浅析铁路膨胀土路堑边坡新型支护结构及工法

摘要：为更好地对铁路膨胀土路堑边坡进行支护，加快边坡的开挖和支护工程的施工进度，文章提出了加筋土反压防渗柔性护坡结构及工法。坡脚采用路堑桩间挡土墙支护，坡面采用土工格栅加筋土反压于开挖坡面之上，加筋土反压厚度取当地的膨胀土大气影响急剧层深度，以将路堑边坡膨胀土土体封闭于大气影响急剧层以下。新型支护结构可在边坡一次性开挖成形后，同时施作坡脚支挡结构和坡面柔性防护结构，在很大程度上加快了施工进度。文章结合具体案例的实施情况，验证了加筋土反压防渗柔性护坡结构的经济合理性。

膨胀土大气影响深度范围内的土体在水分、地温发生变化时，发生反复的胀缩作用，从而造成土体表层的破坏，并将这种破坏沿着裂隙逐渐向深处蔓延[1]。同时，形成的胀缩力对刚性防护结构的作用也是不容小觑。在铁路建设过程中，多采用缓坡、分级留置平台及刚性坡面防护和坡脚支挡结构等措施来保证膨胀土边坡的局部和整体稳定性。

坡面防护结构主要采用锚杆框架梁内灌草护坡，以维持膨胀土边坡浅层土体的稳定[2]。坡脚支挡结构主要用于维持边坡整体稳定性。由于膨胀土力学特性复杂，使得支挡结构与一般路堑边坡不同，尤其是膨胀土高边坡，往往采用双排桩甚至多排桩进行支护[3]，直接导致工程造价的增加。

膨胀土边坡必须在旱季进行开挖、防护工程的施工，而且下一级边坡的开挖必须在上一级边坡防护工程达到设计强度后进行。无疑，膨胀土边坡的开挖防护给整个工程的工期带来了严峻的考验。

尤其是在膨胀土路堑边坡位于隧道口时，膨胀土路堑边坡不开挖支护完，就无法进行隧道的施工，直接造成间接费的上涨。膨胀土路堑高边坡开挖的工期长、危险性大，使得铁路建设过程频频受阻，也使得膨胀土边坡的开挖和支护方式成为铁路路基工程领域的研究重点与难点。

1 新型支护结构形式

膨胀土的破坏主要是由于其表层湿度不均发生的胀缩破坏，含水量少时，形成裂缝，裂缝向内部的延伸也将胀缩破坏逐渐扩展到深层[4]。大气急剧影响深度表征了裂隙扩展的深度，如果将边坡膨胀土土体封闭于大气急剧影响深度以下，将在很大程度上削弱胀缩作用。

当膨胀土处于相对封闭的环境中时，膨胀土湿度变化较小，能维持很好的岩土体特性，一般原状膨胀土的承载力均可满足填筑要求[5]，因此，可以将回填反压后的路堑边坡视为包心路堤，将路堑边坡的开挖支护转换为路堤边坡的填筑防护来设计。

针对膨胀土路堑高边坡支护结构复杂、工期长的问题，结合工程实际提出新的解决方案，采用加筋土反压防渗柔性护坡。其具体结构包括坡脚支挡结构、坡面防护结构和坡顶反压结构。坡脚支挡结构主要结构形式为桩间重力式路堑挡土墙。坡面防护结构为现场开挖的膨胀土加筋体，加筋材料为土工格栅，反压于需防护的坡面之上，反压厚度与膨胀土的大气影响急剧层深度相同。坡顶反压结构由浆砌片石砌筑，顶面用厚度不小于20 mm的C25水泥砂浆抹面。具体结构形式如图1所示。

注：1.坡脚支挡结构； 2.土工格栅加筋材料； 3.回填加筋土； 4.膨胀土边坡； 5.坡顶反压结构； 6.复合土工膜； 7.锚杆体系； 8.膨胀土
图1 加筋土反压防渗柔性护坡结构图

