路堑桩板墙式拦石结构设计

2015-03-17向俊红

铁道勘察 2015年3期

关键词：石槽板墙落石

向俊红

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

Design of Cutting Pile-Plank Wall Type of Block Stone Structure

XIANG Junhong

路堑桩板墙式拦石结构设计

向俊红

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

Design of Cutting Pile-Plank Wall Type of Block Stone Structure

XIANG Junhong

摘要以张呼客运专线某段深路堑设计为例，提出路堑桩板墙、被动拦石网、缓冲土堤、落石槽相结合的综合防护措施。根据地形、地质情况，结合落石运动、边坡土压力、落石冲击力，计算防护结构尺寸。

关键词深路堑危岩落石桩板墙被动拦石网落石槽土压力冲击力

以张呼客运专线某段深路堑路基为工程背景，对深路堑及其落石防护进行设计研究，提出一种路堑桩板墙结合被动拦石网、落石槽防治危岩落石的设计方案。该方案为由路堑桩板墙、落石槽、缓冲土堤及被动拦石网组合而成的防护结构，可有效防止堑顶的危岩落石源对路基工程产生的灾害，并且经济实用、外形美观。

1工程概况

张呼客专铁路位于河北、内蒙古自治区境内，正线按时速250 km有砟轨道设计，全长286.803 km，其中路基长109.955 km，占线路长度的38.34%，而深路堑为路基主要工点类型之一。工点处深挖方路堑位于中山丘陵地带，植被发育，地势起伏较大，相对高差超过40 m；地层岩性相对较简单，主要为第四系全新统坡积层(Q4dl)、太古界大理岩组(Ar1Mb)，地面表层为薄层全风化大理岩夹杂碎石土，下伏强—弱风化大理岩，节理裂隙发育，风化较严重，且线路右侧分布较大面积的危岩落石[1]。

2路基坡面支护

该段路基右侧自然坡面陡峭，局部基岩裸露，边坡高度达25～40 m，若设人工路堑边坡，圬工量巨大，施工难度较高，且大部分边坡开挖时需贴自然坡面刷坡，这样施工反而易引发边坡土体下滑，造成安全事故。故路基右侧设置顶部高出地面线的路堑桩板墙收坡，桩身采用C35钢筋混凝土现场浇筑，桩间板采用现场预制的C40钢筋混凝土槽形板，桩板墙顶部预留宽度不小于5 m的平台，平台上部维持原自然坡面不变。

3危岩落石防护

传统的拦石网、清石[2]措施只能有效地减少既有落石，雨水冲刷、风化剥落等都会形成新的落石，且后期形成的落石，其大小及运动轨迹很难确定，防护难度较大。为了确保张呼铁路运营期间的安全，应从路基根部解决落石问题。

落石防护结构一般有刚性结构和柔性结构两种。刚性结构一般为拦石墙、落石槽、拦石堤等，其优点是可就地取材，耐久性好，成本低，且后期维护相对简单，但结构自身截面大、占地多、抗冲击能力有限，且其多与工程采用分离式结构形式，投资较大。柔性结构如主、被动拦石网，多为直接采购的半成品，可结合地形及工程结构进行统筹布局，施工方便，其缺点是易生锈，需定期保养，后期维护成本较高〔3〕。

