0 引言

在“一带一路”倡议带动下，大量的公路已经或即将投入建设。在山区及丘陵地区公路往往需要以开挖深路堑的方式通过，当公路通过老滑坡，且对其坡脚开挖时，老滑坡复活的可能性大增，极易诱发新的地质灾害^[1-3]。然而，在初期工程地质勘察过程中由于未能够清楚识别老滑坡，往往在施工开挖和强降雨叠加作用下，会出现老滑坡复活灾害，严重危害在建路基的安全。然而，中途进行改线避让，不仅增加工程造价，还影响高速公路的整体设计。为降低老滑坡对高速公路建设的影响程度，有效的开挖方式和治理措施显得尤为重要，而甘肃红层区老滑坡又多具顺倾结构面发育、存在泥化夹层及软弱带、泥岩与砂岩软硬互层等特征，其滑坡破坏模式多变，如何解决老滑坡段路堑开挖过程中边坡的稳定性是亟待解决的问题^[4-7]。

大型滑坡治理措施主要包括抗滑桩支护，锚索(预应力)、锚杆支护，以及它们之间的组合方案；超前支护方案大同小异，可以参考借鉴^[8-13]。目前国内多采用极限平衡法对滑坡进行稳定性评价，指导滑坡治理与路堑开挖设计；但该方法没有考虑岩土体内部应力-应变关系，也不能考虑土体与支挡结构的共同作用，因此不能定量评价支挡结构对滑坡的加固效果。而有限单元法则能较好地克服上述弊端^[14]。

本文以在建某高速公路路堑施工中的老滑坡为例，进行了老滑坡路段路堑开挖与超前支护效果研究，旨在为老滑坡路段路堑开挖施工提供借鉴参考依据。

1 工程地质概况 1.1 滑坡区地质概况

该在建高速公路以挖方路堑的形式从斜坡中下部通过，平均挖方深度为15 m，最大挖方深度为40 m。在挖方路堑施工时，坡体产生变形，随后滑塌(图 1、图 2)。

工程区山脊走向为北东45°，地势总体呈南高北低，高程为2 122~2 178 m，坡体最大高差为56 m。坡体向北东、北和北西向呈放射状分布，冲沟发育，把坡体切割成条块状，坡体地形较缓，表面呈台阶状分布，平均坡度约为10°。工程区位于渭河高阶地，后在重力和流水作用下改造成斜坡，地貌类型属于河流堆积阶地侵蚀地貌。

研究区内的老滑坡主要分布于项目路线起终段的河谷高阶地前缘冲沟两岸及低中山沟道一侧，具沿河(沟)连续群状分布和集中分布的规律。自然边坡的自稳坡度一般为10°~35°，老滑坡的自稳坡度一般为8°~16°。

1.2 滑坡结构特征

根据工程地质勘探揭露，滑体、滑带、滑床的岩土结构如下。

滑体为第四系全新统滑坡堆积层(Q₄^del)，该层主要包括上层粉质黏土和下层卵砾石两层。粉质黏土为浅黄色，稍湿、可塑—硬塑、松散—稍密，该层厚度为3.7~10.5 m；卵砾石为青灰色，松散—中密，局部含漂石。

滑带土为粉质黏土和粉质黏土混圆砾。粉质黏土为浅黄色，稍湿，稍密、可塑，干强度较大，断面较光滑。土体颜色杂乱，土质不均匀，有黄褐色斑点和红褐色团块，团块为泥岩和砂岩碎屑，发育光滑面，表面有明显擦痕。粉质黏土混圆砾，圆砾粒径为2 mm~5 cm，磨圆较好，分选较差，质量分数为25%~40%，圆砾呈定向排列趋势，长轴方向和滑动方向一致，在滑坡体后缘和中部露头处均有出现，其厚度约为0.5 m(图 3)。

