蔣明軒 劉汝梧 鄧敏

以工程實際為背景，量化分析鄰近電氣化鐵路高邊坡土石方開挖的安全風(fēng)險源，基于原設(shè)計方案提出移動-靜態(tài)支護(hù)法。運用力學(xué)和機(jī)械能定律，結(jié)合項目實施結(jié)果，從工程進(jìn)度、安全和成本控制方面分析方案成果，驗證方案的可行性，對電氣化鐵路高邊坡土石方開挖具有一定參考意義。

鄰近既有電氣化鐵路路基高邊坡土石方開挖，是山區(qū)丘陵地帶電氣化線路擴(kuò)能改造施工的難點。在路基開挖邊坡土石方，開挖落石易侵入鐵路限界，飛石擊傷接觸網(wǎng)設(shè)備，嚴(yán)重影響既有線正常運營，現(xiàn)行安全防護(hù)措施難度高，工程量大，大幅增加基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資。

一、工程概況

新建鐵路貴州三峽義龍德臥油庫鐵路專用線工程，位于貴州省興義市安龍站內(nèi)，需在既有電氣化鐵路4道旁平行增建一條油庫專用線1km，新建線路與既有線線間距為7m。新建線路需要開挖既有線路路基護(hù)坡作為路基，平均高度8m，最高12m，地質(zhì)為巖溶峰叢山地、巖溶峰叢洼地地貌，土質(zhì)為硬塑灰?guī)r和強(qiáng)風(fēng)化V級堅石。高邊坡坡度比1：0.75。需挖土方8075m3，挖石方37375m3。站內(nèi)接觸網(wǎng)軟橫跨立柱基礎(chǔ)位于4道側(cè)溝上，鄰近既有線土石方開挖嚴(yán)禁爆破。開挖邊坡底與既有鐵路路肩間隔一個排水溝，寬0.8m。

設(shè)計方案是先將施工范圍內(nèi)的管線設(shè)備遷改到施工影響范圍以外的新建護(hù)坡上，完成邊坡土石方開挖和專用線敷設(shè)后，再按原樣恢復(fù)。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，原方案不可行。原因如下：

1.工期不足

根據(jù)合同倒排工期，土石方分部工程工期60天，按原方案遷改受施工影響的13根接觸網(wǎng)立柱需要封鎖線路3次，臨時遷改需要新建26個接觸網(wǎng)立柱基礎(chǔ)，加長和縮短遷改軟橫跨各一次，需要封鎖點12個。站內(nèi)列車運行量大，鐵路部門無法依據(jù)接觸網(wǎng)遷改工程需要批復(fù)封鎖點。

2.無法長時間封鎖線路

為保證既有線路安全，鄰近線路高邊坡土石方開挖必須封鎖線路，即開挖土石方的兩個月內(nèi)需要封鎖停用既有4道，安龍站將損失四分之一的調(diào)車能力，無法完成鐵路運輸任務(wù)，封鎖線路開挖土石方的方案不可行。

二、工程重難點分析

接觸網(wǎng)立柱在路基邊坡底，橫跨既有4道的側(cè)溝上在鐵路限界邊緣，鄰近接觸網(wǎng)進(jìn)行土石方開挖，安全風(fēng)險源有細(xì)小飛石擊傷接觸網(wǎng)設(shè)備和大塊落石滾落侵入鐵路安全限界。

1.飛石擊傷接觸網(wǎng)設(shè)備

液壓巖石破碎錘開挖土石方會有直徑較小的石頭飛濺，擊傷接觸網(wǎng)懸掛、支持和定位裝置，導(dǎo)致其無法正常供電，危及行車。

經(jīng)現(xiàn)場試驗，能擊傷接觸網(wǎng)設(shè)備的石子直徑d≤3cm，從平均高度h=8m處飛濺，最大質(zhì)量m≈13g，水平方向飛行距離S=7m，設(shè)水平方向初始速度v0，垂直方向初始速度為，石頭下落時間為t，接觸地面之前的瞬間速度為vt，取重力加速度g=10kg/m2。

垂直方向石頭初始速度為=0，可得vt=at,a=g；可得vt=12.64m/s，t=1.26s；水平方向S=vot，可得v0=0.55m/s。

石頭滾落碰到阻擋0，作用力為F1，取石頭與阻擋作用時間t=0.1s，由沖量動量守恒定律，mvt-0=F1t，即石頭對阻擋物的沖擊力F1=1.6432N，完全可以使用支架鋼板進(jìn)行物理隔離，避免施工期間石子對接觸網(wǎng)立柱的影響。

