巖質(zhì)路塹邊坡綠色防護技術(shù)在京張高鐵的應(yīng)用研究

宣立華

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

目前巖質(zhì)邊坡生態(tài)防護技術(shù)在鐵路、高速公路、城市建設(shè)等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。蘆建國[1]等總結(jié)概括了TBS技術(shù)，三維植被網(wǎng)，客土噴播，土工格室植草，噴混植草等18種生態(tài)護坡的形式、施工工藝、使用范圍及優(yōu)缺點，提出在邊坡工程建設(shè)中，應(yīng)對生態(tài)效果及自然植被的恢復(fù)給予考慮，并根據(jù)不同地區(qū)、不同降雨量等氣候條件選擇適合的生態(tài)防護技術(shù)；譚遠發(fā)[2]針對鐵路路基邊坡綠色防護技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了液壓噴播植草護坡、土工合成材料與植草綜合防護、OH液植草護坡、行栽香根草護坡、蜂巢式網(wǎng)格植草護坡及噴混植生護坡技術(shù)的工程造價及使用范圍，以寶蘭鐵路、京九鐵路及長荊鐵路路基邊坡綠色防護工程為實例，詳細介紹了設(shè)計參數(shù)指標(biāo)及防護效果。石貞峰[3]等在宜萬鐵路巖質(zhì)邊坡防護中采用了噴混植生技術(shù)，該技術(shù)可以起到對巖石邊坡生態(tài)進行修復(fù)的作用，是巖石邊坡工程防護與生態(tài)綠化并重的新技術(shù)，能使植物在短時間內(nèi)快速生長覆蓋；洪偉[4]等以噴混植生技術(shù)取代傳統(tǒng)的噴錨防護、片石護坡防護等圬工防護措施，快速改善了建設(shè)場地的生態(tài)環(huán)境，美化了工程景觀；倪海滿[5]提出綠色混凝土生態(tài)防護技術(shù)，通過巖質(zhì)邊坡表面再造植物生存土壤環(huán)境，實現(xiàn)巖質(zhì)邊坡綠化的目的，既能有效的保護巖體，又能達到綠化環(huán)境的效果；葉彩娟[6]在青藏鐵路安多車站路基邊坡綠色防護工程生態(tài)袋護坡研究中，通過對一定時間袋體植物的生長記錄、生態(tài)袋袋體強度及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究，發(fā)現(xiàn)植物根系可以穿透袋體進入工程的基層土壤中，實現(xiàn)永久穩(wěn)定邊坡的作用。

1 工程概況

1.1 線路概況

京張高鐵位于北京市西北、河北省北部境內(nèi)，東起北京市，途經(jīng)北京市海淀、昌平兩區(qū)和延慶縣，由延慶縣康莊鎮(zhèn)入河北省境內(nèi)，跨官廳水庫，經(jīng)懷來縣、下花園區(qū)、宣化區(qū)，西迄張家口市，呈東西走向。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為350 km/h無砟軌道鐵路。

1.2 場地概況

DK72+275～DK72+445段巖質(zhì)路塹生態(tài)與景觀試驗段位于八達嶺5A級國家風(fēng)景區(qū)內(nèi)，地勢相對較高，海拔高程560 m左右，群峰疊嶂，地勢險要，試驗段路塹邊坡最大高度為38 m，場地周圍山體植被茂密，主要以松、柏樹為主。

1.3 自然氣候特征

場地位于北京市延慶區(qū)大浮坨村東，屬暖溫帶大陸性半濕潤-半干旱氣候，受季風(fēng)影響，春季干旱多風(fēng)、秋季秋高氣爽、夏季炎熱多雨、冬季寒冷干燥，四季分明，多年平均氣溫9.5℃，最冷月平均氣溫-8℃，平均風(fēng)速2.1 m/s；多年平均降雨量431.8 mm，年最大降雨量624.5 mm。

1.4 地層巖性

場地工程范圍內(nèi)主要為白堊系下統(tǒng)熔結(jié)角礫凝灰?guī)r，強-弱風(fēng)化，紫紅色，強-弱風(fēng)化狀態(tài)，節(jié)理不發(fā)育，巖體總體上較完整，節(jié)理走向多與線路方向大角度相交，傾角近垂直，且未發(fā)現(xiàn)貫通性張節(jié)理，不存在傾向線路的結(jié)構(gòu)面。