考虑该路基工程特点，并结合边坡的稳定、防护成本、施工难度及后期维护等，拟采用路堑桩板墙结合被动拦石网及落石槽的防护结构(以下简称路堑桩板墙式拦石结构)。

4路堑桩板墙式拦石结构特征

路堑桩板墙式拦石结构主要由路堑桩板墙、被动拦石网、缓冲土堤和落石槽组成，其中桩板墙为主体结构。落石槽槽底铺设砂夹卵砾石等缓冲层，可降低落石冲击槽底后的弹跳高度，增加有效拦截高度，且槽中积蓄落石，便于后期清除。缓冲土堤位于落石槽和桩板墙之间，落石冲击力直接作用于缓冲土堤的迎石坡面，再通过缓冲层向桩板墙传递、扩散，避免桩板墙直接受力，增强主体结构的抗冲击性能。[4]桩板墙顶部设置被动拦石网，主要起阻拦高位滚落危石的作用。被动拦石网立柱锚固于桩板墙顶部，每根桩顶正好布置1根立柱，且立柱应靠近落石槽一侧布置，立柱间采用双层拦石网交错布置以减小被动网孔径，防止破碎后的落石钻过去。被动拦石网[5]的双层网通过拉索固定于自然边坡上。路堑桩板墙式拦石结构的基本形式见图1。

图1　路堑桩板墙式拦石结构剖面

5路堑桩板墙式拦石结构设计

桩板墙为主体受力构件，最终以计算桩板墙结构尺寸为主要设计任务。整体结构的布设包括平面位置、延伸长度、拦截高度等。因桩板墙主要用于边坡支挡，故其平面位置基本固定，即位于侧沟平台外侧。桩板墙的平面位置固定后，其走向也基本固定，延伸长度可根据地形条件即深路堑和危岩落石段落确定。桩板墙背后的缓冲土堤厚度、落石槽尺寸及桩顶的被动拦石网高度，可根据地形，地层条件，落石运动轨迹及冲击力、弹跳高度等设计。根据最终确定的落石槽深度、缓冲土堤厚度可推测桩板墙露出地面段长度，即悬臂段长度，最后结合传到桩板墙上的落石冲击力、边坡土压力[6]，计算桩板墙的尺寸、纵向布置间距。

5.l　防护结构高度设计

先选择代表性横断面，如坡度陡且基岩裸露多、危岩体较大、崩落可能性大等地段横断面，计算落石运动路径，根据落石运动轨迹选择最大有效拦截高度或弹跳高度，再加0.5～1 m安全值即为拦石结构防护高度。

本段落石区山坡为折线形，各段平均坡度角α取40°，对最不利断面进行落石运动速度计算(如表1)。

表1　落石运动速度计算结果

因拦石结构平面位置已固定，可根据落石运动轨迹方程[7]y=+xctgβ，计算拦石结构的有效拦截高度。式中落石反射角速度V0与竖向夹角β(取80°)已知，桩板墙距堑顶水平距离为51.9 m，计算得出落石运动至桩板墙顶时距堑顶高差45.8 m，桩板墙锚固面距堑顶60 m，即得出该处落石有效防护高度为60-45.8=14.2 m，故拦石结构防护高度取15 m，其中桩板墙悬臂段长10 m，则桩顶被动拦石网高度为5 m。

5.2　落石槽深度计算

落石槽的深度需由石块在拦截建筑物迎石坡面上跳跃的最大高度来确定。落石的弹跳高度和速度可根据山坡高度、边坡坡率、坡面摩擦系数等进行计算，取石块落在槽底距缓冲土堤的迎石坡面坡脚0.5 m时的弹跳计算。缓冲土堤迎石坡面坡率1∶0.75，水平夹角θ为53.3°，经计算得知落石三次弹跳高度〔7〕分别为0.54 m、2.53 m、0.08 m，落石槽深度为石块跳跃的总高度加上0.5～1.0 m的安全值，这里得出落石槽深度取值4.0 m。

5.3　落石冲击力计算与缓冲土堤设计

一般应根据石块陷入缓冲层的最大深度确定缓冲土层的厚度，实际工程中考虑设计缓冲层堤顶厚度，还需要结合整个拦石结构在边坡上布置的有效空间以及落石冲击力扩散范围等因素。因陡坡上落石存在未知的尺寸，需结合落石调查合理选择落石的代表性尺寸。

