郭書云

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司太原設計院,太原 030013)

石太線路基邊坡危巖落石整治方案研究

郭書云

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司太原設計院,太原 030013)

石太線危巖落石病害地段經(jīng)常有危石墜落至線路,嚴重威脅行車安全。通過綜合比較各種整治危巖落石的工程措施,最終確定因地制宜的安設高強度金屬柔性防護網(wǎng)進行病害整治。并通過對一處典型病害工點進行三維激光掃描、落石軌跡模擬分析、落石最大速度和動能計算等研究,詳細闡述金屬柔性防護網(wǎng)的合理選型以及防護方案確定的方法。

石太線；危巖落石；柔性防護網(wǎng)系統(tǒng)；病害整治

1 概述

石太線北京鐵路局管段東起石家莊樞紐，線路沿綿河、桃河向西延伸，經(jīng)河北省石家莊市、獲鹿縣、井陘縣，山西省平定縣、陽泉市，至北京鐵路局管界賽魚車站，線路全長 117 km。

沿線路基病害概況：北京局管內(nèi)病害以危巖落石為主。

危巖落石病害地段，山體巖石風化嚴重，節(jié)理裂隙發(fā)育，經(jīng)常有危石墜落至道床，砸毀供電設備，嚴重威脅行車安全。每逢雨季和春融季節(jié)，情況更為嚴重。工務段多次進行掃石治理，均收效甚微，且清理風化嚴重的危石并不能從根本上治理病害，故需進行針對性的治理。

2 防護系統(tǒng)比較

伴隨著人們對環(huán)境保護程度的重新認識，過去那種毫無生命的灰色景觀正在逐步退出歷史舞臺，取而代之的是大量新型防護產(chǎn)品出現(xiàn)在傳統(tǒng)的邊坡防護領域。人們要求經(jīng)過改造后的人工邊坡即要穩(wěn)定，又要美觀。

與傳統(tǒng)的典型圬工結(jié)構(gòu)相比，柔性防護網(wǎng)系統(tǒng)SNS(Safety Netting System)不僅能起到以圬工為代表的傳統(tǒng)邊坡防護的效果，更能滿足對坡面地質(zhì)災害防治的新技術(shù)的基本要求。同時SNS系統(tǒng)具有圬工結(jié)構(gòu)無法比擬的優(yōu)點。

(1)柔性防護網(wǎng)系統(tǒng)SNS的安裝施工對既有線的運營影響小，避免了傳統(tǒng)圬工防護工程施工時，因基礎、坡面開挖等造成的山坡穩(wěn)定性破壞和影響既有線安全行車等問題。

(2)柔性防護網(wǎng)系統(tǒng)SNS各部件的安裝采用積木式的安裝方法，具有安裝簡單、施工期短、勞力投入少、施工場地要求低等特點。尤其在山區(qū)等復雜地形條件下，很好地解決了傳統(tǒng)防護措施施工困難、進度緩慢等突出問題。

(3)柔性防護網(wǎng)系統(tǒng)SNS采用的高強度金屬材料，具有易鋪展性和抗沖擊性的特點，可以非常好地適應各類邊坡坡面的防護。通過定型化設計，實現(xiàn)了系統(tǒng)產(chǎn)品的標準化和最優(yōu)化，便于工程質(zhì)量的控制。

(4)柔性防護網(wǎng)系統(tǒng)SNS將工程治理與環(huán)境保護融為一體，保護了原有植被的生長條件，并提供了人工綠化的條件。與傳統(tǒng)圬工邊坡防護后，毫無生命的灰色景觀形成了鮮明對比。

(5)柔性防護網(wǎng)系統(tǒng)SNS利用技術(shù)成熟的金屬涂層防腐技術(shù)，確保系統(tǒng)較長的壽命，一般可達40～60年。必要時只需更換少量部件即能延長使用壽命。

3 石太線某工點邊坡落石整治

3.1 防護區(qū)域圖

需要邊坡防護的工點全貌見圖1。

圖1 石太線某工點邊坡全貌

3.2 工程地質(zhì)概況

既有線右側(cè)為懸崖峭壁，地形陡峻，山體最大高度120余m，巖性為奧陶系石灰?guī)r，中厚層-厚層，產(chǎn)狀平緩，受風化作用影響，表層節(jié)理裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)破碎，存在危巖落石不良地質(zhì)，其直徑0.5～1.5 m，對行車安全構(gòu)成嚴重威脅，為工務段一級防護點。

