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[摘 要]皖南某高速公路高边坡在开挖过程中，出现明显的变形迹象，后缘产生弧形拉裂缝，坡脚隆起明显。受到开挖和降雨的影响，变形加剧，即将形成人工滑坡。通过对边坡监测信息的分析，查明了滑带范围和影响边坡变形的主要因素。在动态优化设计过程中，基于监测成果，对坡体增设了预应力锚索、截水沟，适当增加了仰斜管的长度。在施工过程中，为了避免施工引起坡体失稳，监测信息迅速分析反馈，及时对施工方法进行调整。动态优化设计与信息化施工保障了本工程安全，降低了施工对边坡的影响，使支护结构更有效合理地发挥作用。
[关键词]开挖边坡；人工边坡；监测；动态优化设计；信息化施工
中图分类号：U416.14 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）33-0155-02
1 引言
深挖方路堑边坡工程往往成为高等级公路建设的控制工程。施工过程中往往由于对坡体当前所处状态判断不明确导致不能采取有效的施工方法和措施，甚至可能为工程埋下隐患。
采用动态优化设计及信息化施工的方法能够较好的做到这一点。其具体步骤为：在初步地质调查的基础上，进行预设计；然后进行边坡变形监测；并且将施工监测获取的信息反馈于边坡设计。同时在施工的过程中，以监测信息作为基础，对施工方法进行必要的修改，有效地保障工程安全。
本文将结合某高速公路开挖边坡设计实例，对边坡动态优化设计和信息化施工进行探索。
2 边坡概况
某高速公路位于我国中部某省山区，地貌单元属于构造侵蚀中山区，自然坡度一般在30°～35°，开挖面倾向110°。边坡所处公路里程桩号为K3+630～K3+905，设计坡宽198m，坡高40m。左侧挖方分6级开挖，挖方坡率1∶0.75。
工程区属于亚热带季风气候区，雨量充沛，山体陡峻，有利于地表水体的排泄，岩体节理裂隙发育，有利于地表水沿裂隙下渗，雨季坡体内部地下水极为发育。
该边坡由震旦系休宁组（Z1x）粉砂岩组成，岩层产状为N20°E/SE∠40～50°。砂岩从成分上可以分为泥质砂岩和石英质粉砂岩，互层分布。
受区域上NW-SE向构造应力影响，以NW向陡倾角结构面最为发育。发育5组节理：表层岩体受节理（裂隙密集带）、层间错动带切割，极为破碎。K3+785工程地质剖面图如图1所示。
3 边坡稳定性分析及初步设计
在初步设计中对边坡的稳定性评价选用的是传递系数法。按照勘查确定的对边坡稳定性起控制作用的层间软弱夹层的分布来推测潜在滑面，滑面的选取如图1所示。限于篇幅，本文仅对K3+785剖面进行稳定性计算。
表1为边坡最危险潜在滑面的稳定性计算成果。在天然状况下，坡体的稳定性系数在1.4以上，处于稳定状态；在暴雨的影响下，坡体的稳定性有所降低，其稳定性系数也大于1.3；在暴雨和地震的影响下，边坡的稳定性系数仍然大于1.1，边坡处于基本稳定的状态。
从稳定性计算中可见，边坡沿着勘查所确定的最不利部位的软弱结构面贯通发生滑动的可能性不大，说明边坡整体是稳定的。因此对边坡的支护主要是防止边坡表层块体发生崩滑，边坡支护设计是以浅层加固为原则。边坡支护主要采用全粘结型锚杆，锚杆采用Φ28mmII级钢筋，按位置不同分10m和6m两种，10m锚杆应用于上部四级坡面，6m锚杆应用于最下一级坡面，锚杆置于3m×3m格构框架的横梁与竖肋交叉处，钻孔俯角25°。
4 边坡开挖变形破坏特征
