懸臂式被動防護網(wǎng)在山體危石整治中的應(yīng)用

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)害柔性防護技術(shù)自1995年被引入我國以來，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、落石防護和泥石流防治方面取得了顯著成效［1-3］。柔性防護系統(tǒng)主要以坡面覆蓋加固的主動防護和落石攔截的被動防護兩大基本形式來對山體危石、淺表層潛在滑體等地質(zhì)災(zāi)害進行綜合整治，具有布置靈活、施工快捷、對山體原始形態(tài)的改變和施工干擾小等優(yōu)點，且結(jié)構(gòu)形式和防護能力能滿足現(xiàn)場多樣性的要求，對復(fù)雜的山體危石等潛在地質(zhì)災(zāi)害防治能夠?qū)嵤┯嗅槍π缘木C合解決方案［4］。然而常規(guī)的柔性防護系統(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)場工程地質(zhì)和地形特征，提出了采用懸臂式被動防護系統(tǒng)的整治措施，給出主要結(jié)構(gòu)布置參數(shù)，并通過對潛在落石運行軌跡和運動參數(shù)的模擬計算和分析，確定了柔性網(wǎng)形式和防護能級，對山區(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，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源，又因其處于線路上方高位，一旦墜落，嚴重危及行車安全。此外，個別坡面風(fēng)化掉塊跡象明顯，且有日益加劇趨勢，尤其是在坡口線附近已經(jīng)存在穩(wěn)定性極差的危石，會構(gòu)成長期的落石掉塊威脅。

2 整治方案比選

整個路段除K201+570—K201+750外，其余均可采用常規(guī)的主動或被動防護系統(tǒng)標準布置形式，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)計開挖坡度1∶0.25，實測平均坡角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;山脊呈多級臺階狀，順線路方向延伸約20 m，即無明顯突起的山脊線;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山脊軸線處實測斷面圖。

圖2 K201+630—K201+720坡面形態(tài)

圖3 K201+680實測斷面

2.2 防護方案的分析比較

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，即柔性主動防護系統(tǒng)(主動加固)和被動防護系統(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)，若采用主動加固系統(tǒng)投資較大，約需330萬元(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，從經(jīng)濟性和環(huán)保角度考慮均不適宜采用主動加固措施。從該路段的地形條件可以判斷，來自上部邊坡的落石一方面憑借慣性作用朝向線路運行，同時也受地形引導(dǎo)朝向兩側(cè)K201+570和K201+740的溝壑運動。

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準布置形式的被動防護系統(tǒng)予以有效攔截，且防護結(jié)構(gòu)的運行狀態(tài)在線路上即可得到較好的檢查。因此，該區(qū)域的落石防護采用標準布置形式的被動系統(tǒng)是可行的，其具體布置形式本文不再討論。

對于K201+630—K201+720區(qū)域，由于臨近山脊的側(cè)坡較陡，不便于設(shè)置被動防護系統(tǒng)，且在線路上很難觀察到這些區(qū)域，不便于防護結(jié)構(gòu)運行狀態(tài)的檢查;而中部K201+680附近的山脊區(qū)段若設(shè)置被動防護系統(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臺階狀，落石躍過被動防護系統(tǒng)的可能性較大，因此，該區(qū)域設(shè)置上部被動防護系統(tǒng)在安全性和運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防護系統(tǒng)僅適合于開挖坡面本身的危石控制，對來自上部自然山坡坡面的落石無任何防護作用，因此，下部方案可供選擇的措施僅有被動防護形式，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。

對于K201+630—K201+720高開挖邊坡路段來講，柔性棚洞是一種理想的方案，它能實現(xiàn)對線路的封閉(類似于傳統(tǒng)的棚洞或明洞)，無論落石的運行軌跡如何，都能通過將落石隔離于線路行車范圍以外來確保行車安全。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，用于較大落石防護時后期維護難度和工作量均較大。

2)由于柔性棚洞洞頂相對平坦，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)生后若未能及時發(fā)現(xiàn)和清除落石，將對行車造成極大威脅。

