客運專線橋梁危巖落石防護設(shè)計

周　維

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津　300142)

1　工程概況

沈丹客運專線戴家堡子特大橋位于本溪市南中低山區(qū)，與本溪隧道出口處相接。工點位于中低山及河谷地貌，地形起伏陡峭，大部山體基巖裸露。山體經(jīng)風化剝蝕，多呈圓頂狀，山腳多被長期坡面剝蝕和堆積形成的碎石所覆蓋。橋梁小里程左側(cè)分布有規(guī)模較大的高陡邊坡，且邊坡巖體結(jié)構(gòu)較破碎，為危巖落石不良地質(zhì)。經(jīng)過現(xiàn)場實地調(diào)查分析，危巖分布及橋梁工點如圖1所示。

圖1　危巖落石不良地質(zhì)分布

戴家堡子特大橋小里程橋臺位置左側(cè)山體危巖落石①區(qū)、②區(qū),④為頁巖，③區(qū)為侵入巖安山玢巖。由于巖層節(jié)理發(fā)育，風化較嚴重，在自身重力及雨水沖刷的相互作用下，表層強風化層發(fā)生崩塌落石，并在橋梁左側(cè)A溝兩側(cè)形成危巖體區(qū)域。山頂B區(qū)域主要由填充在兩側(cè)頁巖中間的巖脈構(gòu)成，巖體節(jié)理發(fā)育在長期風化作用或列車荷載、爆破等人為擾動下，易沿結(jié)構(gòu)面不利組合產(chǎn)生局部崩滑現(xiàn)象，由于該處垂直落距較高，一旦出現(xiàn)崩滑現(xiàn)象，其滾石可順A溝或橋梁左側(cè)山坡滾落。通過對橋梁附近調(diào)查，橋梁左側(cè)山坡有碎石堆積區(qū)，判斷為B區(qū)域落石堆積區(qū)。

沈丹客專線路位于山坡下方，距離山坡坡腳較近，危巖落石對橋梁結(jié)構(gòu)及行車安全威脅較大，必須采取可靠的措施進行治理。

2　危巖落石防護治理措施

根據(jù)規(guī)范要求，對于可能發(fā)生大范圍危巖、落石或大規(guī)模崩塌地段，線路應該在勘測階段進行繞避。對中小型危巖、落石和崩塌地段，應根據(jù)病害類型及危害程度等采用遮蔽、攔截、清除、加固或綜合處理等安全可靠的工程措施[1]。

目前，對于規(guī)模較小的危巖、落石處理措施大體可分為主動防護和被動防護兩種類型體系。清坡、掛網(wǎng)錨噴、柔性主動防護網(wǎng)等屬于主動防護體系，這種防護體系可以對較大面積范圍的危巖體進行清除或加固防護，從源頭杜絕危巖落石的發(fā)生，保證危巖體下方的結(jié)構(gòu)安全，但采用清坡的方法容易對地形環(huán)境等造成影響，而采用大面積主動加固防護則在養(yǎng)護維修方面較為困難并且造價較高。落石平臺、落石槽等以消能為主的工程措施，以及攔石墻、攔石堤、攔石柵、被動防護網(wǎng)等以攔截為主的工程措施屬于被動防護體系，這種防護體系可以對危巖落石在運動中進攔截，并可以根據(jù)所防護工點的具體地形地貌進行靈活布置，針對性強，對環(huán)境影響較小，養(yǎng)護維修容易且造價較低。在實際工程中，一般可以根據(jù)工點的地形地貌及地質(zhì)條件，采用多種防護措施進行綜合整治。