坡脚采用桩间重力式路堑挡土墙，保证边坡整体稳定性。坡面开挖后，沿台阶面分台阶铺设土工膜，并于土工膜之上回填反压加筋膨胀土，以将路堑边坡土体封闭于大气影响急剧层以下。坡顶采用浆砌片石反压防渗，也是将边坡的膨胀土土体封闭于防护结构之下，形成刚性桩间重力式路堑挡土墙、浆砌片石坡顶反压结构与柔性坡面相结合的整体支挡防护结构。

2 新型支护结构施工方法

为了尽可能地缩短膨胀土施工工期，不影响后续工程的工期安排，缩短膨胀土边坡暴露时间，按如下施工方法施工，可将大气和雨水对原状膨胀土的影响降到最小，同时在很大程度上加快施工进度。

(1)场地平整。测量路堑堑顶范围，清除需开挖部分的地面表层土。

(2)施工机具进场。膨胀土边坡必须在旱季开挖，为保证边坡不受雨水冲刷，避免长时间暴露，必须采用快速施工方法，集合施工机具集中开挖。

(3)按设计边坡率逐级分台阶开挖边坡至坡脚。根据不同的边坡率采用不同大小的台阶开挖，边坡率为1∶2.0时，台阶宽4.0 m，高2.0 m。边坡率为1∶1.75时，台阶宽3.5 m，高2.0 m。边坡率为1∶1.5时，台阶宽3.0 m，高2.0 m。假设膨胀土的大气影响急剧层深度为h米，边坡面及平台面超挖h米。开挖的弱膨胀土于影响边坡稳定范围之外的场地就近临时堆放，便于直接利用开挖的弱膨胀土回填反压。

(4)边坡开挖完成后，由坡脚向坡顶沿开挖面分台阶铺设土工膜，搭接宽度0.5 m，铺设土工膜的同时回填加筋膨胀土。每隔0.6 m水平铺设一层双向土工格栅，分层压实，压实系数不小于0.90。每级边坡按路基本体填筑要求进行压实检测，检测合格后方可进行上一级边坡填筑或下一道工序。回填至桩顶设计高程后，预留5～8 m宽平台以便于桩孔的开挖。桩顶高程以上按设计坡面分级回填压实。

(5)回填至距坡顶0.5 m时，改用M7.5浆砌片石砌筑至设计坡顶，浆砌片石顶部为不小于2%向边坡内的排水面，顶部用厚度不小于20 mm的C25水泥砂浆抹面。同时，由坡脚至坡顶施工锚杆框架梁，框架梁间距3 m，矩形布置，锚杆深12 m，锚杆框架梁内灌草护坡。

在采用加筋土反压防渗柔性护坡结构时，除须在旱季施工外，还应根据施工方法的特点和现场实际注意以下情况：

(1)对膨胀土边坡进行整体开挖时，应预先检算其稳定性，如不满足设计要求，应在开挖过程中施作合理的工程措施，以保证边坡整体稳定性。

(2)边坡分台阶开挖时，可超挖不可欠挖，开挖台阶的宽度和高度不得小于规定的宽度和高度，以保证边坡的膨胀土土体位于大气影响急剧层以下。

(3)土工格栅可有效阻止膨胀土裂隙的扩展，加筋膨胀土回填过程中，按铁路路堤填筑要求对回填土进行压实并水平铺设土工格栅[6]。土工格栅的铺设范围为整个回填面，并保证每幅土工格栅的搭接宽度不小于0.2 m。

(4)坡脚回填的加筋土应在锚固桩达到设计强度后挖除，挖除过程中土工格栅应剪断，不可采用人力或机械拉拔水平铺设的土工格栅。

3 工程实例

云南省内某条铁路的一车站出口紧邻隧道进口，线路以路堑通过该段，在隧道进口端为深挖方路堑，边坡土体为深厚粉质粘土，具弱～中膨胀性，膨胀率为43%～59%，天然密度为18.9 kg/m3，黏聚力大小为41 kPa，快剪摩擦角为16°，大气影响急剧层深度为1.8 m。