坡体开挖期间正值雨季，雨水逐渐渗入深层裂隙，降低顺坡向的层间软弱夹层的抗剪强度，并且增加坡体自身容重。随着开挖的进行，变形体顺层滑移量增大，在K3+729～+862段坡顶坡口线外沿产生弧形张拉裂缝，如图3所示。
根据实际评估认为，该路堑边坡开挖后的大变形范围并非仅限于浅层，而是在开挖和降雨的影响下已经形成了深层的人工滑坡。为了确定变形破坏深度，为动态设计提供依据，在边坡后缘出现裂缝的同时立即对边坡实施了深部位移监测。
5 边坡深部位移监测
5.1 监测布置
监测仪器选择多点位移计和钻孔测斜仪，这两种仪器分别可从水平方向和垂直方向上监控坡体的内部变形。
监测剖面的选择：选取桩号K3+785剖面作为主监测剖面，在其两侧各选取1个次要监测剖面：K3+745、K3+840。在主监测断面K3+785上布置2套4点式位移计、1个测斜孔；在K3+745剖面布置1套4点式位移计、1个测斜孔；在K3+840剖面布置1套4点式位移计。多点位移计水平钻孔深度均为40m，测斜孔垂直孔深均为35m。监测点平面布置图如图3所示。
5.2 监测成果分析
边坡变形过程分析
各多点位移计测值的变化过程都呈现出相似的特征，图4为其中具有代表性的多点位移计M-2的不同深度测点的位移与时间的关系曲线。在前期，边坡的变形主要是由于边坡的开挖卸荷引起的，位移呈缓慢增加的趋势，其间由于爆破的影响使得位移陡增。同时边坡的变形对雨水比较敏感。在第一个强降雨阶段内边坡的位移陡增，此后又呈现出缓慢的变形趋势。在第二个强降雨阶段内边坡位移又开始陡增。可以判断除了边坡开挖之外降雨是影响边坡变形的主要因素。
深部变形监测信息分析
通过对测斜仪监测数据的处理能够比较准确地分辨出变形体的范围，从垂直方向上能确定变形体的变形深度。分析多点位移计各个深度测点的位移大小能够推测出变形体水平变形深度范围。
从图5中可见IN-1孔累积位移陡增的孔深即为滑带深度为11～12m 。
从图7中可以分析出，边坡的变形在水平方向上是从坡体表面到坡体深部逐渐减小。当变形减小到接近0mm值附近时可认为坡体在该深度以内为稳定岩体，该深度以外为变形体的范围。M-2处变形体的水平深度范围大致在26m左右。同理可以分析出其他各多点位移计处滑带的水平深度。M-1处滑带深度大约在26～27m左右，M-3处滑带深度大约在27m左右，M-4处滑带深度大约在27～28m左右。 5.3 边坡变形底界的确定
从后缘探槽得知后缘拉裂缝倾角为53°，倾向同边坡倾向。用平滑曲线将后缘拉裂缝延伸线同测斜仪、多点位移计推测滑带部位和前缘探槽部位的滑带位置连接起来，形成通过监测成果确定的滑面，如图8所示。
6 动态优化设计过程
6.1 稳定性计算
通过监测确定的滑面比通过勘察确定的滑面更加符合实际情况。优化设计首先针对监测资料反馈的滑面，重新进行稳定性计算。
从表2可见，以监测资料确定的滑面进行边坡稳定性计算，边坡在工况I下的稳定性系数小于1.15，坡体处于欠稳定状态；在工况II下坡体稳定性系数仅1.03，近于极限平衡状态；在工况III条件下坡体稳定性系数小于1.0，处于失稳状态。从稳定性计算结果看，需对开挖后的滑坡进行进一步的加固处理。以工况II为设计工况，工况III为校核工况，进行边坡支护优化设计。
6.2 支护设计方案优化
锚索抗滑桩设计
设计在AK3+714-834段第一级台阶每6m设一根长20m的锚索抗滑桩共21根，锚索长25m。
锚索设计
根据监测结果分析知道，滑面的倾角与岩层倾角基本一致，在设计中锚固角定为下倾20°基本能发挥锚索提供的最佳锚固力。
