悬臂式被动防护网在山体危石整治中的应用

2013-05-04申文军邢建鑫

铁道建筑 2013年4期

申文军，邢建鑫

(北京铁路局工务处，北京 100038)

以柔性金属网为主要构成特征的地质灾害柔性防护技术自1995年被引入我国以来，已广泛地应用于铁路、公路、水利水电、矿山和市政等领域，在边坡加固、落石防护和泥石流防治方面取得了显著成效［1-3］。柔性防护系统主要以坡面覆盖加固的主动防护和落石拦截的被动防护两大基本形式来对山体危石、浅表层潜在滑体等地质灾害进行综合整治，具有布置灵活、施工快捷、对山体原始形态的改变和施工干扰小等优点，且结构形式和防护能力能满足现场多样性的要求，对复杂的山体危石等潜在地质灾害防治能够实施有针对性的综合解决方案［4］。然而常规的柔性防护系统在近直立边坡山体危石整治应用中有局限性。

本文对京承铁路K201+570—K202+140山体病害综合整治中的K201+630—K201+720高陡切坡段，根据现场工程地质和地形特征，提出了采用悬臂式被动防护系统的整治措施，给出主要结构布置参数，并通过对潜在落石运行轨迹和运动参数的模拟计算和分析，确定了柔性网形式和防护能级，对山区铁路沿线近直立边坡路段山体危石整治具有借鉴意义。

1 工程地质条件和潜在灾害特征

京承铁路K201+570—K202+140位于柳江右岸山体中下部(图1)，山体中部有多个横向山脊和沟壑交替发育，线路以半路堑方式切割山脊前部(线路外侧有局部开挖残留体)从山体中下部通过，与山脊和沟壑轴线近于垂直，线路右侧开挖岩石陡边坡最大高度约50 m，平均坡角67.0°～82.5°。山脊线平均坡角35°左右，沟壑轴线及其两岸坡度、山体顶部坡度均在45°左右，路基下边坡顺直，坡角25°～55°。线路内侧钢轨与开挖边坡坡脚间距为2.2～3.9 m。

图1 K201—K202路段全貌

该路段山体整体稳定性良好，不存在大规模的山体失稳等地质灾害威胁，潜在危害主要表现为既有危石或进一步风化形成的新生危石发生滚落而形成的落石或掉块。开挖边坡以上自然山坡的中下部灌木等植被间续发育，基岩多裸露且有危石分布，山脊中上部及山体顶部基岩几乎完全裸露，仅有零星灌木发育，岩石风化严重，节理裂隙发育，可见明显切割，危石块径多在0.3～0.8 m，为本区域潜在落石危害的主要来源，又因其处于线路上方高位，一旦坠落，严重危及行车安全。此外，个别坡面风化掉块迹象明显，且有日益加剧趋势，尤其是在坡口线附近已经存在稳定性极差的危石，会构成长期的落石掉块威胁。

2 整治方案比选

整个路段除K201+570—K201+750外，其余均可采用常规的主动或被动防护系统标准布置形式，本文仅探讨K201+630—K201+720段的整治措施。

2.1 K201+630—K201+720地形及坡面特征

该段线路含一曲线段及其过渡线，线路内侧钢轨与开挖边坡坡脚间最小距离为2.62 m，最大距离为3.9 m;左侧边坡设计开挖坡度1∶0.25，实测平均坡角67.0°～82.5°，开挖坡面岩体整体性较好;K201+680山脊轴线处最大开挖高度为50 m，山脊前沿距轨面高差近70 m，山顶距轨面高差约132 m;山脊呈多级台阶状，顺线路方向延伸约20 m，即无明显突起的山脊线;山脊两侧朝承德方向侧坡顺直且较陡，朝北京方向顺直且较缓，在K201+620处的中下部有一缓平沟槽。图2为该路段坡面状态，图3为K201+680山脊轴线处实测断面图。

