘察關鍵技術及處置方案研究

魏東旭，王貫國，李健，鄭國勝

（山東省交通規劃設計院集團有限公司，山東 濟南 250101）

0 引言

山區高速公路建設過程中，滑坡是最為常見的工程地質災害之一?；碌陌l生不僅會危害公路施工安全并增加工程項目投資，而且會威脅人民生命財產安全?；鹿こ炭辈焓谦@取滑體物質組成、滑面形態、滑帶土成分及力學特征、現有穩定狀態等滑坡參數的主要手段［1］。在各類地層中，煤系地層具有層間膠結差、軟硬不均、遇水易軟化、崩解及泥化等特點，特別是夾層中炭質泥巖或頁巖具有強度低、易風化、易變形和滲透系數相對較低的特點，這決定了其對整體邊坡的穩定性具有控制作用，常成為潛在滑動面［2］。因此，路基開挖過程中更應加強煤系地層滑坡的勘察，為確定后續防治措施提供合理依據。曾耀等［3］以晴興高速公路K16 煤系地層路塹滑坡為例，通過工程地質調繪、鉆探等手段查明滑坡基本特征，并指出降雨入滲是引發滑坡失穩的關鍵誘因；王琦等［4］指出，降雨入滲是引發煤系地層滑坡失穩的關鍵誘因，并采用“清方及放坡+抗滑樁+加厚護面墻+拱形骨架+噴播植草+截排水工程”進行綜合治理后，坡體穩定性良好；針對下伏煤系地層邊坡懸臂抗滑樁偏位破壞，李昌龍等［5］提出在偏位抗滑樁懸臂段中部設置補充錨索，可有效控制抗滑樁的繼續偏位；若煤系地層滑坡具有較長的滑坡面，舒海明等［6］推薦采用雙排抗滑樁對煤系地層滑坡進行支擋，后期深層位移監測表明滑坡已處于穩定狀態；魏東旭等［2］研究發現，煤系地層成孔困難，錨桿（索）不易錨拉成功，預應力損失大，宜采用抗滑樁，并結合錨桿（索）、防排水設計等進行綜合治理。本文以龍懷高速公路K132 滑坡為例，進行煤系地層滑坡勘察關鍵技術與處置方案研究，以期為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 滑坡發展過程

該路塹邊坡于2016 年8 月初開始開挖，9 月上旬，第Ⅱ區域第三級坡開挖過程中出現局部塌方，圖1 為路塹滑坡地貌圖，塌方位置為炭質頁巖與灰巖巖性過渡帶，地質條件較為薄弱。10 月初第三級錨桿（索）框架梁防護完成，開挖第二級過程中，第二級坡頂平臺出現裂縫，坡面煤系地層出露，局部滲水嚴重，經研究決定，將第二、三級出現滑塌裂縫的段落由原設計錨桿防護變更為錨索防護，第二級滑塌段落平臺位置增設鋼花管注漿處理。2017 年3 月中旬第一級邊坡開挖并防護完成后，發現地表裂縫進一步向上貫通至塹頂外側20 m 左右，原有塌方土體進一步拉裂框架梁，第二級平臺鋼花管發生傾倒變形，塹頂外側形成階梯狀裂縫，滑坡后緣下挫2.5 m 左右，后部裂縫有繼續擴大趨勢，邊坡整體外移現象十分嚴重。此滑坡已成為該高速公路的難點以及控制點，其治理難度大、費用高、工期長，值得研究。

圖1 路塹滑坡地貌圖（單位：m）

1.2 地質背景

滑坡區地貌形態屬構造剝蝕丘陵地貌單元，高差起伏較大，地形整體呈北高南低，總體呈下陡上緩，地面標高為151.91～208.21 m，相對高差為56.30 m，自然坡度為20°～35°，路塹開挖對原有的地形地貌改造較大，開挖形成了新臨空面。

