EPS板抗沖擊復合結構在既有鐵路落石防護中的應用

朱宏偉，蔡德鉤，史存林

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

受地理位置及地質條件的影響，我國許多鐵路線路走行于山谷之間。為保證線路的安全運營，山區(qū)鐵路在設計期間或后期的運營維護中多采用棚洞或明洞來防護山坡落石或邊坡坍塌。但在有些線路中，由于地形陡峻、交通不便、施工條件惡劣，工地附近無法就地取土，且外運土方受道路交通限制變得十分困難。在既有線的養(yǎng)護維修中這種矛盾尤為突出。

EPS板是由可發(fā)性聚苯乙烯珠粒經加熱發(fā)泡后在模具中成型而制得的閉孔結構輕質板材，具有質輕、吸水率低、耐水、耐老化、耐低溫、易加工、價廉質優(yōu)等特點。由于EPS板密度可低至20 kg/m3，因此即使車輛無法通行的路段，人工搬運也非常容易實現(xiàn)。同時，洞頂填充物的改變明顯降低了施工風險和難度，一定程度上可加快進度，縮短工期。從上世紀90年代起國內就開始將EPS板應用于明洞等工程的洞頂回填中，但是對于穿越高陡山區(qū)、有落石危險的線路來說，單純的EPS板不能很好地分散沖擊荷載。西康鐵路在落石防護改造工程中采用了一種創(chuàng)新的方法，使用“EPS板+鋼筋混凝土板+表層砂土”的復合結構取代傳統(tǒng)的回填土，取得了良好效果。

1 工程概況

西康鐵路白沙灘隧道進口緊接乾佑河橋，該橋中心里程K165+686，為(7×32+1×24)m預應力混凝土T形梁橋。線路左側緊鄰陡峻山坡，因山體石灰?guī)r裸露，風化破碎嚴重，在降雨和地震作用下易發(fā)生落石，影響行車安全。如圖1所示。西安鐵路局將此段列為重點監(jiān)控地段，長期派職工看守，特別是在汛期列為I級防控地點，設置守機聯(lián)控，每年看守等費用達35萬元。

圖1 白沙灘隧道進口

工程地質情況:該段線路位于西康線東坪—青銅關區(qū)間，沿線地質條件復雜，出露的地層主要為侏羅系砂巖、泥巖、礫巖，夾層為頁巖，侏羅系中、下統(tǒng)含1～2層煤系。沿線兩岸山高谷深，水流湍急。白沙灘隧道進口里程K165+815，隧道外進口仰坡及左側塹坡高約100 m，其后上方緩坡山體高約30 m。仰坡坡比1∶0.2 ～1∶0.8，左塹坡比 1∶0.1，大部為裸露的石灰?guī)r，巖石呈中厚片狀、薄片狀直立構造，片體間隙較大，風化嚴重;巖石間隙中長有小喬木，局部有覆蓋土層的坡面長有灌木及雜草，植物根劈作用顯著，如圖2所示。在距軌面16～100 m范圍內仰坡及左側塹坡存在大量破碎危石群及孤危巖塊，在風化、根劈、降雨等因素的綜合作用下造成危巖底部懸空，極易發(fā)生崩塌落石，嚴重危及下部橋梁設備及行車安全。

圖2 隧道進口上方巖石裸露、破碎

地震動參數(shù):根據《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2001)，該地段地震基本烈度Ⅳ度，本路段可不設防。待整治路段區(qū)域內未發(fā)現(xiàn)斷層。