图2 K201+630—K201+720坡面形态

图3 K201+680实测断面

2.2 防护方案的分析比较

根据该路段潜在主要山体灾害类型和地形特征，可以选择的整体方案有防护工程措施位于上部坡面(上部方案)和位于下部开挖边坡(下部方案)或上部方案和下部方案结合的方式。

2.2.1 上部方案分析

上部方案包括两种，即柔性主动防护系统(主动加固)和被动防护系统(拦石网)。本路段危石主要集中在上部山体的中上部及K201+650—K201+700山脊区域，区域面积约15 600 m2(120 m×80 m+100 m×60 m)，若采用主动加固系统投资较大，约需330万元(按210元/m2估算)，且由于灌木等植被发育较好，并有少量乔木生长，从经济性和环保角度考虑均不适宜采用主动加固措施。从该路段的地形条件可以判断，来自上部边坡的落石一方面凭借惯性作用朝向线路运行，同时也受地形引导朝向两侧K201+570和K201+740的沟壑运动。

考虑到两侧坡面形态特征，威胁两侧区域的落石可以采用标准布置形式的被动防护系统予以有效拦截，且防护结构的运行状态在线路上即可得到较好的检查。因此，该区域的落石防护采用标准布置形式的被动系统是可行的，其具体布置形式本文不再讨论。

对于K201+630—K201+720区域，由于临近山脊的侧坡较陡，不便于设置被动防护系统，且在线路上很难观察到这些区域，不便于防护结构运行状态的检查;而中部K201+680附近的山脊区段若设置被动防护系统，一方面其位置处于线路上不可见处，另一方面由于山脊处坡面呈多级台阶状，落石跃过被动防护系统的可能性较大，因此，该区域设置上部被动防护系统在安全性和运行可靠性方面都不可行［5］。

2.2.2 下部方案分析

根据K201+630—K201+720区域的地形和潜在落石危害特征，该区段的落石防护应主要考虑下部方案。首先，在下部开挖边坡上直接采用主动防护系统仅适合于开挖坡面本身的危石控制，对来自上部自然山坡坡面的落石无任何防护作用，因此，下部方案可供选择的措施仅有被动防护形式，这可包括设置于坡面上的悬臂式结构，以及直接设置在线路之上的柔性棚洞。

对于K201+630—K201+720高开挖边坡路段来讲，柔性棚洞是一种理想的方案，它能实现对线路的封闭(类似于传统的棚洞或明洞)，无论落石的运行轨迹如何，都能通过将落石隔离于线路行车范围以外来确保行车安全。但是，由于以下几方面原因，柔性棚洞方案在目前尚不具有可行性:

1)在目前技术条件下，柔性棚洞在技术上尚不成熟，作为一种刚性结构与柔性网的结合体，经济性允许范围内钢结构拱架的承载能力有限，仅适合于隔离较小的落石或飞石，用于较大落石防护时后期维护难度和工作量均较大。

2)由于柔性棚洞洞顶相对平坦，落石冲击洞顶附近可能不发生弹跳滚落而停留下来并使柔性网保持较大的残余变形，此类情形发生后若未能及时发现和清除落石，将对行车造成极大威胁。

3)由于柔性棚洞位于线路正上方，柔性网在落石冲击下产生较大变形，可能侵入行车限界或触及电气化铁路的高压接触网，危及线路安全，为此必须通过加大棚洞高度并相应提高其钢结构拱架刚度来降低这种风险，从而导致投资急剧增大。

4)柔性棚洞立柱与拱梁间的连接精度要求较高，且拱梁为跨度较大的重型构件并必须架设到线路的正上方，其安装必须在确保铁路临时禁行前提下进行，对线路运营干扰较大，影响时间也较长。