锚索设计在图3中自K3+785剖面以左为框架锚索，锚索为无粘结预应力锚索，每束锚索由7股高强钢绞线组成，设计锚固力为840kN，长度为30～40m，随台阶变化；自K3+785以右为独立锚索，锚索设计同上。
随着锚索的逐渐张拉，边坡的变形得到了有效控制，从图10中可见，随着锚固力的逐渐增大，锚索逐渐发挥作用，边坡表面的位移速率逐渐降低，位移曲线趋于平缓。
7 信息化施工
在施工过程中，监测信息迅速分析反馈，及时对施工方法进行调整。信息化施工保障了施工安全，降低了施工对边坡的影响，使支护结构更有效合理地发挥作用。
7.1 边坡开挖信息化施工
根据监测成果分析，在2005年2月之前，坡体由于开挖施工爆破，变形发展较快，因此在2月后先暂停坡体的开挖施工，集中力量开展锚索支护。
在2005年4月，施工单位曾在K3+745剖面附近进行路基的开挖施工并集中爆破，坡体变形在爆破的情况下，通过监测发现整个剖面变形激增，因此停止路基开挖，并立即实施该剖面部位的锚索，避免了坡体变形的继续发展。
7.2 锚索信息化施工
在K3+745剖面的锚索张拉过程中，通过监测发现预应力在张拉过程中损失较大，若一次张拉到位会使预应力难以达到设计要求，因此用多次分级张拉方法，使锚索逐渐地发挥了作用。
7.3 抗滑桩信息化施工
为了避免数根抗滑桩同时挖孔而对边坡稳定性产生过大影响，对抗滑桩挖孔分成了3批进行跳桩号开挖。但仍然对坡体会造成较大的扰动，根据变形监测，最终建议变更开挖顺序及方法，先对K3+745剖面附近10根抗滑桩优先实行开挖，并实行成孔后立即对抗滑桩浇注的方法。然后再对边坡中部的10根抗滑桩进行分批开挖施工。并尽量让同批施工的各根抗滑桩的爆破之间有数小时的间隔，减小在短时间内连续爆破使潜在滑体变形激增的不利情况。
8 结论
8.1 对于重大公路开挖高边坡工程应采用系统的动态设计方法。在施工前进行详细的勘查，分析控制边坡稳定的主要结构面，预测边坡开挖后可能引发的变形破坏模式。对边坡稳定性进行正确的判断并进行合理的开挖和防护工程设计。
8.2 在边坡的动态优化设计中，需要以监测作为基础。通过监测结合地质分析判定变形深度，变形的发展趋势。从该段边坡的设计流程可以看到，信息化的边坡设计是需要逐步修正的，并以监测对边坡设计有效性进行评价。
8.3 在边坡施工的前后，通过监测信息以及其他多种信息来对边坡的变形模式和变形机制同勘查和地质调查中确定的进行校核，有的放矢地优化支护方案。
8.4 开挖是工程实施中最先实现的一步，同时安全监测在此实施过程中起到了重要的地位。在削坡过程中，监测工作应该同期展开，及时分析监测成果以揭示边坡所处的状态，分析出敏感因素，预测边坡变形的发展方向，采取及时有效的措施。
8.5 在支护结构的施工过程中往往会由于施工力量有限造成各项施工不能同步开展。根据该边坡治理工程的经验总结，在坡体的治理过程中应该首先开展锚固措施，并且需要完成的是根据监测分析所判定的变形速率最快坡体部位的锚固，并需要尽量及早完成锚固体系，避免部分已实施的锚索在变形体滑移过程中锚固性能的逐渐降低，甚至锚索失效的情况。最后考虑施工的是抗滑桩，抗滑桩在成孔过程中对边坡的扰动较大，由于人工挖孔桩会采用爆破施工，对处于极限平衡的边坡会使坡体变形激增，爆破也会使滑带裂缝进一步发展。因此抗滑桩施工应排在锚固工程之后更为科学。
参考文献
[1] 周德培. 软岩高边坡工程的信息施工[J]. 岩石力学与工程学报，1998，17（4）：373–377.
[2] 刘俊峰. 岩土工程安全手册[M]. 北京：中国水利水电出版社， 1991.