地層巖性自上而下依次為礫質黏性土、全～強風化泥質砂巖、全～強風化炭質頁巖、中風化炭質灰巖。其中全～強風化炭質頁巖覆蓋范圍廣、厚度大，且巖層產狀順傾，產狀196°∠51°，與坡向近似一致，為典型的煤系易滑地層。

該滑坡體表現為3 個相對獨立的變形區，分別為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ區，圖2 為路塹滑坡地形圖，其中Ⅱ區為主滑區，滑坡平面形態呈“圈椅”狀，其最長貫通裂縫約180 m，寬20～40 cm，最深約60 cm，滑坡分布高程為150～195 m，縱向長約83 m，平均寬130～150 m，主滑方向為NE188°，投影面積為6.9×103m2，滑體厚度為7.0～22.0 m，平均厚度17.0 m，體積約11.7×104m3，為中型中層牽引式巖質滑坡。

圖2 路塹滑坡地形圖

2 滑坡誘發因素及機理分析

2.1 滑坡誘發因素

滑坡正確判識與定性是滑坡防治技術的核心與基礎，為此，應查明影響滑坡的主要因素。通過地質調查、地質鉆探、地球物理勘探、深孔位移監測等綜合手段，探明造成該山體滑坡的主要影響因素有以下幾個方面：

（1）地層巖性：邊坡主體巖性為炭質頁巖，灰黑色，薄～中層狀構造，多為全～強風化狀，巖體結構較為松散，為典型的煤系地層，具有：①軟硬不均，層間結合力差，強度低，易形成軟弱面；②暴露地表后極易風化、崩解（圖3）；③吸水性強，遇水易軟化、泥化，容易導致防護結構錨桿（索）應力損失大，甚至部分失效；④滲透系數低，易形成隔水層，在飽水條件下易形成滑動帶等特點。地層巖性的先天不足是造成該滑坡的主控因素之一。

圖3 炭質頁巖風化崩解

（2）地層構造：滑坡區為單斜構造，巖層產狀196°∠51°，主 要 節 理 產 狀 有：151°∠67°、155°∠15°、177°∠40°等，邊坡傾向188°，巖層產狀與邊坡坡向呈順傾關系，邊坡體易沿著巖層層面的軟弱帶滑動，通過地質鉆孔和深孔位移監測孔揭示，滑坡主滑段傾角與巖層產狀傾角基本一致。邊坡與巖層結構面關系見圖4。

圖4 結構面赤平投影分析圖

（3）降雨及地下水：邊坡開挖后的人工坡面，改變了地下水的滲流路徑，地下水更有利于下滲進入坡體，致使巖土體力學強度降低，自重增大。

（4）人為因素：邊坡開挖后防護不及時、坡體排水工程嚴重滯后，巖土體抗剪強度大幅衰減，致使原設計防護強度不足。

在上述因素影響下，造成滑坡體設計變更后再次出現整體滑動變形。

2.2 滑坡形成機理分析

①路塹開挖形成傾向路基的高陡臨空面，改變了原有巖土體的應力狀態，坡體松弛，裂縫張開；②施工期間持續集中的強降雨沿張開的裂縫下滲，邊坡主要巖體炭質頁巖強度先天不足，且遇水極易軟化，抗剪強度衰減較大，巖層產狀順傾，致使坡體下滑力增大，抗滑力大幅降低；③路塹施工過程中，防排水及加固防護工程不及時，坡體內富水、坡腳積水嚴重，巖土體強度衰減較大；④防護體錨桿（索）錨固段多為炭質頁巖，在地下水作用下錨固應力損失嚴重，致使邊坡補強強度不足。以上多種不利因素共同作用下邊坡體在設計變更后又出現整體下滑［7］。

3 滑坡勘察關鍵技術

3.1 滑坡范圍及滑體特征

地質鉆探成果揭示：滑坡的空間形態呈兩側淺中部深，最深位置在主滑段。通過地質調查結合地表及深孔位移檢測，滑坡后緣為最遠牽引裂縫處，距離路線中心約為83 m，滑動方向垂直路基（NE188°）。存在淺層和深層兩個剪出口，其中淺層剪出口位于中風化灰巖的頂部，該位置巖土體有明顯的擠出現象；深層剪出口不明顯，但在淺層剪出口下部發現較多放射狀裂縫和鼓脹裂縫，坡腳有呈股狀地下水流出，路基位置未發現地表反翹現象，推測深層剪出口位于應力集中的坡腳位置。