3.3 三維激光掃描

由于危巖落石的分析計算都是以工點橫斷面為基礎進行的。所以橫斷面測量的精度，直接影響危巖落石的軌跡分析以及其他參數(shù)的計算結(jié)果。而對于陡崖險峻、復雜的路塹邊坡，傳統(tǒng)的全站儀法、GPS RTK法、水準儀繩尺法、經(jīng)緯儀視距法等測量方法，無法實施或不能滿足邊坡危巖落石分析所需的精度要求。故本次采用三維激光掃描的測量方法，對所研究分析的路塹邊坡坡面進行詳細和精確的測量。三維激光掃描影像圖見圖2～圖4。

圖2 三維激光掃描測繪影像結(jié)果1

圖3 三維激光掃描測繪影像結(jié)果2

圖4 三維激光掃描測繪影像結(jié)果3

3.4 計算分析

(1)計算斷面

本次選取典型斷面進行模擬計算分析，根據(jù)前述的邊坡工程地質(zhì)調(diào)查和三維激光掃描測繪結(jié)果，巖體主要為石灰?guī)r，陡崖的局部地段有少量植被覆蓋，計算斷面幾乎無植被覆蓋，故不考慮覆蓋植被影響，在鐵路路基處為碎石。計算斷面如圖5所示(計算依據(jù)三維激光掃描影像解譯生成)。

圖5 計算斷面

(2)計算參數(shù)

根據(jù)前述的邊坡工程地質(zhì)調(diào)查巖層風化和節(jié)理裂隙的發(fā)育情況，計算參數(shù)如表1所示。

表1 計算參數(shù)

模擬計算時，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況綜合判斷，選取最大的落石方量為1.5 m3，危巖體密度2 500 kg/m3，因此模擬計算的落石質(zhì)量為3 750 kg。落石的形狀根據(jù)現(xiàn)場踏勘和偏于保守的角度考慮為近于圓形落石(傾倒破壞形成的塊石多為多面體或者楔形體， 較難在下落時滾動)。同樣處于偏保守的考慮，模擬分析時未考慮落石可能摔碎、破裂的情況。

另外，在計算時考慮了落石在下落過程中的滾動。同時，模擬分析時認為，落石的質(zhì)量只對落石的運動能量有影響，對落石的路徑、拋射距離無影響。落石下落時，都是從靜止狀態(tài)下落，落石初速度水平和垂直方向均設為0 m/s。

(3)落石軌跡模擬

根據(jù)現(xiàn)場實際地質(zhì)條件和危巖發(fā)育情況，假定危巖分布處于陡崖中上部，軟件計算分析出落石下落軌跡如圖6所示。

圖6 落石下落模擬軌跡

模擬計算共進行了100次落石模擬，根據(jù)模擬分析結(jié)果，在距坡腳15 m處，只有1落石穿過，即落石到達距坡腳15 m處的概率為1%。在距坡腳13、11、 9、7、5 m處的落石概率分別為9%、38%、45%、65%、82%，需要說明的是距坡腳較近處的落石概率包含了較遠處的概率。從圖6中可見，落石主要落在距坡腳5 ～11 m處的位置。

通過計算表明，由于邊坡較陡近于直立，且邊坡較高，落石下落和再次彈起都剛好砸在鐵路上，嚴重危及列車運行安全。

(4)落石最大速度計算

經(jīng)過軟件計算，從圖7可以看出，落石可能的最大速度為51.4 m/s。

圖7 落石運動速度包絡線

(5)落石最大動能計算

經(jīng)過軟件計算，從圖8可以看出，落石可能的最大動能為333.7 kJ。

圖8 落石動能包絡線

3.5 分析結(jié)論

根據(jù)模擬計算的結(jié)果，落石在一定的情況下，可以滾落到距坡腳最遠15 m處，其概率為1%。落石落在距坡腳5 ～11 m的概率最大。所有落石的落點都嚴重威脅到鐵路列車運行的安全，并且由于坡陡且高，落石下落時的速度和動能都相對較大，危害相當嚴重。因此必須對該邊坡進行危巖落石的防護整治。

