重丘高速铁路隧道洞口边仰坡防护施工应用与探讨

2016-05-30张勇

科技创新导报 2016年11期

关键词：隧道

张勇

摘要：该文以重丘高速铁路隧道为例，简要阐述了隧道洞口边仰坡防护施工方面的应用。针对铁路隧道洞口边仰坡防护形式多样，根据不同地质条件、环境等因素，因地制宜，选择在山岭重丘高速铁路隧道洞口边仰坡采取柔性防护措施。结果表明，所采用的措施及相关参数的合理，保证了隧道洞口边仰坡防护经济、合理、安全、环保。

关键词：隧道洞口边仰坡防护施工应用与探讨

中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）04（b）-0027-03

新建西安至成都铁路线路长509.312 km，为西南（川渝）地区北通路的快速客运通道，是我国高速铁路网的重要组成部分。其中西安至江油段（陕西境内）站前工程XCZQ-2标线路全长34.301 km，起讫里程桩号DgK56+156～DgK90+457，该工程桥隧相连，有隧道5.5座共33.755 5 km、桥梁5座0.665 48 km，隧线比98.4%。路线起于秦岭北麓低中山区，地形总体趋势北陡南缓，隧道洞口地形地貌复杂，施工条件差，受线位限制，洞口基本位于陡坡或山崖，山坡岩石裸露，覆盖层薄，主要为花岗岩、闪长岩，山坡岩体节理、裂隙发育，强-弱风化，硬质岩且整体稳定，坡面岩石松动，有滚石和剥落碎石。为了隧道贯彻“早进晚出”的原则，确保施工安全和隧道结构稳定，建设绿色环保工程，必须对洞口边仰坡采取有效的防护措施。

1 铁路隧道洞口边仰坡防护及适用条件分析

1.1 传统防护形式

铁路隧道边仰坡防护措施一般有：骨架护坡、喷锚网、喷混植生、框架锚杆、框架锚索、桩板墙、柔性防护等。

骨架护坡防护：边仰坡圬工骨架内种植草皮。主要适用于稳定边仰坡（坡率为1∶1.25，1∶1.5，1∶1.75），且地质为土质地段，永久边仰坡高度小于6 m。

喷混植生防护主要适用于岩质边仰坡（W1、W2）地段，植被无法生长，边仰坡为永久边仰坡，坡率为1∶0.75～1∶1。将种植土、有机质复合肥、接合剂、保水剂等与植物种子形成混合植生基材，喷射于坡面上，靠自然降水能正常生长发育，以达到石质路堑边仰坡绿化的目的。

喷锚网防护主要适用于岩性较差、强度较低、易于风化的岩石路堑边仰坡；虽为坚硬岩层，但风化严重、节理发育、易受自然应力影响、导致大面积碎落以及局部小型崩塌、落石的岩质边仰坡；隧道洞口W3、W4地层临时边仰坡地段（明洞回填线以下）。锚杆、钢筋网和喷射混凝共同作用增强边仰坡的整体稳定性。

框架锚杆防护主要适用于土质路堑边仰坡和岩体破碎、风化严重、结构面发育的岩质路堑高边仰坡的坡面防护工程。由框架梁和锚杆组成，框架内一般采用基材客土植生绿色防护。边仰坡岩石破碎、节理、裂隙发育时钻孔卡钻、塌孔现象频繁，钻进难度大。

框架锚索主要适用于构造发育的岩质路堑高边仰坡、顺层及滑坡地段、软硬质岩层路堑高边仰坡地段等边仰坡加固工程。由预应力锚索、框架梁共同作用来进行边仰坡加固。如遇地质围岩破碎或节理、裂隙发育易坍孔或卡钻如清凉山隧道出洞口边仰坡锚索+十字板加固。

抗滑桩主要适用于开挖边仰坡较高，且地层为土质、软岩或存在顺层的浅层和中厚层滑坡，有时与框架锚索配合使用，是穿过滑坡体深入于滑床的桩柱，用以支挡滑体的滑动力，起稳定边仰坡的作用。为控制边仰坡高度，保证施工安全设置。

防护措施的不同应与地质条件相适应。以上防护不同程度存在洞口刷坡，刷方量大，对洞口边仰坡体扰动和破坏洞口绿色环境。且有些洞口较陡边仰坡不宜刷坡，悬崖、陡坡施工难度也较大，往往在施工中需搭设脚手架、滑道等辅助施工措施进行施工，同时需要较长施工时间，投入较大，进展慢，安全风险相对高。

1.2 柔性防護形式

柔性防护系统是瑞士布鲁克集团1956年研制成功并投入使用，1995年该技术引入中国，已成功地应用于国内多座铁路、公路、水电站、矿山和市政工程边仰坡，解决了传统防治措施难以解决的难题。能满足边仰坡防治新技术的基本要求，同时将工程对环境的影响降到最低点，适用于复杂的地形地貌。

柔性防护网按其结构形式、防护功能和作用方式的不同分为主动防护和被动防护两类，根据不同的工程水文、地质条件及岩土工程特征、周围环境、支护结构安全等选用。其使用寿命前者一般可达30～50年，后者可达上百年，因超载而发生破坏时，一般仅需要更换或修复少量部件即可。