滑床为上第三系砂岩和泥质砂岩(N)，褐红色，青灰色，泥质结构，层状构造，薄层厚层状，锤击易碎，声暗哑，遇水易软化，暴晒易龟裂，岩心多呈短柱状(图 4)。

1.3 滑坡变形特征

调查访问和工程地质勘察表明，该斜坡最近20年来处于变形状态，课题组分析认为阴坡地区阴湿气候条件下冻融循环、地下水反复上升和下降及偶然的地震因素为主要原因，尤其是岷县地震后坡体变形现象加剧。滑坡体后缘下挫，累计竖向位移为12 m，平均变形速率为0.8 m/a；坡体开挖至第一级坡面顶时，K138+630~655段坡体产生变形，开挖线外坡面产生拉张裂缝，裂缝断续长约30 m，宽为5~15 cm，10 d后K138+600~655段坡面产生滑塌，后缘下错位移达1.0~1.5 m，裂缝宽为50~120 cm。

1.4 边坡开挖与防护设计

表 1给出了临渭高速典型路堑边坡原设计方案和优化设计。其采用的路堑边坡坡率1:0.75一坡到顶、平台2 m的设计方案对于该老滑坡路段路堑边坡的稳定性不利；因此有必要分级放缓坡率，加宽开挖平台，充分考虑因开挖施工导致边坡失稳的一切可能，反复论证边坡防护措施的有效性，完善排水设计。同时，对于老滑坡地段的开挖设计，优先采用避让，如无避让可能，设计要考虑一次性根治或者在开挖前采用锚索、抗滑桩等超前支护措施。该段深路堑设计平台宽度3~5 m，坡率按1:0.75→1:1.00→1:1.25 →1:1.50逐级放缓，并配合宽平台清方卸载+抗滑桩/桩板墙/锚索框格梁进行边坡防护，以达到保证路基长期稳定的目的(表 1)。

2 参数选取与数值计算模型

该处路堑边坡稳定性分析主要选取K138+660剖面。依据施工图设计资料，该处路堑边坡分5步进行开挖。利用测量成果，结合设计断面资料采用FLAC3D建模。参数依据理正反算、经验值及实验值综合确定(表 2)。

对于边界条件，边坡上部为自由边界，底部及周边边界固定，进行位移约束。锚杆、抗滑桩超前支护布置见图 5，抗滑桩在第2步开挖完成后进行施工。

锚索自上而下按111道编号，抗滑桩监测点从桩顶开始按点1点9编号。坡体变形跟踪监测点O设置在滑移面剪出口位置，如图 5所示。滑体重度天然工况下取17.5~18.5 kN/m³，暴雨工况下取20.5~21.5 kN/m³；滑带土强度采用残余强度。

3 分步开挖过程中边坡的变形特征与稳定性评价 3.1 变形特征

分步开挖边坡产生的水平位移等值线如图 6所示，可以看出：在第1步开挖的过程中，引起的水平位移相对后续开挖较小(图 6a)；由于开挖的影响，当开挖到第3步时，覆于软弱带上部的土压力减小，相比第2步开挖，引起的水平位移增大(图 6c)；当开挖到第4步时，由于切断了软弱带，同时形成临空面，再者，由于人工削坡坡度较陡，约50°左右，远远超过了老滑坡的自稳坡度，因此相较于第3步开挖，水平位移突然增大(图 6d)。显然，老滑坡路段路堑开挖过程中存在极大的安全隐患，由于开挖坡脚，切断软弱带就可能导致老滑坡复活。

3.2 稳定性评价

从图 7中的边坡稳定性系数(Fs)可以看出，第1步开挖到第4步开挖，路堑边坡的安全度逐渐降低。当开挖到第3步时，边坡已经处于欠稳定状态，塑性区已经开始存在向上贯通的趋势(图 7c)；第4步开挖以后，开挖已切断软弱带，边坡岩土体剪切破坏加剧，塑性区贯通，后缘岩土体因受张拉应力超过其抗拉强度，产生拉裂缝，边坡失稳(图 7d)。

4 平台宽度与路堑边坡稳定的相关性

不同开挖步路堑边坡的稳定性评价结果见表 3，可以看出并不是每一步开挖过程中都存在宽平台(5 m)开挖模式下路堑边坡的稳定性大于窄(2 m)平台开挖模式下路堑边坡稳定性的现象；第1步开挖与第3步开挖出现反常，是因为虽然开挖并没有切断软弱带。但是相较宽平台开挖模式，窄平台一次性开挖土方量较少，且距离坡体中的软弱带较远，在重力作用下起到“压脚”作用，这种效应相较有利；而宽平台开挖模式土方量一次性开挖较大，应力松弛程度相较窄平台要高，同时“压脚”效应也遭到破坏，边坡岩土体的剪切破坏加剧，边坡安全度降低，因此这种异常是合理的。