本橋左側(cè)山高坡陡，危巖落石來源區(qū)面積較大，若單獨采用主動清除及加固防護措施，一則不能保證對所有危巖體進行徹底清除與加固；二則工程量較大。通過對本橋工點地形地質(zhì)的綜合研究發(fā)現(xiàn)，線路左側(cè)山體半坡至坡腳處，即圖1中①～④區(qū)及橋梁左側(cè)邊坡碎石堆積區(qū)，危巖體較為集中，巖體松散破碎，對下方線路結(jié)構(gòu)及行車威脅較大，故對這范圍內(nèi)表層松散破碎的巖體應進行清除，對清理后的巖石坡面采用SNS主動攔石網(wǎng)進行加固。山頂B區(qū)內(nèi)巖石危巖分布較零散，如危巖崩裂后碎石應沿橋梁左側(cè)山坡翻滾而下，為避免落石對下方橋梁結(jié)構(gòu)造成破壞，對落石運動路徑采用SNS被動攔石網(wǎng)進行防護，被動攔石防護網(wǎng)設(shè)于山坡間碎石堆積區(qū)域上方。橋梁范圍內(nèi)左側(cè)山坡危巖落石防護布置見圖2。

圖2　橋梁危巖落石防護設(shè)置

此外，本橋小里程橋臺及1號墩距山坡坡腳較近，橋梁墩臺高約10 m，危巖沿山坡滾落可能對橋梁墩臺造成沖擊破壞，為保證橋梁墩臺結(jié)構(gòu)安全，本橋設(shè)計時考慮在小里程橋臺及1號墩原有表面外加設(shè)一層鋼筋混凝土保護層，以確保危巖滾落沖擊不會對橋梁墩臺原主體結(jié)構(gòu)造成破壞。通過上述三項措施的設(shè)置，不但可以對橋梁上方的危巖體進行防護整治，并且可以對橋梁墩臺結(jié)構(gòu)本身進行全面可靠的保護。

3　危巖落石防護結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1　主動防護措施設(shè)計與施工工藝

針對沈丹客運專線戴家堡子特大橋小里程左側(cè)山坡上集中危巖體區(qū)域，設(shè)計采用SNS主動防護網(wǎng)進行加固處理。SNS(Safety Netting System)主要工作原理是采用縱橫交錯的支撐繩與沿巖石面布置的錨桿相聯(lián)結(jié)并進行預張拉，在支撐繩構(gòu)成的網(wǎng)格內(nèi)鋪設(shè)一張鋼絲繩網(wǎng)，每張鋼絲繩網(wǎng)與四周支撐繩間用縫合繩縫合聯(lián)結(jié)并拉緊，通過預張拉工藝使系統(tǒng)對坡面施以一定的法向預緊壓力，從而提高表層巖土體的穩(wěn)定性，盡可能地阻止崩塌落石的發(fā)生并將小部分落石限制在一定的空間內(nèi)運動，同時，在鋼繩網(wǎng)下鋪設(shè)小網(wǎng)孔的格柵網(wǎng)，以阻止小尺寸巖塊的塌落。[2]

施工工序及工藝要求如下：

①清除坡面防護區(qū)域內(nèi)的浮土及浮石，對坡面進行必要的整修，盡量保證防護坡面的整齊。

②通過放線測量以確定錨桿孔位，并在每一孔位處鑿不小于錨桿外露環(huán)套長度的凹坑，一般口徑20 cm，深15 cm。

③按設(shè)計深度鉆鑿錨桿孔并清孔，孔深應比設(shè)計錨桿長度長5 cm以上，孔徑不小于φ42；當受鑿巖設(shè)備限制時，構(gòu)成每根錨桿的兩股鋼繩可分別錨入兩個孔徑不小于φ35的錨孔內(nèi)，形成人字形錨桿，兩股鋼繩間夾角為15°～30°，以達到同樣的錨固效果。

④注漿并插入錨桿，采用不低于M20號的水泥砂漿，孔內(nèi)應確保漿液飽滿，在進行下一道工序前注漿體養(yǎng)護不少于三天。

⑤安裝縱橫向支撐繩，兩端各用2～4個繩卡與錨桿外露環(huán)套固定連接，并用緊繩器張緊后固定。

⑥從上向下鋪掛格柵網(wǎng)，格柵網(wǎng)間重疊寬度不小于10 cm，兩張格柵網(wǎng)間的縫合以及格柵網(wǎng)與支撐繩間用φ1.2鐵絲按1 m間距進行扎結(jié)。

