成昆鐵路K295泥石流災(zāi)害特征分析及治理對策研究

劉 科, 李云鵬, 酈亞軍, 羅 實(shí), 譚 鋼, 陳夕童, 邱敏捷, 姚中山

(1. 中鐵二院成都勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 四川 成都 610031; 2. 中國鐵路成都局集團(tuán)有限公司, 四川 成都 610082)

0 引言

山區(qū)鐵路跨越不同的水文、地質(zhì)單元,其結(jié)合部往往是地質(zhì)、地形較復(fù)雜的區(qū)域,環(huán)境脆弱,通常是泥石流災(zāi)害發(fā)育的區(qū)域[1]。近年來,隨著極端氣候頻發(fā),山區(qū)鐵路沿線泥石流暴發(fā)頻率有增加的趨勢。特別是西南地區(qū)川、滇等地震影響區(qū)內(nèi)的山區(qū)鐵路,受地震影響,物源豐富且泥石流暴發(fā)臨界降雨量降低,致泥石流災(zāi)害頻發(fā)[2-3]。

針對泥石流對運(yùn)營鐵路的影響及防治措施,目前有較多學(xué)者進(jìn)行了研究。張俊德等[4]研究了南疆鐵路K230段凍土區(qū)滑坡泥石流特征及成因,提出支擋、疏排、保溫等綜合整治措施。王金生[5]研究了蘭渝鐵路岷縣境內(nèi)的泥石流不良地質(zhì)分布及形成機(jī)制、條件,提出了超前預(yù)注漿、管排引流、固結(jié)灌漿等具體工程措施。穆成林[6]研究了成昆線K494～K727段沿線泥石流分布情況并評價(jià)了其對鐵路的危害程度,提出工程防治與生物防治等思路。李朝安等[7]以泥石流流域?qū)崟r(shí)降雨量、物源區(qū)土體降雨入滲深度、次聲信息、溝道泥位4個(gè)參數(shù)作為關(guān)鍵參數(shù),建立了山區(qū)鐵路沿線泥石流災(zāi)害的預(yù)警系統(tǒng)并應(yīng)用于現(xiàn)場。穆成林等[8]研究了成昆鐵路瀘沽至西昌段位于安寧河大斷裂帶影響范圍內(nèi)泥石流的發(fā)育特征、形成機(jī)制以及發(fā)展趨勢。然而,現(xiàn)有研究多集中于對泥石流自身的分析與防治,針對運(yùn)營鐵路本身的防護(hù)研究較少,且措施相對單一。

本文以成昆鐵路K295+378發(fā)生的特大型泥石流災(zāi)害整治工程為背景,首次采用拱圈預(yù)制拼裝技術(shù),在運(yùn)營鐵路橫穿泥石流溝谷區(qū)以新建明洞跨越的方式實(shí)現(xiàn)災(zāi)害整治。

1 工程背景

成昆鐵路峨攀段為時(shí)速80 km的單線電氣化鐵路,發(fā)生泥石流災(zāi)害的K295+364.07～+421.64段57.57 m位于尼日—蘇雄區(qū)間,該段線路位于曲線半徑為450 m的小半徑圓曲線上,包括兩端隧道洞口段路基和黑西洛中橋,黑西洛中橋(見圖1)為跨徑32 m的簡支梁橋,橋梁全長43.96 m,橋下凈空約6 m,設(shè)有過水?dāng)嗝婷娣e約為150 m2的排水槽。

圖1 破壞前的黑西洛中橋Fig. 1 Heixiluo middle bridge before destruction

2020年8月30日19:05,黑西洛溝發(fā)生特大泥石流災(zāi)害,沖毀成昆線上的黑西洛中橋(見圖2),掩埋并淤堵了大老姆坪隧道出口和黑西洛隧道進(jìn)口間的全部線路,堰塞體阻斷了尼日河,并毀壞了下游公路和大量民房,造成重大經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重社會影響。