第2步与第4步开挖后边坡的稳定性和以往的研究相符。即宽平台开挖模式明显优于窄平台开挖，宽平台开挖模式使边坡的安全度得到了整体的提高。

综上，结合工程经验认为，宽平台开挖模式明显优于窄平台开挖模式。但是当路堑边坡坡体中存在沿坡体分布的软弱带时，宽平台的应力卸荷会起到反作用，尤其在距离软弱带较近时，易产生更明显的应力松弛现象，导致边坡在开挖的过程中及早失稳。同时，宽平台对于牵引式滑坡以及具有膨胀性质的岩土边坡作用较小，因一次性开挖坡脚土方量较大，滑带土出现卸荷膨胀现象，尤其在开挖过程中在强降雨作用下，滑带土或者软弱夹层软化崩解，阻滑力减小，滑坡安全度骤降。

5 主动防护-锚索超前支护

锚索布置见图 5，在FLAC3D中采用锚索单元进行模拟，共设置11道锚索，锚索间距取3 m，倾角20°，锚固段穿过滑面延伸至稳定地层。通过设置端头、自由段、锚固段赋不同的属性值来实现锚索各段的作用效果，端头的锚固参数设置为极大值来模拟托盘，达到锚索在受力时端头不会发生滑动的效果。

5.1 边坡变形特征

图 8给出了先支护再开挖与完全开挖后再支护两种工况下边坡的变形趋势，选取坡面滑带出露点(86.0，0.5，26.0)进行其水平位移和总位移的跟踪监测，可以看出先支护再进行开挖的开挖模式有效地推迟了边坡产生较大水平位移的时间(图 8a)；随着开挖的进行，锚索超前支护能够有效约束边坡变形，且边坡岩土体产生的总位移明显受到了抑制(图 8b)。

5.2 稳定性评价

图 9给出了锚索支护开挖过程中边坡岩土体正在破坏的区域。可以看出，第1次支护后第2步开挖，塑性剪切区主要在坡脚处，并从坡脚开始向坡顶向上扩展，但这种塑性区的扩展在一定程度上受到了约束(图 9a)。对于第3步开挖以后立即进行锚索支护、再进行第4步开挖的过程中，塑性区扩展受到了限制(图 9c)。再根据稳定性系数情况，显然，相较未采取支护措施的开挖模式，锚索超前支护开挖模式对路堑边坡的整体稳定性提高明显。

5.3 锚索支护效应

在第1次支护后进行第2步开挖的过程中，结合边坡正在破坏的区域(图 9a)和锚杆布置图(图 5)可知，破坏区域主要分布在第1次锚索支护1、2、3道锚索之间以及附近的岩土体。图 10给出了开挖过程中锚索轴力的变化。从第2步开挖支护过程中锚杆轴力的变化(图 10a)来看：随着开挖的进行，第1、2、3道锚索已经开始起作用，轴力逐渐从0开始增大，最终处于稳定状态；3根锚索均处于受拉状态，第2、3道锚索受拉状态基本一致，并明显大于第1道锚索所承受的拉力。

在第2次支护后进行第3步开挖(图 9b)的过程中，边坡岩土体正在剪切破坏的区域突然收缩变小，说明锚索支护对约束岩土体剪切破坏的效果明显。相比第2步开挖，第1、2、3道锚索的轴力总体呈明显增大的趋势(图 10b)。

在第3次支护后进行第4步、第5步开挖(图 9c，d)的过程中，锚索支护对塑性破坏区自上而下的贯通起到了明显的阻止作用。结合图 10d、e可以看出，随着开挖的进行，锚索轴力均相较上一步开挖有所增加，且相比距离坡脚较远的第1道锚索，距离坡脚位置最近的锚索起作用最大。因此，在锚索支护的过程中应该注重锚索抗拉强度的试验，尤其是在外力突然增加时锚索的抗拉能力；同时，应采用有效措施提高设置在坡脚处锚索的抗拉强度，如施加预应力。