该区属山间盆地地貌，地形起伏较小，地表水主要为山间沟水，塘水，流量受季节控制明显，雨季水量较大，旱季相对较小。地下水对混凝土结构具酸性侵蚀，环境作用等级为H1。测区地震动峰值加速度为0.20 g。

图2 膨胀土边坡传统支护方式代表性断面

隧道洞口为深挖膨胀土路堑边坡，长219 m，边坡最大高度29 m，桩顶以上共3级边坡，代表性断面如图2所示。按传统设计方法进行设计时，需设置双排锚固桩，并于坡脚设置桩间挡土墙，坡面采用锚杆框架梁内灌草护坡进行防护。

按开挖一级防护一级的传统施工方法，先开挖第三级边坡，设置锚杆框架梁，待第三级边坡的防护结构达到设计强度后，进行第二排桩桩孔的开挖和桩身浇筑。待第二排桩达到设计强度后，开挖第二级边坡并施工坡面防护工程，依次向坡脚施工。

膨胀土边坡要求在旱季施工，该地区全年旱季时间仅为4～5个月，路堑边坡的开挖防护需要8.5个月，则该段防护工程施工需要2年时间。由于地形限制和深厚膨胀土影响，不具备开挖施工便道条件，导致该隧道需在边坡开挖支护完成后才能开始施工，严重拖后施工进度。

研究采用加筋土反压防渗柔性护坡结构，将路堑边坡当作包心路堤来处治，设计检算时加筋土岩土力学参数取为：C=20 kPa，φ=25°。经检算，可取消第二排锚固桩，只在坡脚设置桩间重力式挡土墙结构，就能保证边坡的整体稳定性。在边坡整体开挖完成后就可以进行隧道的施工，而集中资源一次性开挖膨胀土边坡只需要2个月。隧道的开工，由两年的等待时间缩短为2个月，很大程度上缩短了工期。同时，边坡的快速开挖和及时回填，减少了膨胀土边坡的暴露时间，有助于保持原状膨胀土的特性，避免了膨胀土在短时雨水冲刷作用下发生的局部和整体破坏。

隧道施工的同时，加筋膨胀土的回填反压、坡脚支挡结构、坡面防护结构和坡顶反压结构按前述施工步骤进行施工。采用加筋土反压防渗护坡结构及工法，边坡的开挖和防护工程工期可由2.5年缩短至11个月。

4 结论

通过上述对膨胀土路堑边坡加筋土反压防渗柔性护坡结构形式和施工方式的阐述，结合工程实施案例，可得出以下结论。

(1)膨胀土路堑边坡加筋土反压防渗柔性护坡的施工方法，在很大程度上缩短了工程工期。

(2)膨胀土路堑边坡加筋土反压防渗柔性护坡结构将路堑边坡支护转换为包心路堤防护，与传统支护措施相比，可适当减少工程措施，降低工程造价。

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Analysis of New Retaining Structure and Method of Railway Cutting Slope of Expansive Soil

Abstract：In order to achieve better expansive soil supporting of railway cutting slope, and speed up the construction progress of the slope excavation and support engineering, reinforced soil anti seepage pressure flexible revetment structure and construction method have been put forward. The supporting of pile cutting retaining wall is used on toe. The supporting of geogrid reinforced soil anti pressure is used on slopes. The thickness of reinforced soil equal to depth of the atmosphere has a dramatic effect. It can make soil mass of expansive soil under the atmosphere. The new supporting structure can conduct supporting structure of the toe and slope flexible protection structure at the same time after forming a complete excavation slope. This construction method can largely accelerate the construction schedule. Combined with the implementation of the concrete cases, the economic rationality of the reinforced earth anti pressure and anti seepage flexible slope protection structure is verified.

Key words：expansive soil; cutting slope; reinforced soil; retaining protection

引文格式：高立.浅析铁路膨胀土路堑边坡新型支护结构及工法[J].高速铁路技术，2017,8(2)：74-77. GAO Li.Analysis of New Retaining Structure and Method of Railway Cutting Slope of Expansive Soil [J].High Speed Railway Technology,2017,8(2):74-77.