圖2 泥石流毀壞橋梁Fig. 2 Bridge damaged by debris flow

2 泥石流活動特征分析

2.1 災(zāi)害總體情況

黑西洛溝首次爆發(fā)的特大型泥石流,溝域總體分上、下2段(見圖3)。1)泥石流在上段溝谷引發(fā),由于溝谷狹窄、縱坡較陡、物源豐富,在極端強(qiáng)降雨條件下形成高動能泥石流,沿途沖切溝谷和岸坡坍塌。2)泥石流通過下段第2、3亞段2級緩坡平臺(上游的堆積區(qū)和流通區(qū)),雖有消能阻緩作用,淤積部分泥石流物質(zhì),但大部分通過緩坡平臺繼續(xù)沖向下游;在古丘和第2亞段前沿沖切,形成最深達(dá)100 m的下切深溝,岸坡大規(guī)模坍塌,體積約180萬m3,為泥石流進(jìn)一步增加了物源區(qū);泥石流在第2亞段前沿形成物質(zhì)和能量的疊加,加速沖向下游; 通過第1亞段(下段流通區(qū))時(shí),由于坡降較大、溝谷狹窄,形成高動能、特大流量的泥石流沖向鐵路、毀壞橋梁、阻斷尼日河、掩埋村莊。

圖3 黑西洛溝泥石流溝谷全貌Fig. 3 Overview of debris flow gully in Heixiluo gully

2.2 規(guī)模等級及類型劃分

2.2.1 規(guī)模等級

黑西洛溝主溝長7.6 km,最大高差2 300 m,流域面積12.3 km2,主溝床總體坡降55.43%,兩側(cè)岸坡整體坡度35°～50°,物源動儲量達(dá)1 500萬m3,靜儲量達(dá)2 000萬m3。采用形態(tài)調(diào)查法計(jì)算泥石流峰值流量,此次泥石流在線路附近的過流斷面面積Wc=240 m2,泥石流流速vc=7 m/s,計(jì)算得峰值流量Qc=1 680 m3/s; 據(jù)現(xiàn)場實(shí)測三維模型分析,本次泥石流一次性沖出總量約350萬m3,歷時(shí)約1 h進(jìn)入尼日河或堆積在路線附近,溝內(nèi)塊石最大粒徑達(dá)15 m。符合T/CAGHP006—2018《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(見表1): 一次沖出固體物質(zhì)量在50萬m3或峰值流量在200 m3/s以上,因而黑西洛溝泥石流規(guī)模等級為特大型泥石流。

2.2.2 類型劃分

參考T/CAGHP006—2018《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》,黑西洛溝泥石流類型確定如下: 1)按水源成因分類,因是在充分的前期降雨和局部極端強(qiáng)降雨的激發(fā)下形成,屬暴雨型泥石流。2)按物源成因分類,因坡面侵蝕、溝谷沖切和溝兩側(cè)岸坡的坍滑體提供了泥石流形成的主要物源,固體物質(zhì)多集中于溝道及附近,在一定水動力條件下形成泥石流; 同時(shí),由于溝谷物源豐富,溝兩側(cè)滑坡和堆積體較多,一旦滑坡體和堆積體失穩(wěn)后,將轉(zhuǎn)化為崩滑型泥石流,固體物質(zhì)主要由滑坡崩塌等重力侵蝕提供,甚至有形成局部堰塞湖可能,因此屬于坡面侵蝕+崩滑混合型泥石流。3)按集水區(qū)地貌特征分類,以流域?yàn)橹芙?受溝谷地形限制,屬于典型的溝谷型泥石流。4)按流體性質(zhì)分類,則可劃分為黏性泥石流。

計(jì)算該泥石流不同降雨頻率下流速、流量等特征值,如表1所示。

表1 泥石流特征值計(jì)算表Table 1 Calculation of characteristic values of debris flow

2.3 分區(qū)描述

圖4示出了黑西洛溝泥石流的縱坡分區(qū),包含形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)。

圖4 黑西洛溝泥石流縱坡剖面Fig. 4 Longitudinal profile of debris flow in Heixiluo gully

1)形成區(qū)(見圖5)位于溝上游“V”型溝谷區(qū)域,距溝口約5 km以上,形成區(qū)溝谷縱坡陡,支溝發(fā)育,匯水面積大,且兩岸分布大量坍塌體、支溝洪積扇、溝床堆積物、古泥石流垅崗等松散堆積體,為泥石流的形成提供了豐富的物源條件和地形條件。

圖5 黑西洛溝泥石流形成區(qū)Fig. 5 Formation area of debris flow in Heixiluo gully

2)流通區(qū)(見圖6)位于上段下游及下段區(qū)域,與上段部分堆積區(qū)重合,流通區(qū)長度約為4 km,縱坡10°～30°,呈陡-緩-陡的“臺階狀”,而溝谷橫剖面呈“V-U-V”型,兩岸邊坡坡度40°～50°,局部較緩,構(gòu)造影響導(dǎo)致坡面大多分布崩坡積層和滑坡,盡管植被較發(fā)育,但暴雨作用下坡面表層松散土體和滑坡體復(fù)活,極易被沖刷至主溝內(nèi),為泥石流的形成進(jìn)一步增加物源和水源。