2.落石侵入既有4道限界

另外，臨近高邊坡用巖石破碎錘土石方開挖，會有大塊石頭滾落破壞侵入既有4道線路范圍。經(jīng)測量，大塊石頭直徑約20cm，沿高h(yuǎn)=8m的護(hù)坡滾落，坡度42°，忽略水平方向初始速度，質(zhì)量m=86.54kg，下落至面速度為。

石頭的重力分解為沿坡度方向的加速度a1=g?sin42°和垂直于坡面的摩擦力f=mg?cos42°;依據(jù)機(jī)械守恒定律，石頭的重力勢能轉(zhuǎn)換成動能和摩擦力做功，可得

石頭滾落碰到阻擋，作用力為F2，速度瞬間變成0，取石頭與阻擋作用時間t=0.1s，由沖量動量守恒定律，mvt-0=F2t；可得F2=7740N。

三、移動支護(hù)法

1.移動-靜態(tài)支護(hù)措施

（1）方案介紹

針對風(fēng)險源，即高邊坡土石方開挖中飛濺小石子和滾落的大石頭對既有線的影響，重點參考分析數(shù)據(jù)制定安全防護(hù)措施，在保證既有線安全運營的前提下，兼顧工程進(jìn)度和成本控制，安全支護(hù)如圖1。

施工期間保證既有線的正常運營是高邊坡土石方開挖的核心。安全防護(hù)重點是4道及左側(cè)接觸網(wǎng)，根據(jù)分析數(shù)據(jù)和現(xiàn)場情況，除按要求設(shè)置硬隔離外，在破碎施工點做兩道支檔結(jié)構(gòu)：

圖1 安全防護(hù)支護(hù)圖

第1道：“鋼管-鐵網(wǎng)”移動支護(hù)。在破碎錘施工點以DN100鋼管為立柱（高2.0m），入巖50cm，以φ8鐵網(wǎng)擋板2m×1m，在靠近接觸網(wǎng)一側(cè)打入膨脹螺絲將支檔結(jié)構(gòu)牢牢固定，并做好斜撐防止倒塌，防止破碎錘施工時碎石往鐵路方向飛濺，支護(hù)在開挖過程中隨著邊坡高度下降而降低，直至線路路基高程。

第2道“鋼軌-竹排架”靜態(tài)支護(hù)。在接觸網(wǎng)立柱外側(cè)設(shè)間距4.0m，P50鋼軌立柱入土50cm，以竹排架為擋板，防止邊坡開挖的落石砸到接觸網(wǎng)立柱，杜絕大塊滾石侵入4道安全限界。

（2）方案可行性分析

飛濺石子對障礙物的沖擊力是1.6432N。在無障礙時飛濺距離較遠(yuǎn)，但沖擊力不是很大。φ8鋼筋的彎矩是10N/M，DN100鋼管入巖50cm，完全能滿足飛濺石子抗沖擊要求。

另外，滾落的大石頭滾落作用力為7740N，鋼軌抗壓強(qiáng)度為900Mpa，即每平方抗沖擊力為900N，一定能滿足防止大石塊滾落的沖擊力。

綜合分析，方案中設(shè)置的兩道移動和靜態(tài)支護(hù)，能完美消除土石方開挖中飛濺石子和滾落石塊對接觸網(wǎng)和既有線安全運營的影響。

2.適用性分析

（1）進(jìn)度分析

從整體來看，開挖土石方實際工期55個工日，運用4臺挖掘機(jī)巖石破碎錘，制作靜態(tài)支護(hù)300m，移動支護(hù)13處，累計移動50次提前5天完成施工任務(wù)。節(jié)約了遷改13處接觸網(wǎng)立柱的時間。雖然設(shè)置靜態(tài)支護(hù)和移動支護(hù)需要耗費人工，但避免了遷改等待批復(fù)封鎖點的沉默成本，且設(shè)置支護(hù)時間可控，加強(qiáng)了進(jìn)度控制能力。

（2）安全分析

根據(jù)實際結(jié)果來看，土石方開挖期間所有安全風(fēng)險源得到了控制，杜絕了飛濺石子和滾落石塊對接觸網(wǎng)和既有線的影響，土石方開挖施工期間未出現(xiàn)安全事故，移動-靜態(tài)支護(hù)方案在高邊坡土石方開挖中是可行的。

（3）成本分析

原安全措施需遷改臨近邊坡開挖的13根接觸網(wǎng)立柱，并在土石方開挖期間封鎖既有4道，完成開挖后將接觸網(wǎng)立柱遷改恢復(fù)原位。而優(yōu)化后的安全防護(hù)措施使用鋼管、竹排架、廢舊短鋼軌和鋼筋網(wǎng)就能達(dá)到安全支護(hù)要求，可以提升工程利潤空間或縮減建設(shè)單位投資。