申文軍，邢建鑫

(北京鐵路局工務(wù)處，北京 100038)

以柔性金屬網(wǎng)為主要構(gòu)成特征的地質(zhì)災(zāi)害柔性防護(hù)技術(shù)自1995年被引入我國(guó)以來(lái)，已廣泛地應(yīng)用于鐵路、公路、水利水電、礦山和市政等領(lǐng)域，在邊坡加固、落石防護(hù)和泥石流防治方面取得了顯著成效［1-3］。柔性防護(hù)系統(tǒng)主要以坡面覆蓋加固的主動(dòng)防護(hù)和落石攔截的被動(dòng)防護(hù)兩大基本形式來(lái)對(duì)山體危石、淺表層潛在滑體等地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行綜合整治，具有布置靈活、施工快捷、對(duì)山體原始形態(tài)的改變和施工干擾小等優(yōu)點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)形式和防護(hù)能力能滿足現(xiàn)場(chǎng)多樣性的要求，對(duì)復(fù)雜的山體危石等潛在地質(zhì)災(zāi)害防治能夠?qū)嵤┯嗅槍?duì)性的綜合解決方案［4］。然而常規(guī)的柔性防護(hù)系統(tǒng)在近直立邊坡山體危石整治應(yīng)用中有局限性。

本文對(duì)京承鐵路K201+570—K202+140山體病害綜合整治中的K201+630—K201+720高陡切坡段，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)和地形特征，提出了采用懸臂式被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的整治措施，給出主要結(jié)構(gòu)布置參數(shù)，并通過(guò)對(duì)潛在落石運(yùn)行軌跡和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的模擬計(jì)算和分析，確定了柔性網(wǎng)形式和防護(hù)能級(jí)，對(duì)山區(qū)鐵路沿線近直立邊坡路段山體危石整治具有借鑒意義。

1 工程地質(zhì)條件和潛在災(zāi)害特征

京承鐵路K201+570—K202+140位于柳江右岸山體中下部(圖1)，山體中部有多個(gè)橫向山脊和溝壑交替發(fā)育，線路以半路塹方式切割山脊前部(線路外側(cè)有局部開挖殘留體)從山體中下部通過(guò)，與山脊和溝壑軸線近于垂直，線路右側(cè)開挖巖石陡邊坡最大高度約50 m，平均坡角67.0°～82.5°。山脊線平均坡角35°左右，溝壑軸線及其兩岸坡度、山體頂部坡度均在45°左右，路基下邊坡順直，坡角25°～55°。線路內(nèi)側(cè)鋼軌與開挖邊坡坡腳間距為2.2～3.9 m。

圖1 K201—K202路段全貌

該路段山體整體穩(wěn)定性良好，不存在大規(guī)模的山體失穩(wěn)等地質(zhì)災(zāi)害威脅，潛在危害主要表現(xiàn)為既有危石或進(jìn)一步風(fēng)化形成的新生危石發(fā)生滾落而形成的落石或掉塊。開挖邊坡以上自然山坡的中下部灌木等植被間續(xù)發(fā)育，基巖多裸露且有危石分布，山脊中上部及山體頂部基巖幾乎完全裸露，僅有零星灌木發(fā)育，巖石風(fēng)化嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育，可見明顯切割，危石塊徑多在0.3～0.8 m，為本區(qū)域潛在落石危害的主要來(lái)源，又因其處于線路上方高位，一旦墜落，嚴(yán)重危及行車安全。此外，個(gè)別坡面風(fēng)化掉塊跡象明顯，且有日益加劇趨勢(shì)，尤其是在坡口線附近已經(jīng)存在穩(wěn)定性極差的危石，會(huì)構(gòu)成長(zhǎng)期的落石掉塊威脅。

2 整治方案比選

整個(gè)路段除K201+570—K201+750外，其余均可采用常規(guī)的主動(dòng)或被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)布置形式，本文僅探討K201+630—K201+720段的整治措施。