圖6 黑西洛溝泥石流流通區(qū)Fig. 6 Circulation area of debris flow in Heixiluo gully

3)堆積區(qū)(見圖7)可分為2段: 第1段位于溝谷下段的第2、3亞段平臺上,2級平臺地形相對平緩開闊,上游的小規(guī)模泥石流到達(dá)該段后,迅速散開,泥水分離,固體物質(zhì)不斷停留堆積,造成該段溝谷卵(碎)石夾漂(塊)石土層呈巨厚層狀,長期堆積形成了2級寬緩平臺;第2段位于黑西洛溝匯入尼日河的溝口區(qū)域,因堆積區(qū)物質(zhì)堰塞阻斷尼日河谷,造成尼日河谷向左岸改道,但溝口仍位于凹岸側(cè),粗大顆粒較多,無分選性。

圖7 黑西洛溝泥石流堆積區(qū)Fig. 7 Accumulation area of debris flow in Heixiluo gully

2.4 成因分析

通過前述黑西洛溝泥石流類型及區(qū)段劃分可知,爆發(fā)此次特大型泥石流災(zāi)害的直接原因包括匯水面積大、溝谷縱坡陡、物源豐富和極端強(qiáng)降雨等。

1)從區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造角度分析。黑西洛溝所在區(qū)域受王帽山斷層和東西向構(gòu)造影響,斷層和構(gòu)造共同點(diǎn)是以“北-北西”與“北-北東”走向輾轉(zhuǎn)反折的折線式延伸,其實(shí)質(zhì)是構(gòu)造運(yùn)動近東西向水平擠壓并復(fù)合在古老隱伏追蹤斷層上的間接結(jié)果。強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造作用造成區(qū)域內(nèi)山體遭受侵蝕切割和局部下降堆積,巖體極破碎,溝谷及兩岸形成大量崩塌、滑坡、支溝洪積扇、溝床堆積物、古泥石流垅崗等松散堆積體。

2)從泥石流物源角度分析。黑西洛溝谷內(nèi)堆積體巨厚,多大于50 m,在下段第1、2亞段沖切后的坡面陡坎最高達(dá)80 m,均為碎塊石土。因此,中部2級平臺區(qū)段溝內(nèi)松散物質(zhì)豐富,溝谷下段兩岸滑坡、巖堆和坍塌體規(guī)模大、數(shù)量多、穩(wěn)定性差,上游區(qū)段溝谷兩側(cè)主要為崩坡積體,厚度不大,但數(shù)量多、塊徑大。

3)從地形地貌角度分析。黑西洛溝域面積約12.3 km2,已成型的支溝達(dá)20余條,造成溝內(nèi)多處堆積體被集中沖蝕。溝谷縱坡呈陡-緩-陡的形態(tài),兩側(cè)岸坡較陡,上游兩側(cè)岸坡失穩(wěn)土體自坡頂沖下山坡,裹挾土石使得高位溜坍體發(fā)展成坡面型泥石流,兩側(cè)支溝多處泥石流和坍滑體匯聚疊加; 由于主溝縱坡陡,能量和物源不斷聚集,在上游區(qū)段形成了泥石流“龍頭”,形成后的高動能泥石流具有“流速快、動能大、沖切能力強(qiáng)”的特點(diǎn),在沿途每一級陡坎處又增大了流速,加強(qiáng)了泥石流沿溝側(cè)及溝底的侵切能力; 而裹挾沿途松散堆積體加大了泥石流溝下半段溝底兩側(cè)土體臨空面,又降低了土體穩(wěn)定性,進(jìn)而引發(fā)泥石流溝兩側(cè)更多土石塊體垮塌,使泥石流規(guī)模、方量、動能、面積、寬度在短時(shí)內(nèi)急劇增加,破壞力逐級增大,最終形成特大規(guī)模泥石流。

4)從自然降雨角度分析。極端強(qiáng)降雨具有直接激發(fā)作用。8月29日的特大暴雨,1 h雨量達(dá)135 mm、24 h雨量達(dá)419.4 mm,相應(yīng)降雨頻率為1%,暴雨使得溝內(nèi)巨厚層松散堆積物和兩側(cè)岸坡大面積堆積體充分浸泡呈飽水狀態(tài),岸坡和溝谷內(nèi)的松散堆積物的穩(wěn)定性降至臨界點(diǎn); 而8月30日一場雨量不大且歷時(shí)很短的降雨(11 h雨量18.7 mm)進(jìn)一步激發(fā)形成了本次特大型泥石流。