[3] 二滩水电开发有限责任公司. 岩土工程安全监测手册[M]. 北京：水利电力出版社，1999.
[4] 杨志法，刘大安，刘 英等. 关于综合地质信息系统的设计及应用研究[J]. 岩石力学与工程学报，1999，18（8）：1 226–1 229.
[关键词]开挖边坡；人工边坡；监测；动态优化设计；信息化施工
中图分类号：U416.14 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）33-0155-02
1 引言
深挖方路堑边坡工程往往成为高等级公路建设的控制工程。施工过程中往往由于对坡体当前所处状态判断不明确导致不能采取有效的施工方法和措施，甚至可能为工程埋下隐患。
采用动态优化设计及信息化施工的方法能够较好的做到这一点。其具体步骤为：在初步地质调查的基础上，进行预设计；然后进行边坡变形监测；并且将施工监测获取的信息反馈于边坡设计。同时在施工的过程中，以监测信息作为基础，对施工方法进行必要的修改，有效地保障工程安全。
本文将结合某高速公路开挖边坡设计实例，对边坡动态优化设计和信息化施工进行探索。
2 边坡概况
某高速公路位于我国中部某省山区，地貌单元属于构造侵蚀中山区，自然坡度一般在30°～35°，开挖面倾向110°。边坡所处公路里程桩号为K3+630～K3+905，设计坡宽198m，坡高40m。左侧挖方分6级开挖，挖方坡率1∶0.75。
工程区属于亚热带季风气候区，雨量充沛，山体陡峻，有利于地表水体的排泄，岩体节理裂隙发育，有利于地表水沿裂隙下渗，雨季坡体内部地下水极为发育。
该边坡由震旦系休宁组（Z1x）粉砂岩组成，岩层产状为N20°E/SE∠40～50°。砂岩从成分上可以分为泥质砂岩和石英质粉砂岩，互层分布。
受区域上NW-SE向构造应力影响，以NW向陡倾角结构面最为发育。发育5组节理：表层岩体受节理（裂隙密集带）、层间错动带切割，极为破碎。K3+785工程地质剖面图如图1所示。
3 边坡稳定性分析及初步设计
在初步设计中对边坡的稳定性评价选用的是传递系数法。按照勘查确定的对边坡稳定性起控制作用的层间软弱夹层的分布来推测潜在滑面，滑面的选取如图1所示。限于篇幅，本文仅对K3+785剖面进行稳定性计算。
表1为边坡最危险潜在滑面的稳定性计算成果。在天然状况下，坡体的稳定性系数在1.4以上，处于稳定状态；在暴雨的影响下，坡体的稳定性有所降低，其稳定性系数也大于1.3；在暴雨和地震的影响下，边坡的稳定性系数仍然大于1.1，边坡处于基本稳定的状态。
从稳定性计算中可见，边坡沿着勘查所确定的最不利部位的软弱结构面贯通发生滑动的可能性不大，说明边坡整体是稳定的。因此对边坡的支护主要是防止边坡表层块体发生崩滑，边坡支护设计是以浅层加固为原则。边坡支护主要采用全粘结型锚杆，锚杆采用Φ28mmII级钢筋，按位置不同分10m和6m两种，10m锚杆应用于上部四级坡面，6m锚杆应用于最下一级坡面，锚杆置于3m×3m格构框架的横梁与竖肋交叉处，钻孔俯角25°。
4 边坡开挖变形破坏特征
坡体开挖期间正值雨季，雨水逐渐渗入深层裂隙，降低顺坡向的层间软弱夹层的抗剪强度，并且增加坡体自身容重。随着开挖的进行，变形体顺层滑移量增大，在K3+729～+862段坡顶坡口线外沿产生弧形张拉裂缝，如图3所示。
根据实际评估认为，该路堑边坡开挖后的大变形范围并非仅限于浅层，而是在开挖和降雨的影响下已经形成了深层的人工滑坡。为了确定变形破坏深度，为动态设计提供依据，在边坡后缘出现裂缝的同时立即对边坡实施了深部位移监测。