2.1 K201+630—K201+720地形及坡面特征

該段線路含一曲線段及其過(guò)渡線，線路內(nèi)側(cè)鋼軌與開挖邊坡坡腳間最小距離為2.62 m，最大距離為3.9 m;左側(cè)邊坡設(shè)計(jì)開挖坡度1∶0.25，實(shí)測(cè)平均坡角67.0°～82.5°，開挖坡面巖體整體性較好;K201+680山脊軸線處最大開挖高度為50 m，山脊前沿距軌面高差近70 m，山頂距軌面高差約132 m;山脊呈多級(jí)臺(tái)階狀，順線路方向延伸約20 m，即無(wú)明顯突起的山脊線;山脊兩側(cè)朝承德方向側(cè)坡順直且較陡，朝北京方向順直且較緩，在K201+620處的中下部有一緩平溝槽。圖2為該路段坡面狀態(tài)，圖3為K201+680山脊軸線處實(shí)測(cè)斷面圖。

圖2 K201+630—K201+720坡面形態(tài)

圖3 K201+680實(shí)測(cè)斷面

2.2 防護(hù)方案的分析比較

根據(jù)該路段潛在主要山體災(zāi)害類型和地形特征，可以選擇的整體方案有防護(hù)工程措施位于上部坡面(上部方案)和位于下部開挖邊坡(下部方案)或上部方案和下部方案結(jié)合的方式。

2.2.1 上部方案分析

上部方案包括兩種，即柔性主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)(主動(dòng)加固)和被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)(攔石網(wǎng))。本路段危石主要集中在上部山體的中上部及K201+650—K201+700山脊區(qū)域，區(qū)域面積約15 600 m2(120 m×80 m+100 m×60 m)，若采用主動(dòng)加固系統(tǒng)投資較大，約需330萬(wàn)元(按210元/m2估算)，且由于灌木等植被發(fā)育較好，并有少量喬木生長(zhǎng)，從經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保角度考慮均不適宜采用主動(dòng)加固措施。從該路段的地形條件可以判斷，來(lái)自上部邊坡的落石一方面憑借慣性作用朝向線路運(yùn)行，同時(shí)也受地形引導(dǎo)朝向兩側(cè)K201+570和K201+740的溝壑運(yùn)動(dòng)。

考慮到兩側(cè)坡面形態(tài)特征，威脅兩側(cè)區(qū)域的落石可以采用標(biāo)準(zhǔn)布置形式的被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)予以有效攔截，且防護(hù)結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)在線路上即可得到較好的檢查。因此，該區(qū)域的落石防護(hù)采用標(biāo)準(zhǔn)布置形式的被動(dòng)系統(tǒng)是可行的，其具體布置形式本文不再討論。

對(duì)于K201+630—K201+720區(qū)域，由于臨近山脊的側(cè)坡較陡，不便于設(shè)置被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)，且在線路上很難觀察到這些區(qū)域，不便于防護(hù)結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)的檢查;而中部K201+680附近的山脊區(qū)段若設(shè)置被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)，一方面其位置處于線路上不可見處，另一方面由于山脊處坡面呈多級(jí)臺(tái)階狀，落石躍過(guò)被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的可能性較大，因此，該區(qū)域設(shè)置上部被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)在安全性和運(yùn)行可靠性方面都不可行［5］。

2.2.2 下部方案分析

根據(jù)K201+630—K201+720區(qū)域的地形和潛在落石危害特征，該區(qū)段的落石防護(hù)應(yīng)主要考慮下部方案。首先，在下部開挖邊坡上直接采用主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)僅適合于開挖坡面本身的危石控制，對(duì)來(lái)自上部自然山坡坡面的落石無(wú)任何防護(hù)作用，因此，下部方案可供選擇的措施僅有被動(dòng)防護(hù)形式，這可包括設(shè)置于坡面上的懸臂式結(jié)構(gòu)，以及直接設(shè)置在線路之上的柔性棚洞。

對(duì)于K201+630—K201+720高開挖邊坡路段來(lái)講，柔性棚洞是一種理想的方案，它能實(shí)現(xiàn)對(duì)線路的封閉(類似于傳統(tǒng)的棚洞或明洞)，無(wú)論落石的運(yùn)行軌跡如何，都能通過(guò)將落石隔離于線路行車范圍以外來(lái)確保行車安全。但是，由于以下幾方面原因，柔性棚洞方案在目前尚不具有可行性:

1)在目前技術(shù)條件下，柔性棚洞在技術(shù)上尚不成熟，作為一種剛性結(jié)構(gòu)與柔性網(wǎng)的結(jié)合體，經(jīng)濟(jì)性允許范圍內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)拱架的承載能力有限，僅適合于隔離較小的落石或飛石，用于較大落石防護(hù)時(shí)后期維護(hù)難度和工作量均較大。