2.5 危害程度及發(fā)展趨勢

根據(jù)T/CAGHP006—2018《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》,結(jié)合黑西洛溝堆積扇大小、尼日河河道變化、泥石流補(bǔ)給長度、松散物儲量、松散體變形量大小及暴雨強(qiáng)度指標(biāo),綜合判定黑西洛溝泥石流活動強(qiáng)度為“很強(qiáng)”,災(zāi)害嚴(yán)重性為“極嚴(yán)重”,如表2所示。同時(shí),由于黑西洛溝此次爆發(fā)的高動能泥石流對溝床和岸坡的強(qiáng)烈沖切形成了多處且穩(wěn)定性極差的陡峻邊坡,且坡面均以松散堆積體為主,加之高差達(dá)100 m,具備形成大型—特大型泥石流的物質(zhì)和地形條件; 其次,此次泥石流的爆發(fā)使該溝的泥石流再次進(jìn)入旺盛期,在發(fā)生強(qiáng)降雨的條件下可能再次形成大型—特大型溝谷型泥石流。

表2 黑西洛溝泥石流活動強(qiáng)度判別表Table 2 Identification of activity intensity of debris flow in Heixiluo gully

3 治理對策

綜合8月30日泥石流災(zāi)害情況分析,黑西洛溝上游發(fā)生泥石流的各種要素較齊全,極易再次形成泥石流,極端強(qiáng)降雨后短時(shí)間內(nèi)再次爆發(fā)特大型泥石流的可能性極大,因此必須采取徹底整治措施,杜絕再次對鐵路造成破壞。

1)災(zāi)害發(fā)生后,考慮到快速搶通線路需要,該段采用路基形式恢復(fù)列車運(yùn)行(見圖8),即在清除黑西洛中橋兩端橋臺間泥石流堆積體后,采用重型碾壓機(jī)壓實(shí)地基,并設(shè)置0.5～1.0 m厚的鋼筋混凝土板作為路基基礎(chǔ)。其中,近兩側(cè)橋臺端混凝土底板厚0.5 m,溝心15 m范圍底板厚1 m,混凝土板上設(shè)置6根φ150 cm鋼筋混凝土管作為排水設(shè)施,基床采用土工格柵加固,分層填筑,同時(shí)對鐵路靠山側(cè)兩側(cè)斜坡不穩(wěn)定體采用堆壓等防護(hù)措施。

圖8 臨時(shí)路基過渡Fig. 8 Temporary roadbed transition

2)在永久治理對策方面,單純的泥石流治理重在切斷泥石流物源或水源等形成泥石流的必要條件,而該工程治理的目的是確保鐵路線不受泥石流的再次破壞。從源頭大范圍徹底整治泥石流或?qū)㈣F路進(jìn)行線路改移是可供選擇的2種主要治理方案。但考慮到泥石流匯集區(qū)域范圍大,短時(shí)間內(nèi)徹底整治極為困難,且泥石流的沖擊力巨大,采用切斷源頭治理、逐級抵抗泥石流的消能治理思路勢必導(dǎo)致造價(jià)高昂且時(shí)間跨度長;同時(shí),由于線路傍山行走且泥石流上游距離較長,若進(jìn)行鐵路線路改移,則只能往山體內(nèi)部改線,將形成一長段新建隧道,對既有線影響范圍較長,治理工期難以保障且投資巨大。因此,綜合各種因素,遵循“以疏為主、兼顧防護(hù)”的治理思路,即重在疏導(dǎo)隔離泥石流; 同時(shí),兼顧對既有鐵路的永久防護(hù)功能,設(shè)置主要由明洞、洞頂渡槽、攔石壩、導(dǎo)流墻、急流槽等組成的組合措施與結(jié)構(gòu)[9-13],對該段57.57 m范圍被泥石流掩埋的鐵路明線段采用明洞方式進(jìn)行過渡連接,組合結(jié)構(gòu)見圖9—11。

圖9 組合結(jié)構(gòu)平面示意圖(單位: m)Fig. 9 Schematic plan of composite structure (unit: m)

圖10 組合結(jié)構(gòu)斷面示意圖(單位: cm)Fig. 10 Schematic of composite structure cross-section (unit: cm)