(1)落石对缓冲层冲击力的计算

落石对缓冲层的冲击力是桩板墙结构承受的主要荷载之一，计算简图如图2所示。

石块对缓冲层冲击力计算P=P(z)·F；

石块冲击陷入缓冲层的单位阻力P(Z)=2γZ[2tan4(45°+0.5φ)-1]；

缓冲层填土内摩擦角φ取35°，设计采用落石直径R为65 cm，假想为球体，落石重G为3.16 kN，其直径截面积F为0.33 m2；经计算得出落石作用于缓冲土层表面的压强P=199.04 kPa，陷入缓冲层深度为0.92 m，此处缓冲土层厚度选取1.5 m。

图2　石块对缓冲层和拦石结构冲击力的计算

(2)落石作用于桩板墙上的冲击荷载

冲击力在缓冲土堤中的扩散角一般≤40°，因落石冲击导致土堤产生被动性破坏，故采用其被动破裂角θ=45°-φ/2为冲击力在缓冲层的扩散角。

本处偏安全设计采用冲击力方向为垂直于板墙方向，并呈圆锥状扩散到板桩墙上。结合缓冲层厚度l、落石半径R，计算冲击力最终作用于桩板墙体的投影圆直径d=2(R+l·tanθ)，冲击荷载q=pR2/(d/2)2，经计算，得出冲击力扩散后作用于桩板墙的有效范围L0=d=2.9 m，冲击荷载q=41.04 kPa。

5.4　桩板墙结构计算

桩板墙承受的土压力计算：

作用于桩板墙上土压力可用库仑土压力理论进行计算，经综合分析，桩板墙悬臂段长度按L=10 m考虑，墙后悬臂段为土层，综合内摩擦角φ取35°，墙背倾角为0°。经计算，墙后土压力Ea=605.2 kN，Ex=577.2 kN：库仑土压力呈三角形分布，锚固面处对应岩土体水平应力σH=115.4 kPa。

组合作用于桩板墙的落石冲击荷载、边坡土压力，受力分布见图3。根据桩板墙锚固段地层情况，按一般桩板墙[10，11]设计方法计算此处路基桩板墙，得锚固段长12 m，桩截面尺寸为2.5 m×2.75 m，沿线路方向桩间距5 m，为矩形桩。然后再根据受力计算进行桩、板结构配筋。

图3　桩板墙受力分布

6结束语

以上结构适用于深挖方路堑拦落石的防护，在不进行深挖方路堑开挖之前施做，可减少土石方开挖工程，增强边坡稳定性，并能有效控制工程用地。该结构以路堑桩板墙作为主体受力构件，将落石冲击力、边坡土压力最终传入地基内，并结合缓冲土堤、落石槽，提高自身抗冲击能力，克服传统拦石墙或柔性防护网的不足。该防护结构直接解决了路基边上落石问题，在一般危岩落石处理措施的基础上有所创新，为传统陡坡地段危岩落石路基补充了一套更安全的防护措施，降低了落石路基的风险，而且施工简便，外形构造美观，具有广泛的适用性。

参考文献

[1]铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册[M].北京：中国铁道出版社，2007

[2]铁道第一勘察设计院.铁路工程设计技术手册：路基[M].北京：中国铁道出版社，1995

[3]刘建红.V型冲沟落石防护结构设计[J].隧道建设，2012(10)

[4]叶四桥，陈洪凯，唐红梅.基于落石计算的半刚性拦石墙设计[J].中国铁道科学，2008(3)

[5]叶四桥，唐红梅，祝辉.基于落石运动特性分析的拦石网设计理念[J].岩土工程学报，2007(4)

[6]李海光.新型支挡结构设计与工程实例[M].北京：人民交通出版社，2003

[7]铁道部工务局.铁路工务技术手册：路基[M].北京：中国铁道出版社，1993

[8]TB10035—2006铁路特殊路基设计规范[S]

[9]唐红梅.危岩拦石墙计算方法研究[J].中国地质灾害与防治学报，2005(3)

[10]TB10025—2006铁路路基支挡结构设计规范[S]

[11]GB50010—2010混凝土结构设计规范[S]