1.5 水文地質(zhì)條件

受大氣降水及地表徑流的補給，場地內(nèi)地下水形式主要為基巖裂隙水，對混凝土無侵蝕。

2 路塹邊坡設(shè)計方案

2.1 混凝土結(jié)構(gòu)客土植生防護方案

路塹坡腳設(shè)置樁板墻收坡，樁截面為2.0 m×2.25 m，樁間距6 m，樁長12 m，懸臂段長6 m。樁頂以上邊坡按高度每8 m分級，邊坡坡率為1∶1.25，每級之間設(shè)置2.0 m平臺，平臺上設(shè)置截水溝。坡面采用錨桿框架梁防護，縱梁間距3.6 m，橫梁間距4.0 m，梁體截面0.5 m×0.6 m，格梁內(nèi)為客土植草。

2.2 邊坡綠色防護技術(shù)方案

(1)綠色防護技術(shù)

鐵路路基邊坡綠色防護技術(shù)無論是生態(tài)(植生)袋固土，還是土工材料輔助噴播再造土壤技術(shù)，其技術(shù)核心均為如何重建植物生長所需的土壤環(huán)境，還要兼具良好的抗沖刷能力及耐久性。目前，工程建設(shè)中主要采用的新技術(shù)、新工藝有:三維網(wǎng)植草技術(shù)[7]、土工格室生態(tài)防護[8]、噴混植生[9]、三維植被墊[10]、三維土工網(wǎng)墊植草[11]，三聯(lián)生態(tài)護坡[12]、三維生態(tài)護坡[13-14]等。

(2)錨拉式巖質(zhì)邊坡綠色防護技術(shù)

設(shè)計思路源于生態(tài)袋固土技術(shù)理論，結(jié)合工程的地質(zhì)條件、氣候特征等因素，提出錨拉式巖質(zhì)邊坡綠色防護技術(shù)，核心結(jié)構(gòu)主要由采錨桿、鍍鋅立體鋼絲網(wǎng)、生態(tài)袋、鋼繩格柵網(wǎng)、灌木及灌溉設(shè)備構(gòu)成。結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖1、圖2。

①邊坡錨桿加固

采用主錨桿加固邊坡[15-16]，錨桿直徑、錨固深度及沿坡面布置間距根據(jù)路塹邊坡巖層結(jié)構(gòu)面傾向，節(jié)理裂隙，風(fēng)化程度等因素綜合確定。該生態(tài)試驗段選用錨桿直徑為32 mm，錨桿長度為9.0 m，錨桿設(shè)計錨固力為130 kN。

②邊坡錨桿加固

在錨桿錨頭封閉前，邊坡坡面鋪設(shè)立體鋼絲網(wǎng)(網(wǎng)孔間距5 cm)。

③錨桿外露部分封閉

為防止?jié)B水造成外露部分錨桿腐蝕，喪失強度，需要對其進行封閉。首先將預(yù)制好的鋼護筒(直徑30 cm)對中套入錨桿(嵌入坡面不小于8 cm)；然后于鋼護筒內(nèi)灌入C30混凝土；待混凝土強度達到設(shè)計強度的70%時，于外側(cè)鋪設(shè)錨墊板(厚4 mm)，并采用雙面焊對錨桿與錨墊板進行焊接；錨墊板外側(cè)焊接部分采用C30混凝土進行封閉。

圖1 錨拉式巖質(zhì)邊坡綠色防護技術(shù)設(shè)計

圖2 坡面結(jié)構(gòu)加強設(shè)計

④碼砌生態(tài)袋

生態(tài)袋以聚丙烯為主要原料，其規(guī)格為830 mm×440 mm，袋體常用成型規(guī)格為600 mm×330 mm×150 mm，其質(zhì)量≥120 g/m2，力學(xué)參數(shù)及等效孔徑指標(biāo):縱向≥4.5 kN/m、橫向≥4.5 kN/m、斷裂延伸率≥52%，抗破強力≥120 N，CBR頂破強力≥800 N，等效孔徑O/95為0.07～0.20 mm，其抗紫外線能力應(yīng)不低于80%@500 hrs，即規(guī)定強度的紫外線光照500 h，抗拉強度保持率不低于80%。

袋體填充時，采用的填充料必須和添加物均勻拌和，并且應(yīng)保證裝滿裝實，及時封住袋口。碼砌時應(yīng)從最低點開始縱向鋪設(shè)，并且確保第一層生態(tài)袋鋪設(shè)在剛性結(jié)構(gòu)上，采用砂漿、黏合劑或錨釘?shù)炔牧瞎潭?。每層生態(tài)袋內(nèi)側(cè)局部坡面坑凹處采用黏性土填充并夯實。兩層袋體間對稱騎縫處設(shè)置聯(lián)結(jié)扣，使聯(lián)結(jié)扣位于該生態(tài)袋的中腹，再將該生態(tài)袋夯實，使聯(lián)結(jié)扣的棘爪能有效穿透生態(tài)袋，確保牢固聯(lián)結(jié)，形成整體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，碼砌示意見圖3，現(xiàn)場實施情況見圖4。