2)由于柔性棚洞洞頂相對(duì)平坦，落石沖擊洞頂附近可能不發(fā)生彈跳滾落而停留下來(lái)并使柔性網(wǎng)保持較大的殘余變形，此類情形發(fā)生后若未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和清除落石，將對(duì)行車造成極大威脅。

3)由于柔性棚洞位于線路正上方，柔性網(wǎng)在落石沖擊下產(chǎn)生較大變形，可能侵入行車限界或觸及電氣化鐵路的高壓接觸網(wǎng)，危及線路安全，為此必須通過(guò)加大棚洞高度并相應(yīng)提高其鋼結(jié)構(gòu)拱架剛度來(lái)降低這種風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致投資急劇增大。

4)柔性棚洞立柱與拱梁間的連接精度要求較高，且拱梁為跨度較大的重型構(gòu)件并必須架設(shè)到線路的正上方，其安裝必須在確保鐵路臨時(shí)禁行前提下進(jìn)行，對(duì)線路運(yùn)營(yíng)干擾較大，影響時(shí)間也較長(zhǎng)。

2.2.3 最終確定方案

綜合上述分析，對(duì)于K201+630—K201+720段線路邊坡防護(hù)，較理想的防護(hù)措施是在近直立的開挖坡面上設(shè)置懸臂式被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)。

3 懸臂式被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)

3.1 結(jié)構(gòu)形式的選擇

懸臂式被動(dòng)系統(tǒng)在防護(hù)功能上與柔性棚洞類似(結(jié)構(gòu)形式上也類似于傳統(tǒng)的圬工懸臂棚洞)，既要實(shí)現(xiàn)在上方對(duì)線路的完全遮蓋，確保落石能滾落到線路之外，同時(shí)又要避免落石停留在系統(tǒng)之上，為此柔性網(wǎng)必須向下傾斜足夠的角度(通?！?0°)，對(duì)此，標(biāo)準(zhǔn)布置形式的被動(dòng)系統(tǒng)是不能實(shí)現(xiàn)這些功能的，必須加以適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)［6］。

圖4所示的結(jié)構(gòu)保持了常規(guī)被動(dòng)系統(tǒng)的基本特征，柔性網(wǎng)與鉸接鋼柱的有機(jī)結(jié)合確保了系統(tǒng)的柔性匹配，并借助于鋼柱和柔性網(wǎng)的相互斜交來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體平衡，基本保持了標(biāo)準(zhǔn)被動(dòng)系統(tǒng)的柔性特征和防護(hù)能力。

圖4 懸臂式被動(dòng)系統(tǒng)橫斷面示意

對(duì)于K201+630—K201+720路段，由于來(lái)自上部山體的落石動(dòng)能較大，在選擇常規(guī)被動(dòng)系統(tǒng)布置形式基礎(chǔ)上，使柔性網(wǎng)的下傾角加大為40°左右，鋼柱的上仰角為15°左右，由此可計(jì)算出鋼柱支點(diǎn)與柔性網(wǎng)上緣間的高差約為11 m。而該路段開挖陡邊坡實(shí)測(cè)兩側(cè)最小高度為23 m，為此宜選擇鋼柱支點(diǎn)設(shè)置于距軌面高差10 m左右的坡面上，據(jù)此可進(jìn)一步計(jì)算出保證系統(tǒng)遮蓋線路外側(cè)鋼軌所需的鋼柱長(zhǎng)度為8 m。

3.2 系統(tǒng)能級(jí)的確定

為確定系統(tǒng)能級(jí)，對(duì)K201+680斷面及K201+650斷面處的落石運(yùn)行軌跡和運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算。模擬采用加拿大Rocscience巖土工程軟件公司的Rocfall軟件來(lái)完成，主要計(jì)算條件和參數(shù)如下:

1)各變坡點(diǎn)坐標(biāo)隨機(jī)誤差按0.2 m確定。

2)落石塊體質(zhì)量按1 250 kg(對(duì)應(yīng)塊徑約0.8 m，體積約0.5 m3)考慮，并考慮50 kg的隨機(jī)變化量。

3)落石起動(dòng)點(diǎn)均為坡面頂點(diǎn)，初始水平及鉛直速度均為0.50 m/s，初始轉(zhuǎn)動(dòng)速度為0.01 rad/s。

