山西是中国的煤炭大省,煤系地层覆盖面积约占全省面积的36%,由采煤形成的采空区相当于山西1/8的国土面积,采矿活动不断引发崩塌、滑坡和地面塌陷等地质灾害,严重威胁着人民的生命财产。阳五高速公路平定北互通连接线位于山西省阳泉市平定县北部,该地区煤系地层发育,采空区分布不均,随着LK1+685～LK2+110段路堑边坡的逐渐开挖,左侧边坡坡顶不断发生变形,垂直沉降和水平移动均有显现,直至最终发生大规模滑塌。是采空变形造成的垮塌,还是边坡开挖失稳引起的滑坡,对其成因及稳定性进行深入分析,并提出处治方案,为其他类似工程提供参考。
平定北互通连接线LK1+685～LK2+110段路堑,左侧边坡最大挖深24m。2015年5月底,路基开挖二级边坡时,左侧边坡出现拉张裂缝,主要延伸方向与路线夹角约13°,呈锯齿状。在二级边坡护面墙完成后,受雨水下渗的影响,裂缝仍继续扩展,坡顶裂缝出现下错,最高错台约100cm,裂缝宽50cm,最长裂缝延伸约80m,二、三级边坡之间的平台裂缝下错约5cm,二级边坡护面墙出现横向剪出裂缝。根据监测资料显示,随着雨季的来临,路堑施工开挖的不断进行,裂缝逐渐扩大,至2015年底边坡发生大规模滑塌。
本路段位于黄土丘陵区,微地貌为黄土缓坡、冲沟。目前本段路基左幅已开挖至一级边坡顶部,标高761m,路基右幅已开挖至路基设计标高,路基中心设计标高750～752m。
区内属于温带大陆性季风气候区。春季干旱多风,夏季炎热多雨,秋季降温迅速,冬季寒冷干燥,年平均气温10.9℃,年平均降水量为564.2mm,无霜期日数一般为130～180d。区内冻土最大深度为1.1m。
区内陆层主要由第四系上更新统(Q3eol)黄土、上第三系上新统(N2al+pl)粉质粘土、石炭系上统太原组(C3t)砂泥岩及煤层组成。
(1)第四系上更新统(Q3eol)黄土(粉土),褐黄色,稍密结构,稍湿状态,具湿陷性,厚0.4～1.2m。
(2)上第三系上新统(N2al+pl)粉质粘土,褐红色,硬塑,厚5.0～7.8m。
(3)石炭系上统太原组(C3t)泥岩、泥质砂岩、砂岩、石灰岩及煤层,灰黄色,全～中风化砂泥岩,节理裂隙发育,厚1.3～13.5m；泥岩、砂质泥岩,褐灰色～黄灰色,全～中风化,厚1.5～9.0m；炭质泥岩,灰黑色,中风化,泥质结构,层理构造,厚0.9～15.3m；氧化煤,黑色,中风化,厚0.2～0.4m。
项目区内以单斜构造为主,总体向西及北西向倾斜,倾角平缓,约5°～10°,项目区未见明显的断裂构造。
根据《中国地震动参数区划图》,区内的动峰值加速度为0.10g,相应的地震基本烈度为Ⅶ度,场地稳定性较差。
根据施工单位介绍,开挖二级边坡时,局部可看到地下水渗出现象,造成局部泥岩出现湿软泥化现象。在K1+900左侧的探坑TJ1挖至标高758.6m时,出现滴、渗水现象。K1+850左侧的探槽TJ3滑面(带)附近,泥岩湿软,呈泥状。路基右幅开挖后,左侧路基可见地下水渗出。
根据详勘报告,该段落路堑下伏采空区,为王家庄煤矿采空区。该煤矿早在1974年就进行开采,以后经过多次复采,2000年关闭。巷道式开采,开采15#煤层,采空区位于设计标高以下52.0～56.0m,采厚2.5～3.0m,采深采厚比17～22,回采率为30%,场地稳定性等级为不稳定。
(1)钻探
为进一步查清边坡滑塌原因,在详勘物探异常区布置钻孔进行补充勘察,深度61.4～74.5m,钻探情况如下：钻探结果显示,钻孔均见煤层,该区域采空区回采率较低,采空区对路堑边坡稳定性影响较小。
(2)物探
为全面查清采空区分布情况,采用高密度电法进行勘察,共布设3条测线,结果显示视电阻率曲线在横向上基本平缓,起伏较小,推测认为浅部地层基本正常,区内未发现由采空引起的地层变形。
综上所述,该路段路堑下伏采空区,为巷道式开采,回采率较低,采空区上覆岩体未见明显变形,对路堑边坡稳定性影响较小。
该滑坡平面形态呈圈椅状,滑体长约210m,宽约82m,滑体厚度10～25m,滑体体积约30.1万立方米,属中型滑坡。滑动方向275°,与路线近似垂直相交。
(1)滑体组成：根据钻探、挖探及地质调查,该滑坡主要由Q3黄土、N2粉质粘土及C3t泥岩、砂质泥岩、砂岩及煤层组成。上部Q3黄土垂直节理发育,土质疏松,N2粉质粘土具膨胀性,遇水膨胀失水收缩,土体松散破碎；C3t砂泥岩节理裂隙发育,岩体破碎,泥岩、煤层具隔水性,在地下水的作用下,砂岩与泥岩接触面、砂泥岩与煤层的接触面附近,岩体软化,强度降低,易形成软弱夹层,岩体产生滑动。