综上，锚索超前支护开挖模式有效地限制了边坡发生大面积的变形破坏，及因开挖切断软弱带或者滑带后边坡产生明显的应力松弛，降低了边坡在施工过程中整体失稳的可能。改善效果最明显的位置主要有两处，第一处主要是对边坡软弱带或滑带及附近区域，第二处是路堑边坡后缘。

6 被动防护-抗滑桩超前支护

图 11、图 12给出了抗滑桩的变形和桩体最大轴力随深度变化的情况。桩体顶部位移一般较大，而切穿滑带嵌入稳定地层的位置，桩体变形几乎为0(图 11)。从桩体受拉压情况(图 12)来看，抗滑桩受力正常，说明抗滑桩未发生支护失效的迹象；桩体承受最大拉力部位出现在滑体与滑床交接处，承受压力最大部位出现在滑移面以下稳定地层中。

图 13、图 14给出了在超前支护开挖工况和无支护开挖工况下路堑边坡监测点O附近岩土体的体积应变和变形变化过程，结合图 15、图 16关于边坡整体稳定性的计算结果可以看出，抗滑桩超前支护路堑施工开挖工况对于抑制老滑坡的复活变形和提高深路堑边坡的整体稳定性方面起到了明显的效果，降低了因老滑坡复活威胁在建路基安全的可能。

虽然超前支护开挖有效地抑制了路堑边坡的整体变形，但抗滑桩穿过滑移面或软弱带，切断原有连续滑体，边坡在桩前桩后应力重分布明显，尤其是桩前土体，下一步开挖施工对其变形影响极大，因开挖产生的应力松弛现象更加明显，岩土体会产生更大剪应变和体积应变，坡脚塑性破坏加剧。桩前土体一旦发生大的变形或者整体滑移，在抗滑桩桩长较短没有插入到稳定地层一定深度的情况下，就有可能使桩发生倾倒变形，失去支护，老滑坡也会复活。图 15证明了桩长较短的情况下边坡的安全度较低；同时，桩长对边坡稳定性的影响存在临界值。因此，抗滑桩桩位的选取和桩前土体的强度处理显得尤为重要，建议抗滑桩采用锚拉之后再进行下一步开挖；桩前土方量一次性开挖不能过大，坡体中滑带进行超前注浆。抗滑桩应该布设在老滑坡体下部。且滑面较平缓的地段，当滑动面长、推力大时，而受制于下一步开挖老滑坡复活的可能，有必要沿着滑动方向布置多排抗滑桩。

由图 16可知，随着桩距的增大，稳定系数减小，边坡稳定性逐渐降低。分析认为由于桩间距不断增大，群桩效应不断减弱，最后单桩抵抗滑坡变形。同时，随着抗滑桩间距的增大，桩间土土拱效应逐渐减弱，最后桩间土滑动下错，因此桩间土破坏变形成了边坡稳定性的控制性因素。

7 结论与建议

1) 对于老滑坡路段路堑开挖，开挖会切断滑带，产生明显的应力松弛现象，导致老滑坡复活，路堑边坡失稳。

2) 一般宽平台开挖模式能提高边坡的整体稳定性。然而，对于存在具有膨胀性质的滑带土的牵引式老滑坡，坡脚采用宽平台刷方减重不利于边坡的稳定。因此，在开挖之前需严格论证，采取合适的开挖模式，或交互采用宽平台与窄平台这两种开挖模式进行削坡开挖。

3) 锚索超前支护有利于路堑施工过程中边坡的整体稳定性，能够有效抑制边坡变形。应注重锚索抗拉强度试验，尤其是在外力突然增加时锚索的抗拉能力，同时采用有效措施提高设置在坡脚处锚索的抗拉强度。

4) 抗滑桩超前支护应注意以下问题：一是抗滑桩桩位的选择要依据老滑坡复活产生的下滑力和开挖引起边坡失稳两个方面进行严格论证；二是桩长、桩距的优化设计。上述问题处理不当将引起抗滑桩倾倒变形，抗滑失效，安全隐患巨大。建议抗滑桩支护采用锚拉，或桩前坡体中的滑带进行注浆，有必要在沿着老滑坡主滑方向布置多排抗滑桩，或采用h型桩体设计。

5) 老滑坡路段路堑开挖设计，不能只考虑坡率和平台设计，必须要配合采用超前支护，如锚索、抗滑桩等，必要时要进行清方卸载，同时要注重信息化指导施工。