4)坡面分為以下5類:無(wú)植被或極少植被的亂石坡(如山頂區(qū)域，法向恢復(fù)系數(shù)RN=0.50，切向恢復(fù)系數(shù)Rτ=0.88，摩擦角φ=25°);有少量植被的亂石坡(如中上部，RN=0.48，Rτ=0.85，φ =25°);有少量植被或薄覆蓋層的斜坡(如中下部，RN=0.42，Rτ=0.82，φ=25°);植被較好或覆蓋層稍厚的邊坡(如山脊平臺(tái)，RN=0.30，Rτ=0.78，φ =25°);平整堅(jiān)硬巖石邊坡(如下部開挖邊坡，RN=0.53，Rτ=0.99，φ =25°)。

5)柔性網(wǎng)按彈塑性考慮，其法向恢復(fù)系數(shù)RN=0.50，切向恢復(fù)系數(shù)Rτ=0.80。

圖5為K201+680斷面處落石模擬結(jié)果示意。

圖5 K201+680斷面落石模擬示意

計(jì)算結(jié)果表明，盡管K201+680山脊中下部有多個(gè)平臺(tái)的存在，使落石到達(dá)地面和沖擊柔性網(wǎng)的概率均約為1%，但在山脊兩側(cè)區(qū)域內(nèi)，落石到達(dá)地面和沖擊柔性網(wǎng)的概率分別高達(dá)24%和6%，應(yīng)采取必要的防護(hù)措施。

落石模擬主要計(jì)算結(jié)果見表1，可見:在所考慮的區(qū)域內(nèi)，落石到達(dá)擬定柔性網(wǎng)設(shè)置處的運(yùn)動(dòng)速度最高可達(dá)28.2 m/s，超過(guò)了鋼絲繩網(wǎng)的容許安全沖擊速度25 m/s，但仍處于環(huán)形網(wǎng)的容許安全沖擊速度30 m/s以內(nèi)。此外，盡管模擬落石沖擊柔性網(wǎng)的最大動(dòng)能近于500 kJ，但考慮到被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的極限抗沖擊能力由柔性網(wǎng)、消能件和支撐結(jié)構(gòu)等共同構(gòu)成，較高動(dòng)能的落石沖擊將導(dǎo)致消能件等系統(tǒng)構(gòu)件過(guò)大的塑性變形，從而必須進(jìn)行適當(dāng)維護(hù)或更換部分構(gòu)件，以恢復(fù)系統(tǒng)的防護(hù)能力。為此，考慮到懸臂式被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)均設(shè)置在距地面一定高度的陡壁上，維護(hù)難度較大，同時(shí)也考慮到發(fā)生更大落石沖擊時(shí)的安全，系統(tǒng)的選型應(yīng)考慮適當(dāng)減小后期維護(hù)需求，系統(tǒng)的防護(hù)能級(jí)應(yīng)有足夠的安全儲(chǔ)備。

表1 落石模擬結(jié)果

綜合上述分析，K201+630—K201+720路段宜參照防護(hù)能級(jí)為1 000 kJ的RXI-100環(huán)形網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)被動(dòng)系統(tǒng)來(lái)設(shè)置懸臂式被動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)施該整治措施后的效果如圖6所示。

4 結(jié)語(yǔ)

圖6 整治后現(xiàn)場(chǎng)

1)京承鐵路K201+630—K201+720路段受來(lái)自近直立高陡塹坡上部自然山坡潛在落石的威脅，本文分析認(rèn)為柔性主動(dòng)系統(tǒng)或常規(guī)布置形式的被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)均不適宜于該類山體危石整治，并首次提出了在鐵路沿線開挖陡邊坡上設(shè)置懸臂式被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)這一新型防護(hù)措施，給出其主要結(jié)構(gòu)布置參數(shù)。

2)通過(guò)相關(guān)落石運(yùn)行軌跡和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)值模擬，提出了該懸臂式被動(dòng)系統(tǒng)宜參照防護(hù)能級(jí)為1 000 kJ的RXI-100環(huán)形網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)被動(dòng)系統(tǒng)來(lái)設(shè)置。

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