滑帶土：通過勘察及地質調繪揭示，滑動帶跡象較明顯，滑帶土以第四系堆積層內部相對軟弱的礫質黏性土、碎石土及全風化炭質頁巖為主?；w：滑體物質組成主要由礫質黏性土、碎石土、全風化炭質頁巖等組成，淺層滑體厚度為5.0～9.0 m，最深約為12.0 m?；玻夯参镔|組成主要為強風化炭質頁巖、強～中風化泥質砂巖。

3.2 滑帶面的確定

確定滑帶面的深度是滑坡勘察的核心，也是計算滑坡剩余下滑力的關鍵和難點所在［8］。本文通過地球物理勘探高密度電阻率法和深孔位移監測法，結合地質鉆探進行綜合判定。

3.2.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法基本原理與傳統的電阻率法基本相同。因此，它仍然是以巖土體的導電性差異為基礎的一類電探方法，研究在施加電場作用下，被探測巖土體中傳導電流的分布規律［9］，高密度電法解釋推斷剖面圖見圖5。

圖5 高密度電法解釋推斷剖面圖（單位：Ω ?m）

從圖5 可以看出：地球物理勘探高密度電法推測的淺層滑帶面與深孔位移監測推測的滑帶面基本吻合，但深層滑帶面存在較大差異。該法對巖體內存在破碎帶、軟弱夾層等潛在滑帶面以及巖層結構面的解釋存在一定局限，另外，該方法具有多解性，推斷的滑面深度與深孔位移監測推測的滑帶面存在較大偏差，需結合鉆探或其他勘察手段進行驗證。

3.2.2 深孔位移監測法

為具體了解和掌握滑坡的變形動態、準確確定滑面的位置、滑坡的主滑方向，為滑坡綜合處置的設計、施工提供支撐，并對加固后滑坡穩定性進行評價［10］，在主滑斷面（K132+350）布設的地勘鉆孔內埋設測斜儀，形成深孔位移測斜斷面，其目的是提高準確度、節約成本的同時壓縮工期，深孔位移監測曲線圖見圖6，其中累計位移曲線矢量方向均為傾向路基方向。

圖6 監測點累計側向位移曲線圖

由圖6 可知：

（1）CX-1 監測點：未形成明顯異常位移拐點，說明該監測鉆孔在滑體范圍以外（圖略）。

（2）CX-2 監測點：累計位移-深度曲線呈“r”形，滑動面以上位移量較大，滑動面以下位移量較小?？卓诶塾嬑灰茷?5.36 mm，變形相對集中在表層0～7 m，在地面以下6.5～7.0 m 出現產生拐點的跡象，根據鉆探揭露7 m 位置為全風化泥質砂巖和強風化炭質頁巖分界面附近。由于強風化炭質頁巖相對隔水，其頂面容易形成滑帶面。

（3）CX-3 監測點：累計位移-深度曲線呈“D”形，孔口累計位移為39.27 mm，在地面以下8 m 存在疑似拐點，22.5～23 m 處存在較明顯的拐點跡象。變形相對集中在0～23 m，23 m 以下變形量很小，根據鉆探揭露8 m 位置為中風化炭質灰巖（透鏡體）頂部的全風化炭質頁巖層內；23 m 位置為強風化炭質頁巖與中風化炭質灰巖的分界面附近。中風化炭質灰巖為穩定基巖，頂部炭質頁巖因地下水下滲軟化容易形成潛在滑面。

（4）CX-4 監測點：累計位移-深度曲線呈雙“r”形，孔口累計位移為33.57 mm，在地面以下11 m 處存在疑似拐點，13.5～14 m 處存在較明顯的拐點跡象。變形相對集中在0～14 m，14 m 以下變形量很小，根據鉆探揭露11 m、14 m 位置為強風化和中風化炭質頁巖分界面附近，存在形成滑動面的可能性。