5 边坡深部位移监测
5.1 监测布置
监测仪器选择多点位移计和钻孔测斜仪，这两种仪器分别可从水平方向和垂直方向上监控坡体的内部变形。
监测剖面的选择：选取桩号K3+785剖面作为主监测剖面，在其两侧各选取1个次要监测剖面：K3+745、K3+840。在主监测断面K3+785上布置2套4点式位移计、1个测斜孔；在K3+745剖面布置1套4点式位移计、1个测斜孔；在K3+840剖面布置1套4点式位移计。多点位移计水平钻孔深度均为40m，测斜孔垂直孔深均为35m。监测点平面布置图如图3所示。
5.2 监测成果分析
边坡变形过程分析
各多点位移计测值的变化过程都呈现出相似的特征，图4为其中具有代表性的多点位移计M-2的不同深度测点的位移与时间的关系曲线。在前期，边坡的变形主要是由于边坡的开挖卸荷引起的，位移呈缓慢增加的趋势，其间由于爆破的影响使得位移陡增。同时边坡的变形对雨水比较敏感。在第一个强降雨阶段内边坡的位移陡增，此后又呈现出缓慢的变形趋势。在第二个强降雨阶段内边坡位移又开始陡增。可以判断除了边坡开挖之外降雨是影响边坡变形的主要因素。
深部变形监测信息分析
通过对测斜仪监测数据的处理能够比较准确地分辨出变形体的范围，从垂直方向上能确定变形体的变形深度。分析多点位移计各个深度测点的位移大小能够推测出变形体水平变形深度范围。
从图5中可见IN-1孔累积位移陡增的孔深即为滑带深度为11～12m 。
从图7中可以分析出，边坡的变形在水平方向上是从坡体表面到坡体深部逐渐减小。当变形减小到接近0mm值附近时可认为坡体在该深度以内为稳定岩体，该深度以外为变形体的范围。M-2处变形体的水平深度范围大致在26m左右。同理可以分析出其他各多点位移计处滑带的水平深度。M-1处滑带深度大约在26～27m左右，M-3处滑带深度大约在27m左右，M-4处滑带深度大约在27～28m左右。 5.3 边坡变形底界的确定
从后缘探槽得知后缘拉裂缝倾角为53°，倾向同边坡倾向。用平滑曲线将后缘拉裂缝延伸线同测斜仪、多点位移计推测滑带部位和前缘探槽部位的滑带位置连接起来，形成通过监测成果确定的滑面，如图8所示。
6 动态优化设计过程
6.1 稳定性计算
通过监测确定的滑面比通过勘察确定的滑面更加符合实际情况。优化设计首先针对监测资料反馈的滑面，重新进行稳定性计算。
从表2可见，以监测资料确定的滑面进行边坡稳定性计算，边坡在工况I下的稳定性系数小于1.15，坡体处于欠稳定状态；在工况II下坡体稳定性系数仅1.03，近于极限平衡状态；在工况III条件下坡体稳定性系数小于1.0，处于失稳状态。从稳定性计算结果看，需对开挖后的滑坡进行进一步的加固处理。以工况II为设计工况，工况III为校核工况，进行边坡支护优化设计。
6.2 支护设计方案优化
锚索抗滑桩设计
设计在AK3+714-834段第一级台阶每6m设一根长20m的锚索抗滑桩共21根，锚索长25m。
锚索设计
根据监测结果分析知道，滑面的倾角与岩层倾角基本一致，在设计中锚固角定为下倾20°基本能发挥锚索提供的最佳锚固力。
锚索设计在图3中自K3+785剖面以左为框架锚索，锚索为无粘结预应力锚索，每束锚索由7股高强钢绞线组成，设计锚固力为840kN，长度为30～40m，随台阶变化；自K3+785以右为独立锚索，锚索设计同上。
随着锚索的逐渐张拉，边坡的变形得到了有效控制，从图10中可见，随着锚固力的逐渐增大，锚索逐渐发挥作用，边坡表面的位移速率逐渐降低，位移曲线趋于平缓。
