柔性防護(hù)和錨索綜合治理危石

鐘慶華

(浙江金溫鐵道開發(fā)有限公司,浙江溫州 325000)

柔性防護(hù)和錨索綜合治理危石

鐘慶華

(浙江金溫鐵道開發(fā)有限公司,浙江溫州 325000)

以金溫線洞橋山危石區(qū)為例,闡述主動網(wǎng)和預(yù)應(yīng)力錨索的作用機(jī)理。洞橋山危石區(qū)通過綜合運用主動防護(hù)、被動防護(hù)和采用錨索錨固危石的綜合治理,有效地保證了行車的安全。通過兩年的觀測,效果是顯著的。

柔性防護(hù);錨索;危石治理

一、金溫線洞橋山危石區(qū)治理概況

金溫線洞橋山危石區(qū),巖體裸露,巖面破碎,坡度較陡,風(fēng)化嚴(yán)重并有大塊巖石剝落現(xiàn)象。在線路中心的右側(cè)約2 m處有9塊危石,大的一塊約9 m×5 m,距洞橋山隧道洞門12 m。小的一塊約6 m×4 m,距隧道洞門6 m,對行車構(gòu)成很大的危害。

二、柔性防護(hù)系統(tǒng)

柔性防護(hù)系統(tǒng)是利用鋼絲繩網(wǎng)為主要特征構(gòu)件以覆蓋和攔截兩種基本形式來防護(hù)危巖和崩塌落石地質(zhì)災(zāi)害的柔性安全防護(hù)系統(tǒng)技術(shù)。充分利用了柔性材料的易鋪展性和高防沖擊能力,能夠較好地適應(yīng)抗擊集中荷載或高沖擊荷載,柔性防護(hù)系統(tǒng)從防護(hù)原理和防護(hù)目的上,可以分為主動防護(hù)和被動防護(hù)系統(tǒng)兩類。

(一)主動防護(hù)系統(tǒng)

主動防護(hù)系統(tǒng)是以鋼絲繩網(wǎng)為主的各類柔性網(wǎng)覆蓋或包裹在鐵路兩側(cè)需防護(hù)的有潛在巖崩坡面上,以限制坡面巖土體的風(fēng)化剝落或破壞以及危巖崩塌(加固作用),或者將落石控制在一定范圍內(nèi)運動(圍護(hù)作用)。通過錨桿和支撐繩固定方式將鋼絲網(wǎng)覆蓋在具有潛在地質(zhì)災(zāi)害的坡面上,從而實現(xiàn)坡面加固或限制崩塌落石運動范圍。圖1所示主動防護(hù)系統(tǒng),其固定系統(tǒng)由錨桿和錨桿間的支撐繩構(gòu)成(圖2),通過固定在錨桿或支撐繩上并施以一定預(yù)張拉的鋼絲繩網(wǎng)或格柵網(wǎng),對整個邊坡形成連續(xù)支撐,其預(yù)張拉作業(yè)使系統(tǒng)盡可能緊貼坡面并形成了阻止局部危巖移動或在細(xì)小位移后將其滯留于原位附近的預(yù)應(yīng)力,從而達(dá)到主動防護(hù)(加固)的作用。系統(tǒng)傳力的過程為“鋼絲網(wǎng)→支撐繩→錨桿→穩(wěn)定地層”。柔性特征使系統(tǒng)能承擔(dān)較大的下滑力,并將局部集中下滑力向四周均勻傳遞以充分發(fā)揮整個系統(tǒng)的防護(hù)能力。

(二)滾動滑動模式(圖3)

落石沿邊坡的運動加速度a=g(sinβ-fcosβ),g為重力加速度,f為運動的摩擦系數(shù)。在t時刻的滾動滑動位移s,落石的速度V為:

式中v0為初始加速度。計算中若,則落石將因摩擦作用而停止。

圖3 滾動滑動模式

(三)被動防護(hù)系統(tǒng)