圖11 組合結(jié)構(gòu)實(shí)圖Fig. 11 Photograph of composite structure

受既有鐵路設(shè)施控制及工程地質(zhì)條件限制,明洞采用直邊墻-無仰拱結(jié)構(gòu)型式,樁基筏板基礎(chǔ),明洞頂上設(shè)置泥石流渡槽。為利于泥石流排導(dǎo),在上游靠山側(cè)明洞結(jié)構(gòu)以外設(shè)置攔石壩,壩后回填土石至渡槽溝底面,壩頂及回填土石上方設(shè)導(dǎo)流墻,導(dǎo)流墻基礎(chǔ)采用樁基托梁基礎(chǔ);靠河側(cè)明洞結(jié)構(gòu)以外設(shè)急流槽,急流槽基底采用φ76 mm鋼花管注漿加固。

3.1 明洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.1 明洞主體結(jié)構(gòu)

新建明洞工程的拱圈襯砌結(jié)構(gòu)通常結(jié)合襯砌內(nèi)模板臺車采用現(xiàn)澆方法施工,如蘭新第二雙線鐵路拼裝式防風(fēng)明洞工程[14]、鐵科院京沈客專星火樞紐鐵科試車線預(yù)制裝配式明洞等工程[15]均采用特制的襯砌模板臺車再配合龍門吊或吊車進(jìn)行拱圈拼裝。但在運(yùn)營鐵路線上采用常規(guī)襯砌模板臺車進(jìn)行拱圈混凝土澆筑施工勢必需要拆除凈空范圍內(nèi)的接觸網(wǎng)高壓帶電線纜、接觸網(wǎng)立柱等既有設(shè)施; 同時(shí),模板臺車勢必長時(shí)間占據(jù)凈空并中斷鐵路列車運(yùn)行,對運(yùn)營繁忙的線路將造成極大影響。對于鐵路運(yùn)營部門來說,在非緊急特殊情況無法采用常規(guī)襯砌模板臺車方案;若為了不影響鐵路運(yùn)營而采用天窗時(shí)間進(jìn)行施工,其工期則無法保證,幾乎不具備可行性。因此,尋求一種既不影響或微影響列車正常運(yùn)行,又能解決明洞快速施工的技術(shù)方案,是該工程需首要解決的技術(shù)問題,也是面臨的最大挑戰(zhàn)。

綜合分析襯砌模板臺車現(xiàn)澆、小模板現(xiàn)澆等施工方法的利弊與可行性,以及施工現(xiàn)場大型吊機(jī)進(jìn)出與操作的條件,經(jīng)過多方案比選,設(shè)計(jì)創(chuàng)新采用明洞拱圈預(yù)制拼裝技術(shù),即將明洞拱圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行場內(nèi)分節(jié)段預(yù)制、運(yùn)抵現(xiàn)場進(jìn)行拼裝的技術(shù)方案。同時(shí),考慮到本段明洞位于小半徑圓曲線之上、明洞拱圈內(nèi)外側(cè)存在弧長不一致問題,為此,在矩形截面拱圈節(jié)段兩側(cè)創(chuàng)新設(shè)置20 cm寬的上、下翼緣板結(jié)構(gòu),在現(xiàn)場拼裝時(shí)通過調(diào)節(jié)上、下翼緣板交叉寬度,巧妙消除曲線內(nèi)外側(cè)弧長差,如圖12和圖13所示。

圖12 明洞襯砌橫斷面(單位: cm)Fig. 12 Cross-section of open-cut tunnel lining (unit: cm)

(a) 拱圈節(jié)段立面

(b) 拱圈節(jié)段平面

(c) 拱圈節(jié)段橫斷面圖13 明洞拱圈尺寸(單位: cm)Fig. 13 Size of open-cut arch ring (unit: cm)

3.1.2 結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)連接即預(yù)制拱圈節(jié)段之間、拱圈節(jié)段與現(xiàn)澆邊墻之間的連接設(shè)計(jì)是明洞結(jié)構(gòu)受力的薄弱環(huán)節(jié)。因本明洞工程承擔(dān)荷載較大,包括泥石流沖擊或危巖落石沖擊,為保證承載結(jié)構(gòu)的整體性,連接節(jié)點(diǎn)處需能同時(shí)傳遞軸力、剪力與彎矩,即節(jié)點(diǎn)固結(jié)。