深孔位移監測斷面圖見圖7。從圖7 可以看出：該滑坡體存在淺層和深層兩個滑面，較為復雜。

圖7 深孔側向位移監測斷面圖

3.2.3 滑帶面特征

通過上述方法推測出的兩個滑面分別如下：

（1）淺層滑帶面：滑帶后緣為距離路線中心的最遠裂縫，長度約83.0 m，前緣剪出口為坡腳炭質灰巖頂面?；瑤嬖谇熬壓秃缶壡写┑[質黏性土、泥質砂巖層面，中部位于全風化泥質砂巖與炭質頁巖、強風化炭質頁巖與中風化炭質頁巖（灰巖）分界面附近，厚度5.0～10.0 m，平均厚度7 m，最大埋深距離地表約12 m，為中層滑坡。

（2）深層潛在滑帶面：深層滑坡后緣為最遠牽引裂縫處，前緣剪出口為坡腳炭質灰巖頂面?；瑤媲熬壖爸胁课挥趶婏L化炭質頁巖與中風化炭質頁巖（灰巖）分界面以及強風化炭質灰巖層內的軟弱夾層內；后緣切穿炭質頁巖層面，傾角為50°～55°，與巖層產狀近似一致。厚度7.0～20.0 m，平均厚度16 m，最大埋深距離地表22 m 左右，為中層滑坡。

4 滑坡穩定性分析

4.1 傳遞系數法分析

該滑坡為巖質滑坡，滑帶面呈折線形，滑坡穩定性計算采用傳遞系數法時，基本計算公式如下：

式中：Fs為滑坡穩定性系數；Ψj為傳遞系數；Ri為第i計算條塊的滑體抗滑力（kN/m）；Ti為作用于第i條塊滑體下滑力（kN/m）；Ni為第i條塊滑動面的法向上反力（kN/m）；ci為第i條塊的黏聚力（kPa）；φi為第i條塊滑帶土的內擦角標準值（°）；Li為第i條塊滑動面的長度（m）；θi為第i條塊底面傾角（°），反傾時取負值。

場區抗震設防烈度為Ⅵ度，依據規范邊坡穩定性計算時可只考慮天然狀態工況及暴雨狀態工況兩種情況。根據勘察及監測期間的深孔位移數據，主滑斷面（Ⅱ區）位移速率為3～15 mm/d，滑體在天然狀態下，處于擠壓—勻速滑動階段，飽和（暴雨）狀態下處于勻速滑動—劇滑階段，均為不穩定狀態，通過計算飽和狀態下淺層滑面穩定系數為0.906，深層滑面穩定系數為0.920。天然狀態下滑帶土抗剪強度及穩定系數會適當提高，穩定性計算參數見表1，穩定性計算結果見表2。

表1 飽和狀態滑坡主滑斷面穩定性參數

表2 滑坡主滑斷面穩定性計算結果

4.2 GeoSlope-Slope/W 軟件分析

采用較為嚴格的剛體極限平衡方法——Morgensten & Price 法對該滑坡進行對比分析，計算采用當前國內外廣泛應用的邊坡工程專業軟件Geo-Slope 之Slope/W 軟件包進行滑坡穩定性計算，計算模型及結果分別見圖8、9 及表3 所示。

表3 滑坡計算參數取值及計算結果

圖8 淺層滑面剩余下滑力計算數值模型

圖9 深層滑面剩余下滑力計算數值模型

上述兩種方法對比計算表明：采用滑坡穩定度來反算確定滑帶面指標，無論是采用不平衡推力傳遞系數法，還是采用嚴格的剛體極限平衡法，其滑坡穩定性預測結果、滑坡剩余下滑力基本一致。