被動防護(hù)系統(tǒng)(圖4)是一種攔截和堆存巖質(zhì)邊坡崩塌落石的柔性金屬柵欄,與攔石墻等建筑物的不同在于系統(tǒng)的柔性和強(qiáng)度足以吸收和分散傳遞預(yù)計的落石量并使系統(tǒng)受到的損傷最小。整個系統(tǒng)由鋼絲繩、錨桿和支撐繩、減壓環(huán)及柱四部分構(gòu)成,系統(tǒng)的柔性主要來自鋼絲繩、支撐繩和減壓環(huán)等結(jié)構(gòu)。

圖4 被動防護(hù)系統(tǒng)示意圖

(四)被動防護(hù)系統(tǒng)計算

對于坡面危石分布較廣、體積較大或有巖堆分布以及坡面危、孤石分散難于清理的,可根據(jù)工地實際情況,考慮采用柔性防護(hù)的方法處理,即首先按照經(jīng)驗公式計算落石速度。

1.簡單山坡

式中:ε為落石速度系數(shù),與山坡的坡角α、植被、落石頻率等因素有關(guān)。

上式適用于α>45°基巖外露的山坡;α45°大部長有灌木和雜草但樹木稀疏按70%～80%折減;山坡植被茂密時按60%～70%折減。

2.折線型山坡(α=30～60o,Δ α>5,L>10)不適合取平均坡角時,

εj,Hj分別為第j段的速度系數(shù)和從終點算起的高度。

3.石塊自塹頂以初速度V0滾落,落石點的速度為:

g為重力加速度;

根據(jù)落石速度,計算落石的沖擊力或落石動能,合理選用了被動柔性防護(hù)的種類,根據(jù)山坡高度、坡度通過計算,合理地確定了被動防護(hù)的高度。使得金溫鐵路的危巖落石得到了較為徹底的整治。為行車安全提供了比較安全可靠的保證。

三、預(yù)應(yīng)力錨索

(一)錨固的優(yōu)化設(shè)計

危巖體的基本荷載有巖體自重W、降暴雨時縫內(nèi)壓力U、滲壓力V等。危巖體的加固采用主動防護(hù)的方法,即在危巖體下部、中部和上部加錨固力,分別為KT1、KT2、KT3, F為危巖體的安全系數(shù)。在設(shè)計中通過調(diào)整錨固力角度,在設(shè)計要求的安全程度下,使總錨固力最小,來達(dá)到最優(yōu)化的目的。即:

優(yōu)化目標(biāo)函數(shù):總錨固力;

優(yōu)化參數(shù):錨固角度α1、α2、α3(分別為KT1、KT2、KT3與水平面的夾角)。

巖體安全系數(shù)設(shè)計要求:

正常情況下:F≥1.1

特殊荷載組合(考慮水壓力等其它情況F需滿足:最大錨固力≤[T]。根據(jù)極限平衡理論,安全系數(shù)):F≥1.0考慮施工方面原因。

式中:α為滑面傾角;φ為滑面摩擦角;c為黏聚力;L為危巖體厚度。

因此錨固優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型為:

目標(biāo)函數(shù):

4.非負(fù)條件:KT1≥0、KT2≥0、KT3≥0;

用單純形法等可求出解。

錨固力的最優(yōu)解不僅與錨索傾角有關(guān),還與滑面傾角、滑面摩擦角等有關(guān)。為了避免危巖體的繼續(xù)風(fēng)化,可考慮并用掛網(wǎng)、噴射混凝土等方法作為錨固的輔助方法一并使用。

四、綜合治理效果

洞橋山危石區(qū)通過綜合運用主動防護(hù)、被動防護(hù)和采用錨索錨固危石的綜合治理(見圖5),有效地保證了行車的安全?，F(xiàn)通過兩年的觀測,效果是顯著的。

圖5 主動防護(hù)、被動防護(hù)、錨索錨固危石的綜合治理

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(責(zé)任編輯張佑法)

U213

A

1007-7111(2010)12-0121-02

2010-11-05

鐘慶華(1975—),男,研究方向:路基防護(hù)。