高速公路临近水库衡重式路肩墙垮塌分析及处治实例

刘 洋, 张海果

(1.长沙中路虎臣工程技术咨询有限公司， 湖南 长沙 410008; 2.中交三公局第三工程有限公司， 湖北 武汉 430000)

0 引言

山区高速公路高填方路堤在不允许占地或自然放坡条件困难的情况下常采用衡重式路肩墙进行收坡，衡重式挡墙在10 m高度内常采用浆砌片石砌筑，此高度内挡墙整体稳定性和经济性良好。然而，近年来多处浆砌片石挡墙出现局部墙身鼓包、倾斜甚至垮塌的病害[1]，严重影响公路通行安全。

本文针对湖南省某高速公路浆砌片石衡重式路肩墙的垮塌病害进行研究，详细分析了挡墙垮塌前的征兆、垮塌机理，并对处治方案进行了论证比选。验算和后期观测表明，处治方案取得的效果较好。

1 工程概况

1.1 基本情况

某高速公路于2012年通车，沿线地形受岩性、构造控制，河谷、溪流发育；属中亚热带大陆季风湿润气候，四季分明，雨量充沛；地层岩性方面，原地面线以下分布为粉质黏土，下覆中风化灰岩。

研究处治的KX+700～KX+850段右幅设置路肩墙，挡墙高12.4 m，采用浆砌片石砌筑，墙后填筑土主要为黏土。路线左侧靠近山体，右侧为水库，建设时部分挡墙及路基侵入水库库区，库区内挡墙基础采用片石混凝土，并在基础外侧增加7 m高的反压护坡。

1.2 初期病害

2018年12月，该段路肩墙右幅路面行车道(靠超车道附近)和挡墙顶反滤层位置处均出现1条纵向裂缝，基本为贯通状，相关单位发现后及时进行了封缝处理(见图1)。

图1 KX+700～KX+850段路面纵向开裂

1.3 病害最终发展形态

2020年6月，由于夏季连续多天的强降雨，KX+810～KX+850段路肩墙突然发生垮塌，表现为上挡墙及硬路肩完全垮塌，下挡墙局部破坏，总体破坏高度在9 m左右，垮塌长度40 m，如图2所示。

垮塌后对全段挡墙进行调查，未垮塌的挡墙外观完好，墙身无明显鼓包、开裂、倾斜及滑移迹象，墙脚反压平台附近也未见任何基底位移、隆起和开裂等变形，但2018年封闭的路面纵向裂缝局部略微发展。

图2 KX+810～KX+850段挡墙垮塌(2020年6月)

2020年7月，在对该路肩墙进行处治施工时，距离垮塌处50 m的KX+720～KX+760段瞬间发生与6月份同样情况的垮塌，此期间施工状态正常，垮塌毫无征兆。

2 挡墙整体稳定性验算

竣工图显示该路肩墙顶宽0.5 m，衡重台宽1.81 m，底宽3.15 m，墙高12.4 m，其中，地面线(反压护破顶面)以下为1.1 m，地面线以上为11.3 m，上墙背坡坡率为1∶0.32，下墙背坡坡率为1∶0.25，面坡坡率为1∶0.05。根据路基填土取样试验并结合挡墙计算常用参数，取填土综合内摩擦角φ=30°，容重18 kN/m3，墙背与墙后填土摩擦角17.5°，片石混凝土换填基底摩擦系数0.5。土压力计算结果如图3所示。

图3 挡墙整体验算成果(单位: cm)

因上墙墙背倾角较大，计算后存在第二滑裂面，所以上墙部分的土压力按坦墙计算，计算所得上墙土压力Ea=182.9 kN/m，下墙土压力Ea=259.8 kN/m；挡墙抗滑移系数Kc=1.50>1.30，抗倾覆系数K0=1.76>1.50，均满足规范要求，因此挡墙的垮塌并非挡墙整体稳定性不够所致，此结论也与墙脚附近的调查现状相符合。