1)拱圈節(jié)段連接(見圖14)。創(chuàng)新利用橋梁梁體結(jié)構(gòu)的“濕接縫”原理將每一片拱圈節(jié)段連接為一個(gè)整體,即相鄰拱圈預(yù)制時(shí)在不同位置預(yù)留直徑不小于16 mm、環(huán)向間距@300 mm的閉環(huán)交叉連接鋼筋,采用微膨脹的細(xì)石混凝土進(jìn)行填充,同時(shí)設(shè)置環(huán)向φ22 mm的加強(qiáng)鋼筋,新舊混凝土接觸面采用水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料。

圖14 拱圈節(jié)段連接示意Fig. 14 Connection of arch ring segment

2)拱圈節(jié)段與邊墻連接。預(yù)制拱圈節(jié)段與現(xiàn)澆邊墻連接,創(chuàng)新采用“上、下拱座”結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn),即將整個(gè)明洞拱圈及邊墻區(qū)域視為“類拱橋”結(jié)構(gòu),分為拱圈、上拱座、下拱座以及邊墻。各結(jié)構(gòu)通過先后澆筑預(yù)留的連接鋼筋加以連接,其中的“L”型下拱座可為預(yù)制好的拱圈吊裝提供支撐點(diǎn),如圖15和圖16所示。

圖15 拱座結(jié)構(gòu)Fig. 15 Schematic of arch structure

圖16 拱座節(jié)點(diǎn)連接細(xì)部圖(單位: mm)Fig. 16 Detail of arch joint connection (unit: mm)

3.1.3 結(jié)構(gòu)防排水

考慮到與現(xiàn)澆拱圈襯砌施工縫防水方法不同,拱圈環(huán)向施工縫宜結(jié)合預(yù)制拱圈的拼裝接縫防水聯(lián)合設(shè)置,采用“水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料+聚硫密封膏嵌縫”防水措施;拱圈變形縫采用“外緣聚硫密封膏嵌縫+縫間聚乙烯硬質(zhì)泡沫塑料板填充+中埋鋼邊橡膠止水帶+內(nèi)緣聚硫密封膏嵌縫+縫間聚乙烯硬質(zhì)泡沫塑料板填充”防水措施。邊墻處變形縫防水類似拱圈變形縫,但不設(shè)置中埋鋼邊橡膠止水帶?？紤]到新建明洞全部覆蓋明線段,因此原兩隧道洞門端墻連接,明洞與既有洞門端墻間的接縫按照拱圈的變形縫防水處理,并于靠近既有洞門端墻2 m范圍內(nèi)明洞襯砌外緣設(shè)瀝青+1.5 mm的EVA防水板+水泥砂漿保護(hù)層防水。拱圈接縫段防水構(gòu)造見圖17。

(a) 環(huán)向施工縫防水示意圖

(b) 環(huán)向變形縫防水示意圖

(c) 接縫防水結(jié)構(gòu)實(shí)圖圖17 拱圈節(jié)段接縫防水構(gòu)造Fig. 17 Waterproof structure of arch joint segments

3.2 泥石流疏導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 洞頂渡槽

明洞頂部渡槽尺寸設(shè)計(jì)依賴于該溝槽的泥石流洪峰流量參數(shù)。依據(jù)表1得出降雨頻率為1%時(shí)的泥石流最大洪峰流量為1 114.6 m3/s?？紤]1.5的安全系數(shù),渡槽設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足的最小洪峰流量為1 672 m3/s。結(jié)合地形及明洞布置,渡槽采用“V型束流槽”結(jié)構(gòu)形式,總長27.8 m,設(shè)計(jì)泥深為7 m,中心寬度為27 m,槽身橫坡20%,設(shè)計(jì)流量為1 760 m3/s,滿足泥石流峰值流量要求。槽底處于長期受泥石流沖擊、沖刷以及摩擦狀態(tài),為增加渡槽溝心耐磨性,于渡槽中心10 m范圍內(nèi)嵌入式鋪設(shè)廢舊50 kg/m鋼軌作為滑床,鋼軌底面朝上,軌間距25 cm,如圖18和圖19所示。因渡槽與明洞主體結(jié)構(gòu)間施工先后順序不同且渡槽縱坡較陡,存在結(jié)構(gòu)整體滑移風(fēng)險(xiǎn),為確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,在渡槽底部與明洞頂部連接處設(shè)置4處抗滑槽,并設(shè)置連接鋼筋使之成為整體,利于結(jié)構(gòu)受力,如圖20所示。