3.6 確定防護方案

首先，清除陡崖部分危巖。在陡崖地段部分危巖已接近失穩(wěn)的臨界狀態(tài)，可將此部分孤石清除?？紤]到邊坡高陡，此處邊坡高度達120余m，且近直立，如采用主動防護措施施工難度較大，且存在落石包裹的后期維護問題；如坡腳單獨采用被動防護網(wǎng)，危巖落石具有較大的速度和動能，坡腳被動防護措施難以保證鐵路行車的安全。綜上分析，采用新型的主、被動防護網(wǎng)相結(jié)合的防護網(wǎng)系統(tǒng)(窗簾式防護系統(tǒng))。

3.7 窗簾式防護系統(tǒng)防護原理

窗簾式防護系統(tǒng)是運用引導的理念，通過防護網(wǎng)的引導、約束和阻滯作用，將危巖體控制在窗簾式網(wǎng)內(nèi)，利用斜坡表面自然摩擦消能，從而使落石沿山體坡面向下運動的速度和軌跡受到控制，使其保持在合理的范圍之內(nèi)，并最終進入預先設定的落石收集區(qū)(堆積區(qū))。從而達到對邊坡進行防護的目的。它同時具有主動網(wǎng)和被動網(wǎng)的優(yōu)點，又很好地克服了主動網(wǎng)與被動網(wǎng)存在的缺點，具有防護效果好、后期維護簡單、施工期短等特點。

4 結(jié)語

早期的很多鐵路線路，受當時選線理念、施工技術(shù)水平、國家經(jīng)濟實力等綜合因素的影響，很多路塹的邊坡非常陡而且高，并且缺少防護措施。路基邊坡的危巖落石病害在既有老線中是比較普遍的。

針對危巖落石工點，主、被動防護網(wǎng)防護是常用措施，但大都沒有嚴格按照標準化設計流程開展設計，特別是存在危巖調(diào)查不詳細、缺乏滾石運動軌跡、能量分析，被動防護網(wǎng)型號選擇及設置位置確定依據(jù)不充分等問題，多根據(jù)經(jīng)驗設置防護網(wǎng)。

三維掃描技術(shù)精度高，效率高，可以方便地截取典型斷面進行重點落石分析，某些防護網(wǎng)專業(yè)機構(gòu)已采用。國外考察結(jié)果表明窗簾式防護網(wǎng)在歐洲、日本已有較多應用，但我國還是主要局限于主、被動防護網(wǎng)，特別是某些地形條件特殊適合采用窗簾式防護網(wǎng)的工點而沒有采用，近幾年少數(shù)防護網(wǎng)企業(yè)正在對這種產(chǎn)品進行宣傳推廣。三維掃描技術(shù)、窗簾式防護網(wǎng)產(chǎn)品在危巖落石整治中應進一步推廣應用。

通過對石太線某處危巖落石病害工點整治的研究和總結(jié)，詳細闡述了整治危巖落石病害的分析步驟和方法，以及依據(jù)分析計算的結(jié)果，因地制宜地選取柔性防護網(wǎng)系統(tǒng)中的窗簾式防護系統(tǒng)。限于篇幅，對窗簾式柔性防護網(wǎng)系統(tǒng)僅介紹了其防護的原理，本文的研究方法與結(jié)果對于其他鐵路及公路危巖落石病害的防護和整治都有較好的借鑒作用。

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Research on Treatment Scheme of Perilous Rocks and Falling Rocks for Protecting Subgrade Slope of Shijiazhuang-Taiyuan Railway

GUO Shu-yun

(Taiyuan Design Institute, China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Taiyuan 030013, China)

In the perilous rocks and falling rocks zones along Shijiazhuang-Taiyuan Railway, there are often perilous rocks falling to the railway line, posing a threat to the operation safety of railway. For this reason, by comparison with various treatment measures of perilous rocks and falling rocks, and by adjusting measures to local condition, the flexible metal safety netting system (SNS) was employed to resist the falling rocks. Furthermore, in combination with the research for a typical rock-falling worksite on several issues such as three-dimensional laser scanning, simulation analysis of falling rock’s trace, calculation of maximum velocity and kinetic energy of falling rocks, etc., the paper illustrated how to reasonably select the SNS and how to determine the protection scheme.

Shijiazhuang-Taiyuan Railway; perilous rocks and falling rocks; flexible metal safety netting system; disease treatment

2013-07-05；

：2013-07-18

郭書云(1982—)，男，工程師，2004年畢業(yè)于石家莊鐵道學

院鐵道工程專業(yè)，工學學士，E-mail：43114545@qq.com。

1004-2954(2014)02-0004-04

U213.1+5

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.02.002