3 病害原因分析

3.1 路面开裂原因

全路肩墙范围贯通的路面纵向裂缝向大桩号不断延伸，总长度近180 m，裂缝位置具有绝对的规律性。此处KX+850之后的大桩号为路堤墙，同样为高填方，裂缝却未往前大规模发展，由此可见裂缝的出现必然与该段路肩墙密切相关，并非由高填方等其他原因所致。根据图3中挡墙整体稳定性验算结果，行车道内侧的裂缝恰好位于计算第一滑裂面附近，而挡墙顶反滤层处的裂缝则接近于计算第二滑裂面，推断裂缝的产生是由于路基内出现了计算滑裂面的微型滑动，但因挡墙未继续明显变形，其后一年多内裂缝宽度基本保持稳定。

上墙范围发生微型滑动的具体原因：① 原挡墙基础下方为软土层，建设时进行了片石混凝土换填，但处治深度可能不够，随着时间增长徐变变形逐渐完成，挡墙的累积沉降逐渐引起了微型滑动；② 原挡墙上墙截面尺寸较小，且挡墙片石之间的砂浆填充情况较差，黏结强度低，土压力使上墙内侧的片石间发生挤压位移，从而有滑动面出现，只是变形较小还未发展到挡墙外侧。

3.2 挡墙垮塌原因

外部原因：① 垮塌前该地区持续半个月的暴雨天气，加之路面存在裂缝，裂缝虽有处治但无法完全隔绝雨水下渗，地表水下渗导致路基填料含水量增大；② 地勘钻探结果显示，在连续暴雨期间路基内地下水位明显升高，地下水位的上升也导致了路基内含水量增大。大量水的存在，土压力急剧增大，造成挡墙的坍塌破坏。

内部原因：① 路基填料为渗透性能差的黏土，下渗的地表水基本囤积在上层路基内，导致上墙土压力增加；② 浆砌挡墙砂浆不饱满，且砂浆强度随时间蜕化严重，挡墙自身的抗拉、抗剪强度低，导致应力超限而发生破坏。

综上所述，由于上墙范围内土压力增大，加上剪切薄弱面以上墙体及填土自重产生的剪切分力，两者共同作用导致了挡墙剪应力超限，从而造成剪切破坏垮塌。计算剪切薄弱面与前后2次的垮塌形态基本吻合。

由此可见，出现路面裂缝是本段挡墙处于临界失稳的征兆。由于之前未进行深入分析，低估了病害的严重性，导致了后来的路基垮塌。

4 处治方案比选

路面至水库高度近20 m，挡墙坐落于填高的原斜坡地面线以上，为防止处治后发生路基沿原地面线或其余深层薄弱面整体失稳的可能性，本次病害处治均不考虑墙外加载的方案。

4.1 方案一： 恢复挡墙+预应力锚索加固

对已垮塌的挡墙采用片石砼重建；对未垮塌段落的挡墙，在外侧增设预应力锚索钢筋混凝土板加固。

该方案将挡墙土压力转移至由锚索承担，受力模式明确、加固效果好、无需拆除原挡墙及路面，社会影响小、施工方案成熟。其施工的重难点主要是在近乎垂直的挡墙上钻孔直至岩层内，钻孔深度24～36 m，施工进度慢，且在钻孔过程中将对挡墙发生扰动，容易再次导致上墙垮塌，施工风险大。

4.2 方案二： 全部挡墙拆除+重建

由于挡墙的垮塌源于挡墙自身强度不足所致，挡墙基础并无明显病害表现，该方案则直接从上至下挖除右幅路基填土及挡墙，新建片石砼挡墙，受力明确，加固效果好，施工工艺成熟，风险较小。缺点则是土方开挖和回填量巨大，且开挖深度大、坡率陡，还需设置较强的临时防护方可确保左幅的稳定，工程造价高，社会影响不好，同时施工期位于当地雨季，工期不确定性较大。

4.3 方案三： 泡沫轻质土换填+微型桩加固

泡沫轻质土作为一种新型建筑材料，具有轻质性、高强度、流动性佳、浇筑速度快、固化后可自立等优点，其密度约为填土的1/3，最大安全自立高度可达15 m，是一种很好的路基填料[2-3]，近年来也在很多工程中得以应用[4-5]。