圖18 渡槽橫斷面(單位: m)Fig. 18 Cross-section of aqueduct (unit: m)

圖20 渡槽與明洞抗滑槽Fig. 20 Aqueduct and open-cut tunnel anti-slide channel

3.2.2 上游導(dǎo)流槽

為將上游可能再次發(fā)生的雜散泥石流流體進(jìn)一步匯集,于明洞渡槽上游設(shè)置導(dǎo)流槽。導(dǎo)流槽一側(cè)順接明洞頂渡槽邊墻,另一側(cè)伸入兩側(cè)山體邊坡內(nèi)。導(dǎo)流槽兩側(cè)擋墻底各設(shè)4片C35鋼筋混凝土樁基托梁,托梁底部設(shè)直徑1.8 m的鉆孔樁。導(dǎo)流槽槽底設(shè)置1.0 m厚C25混凝土鋪砌(設(shè)上下2道鋼筋網(wǎng)片),底面水平,頂面設(shè)3%溝心坡度,混凝土鋪砌底設(shè)15 cm厚中粗砂,鋪砌底部的溝谷區(qū)采用土石材料填筑。但與明洞銜接處的導(dǎo)流槽底部回填深度達(dá)到近15 m,若采用常規(guī)土石回填,高填方體壓實(shí)不足或長期固結(jié)沉降極有可能引起導(dǎo)流槽不均勻沉降,產(chǎn)生裂縫導(dǎo)致水流下滲。因此,與明洞渡槽銜接30 m范圍導(dǎo)流槽底部回填區(qū)采用干砌片石(塊徑≥300 mm)作為基礎(chǔ),如圖21所示。

圖21 溝谷上游導(dǎo)流槽斷面Fig. 21 Cross-section of upstream diversion channel in the gully

3.2.3 下游急流槽

急流槽與明洞頂部渡槽順接,槽底橫向10 m范圍設(shè)置間距為0.3 m的50 kg/m鋼軌滑床加強(qiáng)耐磨性。因所處位置屬“V”型溝谷內(nèi),利用挖出溝兩側(cè)高端的堆積物以回填溝心,整平后作為急流槽基礎(chǔ),但未固結(jié)的堆積物承載力較低,可能引發(fā)急流槽不均勻沉降。故對本段線路中線右側(cè)11.65～52.65 m內(nèi)地表采用φ76 mm鋼花管注漿加固,間距1.2 m×1.2 m(橫×縱),鋼花管最小長度3 m,伸入碎石土夾塊石(中密)以下不小于1 m,急流槽尾端處鋼花管伸入碎石土夾塊石(中密)層以下不小于10 m,見圖22。由于此種堆積層鉆孔易塌孔,故鋼花管采用跟管鉆進(jìn)工藝,以利于成孔。

圖22 溝谷下游急流槽(單位: cm)Fig. 22 Gully downstream rapid flow trough (unit: cm)

3.3 施工方案

3.3.1 總體施工方案

考慮到本治理工程的特殊性,首先按照鄰近營業(yè)線、營業(yè)線施工,同步按照非鄰近營業(yè)線施工的原則執(zhí)行?？傮w施工順序按照“場地整平及拱圈預(yù)制—降低接觸網(wǎng)承力索高度和接觸網(wǎng)防護(hù)—施作內(nèi)外側(cè)樁基—筏板—分節(jié)灌注明洞外內(nèi)邊墻混凝土—吊裝拱圈結(jié)構(gòu)(由小里程往大里程)—接觸網(wǎng)遷改與過渡—吊裝剩余拱圈結(jié)構(gòu)—施作明洞背后防排水系統(tǒng)—明洞內(nèi)邊墻背后回填—明洞上方渡槽—導(dǎo)流槽—急流槽—各部分土石回填”執(zhí)行。

3.3.2 明洞拱圈預(yù)制

明洞拱圈通常按照工廠化預(yù)制模式制作,但考慮到該工程在偏遠(yuǎn)山區(qū),公路交通運(yùn)輸不便,若采用軌道運(yùn)輸則調(diào)度組織工作繁重,因此,結(jié)合現(xiàn)場地形地貌,在沖溝下游河灘地設(shè)置1座拱圈節(jié)段露天預(yù)制場,占地面積1 500 m2。選擇的預(yù)制場地基整體穩(wěn)固,預(yù)制前對場地進(jìn)行必要的整平、碾壓和硬化。本段明洞共計(jì)46塊拱圈節(jié)段,為加快拱圈預(yù)制速度,預(yù)制場內(nèi)設(shè)12個(gè)預(yù)制臺座,并采用定型鋼模板,可同時(shí)進(jìn)行4批次拱圈預(yù)制。為盡可能減小結(jié)構(gòu)提前受力,采用平臥預(yù)制法。拱圈預(yù)制示意圖和現(xiàn)場圖分別如圖23和圖24所示。