圖3 袋體碼砌示意

圖4 生態(tài)袋碼砌現(xiàn)場照片

⑤鋼繩格柵網(wǎng)加固

碼砌完畢后，為避免個別袋體破壞造成整體坡面垮塌，整個袋體坡面均采用GPS2型主動網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的鋼繩格柵網(wǎng)加固[17]。該網(wǎng)的鋼絲繩直徑為14 mm，采用高熱鍍鋅處理，在抗腐蝕及耐久性方面均比同類產(chǎn)品有大幅提高。

⑥種植灌木

生態(tài)袋袋體坡面形成后，采用扦插方式種植灌木，可選用喜光，稍耐蔭，耐干旱、耐瘠薄、耐寒冷，地區(qū)適應(yīng)性強的衛(wèi)矛與金葉女貞，以綠籬形式“品”字形種植，每平方米種植13～16株。

⑦灌溉系統(tǒng)

為確保植物生長效果，保證綠色生態(tài)路塹邊坡在鐵路全壽命周期內(nèi)的安全穩(wěn)定，實現(xiàn)綠色防護技術(shù)的防沖刷功能，配套設(shè)置了智能灌溉養(yǎng)護系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由氣象站、電磁閥、傳感器、智能噴頭、無線采集控制器和控制系統(tǒng)組成。其主要工作原理是利用傳感器和氣象站采集空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、氣壓等氣象數(shù)據(jù)，同時對土壤墑情進行實時監(jiān)測，出現(xiàn)異常情況可自動報警。

系統(tǒng)還可以自動保存各類氣象數(shù)據(jù)，將多種歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計對比，分析預(yù)測未來土壤墑情和氣象變化，方便管理者使用?？稍O(shè)定土壤濕度或土壤溫度閾值，根據(jù)傳感器和氣象站提供的各類數(shù)據(jù)，到達閾值自動開啟電磁閥，超出閾值即關(guān)閉，實現(xiàn)智能灌溉。使用者還可通過無線采集控制器接收和發(fā)送信息，利用手機APP遠程控制電磁閥開關(guān)，實現(xiàn)智能噴灌，現(xiàn)場情況見圖5。

圖5 噴灌系統(tǒng)現(xiàn)場照片

3 經(jīng)濟技術(shù)分析

該試驗段長度170 m，路塹邊坡坡面防護面積1 197 m2。

(1)巖質(zhì)路塹邊坡采用框架梁客土植草結(jié)構(gòu)防護，每片格梁沿坡面高12.81 m，沿線路方向長7.18 m，邊坡需要設(shè)置22片格梁，單片格梁鋼筋混凝土圬工為10.59 m3，消耗鋼筋混凝土233 m3；格梁兩側(cè)骨架護坡C25混凝土186 m3，投資約42.3萬元。

(2)錨拉式綠色防護技術(shù)增加生態(tài)袋652個，投資約11.8萬元；袋體外側(cè)鋼繩格柵網(wǎng)設(shè)計面積為1 197 m2，投資為25.1萬元。

錨拉式綠色防護技術(shù)投資合計為36.9萬元，與傳統(tǒng)的框架梁防護結(jié)構(gòu)相比，不但大幅度減少了混凝土圬工的消耗量，按本項目地材料價進行投資估算分析，可節(jié)省投資5.4萬元，平均每平方米節(jié)約44.8元(見表1)。

表1 投資估算對比

綠色防護試驗段投資分析中骨架護坡C25混凝土及框架梁C35鋼筋混凝土材料指標(biāo)引用京張高鐵招標(biāo)合同清單價格，因試驗段所處北京市境內(nèi)，混凝土價格率高于其它地段，其原因有兩個:

①北京市域范圍內(nèi)，因受環(huán)保要求限制，無法設(shè)置混凝土拌和站，京張高鐵工程設(shè)計批復(fù)中，北京市混凝土均需由河北省遠運至現(xiàn)場，混凝土運輸成本較高是造成骨架及框架梁結(jié)構(gòu)單價指標(biāo)高的一個重要因素。

②骨架及框架梁施工過程中坡面開挖產(chǎn)生的棄土無法就近處理，需要遠運至位于河北境內(nèi)的棄土場，棄土運距一般大于25 km，骨架及框架梁輔助施工措施投入高是造成混凝土單價高的另一個原因。