3.2　被動防護結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算

針對山頂B區(qū)域的落石對線路的威脅，沿線路左側(cè)山體半坡設(shè)置一道被動防護網(wǎng)，被動防護網(wǎng)的縱向長度可囊括落石的可能行進路徑，對落石在途中進行有效攔截。與主動防護網(wǎng)相比，被動防護網(wǎng)所針對的落石隨機性、突發(fā)性及不可預見性更大，故在設(shè)計時需要對落石的發(fā)生及可能進行合理的分析及研究，以確定被動防護網(wǎng)所選用的型號及參數(shù)。

(1)被動防護網(wǎng)吸能型號

被動防護網(wǎng)主要靠自身的吸能裝置來承受落石沖擊動能，落石質(zhì)量、速度越大，其沖擊動能越大，對結(jié)構(gòu)的破壞性也越大，因此準確的判斷落石的沖擊能量，從而選擇合適型號的被動防護網(wǎng)是設(shè)計的首要任務。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查測量，本橋山頂至被動防護網(wǎng)設(shè)置位置處，高差約為65 m，水平距離約90 m，山體坡度較為均勻順直，可以簡化為單一斜坡進行計算，坡度角i=35°。本設(shè)計參考文獻[3]中針對巖石在直線形坡落石速度的計算方法，確定落石沖擊被動防護網(wǎng)的速度v

(1)

(2)

(2)被動防護網(wǎng)設(shè)置高度

落石一般沿斜坡翻滾、跳躍而下，被動防護網(wǎng)設(shè)計除了要考慮落石的沖擊能量，還必須考慮防護網(wǎng)的設(shè)置高度，使防護網(wǎng)可以對騰越的落石進行攔截。

落石以滾動跳躍復合形式運動時，可以分析石塊運動由于跳躍暫時脫離邊坡的最大距離，而防護網(wǎng)的設(shè)置高度主要是求得落石在垂直方向上偏移斜坡的最大距離hmax。根據(jù)參考文獻[3]中的計算公式

(3)

對于落石碰撞后的反射速度,參考文獻[1]中落石與坡面的碰撞系數(shù),本設(shè)計偏于安全，考慮選取落石反射速度v0=0.86vj，最終求得hmax=3.7 m。

通過以上計算求得了落石質(zhì)心騰躍軌跡高度偏移坡面的最大距離hmax,實際工程中考慮到落石的隨機與不確定性,被動防護網(wǎng)的設(shè)計高度在最高偏移值hmax的基礎(chǔ)上再加1 m的安全值,近似取5 m。

3.3　橋墩臺防護設(shè)計

通過對山坡及坡頂?shù)奈r落石區(qū)域設(shè)置主動及被動防護網(wǎng),基本能夠攔截大塊落石,保證坡下橋梁安全,但可能有一些細小碎石會通過防護網(wǎng)眼漏出。由于坡度較為陡峭,落差較大,即使小塊碎石落下沖擊橋梁墩臺,也可能對橋梁墩臺結(jié)構(gòu)表面造成破壞,影響橋梁墩臺的耐久性。為了保護橋梁坡下墩臺,設(shè)計考慮對橋墩臺加設(shè)鋼筋混凝土保護層。

[1]TB10035—2006鐵路特殊路基設(shè)計規(guī)范[S]

[2]陽友奎，賀詠梅.斜坡坡面地質(zhì)災害SNS柔性防護系統(tǒng)概論[J].地質(zhì)災害與環(huán)境保護 ，2000，11(2)

[3]蔣忠信，陳光曦，吳宗儉，等.中國山區(qū)道路災害防治[M].重慶:重慶大學出版社，1996

[4]鐵朝虎，徐遠啟，劉信勇.柔性防護網(wǎng)在石太鐵路山體病害整治中的應用[J].路基工程，2011(2)

[5]鐵建設(shè)(2009)172號鐵路邊坡防護及防排水工程設(shè)計補充規(guī)定[S]