7 信息化施工
在施工过程中，监测信息迅速分析反馈，及时对施工方法进行调整。信息化施工保障了施工安全，降低了施工对边坡的影响，使支护结构更有效合理地发挥作用。
7.1 边坡开挖信息化施工
根据监测成果分析，在2005年2月之前，坡体由于开挖施工爆破，变形发展较快，因此在2月后先暂停坡体的开挖施工，集中力量开展锚索支护。
在2005年4月，施工单位曾在K3+745剖面附近进行路基的开挖施工并集中爆破，坡体变形在爆破的情况下，通过监测发现整个剖面变形激增，因此停止路基开挖，并立即实施该剖面部位的锚索，避免了坡体变形的继续发展。
7.2 锚索信息化施工
在K3+745剖面的锚索张拉过程中，通过监测发现预应力在张拉过程中损失较大，若一次张拉到位会使预应力难以达到设计要求，因此用多次分级张拉方法，使锚索逐渐地发挥了作用。
7.3 抗滑桩信息化施工
为了避免数根抗滑桩同时挖孔而对边坡稳定性产生过大影响，对抗滑桩挖孔分成了3批进行跳桩号开挖。但仍然对坡体会造成较大的扰动，根据变形监测，最终建议变更开挖顺序及方法，先对K3+745剖面附近10根抗滑桩优先实行开挖，并实行成孔后立即对抗滑桩浇注的方法。然后再对边坡中部的10根抗滑桩进行分批开挖施工。并尽量让同批施工的各根抗滑桩的爆破之间有数小时的间隔，减小在短时间内连续爆破使潜在滑体变形激增的不利情况。
8 结论
8.1 对于重大公路开挖高边坡工程应采用系统的动态设计方法。在施工前进行详细的勘查，分析控制边坡稳定的主要结构面，预测边坡开挖后可能引发的变形破坏模式。对边坡稳定性进行正确的判断并进行合理的开挖和防护工程设计。
8.2 在边坡的动态优化设计中，需要以监测作为基础。通过监测结合地质分析判定变形深度，变形的发展趋势。从该段边坡的设计流程可以看到，信息化的边坡设计是需要逐步修正的，并以监测对边坡设计有效性进行评价。
8.3 在边坡施工的前后，通过监测信息以及其他多种信息来对边坡的变形模式和变形机制同勘查和地质调查中确定的进行校核，有的放矢地优化支护方案。
8.4 开挖是工程实施中最先实现的一步，同时安全监测在此实施过程中起到了重要的地位。在削坡过程中，监测工作应该同期展开，及时分析监测成果以揭示边坡所处的状态，分析出敏感因素，预测边坡变形的发展方向，采取及时有效的措施。
8.5 在支护结构的施工过程中往往会由于施工力量有限造成各项施工不能同步开展。根据该边坡治理工程的经验总结，在坡体的治理过程中应该首先开展锚固措施，并且需要完成的是根据监测分析所判定的变形速率最快坡体部位的锚固，并需要尽量及早完成锚固体系，避免部分已实施的锚索在变形体滑移过程中锚固性能的逐渐降低，甚至锚索失效的情况。最后考虑施工的是抗滑桩，抗滑桩在成孔过程中对边坡的扰动较大，由于人工挖孔桩会采用爆破施工，对处于极限平衡的边坡会使坡体变形激增，爆破也会使滑带裂缝进一步发展。因此抗滑桩施工应排在锚固工程之后更为科学。
参考文献
[1] 周德培. 软岩高边坡工程的信息施工[J]. 岩石力学与工程学报，1998，17（4）：373–377.
[2] 刘俊峰. 岩土工程安全手册[M]. 北京：中国水利水电出版社， 1991.
[3] 二滩水电开发有限责任公司. 岩土工程安全监测手册[M]. 北京：水利电力出版社，1999.
[4] 杨志法，刘大安，刘 英等. 关于综合地质信息系统的设计及应用研究[J]. 岩石力学与工程学报，1999，18（8）：1 226–1 229.