(2)滑动面：随着路堑边坡的开挖,从上至下形成多级滑动面。主滑面为C3t煤层与泥岩的接触面,由于地表水的渗入,煤层泥化、软化,前缘施工开挖形成临空面,产生滑动。次级滑动面为砂岩与泥岩的接触面,路基二级边坡的上部为厚层砂岩,下部为泥岩,因边坡开挖形成临空面,产生滑动,为浅层次级滑动面；路基左幅开挖标高以下砂岩与泥岩接触面附近,岩性为灰黑、灰白色强～全风化泥岩,探坑TJ3发现明显滑动面,探坑TJ1出现滴、渗水现象,探坑坍塌现象严重,为深层次级滑动面。如继续开挖路堑至设计标高,在坡脚处易形成新的潜在滑动面。
(3)滑床：滑坡主滑面滑床为C3t泥岩。
(4)滑坡剪出口：滑坡前缘受路基开挖,形成临空面,煤层与泥岩接触面可见明显擦痕。
(1)地层岩性：坡体岩性为砂泥岩及煤层,存在着相对软弱的结构面(沉积岩层面),有可能形成贯通的滑动面；砂岩中高角度节理较发育,表层黄土垂直节理发育,有利于地表水向下渗透,聚集在潜在滑动面部位。
(2)地质构造：坡体为单斜构造,总体向西及北西向倾斜,倾角平缓,约5°～10°,岩层产状倾向于路基,开挖路基导致岩层倾斜方向临空,易于产生顺层滑动。
(3)水文地质：坡体中存在相对隔水层(煤层、泥岩),且岩土体中垂直节理较发育,为地表水提供了下渗通道,下渗的地表水在隔水层面聚集、漫延,降低该部位的岩土体抗剪强度,导致上覆岩土体滑动。
(4)采空区：该路段路堑下伏采空区,为巷道式开采,回采率较低,对路堑边坡稳定性影响较小。
(5)诱发因素：公路建设开挖路堑为滑坡的主要诱因。随着路堑的不断开挖,临空面逐渐扩大,从上至下形成多级滑动面,后缘裂缝贯通,滑坡发生整体滑动。
滑坡目前处于剧烈滑动阶段,选取断面K1+850、K1+900进行稳定性验算,采用稳定系数K=0.96,综合确定该滑面的c、φ值,见表1。参数的选取结合反算法[1]、试验值及工程经验值,综合选取。
表1 计算参数选取表
断面位置c、φ值试验值反算值采用值K1+850K1+900c=10．1kPaφ=4．5～4．7°假定φ=4．5°，c=7．3kPa，假定φ=4．5°，c=4．2kPa，c=5．8kPaφ=4．5°
滑坡推力计算采用“理正岩土计算5.5版”。计算结果见“滑坡推力计算简图”(图1)和“滑坡推力计算表”(表2)。
(a)
(b) 图1 LK1+850、LK1+900滑坡推力计算简图
表2 滑坡推力计算表
断面位置c、φ值剩余下滑力(kN/m)不考虑地震作用力考虑地震作用力K=1．3K=1．25K=1．2K=1．1K=1．05K1+850K1+900c=5．8kPa，φ=4．5°2120197018202172199322162071192621902019
LK1+685～LK2+110段路堑深挖边坡顶开裂变形,处于不稳定状态,为了保证边坡稳定,对边坡进行处治。根据计算结果,采用卸载+抗滑挡墙的处治方案：对挖方边坡一级平台以上坡体进行卸载,一级边坡采用抗滑挡土墙,坡顶裂缝采用8%灰土
封闭处理,防止雨水下渗降低坡体强度,同时完善边坡防护、排水设施。具体方案如下：
(1)一级边坡高度8.0m,坡率为1∶0.75,平台宽度10.0m,二、三级边坡高度6.0m,坡率1∶2.0,平台宽度10.0m,以上坡率为1∶1.0。
(2)一级边坡设M10砂浆砌MU30片石抗滑挡墙,高度10.0m,基础埋深2.0m,顶宽2.0m,面坡坡率1∶0.75,背坡坡率1∶0.25。
(3)滑坡体卸载后坡率放缓,平台宽度加大,在LK1+685～LK1+790与LK1+980～LK2+110设置坡率过渡段,并在开挖线外5.0m外,平台设平台截水沟,过渡段坡脚设截水沟急流槽。
(4)LK1+980～LK2+110过渡段边坡按原设计二级边坡护面墙断面尺寸设置浆砌片石护面墙。
(1)施工放线在准确无误后,方可进行路堑开挖；开挖顺序,应由上而下,由高到低逐级进行；在施工中进行监控,对施工范围内的坡体进行变形观察,确保路堑开挖后处于受控状态；做好施工中的防排水工作。
(2)保护边坡稳定,对边坡设置支挡工程,应在边坡开挖后,立即实施。避免边坡暴露时间过长而影响边坡稳定。施工中坚持动态设计和施工的原则,开挖后立即通知设计单位到现场核实防护措施,必要时进行调整。
(3)挖方边坡应从开挖面往下分段整修,每下挖2～3m,宜对新开挖边坡刷坡,同时清除危石及松动石块,石质边坡不宜超挖。
(4)在挡土墙施工时,基础开挖应分段施工,严禁全段落开挖,分段以10m为宜,开挖一段砌筑一段。
(5)为确保工程安全,施工期间做好警示标志。
参考文献
[1] 柴波,殷坤龙,等. 滑坡计算参数反演分析的优化算法[J]. 武汉理工大学学报,2007,29(11):98-103.
[2] 李乃旺,等. 煤系地层路堑边坡滑坡机理分析与治理[J]. 公路,2014(8)：161-166.
[3] 李敏,秦小林. 煤系地层路堑高边坡病害防治措施设计[J]. 路基工程,2005,118(1)：72-74.
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