氣候:白沙灘隧道位于秦嶺南麓秦巴山地，屬于北涼亞熱帶向暖溫帶過渡地段，年均氣溫12.2℃，年降水量800～1 000 mm。

2 方案比選

根據現(xiàn)場調研，受到落石威脅較為嚴重的是緊鄰隧道進口約20 m范圍內的線路，主要涵蓋乾佑河橋的最后一跨。進行整治方案比選時，擬定了3個方案。

方案1:線路改線

在此段病害范圍內，崩塌落石僅在局部發(fā)生，影響線路長度較小，如果改線則投資費用十分巨大，且給運營調度增加很多困難，因此該方案被排除。

方案2:安裝主被動防護網

雖然主動防護網能加固邊坡表層的破碎巖石，被動防護網也可攔截部分山體落石，但風化如此嚴重且地勢較高的破碎山體，一旦產生較大體積的落石，主被動防護網難以保證線路安全。

方案3:輕質填料棚洞+被動防護網

擬在落石影響嚴重的路段增設高柱棚洞，棚洞頂部采用EPS板復合結構抵抗落石沖擊。頂部結構從上到下分別為碎石土、鋼筋混凝土現(xiàn)澆層、EPS板、防水層、T梁。棚洞下部采用樁加高柱托梁結構。同時，在棚洞靠山一側高于洞頂?shù)奈恢寐裨O被動式防護網，高柱外包EPS板，減輕側向落石對結構的危害。

綜合考慮各方面因素，方案3具有良好的可行性，原因如下:

1)我國EPS材料經過多年的發(fā)展，已經形成了完整的工業(yè)生產能力和自主的規(guī)范體系，材料性能穩(wěn)定，貨源充足，可以依據客戶需求加工定制多種規(guī)格型號的產品，完全可以滿足本次工程的需要，并能一次加工成所需厚度，減少現(xiàn)場連接工序，縮短施工周期。

2)本次落石防護整治工程施工條件十分不利。線路走行于高陡山嶺中，地形陡峻，乾佑河繞山而過，工地附近無法就地取土，且外運土方受交通限制變得十分困難;洞頂回填土不能使用大型工程機械，只能靠小型設備進行碾壓作業(yè)，相當耗費時間;施工時間受天窗制約，作業(yè)時間十分有限。而采用方案3的新型棚洞結構，其位于橋面以下的樁基及墩柱施工不受天窗制約，洞頂?shù)腡梁、EPS板均可以預制成型后利用天窗時間在現(xiàn)場進行吊裝，同時減少了洞頂回填土方量，極大地節(jié)省了施工時間，也給施工組織提供了很大便利。

3)采用EPS板代替明洞或棚洞頂部的填土，在國外應用已經非常廣泛。日本在防落石的棚洞結構中，廣泛采用了EPS材料，把其作為輕型緩沖填料，以吸收沖擊能量和減少結構重量。國內通過室內試驗和太嵐線掃石車站近20年的工程應用實踐，充分表明其承載能力和抗沖擊能力均大于填土材料，完全可以替代洞頂填土。

因此，方案3所采用的新型棚洞結構在技術上是可行的。該方案具有方便運輸和施工、工期較短的特點，對于既有線改造來說，具有明顯的經濟效益和社會效益。

3 設計方案

3.1 EPS板復合結構抗沖擊荷載試驗

沖擊試驗表明，純EPS板不能很好地分散落石沖擊力，為此研究出“上覆砂土+鋼筋混凝土板+EPS板”的復合結構來替代傳統(tǒng)的洞頂填土。該結構為三層復合結構，上層鋪設一定厚度的起緩沖作用的砂土，中間層設置20 cm厚鋼筋混凝土板，使沖擊力均勻向下傳遞，最下層設置50 cm厚EPS板材(20 kg/m3)。砂土層有吸收沖擊力和分散荷載的效果，鋼筋混凝土板進一步分散荷載，EPS板可以吸收沖擊力，整個復合結構可以很好地將沖擊荷載轉化為均布荷載，保護棚洞結構不受落石破壞。

為了驗證復合結構對棚洞的保護作用，日本進行了抗沖擊試驗。將重錘從高空自由落體砸落在EPS抗沖擊復合結構、單層EPS板結構及單層砂土上，測試這三種結構所受到的荷載，比較這三種結構對沖擊力的緩沖效果。經試驗驗證，當使用2 t重錘從20 m高度自由落下，經過砂土、鋼筋混凝土板、EPS板后，傳遞到下方結構物的最大應力為0.4 MPa，抗沖擊荷載效果明顯優(yōu)于單層砂土或單層EPS板結構，試驗結果如表1所示。