该方案在方案二的基础上进行优化，将上墙范围的路基填土及挡墙挖除，采用具有自立性的泡沫轻质土回填，同时对下墙范围路基增设注浆微型钢管桩。处治后既能保证上墙的稳定，也大幅降低了下墙的土压力，具有施工风险小、工期短、造价低、社会影响小等优点。

4.4 方案比选

结合各方案的优缺点对比(见表1)，方案三在本工程中具有非常大的优势，既经济又安全，因此推荐使用方案三。

表1 方案比选优缺点方案一方案二方案三优点① 无需挖除挡墙和路面,社会影响小② 施工受天气影响较小① 工风险较小② 工期相对较短(但受天气影响不确定较大)① 工期短② 造价低③ 施工风险小缺点① 工序复杂工期长② 施工风险极大③ 造价相对较高① 大规模开挖重建,社会影响大② 造价高① 处治后挡墙美观性较差② 新材料需专业队伍实施

值得一提的是，笔者认为常用的预应力锚索加固则更适用于比较矮或缓的挡墙，本项目在施工过程中挡墙再次发生了毫无征兆的突然垮塌，当时若选择了该方案执行，则可能会发生较大的人员伤亡。所以在工程设计中，特别是面对脆性结构，设计方案必须充分考虑施工安全问题，降低施工事故发生的可能性。

5 处治措施

5.1 未垮塌段处治设计

未垮塌段的处治横断面如图4所示。

局部皮肤刺激评价方法，参照《FDA发布经皮仿制药对皮肤刺激性和过敏性临床试验的设计及评分系统》［9］制定。

图4 未垮塌段处治横断面(单位： cm)

其具体处治步骤包括：

1) 路基开挖：自内向外逐步挖除路基填土及挡墙至设计标高，施工过程中应做好防排水工作。

2) 微型桩加固：靠近挡墙位置横纵向间距1m设置3排微型钢管桩，钻孔直径D130 mm，插入Φ89×4.5 mm开孔钢管，桩长12～15 m，确保桩长入岩>1 m，孔内压入0.3～0.5 MPa的M30水泥浆，使桩土黏结成为一体，最后在桩顶浇筑25 cm厚C30钢筋混凝土连梁，使各单桩联结为整体框架受力体系。

3) 路基内增设碎石渗沟排水并防止地下水位持续上升。

4) 保留的挡墙灌注M30水泥浆增强墙体黏结强度，在底部增设1排深层排水孔。

5) 浇筑泡沫轻质土：采取必要和配套的泡沫轻质土抗剪措施、外侧永久模板、防水措施、防裂措施和顶部调坡措施等。

5.2 垮塌段处治设计

垮塌段处治横断面如图5所示。

图5 垮塌段处治横断面(单位： cm)

对于挡墙垮塌段的路基，必须挖除垮塌高度内的路基填土，直至露出较完整的挡墙平面方可进行修补工作，具体处治步骤包括：

1)路基开挖：自内向外逐步挖除衡重台位置以上的路基填土及挡墙。

2)微型桩加固：靠近路基内侧台阶处横纵向间距1.2 m设置2排微型钢管桩，孔内压入M30水泥浆，并在桩顶浇筑连梁。该微型桩有如下作用：① 临时防护作用，确保后续继续开挖时左幅路基的安全通行；② 增强路基的永久稳定性。

3)微型桩养护一定时间后，继续留台阶开挖路基至合理标高，局部修补破损的挡墙并在泡沫轻质土底部增设碎石垫层及泄水孔。

后继步骤与未跨塌段处治中后3条一致。

6 处治方案路基稳定性验算

6.1 泡沫轻质土的稳定性

泡沫轻质土是一种可自立的无侧向土压力材料，浇筑时按规范[2-3]设置抗裂、抗剪等措施，可确保自身的强度及稳定性。

6.2 下墙土压力验算

首先将泡沫轻质土和路面结构的恒载以及汽车活载一并按等效荷载方式作用于未挖除的挡墙及填方上，在不计注浆对路基的加强效应时，计算得出下挡墙的土压力Ea=247.8 kN/m，较处治前259.8 kN/m相差不大(主要是破裂角增大了4.9°导致)，但挡墙总土压力减小(上墙土压力变为0)，抗滑移系数和抗倾覆系数显著增大至2.50和3.05，整体稳定性大幅提升。考虑到下挡墙土压力并未明显减小，而挡墙黏结强度差，因此必须增设微型桩以分担挡墙的土压力。