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，為此必須通過加大棚洞高度并相應(yīng)提高其鋼結(jié)構(gòu)拱架剛度來降低這種風(fēng)險，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禁行前提下進行，對線路運營干擾較大，影響時間也較長。

2.2.3 最終確定方案

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

3 懸臂式被動防護系統(tǒng)

3.1 結(jié)構(gòu)形式的選擇

懸臂式被動系統(tǒng)在防護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)，既要實現(xiàn)在上方對線路的完全遮蓋，確保落石能滾落到線路之外，同時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°)，對此，標準布置形式的被動系統(tǒng)是不能實現(xiàn)這些功能的，必須加以適當(dāng)?shù)母倪M［6］。

圖4所示的結(jié)構(gòu)保持了常規(guī)被動系統(tǒng)的基本特征，柔性網(wǎng)與鉸接鋼柱的有機結(jié)合確保了系統(tǒng)的柔性匹配，并借助于鋼柱和柔性網(wǎng)的相互斜交來實現(xiàn)系統(tǒng)的整體平衡，基本保持了標準被動系統(tǒng)的柔性特征和防護能力。

圖4 懸臂式被動系統(tǒng)橫斷面示意

對于K201+630—K201+720路段，由于來自上部山體的落石動能較大，在選擇常規(guī)被動系統(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，由此可計算出鋼柱支點與柔性網(wǎng)上緣間的高差約為11 m。而該路段開挖陡邊坡實測兩側(cè)最小高度為23 m，為此宜選擇鋼柱支點設(shè)置于距軌面高差10 m左右的坡面上，據(jù)此可進一步計算出保證系統(tǒng)遮蓋線路外側(cè)鋼軌所需的鋼柱長度為8 m。

3.2 系統(tǒng)能級的確定

為確定系統(tǒng)能級，對K201+680斷面及K201+650斷面處的落石運行軌跡和運動參數(shù)進行模擬計算。模擬采用加拿大Rocscience巖土工程軟件公司的Rocfall軟件來完成，主要計算條件和參數(shù)如下:

1)各變坡點坐標隨機誤差按0.2 m確定。

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

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

4)坡面分為以下5類:無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，RN=0.30，Rτ=0.78，φ =25°);平整堅硬巖石邊坡(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

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

落石模擬主要計算結(jié)果見表1，可見:在所考慮的區(qū)域內(nèi)，落石到達擬定柔性網(wǎng)設(shè)置處的運動速度最高可達28.2 m/s，超過了鋼絲繩網(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)的最大動能近于500 kJ，但考慮到被動防護系統(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，較高動能的落石沖擊將導(dǎo)致消能件等系統(tǒng)構(gòu)件過大的塑性變形，從而必須進行適當(dāng)維護或更換部分構(gòu)件，以恢復(fù)系統(tǒng)的防護能力。為此，考慮到懸臂式被動防護系統(tǒng)均設(shè)置在距地面一定高度的陡壁上，維護難度較大，同時也考慮到發(fā)生更大落石沖擊時的安全，系統(tǒng)的選型應(yīng)考慮適當(dāng)減小后期維護需求，系統(tǒng)的防護能級應(yīng)有足夠的安全儲備。

表1 落石模擬結(jié)果

綜合上述分析，K201+630—K201+720路段宜參照防護能級為1 000 kJ的RXI-100環(huán)形網(wǎng)標準被動系統(tǒng)來設(shè)置懸臂式被動系統(tǒng)，實施該整治措施后的效果如圖6所示。

4 結(jié)語

圖6 整治后現(xiàn)場

1)京承鐵路K201+630—K201+720路段受來自近直立高陡塹坡上部自然山坡潛在落石的威脅，本文分析認為柔性主動系統(tǒng)或常規(guī)布置形式的被動防護系統(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)置懸臂式被動防護系統(tǒng)這一新型防護措施，給出其主要結(jié)構(gòu)布置參數(shù)。

2)通過相關(guān)落石運行軌跡和運動參數(shù)的數(shù)值模擬，提出了該懸臂式被動系統(tǒng)宜參照防護能級為1 000 kJ的RXI-100環(huán)形網(wǎng)標準被動系統(tǒng)來設(shè)置。

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