5 處置方案探討

5.1 應急處置措施

應急搶險工程應與永久防護工程相結合，力爭應急工程作為永久工程的一部分［11］。根據檢測數據，集中強降雨期間滑體以10～15 mm/d 的速率變形，處于劇滑階段，為遏制滑體進一步變形，快速消除安全隱患，為永久防護贏得時間，建議實施以下應急處置措施：

（1）對邊坡、平臺及坡頂裂縫注漿后用素混凝土封堵或者用塑料薄膜蓋住裂縫以及變形區，防止雨水下滲，進一步軟化滑動帶。

（2）盡快完成塹頂截水溝的施工，防止塹頂外側的地表水進入邊坡體內；加快邊坡體仰斜式排水管的施工，對出水較多地段進行補充加密，排出坡體內的地下水，提高邊坡體的自身穩定性；盡快使坡腳處積水排出，防止坡腳炭質頁巖進一步軟化。

（3）該滑坡地表滑塌較嚴重，最大下挫深度2.5 m 左右，坡面原位恢復加固較難實施。因此，采用“砍頭壓腳”措施，即清除上部滑塌較嚴重的區域，反壓至坡腳位置。需要提出的是，反壓前必須先引排水，反壓體必須滿足壓實度要求，反壓的高度和寬度應以檢測位移數據減慢或者收斂為準。

圖10 為監測點CX-2 深孔監測位移-水深-時間曲線，2017 年6 月18 日至24 日，應急措施實施后，深孔位移監測孔內水位明顯下降，地表累計位移曲線、拐點累計位移曲線趨于穩定，說明應急處置措施實施后遏制了滑坡的進一步變形，應急處置措施得當。

圖10 CX-2 深孔位移監測曲線圖

5.2 永久治理方案

考慮到邊坡體主要為全～強風化炭質頁巖，隨著時間的推移，地下水進一步下滲，錨桿（索）的錨固應力損失較大，邊坡存在再次失穩的風險。本次設計變更時，充分吸取前次失敗的經驗教訓，在卸除滑塌體、放緩坡率的基礎上，于第一級平臺位置設置雙排抗滑樁（主要防護措施），第二級坡體采用斜向鋼花管注漿，以固化巖土體，第三、四級平臺采用錨桿格梁（輔助）等措施，第五級平臺掛網客土噴播，總體起到“固腳強腰減帽”的效果。典型斷面加固措施計算模型見圖11，圖中F為錨桿抗拔力，典型斷面加固方案見圖12。

圖11 典型斷面加固計算模型

圖12 典型斷面加固方案圖

5.3 治理效果

上述永久治理方案實施后，根據檢測，邊坡變形趨于減緩，該段高速公路于2018 年12 月28 日通車，2019 年該地區經歷近20 年的最大降雨量，后期檢測數據顯示，邊坡體未產生變形，說明治理工程達到了預期的效果。

6 結論

（1）地球物理勘探在推測滑坡體的滑帶面時存在一定的局限性。地層巖土體電阻率差異較大時，滑帶面的推測較為準確；滑帶面穿過同一巖體內或者巖體內存在薄的破碎帶、軟弱夾層時，滑帶面的推測容易產生錯判或者漏判。

（2）大中型復雜滑坡的勘察，為準確判斷滑體的空間分布、滑帶面的位置，在補充地質勘察鉆孔的同時，應結合深孔位移監測綜合判定，有條件時建議一孔多用。

（3）工程實踐中為使滑體的物理力學參數選取、剩余下滑力的計算結果更符合實際，滑坡穩定性計算時往往需要通過多種計算方法相互校核。

（4）復雜滑坡應盡快啟用應急處置方案，快速消除險情，遏制滑體的進一步變形，為后期補充地質勘察、設計方案比選、工程施工等永久防護贏得時間。應急搶險工程應與永久防護工程相結合，力爭應急工程作為永久工程的一部分。

（5）在處置煤系地層的復雜滑坡時，由于錨桿（索）的錨固應力損失大、時效性差，采用抗滑樁+鋼花管注漿、輔以排水等綜合處置措施是一種較好的方案選擇。