6.3 微型桩加固验算

钢管微型桩作为滑坡治理中一种新型有效处理方式，因其施工工艺简单，造价低，施工受限小和快速控制滑坡等优点，在工程应用中成为治理滑坡和边坡加固[6-8]常用的处理方式。微型桩的破坏原理可认为是滑面处弯剪能力不足，忽略水泥浆的强度及对土体的加强作用，滑坡推力全部由钢管的剪力承担[9]，钢管剪应力计算为：

式中：P为滑坡推力，L为微型桩排间距，n为微型桩排数，A为钢管截面面积。

本项目对3排微型桩处治的下墙P取最不利值即下墙的土压力，代入其余参数后：

125 MPa

因此，微型桩抗剪强度满足规范要求。

此外，根据微型桩锚固原理[10]和本项目工程地质条件，每米岩层提供的锚固力N1=πDLfrb=(3.14×0.13×1×700) kN=285 kN，而单根微型钢管桩自身的抗拉强度设计值为N2=Afpy=(1 194×215/1 000)kN=257 kN。由此可见，当入岩长度大于1m时，其锚固体提供的黏结锚固力已能超过钢管自身的抗拉强度值，加上滑裂面以下土层锚固段的有利作用，本项目微型桩锚固按入岩1 m控制经济合理，能满足受力要求。

7 处治效果

本段路基病害于2020年11月处治完成。2021年1月发现原两处垮塌段对应位置处的左幅行车道与超车道分界线位置均出现了不同程度的纵向贯通裂缝，分析原因为右幅垮塌段处治施工时开挖深度较大(9 m)，且临空时间较长，期间路基土发生横向蠕动变形，加之基层的半刚性作用，后期逐渐反应到了路面开裂；鉴于右幅已经处治完成且设置了微型桩，病害将趋于稳定无较大安全隐患，及时封闭即可。

目前处治完成后已通车近1 a时间，期间左幅路面裂缝封闭后并未继续发展，监测数据显示路基深部及泡沫轻质土外墙处均无任何位移异常迹象，路基整体稳定，处治效果良好。

8 结论

详述了某段路基从初期病害形态到最终2次垮塌的发展过程，通过分析其病害原因，提出了主要处治方案并进行方案比选与验算、病害处治完成后经通车监测数据显示，处治取得较好的效果，可为类似工程病害处治提供参考。

1)浆砌片石路肩墙的破坏为脆性破坏，其瞬时发生并且容易造成较大的人员伤亡。目前监测技术对浆砌片石结构的安全监测效果还不理想，因此日常维护中应加强人员巡查，特别是观察是否有路面开裂和下沉，墙体鼓包、开裂及倾斜等病害，一旦发现病害应足够重视、深入分析并尽快处治。

2)浆砌片石衡重式挡墙设计时不宜采取较小的上墙尺寸，并且应充分考虑衡重台附近的拉剪应力。当挡墙高度较大时宜采用片石混凝土，以增强墙身的抗剪强度。

3)对于高度较大的挡墙，应特别加强路基和挡墙的防排水措施，如增设深层排水孔、设置渗沟和防渗膜等措施；此外，若进行路面开挖施工，采取临时防排水措施对保证路基的安全尤为重要。

4)在浆砌片石挡墙病害处治方案制定中，首先要判断挡墙是否有发生垮塌的可能性，确定合适的方案，并预先制定好施工安全防范措施，确保施工安全。

5)泡沫轻质土换填+微型桩加固在处治高路肩式挡墙抗剪强度不足时具有非常大的优势，既经济又安全。