圖23 預(yù)制臺座(單位: cm)Fig. 23 Prefabricated pedestal (unit: cm)

(a)(b)圖24 拱圈預(yù)制現(xiàn)場圖Fig. 24 Prefabrication of arch rings

3.3.3 明洞拱圈吊裝施工

單個(gè)拱圈節(jié)段跨度達(dá)9.55 m,節(jié)段混凝土方量達(dá)9.22 m3,質(zhì)量達(dá)23 t,因拱圈節(jié)段屬細(xì)長型拱形梁,吊點(diǎn)設(shè)置位置應(yīng)能使梁體每一個(gè)截面上下部應(yīng)力相對均勻,不至因出現(xiàn)過大集中應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫,故在節(jié)段1/4、3/4處各預(yù)埋2處φ32 mm螺紋鋼吊環(huán)(見圖25)。預(yù)制完成待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行試吊裝,以檢測吊點(diǎn)施工質(zhì)量,以防正式吊裝時(shí)出現(xiàn)事故。

圖25 拱圈節(jié)段吊環(huán)布置(單位: cm)Fig. 25 Arrangement of lifting rings for arch ring segments (unit: cm)

該項(xiàng)目明洞一側(cè)具備相對開闊位置,故可直接采用汽車吊裝。為不妨礙列車運(yùn)行,利用天窗期吊裝明洞拱圈節(jié)段,單個(gè)天窗期封鎖時(shí)長為230 min;從小里程開始往大里程吊裝,每次施工吊裝3～4塊,46塊拱圈節(jié)段連續(xù)15個(gè)天窗期可完成全部節(jié)段吊裝。當(dāng)施工至K295+397附近時(shí)在線路左側(cè)拱圈內(nèi)側(cè)合適位置設(shè)置化學(xué)錨栓,并連接遷改接觸網(wǎng)立柱; 待接觸網(wǎng)遷改后,繼續(xù)往大里程吊裝直至完成全部吊裝作業(yè),見圖26。

(a)(b)圖26 拱圈吊裝施工Fig. 26 Arch ring lifting construction

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

1)成昆線K295發(fā)生的特大型泥石流同時(shí)具有“暴雨型泥石流”“坡面侵蝕+崩滑混合型”“溝谷型泥石流”“黏性泥石流”等綜合特征,其直接形成原因包括匯水面積大、溝谷縱坡陡、物源豐富和極端強(qiáng)降雨等,災(zāi)害嚴(yán)重性為極嚴(yán)重等級,且具備再次形成大型—特大型溝谷型泥石流的可能性,因此必須進(jìn)行整治。

2)基于成昆線K295泥石流整治工程中創(chuàng)新采用的明洞拱圈預(yù)制拼裝技術(shù)是其在國內(nèi)既有鐵路的首次應(yīng)用。從實(shí)際實(shí)施效果來看,明洞拱圈預(yù)制拼裝工法是一種高效安全的施工工法,不僅減少了施工作業(yè)和鐵路運(yùn)輸之間的干擾,還縮短工期1/2以上; 拱圈預(yù)制和下部結(jié)構(gòu)施工同步進(jìn)行,變串聯(lián)施工為并聯(lián)施工,且46塊拱圈吊裝施工僅耗時(shí)15個(gè)天窗,相比拱圈現(xiàn)澆施工無需占道作業(yè),節(jié)約50個(gè)天窗以上,施工效率遠(yuǎn)高于現(xiàn)澆施工,為既有線類似泥石流或崩塌落石災(zāi)害治理提供了較完善的解決方案。

4.2 建議

明洞拱圈預(yù)制拼裝技術(shù)在既有鐵路崩塌落石增設(shè)防護(hù)設(shè)施上具有良好的應(yīng)用前景,如何采用更經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案和施工措施是后續(xù)研究的重點(diǎn); 尤其針對道路狹窄不具備大型吊裝設(shè)備進(jìn)場的條件下,采用何種有軌運(yùn)輸及拼裝設(shè)備,以及采用明洞拱圈、邊墻全預(yù)制拼裝技術(shù)方面是進(jìn)一步研究的方向。