2.2.3 最终确定方案

综合上述分析，对于K201+630—K201+720段线路边坡防护，较理想的防护措施是在近直立的开挖坡面上设置悬臂式被动防护网。

3 悬臂式被动防护系统

3.1 结构形式的选择

悬臂式被动系统在防护功能上与柔性棚洞类似(结构形式上也类似于传统的圬工悬臂棚洞)，既要实现在上方对线路的完全遮盖，确保落石能滚落到线路之外，同时又要避免落石停留在系统之上，为此柔性网必须向下倾斜足够的角度(通常≥30°)，对此，标准布置形式的被动系统是不能实现这些功能的，必须加以适当的改进［6］。

图4所示的结构保持了常规被动系统的基本特征，柔性网与铰接钢柱的有机结合确保了系统的柔性匹配，并借助于钢柱和柔性网的相互斜交来实现系统的整体平衡，基本保持了标准被动系统的柔性特征和防护能力。

图4 悬臂式被动系统横断面示意

对于K201+630—K201+720路段，由于来自上部山体的落石动能较大，在选择常规被动系统布置形式基础上，使柔性网的下倾角加大为40°左右，钢柱的上仰角为15°左右，由此可计算出钢柱支点与柔性网上缘间的高差约为11 m。而该路段开挖陡边坡实测两侧最小高度为23 m，为此宜选择钢柱支点设置于距轨面高差10 m左右的坡面上，据此可进一步计算出保证系统遮盖线路外侧钢轨所需的钢柱长度为8 m。

3.2 系统能级的确定

为确定系统能级，对K201+680断面及K201+650断面处的落石运行轨迹和运动参数进行模拟计算。模拟采用加拿大Rocscience岩土工程软件公司的Rocfall软件来完成，主要计算条件和参数如下:

1)各变坡点坐标随机误差按0.2 m确定。

2)落石块体质量按1 250 kg(对应块径约0.8 m，体积约0.5 m3)考虑，并考虑50 kg的随机变化量。

3)落石起动点均为坡面顶点，初始水平及铅直速度均为0.50 m/s，初始转动速度为0.01 rad/s。

4)坡面分为以下5类:无植被或极少植被的乱石坡(如山顶区域，法向恢复系数RN=0.50，切向恢复系数Rτ=0.88，摩擦角φ=25°);有少量植被的乱石坡(如中上部，RN=0.48，Rτ=0.85，φ =25°);有少量植被或薄覆盖层的斜坡(如中下部，RN=0.42，Rτ=0.82，φ=25°);植被较好或覆盖层稍厚的边坡(如山脊平台，RN=0.30，Rτ=0.78，φ =25°);平整坚硬岩石边坡(如下部开挖边坡，RN=0.53，Rτ=0.99，φ =25°)。

5)柔性网按弹塑性考虑，其法向恢复系数RN=0.50，切向恢复系数Rτ=0.80。

图5为K201+680断面处落石模拟结果示意。

图5 K201+680断面落石模拟示意

计算结果表明，尽管K201+680山脊中下部有多个平台的存在，使落石到达地面和冲击柔性网的概率均约为1%，但在山脊两侧区域内，落石到达地面和冲击柔性网的概率分别高达24%和6%，应采取必要的防护措施。

落石模拟主要计算结果见表1，可见:在所考虑的区域内，落石到达拟定柔性网设置处的运动速度最高可达28.2 m/s，超过了钢丝绳网的容许安全冲击速度25 m/s，但仍处于环形网的容许安全冲击速度30 m/s以内。此外，尽管模拟落石冲击柔性网的最大动能近于500 kJ，但考虑到被动防护系统的极限抗冲击能力由柔性网、消能件和支撑结构等共同构成，较高动能的落石冲击将导致消能件等系统构件过大的塑性变形，从而必须进行适当维护或更换部分构件，以恢复系统的防护能力。为此，考虑到悬臂式被动防护系统均设置在距地面一定高度的陡壁上，维护难度较大，同时也考虑到发生更大落石冲击时的安全，系统的选型应考虑适当减小后期维护需求，系统的防护能级应有足够的安全储备。