由表1可知，采用EPS板復合結構代替洞頂回填土，洞頂?shù)臎_擊動應力僅為傳統(tǒng)填土方案的10%左右，這將大大減少棚洞的設計荷載，有利于降低工程總體造價。

表1 不同緩沖層結構荷載分散試驗結果

3.2 設計方案

本項目設計原則:棚洞結構設計以撓度控制為主，撓度≤5 mm。防排水遵循“防、排、截、堵相結合，因地制宜，綜合治理”的原則，采用切實可靠的工程措施，保障結構物和設備正常使用和行車安全。

根據現(xiàn)場的地形地質條件，勘察選定在K165+794.095—K165+815.295段增設21.35 m棚洞工程，其中棚洞左側(鄰近山坡一側)靠近隧道的8 m采用重力式擋土墻作為承重結構，其余部分采用高柱棚洞形式。棚洞頂部采用EPS板抗沖擊復合結構，頂部結構層從上往下依次為:30 cm厚碎石土、20 cm厚鋼筋混凝土現(xiàn)澆層、50 cm厚EPS板、防水層(甲種防水層，鋪設250 g/m2的無紡土工布)、90 cm高T梁。在棚洞上方的邊坡上設置被動式防護網，在立柱上外包20 cm厚EPS板材，減輕側向落石對結構的危害。在棚洞靠山一側立柱外加掛密目鋼筋網，防止落石側向落入軌道。棚洞上部結構如圖3所示。

圖3 棚洞上部結構

為節(jié)約工期，T梁采用吊裝安裝。在洞頂左側縱梁上設置凹槽，T梁一端擱置在凹槽中，另一端安置在右側縱梁上。在防水層鋪好后施作EPS板，然后整體澆注鋼筋混凝土板，在工作縫處斷開。新建棚洞與既有隧道聯(lián)接處設5 mm施工縫。在縱梁設工作縫處該跨不設縱聯(lián)，在擋墻處不設縱聯(lián)。

防排水措施:棚洞左側重力式擋土墻8 m范圍內設置天溝，攔截雨水;棚洞頂部結構采用2%的坡率，向線路右方傾斜。盲溝、防排水工程及排水管等材料性能指標應符合圖紙《貳隧(02)0066》的要求。

4 結語

西康線白沙灘隧道進口落石防護工程經比選采用了“輕質填料棚洞+被動防護網”方案，其“表層砂土+鋼筋混凝土板+EPS板”的洞頂結構不僅減少了土方運輸及碾壓工作量，而且減小了棚洞的設計荷載，有利于工程的優(yōu)化設計。具體表現(xiàn)在以下幾個方面:

1)試驗表明，EPS板復合結構可以使棚洞受到的沖擊應力減小到單獨采用回填土情況下的10%左右，不僅減輕了結構自重，而且大大減少了棚洞的設計荷載，有利于降低工程造價。

2)白沙灘隧道進口緊接乾佑河大橋，工點附近無土方來源，土方需遠程運輸后垂直提升到洞頂進行回填，且碾壓只能靠人工輔助小型設備，工效很低。EPS板復合結構減少了回填土方量，且EPS板可以預制成型后一次性鋪設，有利于縮短工期。

3)采用的“輕質填料棚洞+被動防護網”方案適合于白沙灘隧道進口特殊的地形條件，預制T梁通過吊裝安裝，對既有線運營干擾較少，施工組織較為便利。

4)對于既有線搶險、維修等工程，早日開通意義重大。EPS板抗沖擊復合結構是一項創(chuàng)新技術，該技術的應用會明顯降低施工風險和難度，加快進度，縮短工期，具有良好的推廣價值。

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