被动防护网是以钢丝绳网为主的栅栏式柔性拦石网设置于斜坡上相应位置，用于拦截斜坡面岩面崩塌、滚落、爆破飞石等危害，以避免其破坏保护的对象，因此，有时也称为拦石网。适用于建筑设施旁有缓冲地带高山峻岭的大块落石安全防护。由钢丝绳网或环形网（需拦截小块落石时附加1 层铁丝格栅）、固定系统（锚杆、拉锚绳、基座和支撑绳）、减压环和钢柱4个主要部分构成柔性结构。当落石冲击拦石网时，所产生的负荷先通过网的缓冲得以部分消散，而网片在受冲击发生位移变形时将拉动整个系统参与受力，一部分荷载在该跨度内通过缝合绳、支撑绳向钢柱、拉锚绳进行传递和消减，另一部分荷载通过防护网向两侧相邻的结构逐次传递，从而调动其他跨度消能结构共同参与受力，并最终将全部剩余荷载传到稳定地层，达到防护目的。其防护功能一般为150～2 000 kJ，特殊设计防能高达5 000 kJ。常用的有RX、RXI、AX、AXI、CX、CXI系列型号。

主动防护是以钢丝绳网为主的各类柔性网覆盖或包裹在需要的斜坡或岩石上，以限制坡面岩土体的风化剥落或破坏以及危石崩塌（加固作用），或者将落石控制于一定范围内运动（围护作用）。这种方式常用于边仰坡面崩塌、危石、落石、风化剥落等地质边仰坡类加固防护。由支撑绳、锚杆、钢丝绳网、缝合绳等构成柔性防护结构，将危石与母体连成一体，形成整体受力，立体防护。常用的有GAR、GPS、CER、GTC系列型号。

2 柔性防护在隧道洞口边仰坡中的应用

西成客专XCZQ-2标属典型的隧道建筑群，根据洞口的地质特征、地形地貌、周边环境等特点，为不刷坡或小刷坡进洞施工，保护边仰坡和洞口自然环境不被破坏，防止边仰坡面滚石和对坡面加固，结合新颖的柔性防护系统技术与理念，清凉山、纸坊1#、纸坊2#、大庄坪、秦岭隧道等15个洞口高边坡设计采用了RXI-075被动、GPS2主动防护，防护面积分别为6 525 m2、3 222 m2，被动防护按2道或1道设置。

为高效安全地完成施工，施工中安排了4个作业班组，单口作业面平均需7～10 d，难度最大的清凉山出口被动防护网施工15 d，18个工作面45 d内相继完成。施工主要投入有如下方面。

施工人员单洞口作业面8人，共投入32人；机具、设备单洞口内燃空压机1台、YT28手持风钻2台、注浆泵1台、电焊机1台、捣固棒1台，以及1台20 kW柴油发电机自发电施工。

经工程实践，隧道洞口坡体未破坏与未改变坡面原有地貌形态和坡面植被与植被生长条件，为绿色植物在其开放的空间自由生长，从而抑制坡面破坏和水土流失，保持了洞口自然绿色环境，满足了建设绿色通道高速铁路要求。同时保护了边坡稳定，防护加固效果明显，并比预计提前2～3个月安全进洞施工，大大缩短了洞口处理时间，劳动力、机具设备、资金投入少，经估算比传统防护节约投资可达550万元以上。柔性防护在该工程中应用取得较好效果，实现了洞口最佳边仰坡防护和环境保护目的。

施工技术要求有以下几点。

（1）由于山高坡陡，作业条件差，施工安全尤为重要。作业人员需佩戴好安全防护用品，拴好安全绳；雷雨天、大风环境不得作业；施工前应清除坡面危石，以防落石伤害。

（2）被动防护网锚杆和钢柱基础是影响防护效果的关键。施工中须按照设计图纸要求认真施作，锚杆锚固深度视地质情况可适当加深，严格注浆锚固，并将地脚螺栓锚杆与基座连接钢板焊接牢固；岩质混凝土基础表面风化、松动部分用风镐凿出新鲜岩面并保持平整，基础断面不小于长0.8 m×宽0.6 m×深1 m，土质混凝土基础應清除表层覆盖层或松土，基础断面不小于长3 m×宽2.5 m×深0.5 m，当覆盖层小于混凝土基层深度时，覆盖层部分可用混凝土置换，下部直接钻锚杆孔，形成符合基础；混凝土基础应避开天沟位置，钢柱基础长轴方向与该基础中心和其左右基础中心连线夹角的平分线方向一致；钢柱基础外露超过30 cm时，需采用C35钢筋混凝土（钢筋Ф16），地面以下埋入式为C30混凝土；安装钢柱时，用上拉绳调整钢柱角度（与坡面80°～100°），钢柱倾角误差控制在±5°，不满足时重新调整或增设下拉锚绳。

（3）主洞防护网锚杆需根据网格大小进行设置，现场坡面起伏较大时可加密设置，便于钢丝绳（网）贴近岩面覆盖或包裹；钢丝绳网（外网）搭接不小于10 cm，其搭接处应牢固固定，每个环应与周边4个环相扣，并作防腐处理；格栅网（内网）搭接不小于5 cm；支撑绳与或缝合绳末端用3个绳卡卡扣牢固；十字口、钢丝绳交叉点处的抗错动拉力不小于5 kN，抗脱落拉力不小于10 kN；支撑绳与锚杆相联接并进行张拉，每张网与四周支撑绳缝合联接并拉紧，该项张拉工艺能使系统对坡面施以一定的法向预紧压力，在外网下铺设内网，从而提高表层岩土的稳定性，防止小尺寸岩块塌落，阻止崩塌落石的发生。

（4）防护网应分批次进行落石冲击试验，并出具正式试验报告，以确保其质量和工程安全。

（5）对于仰角大于45°的陡坡，利用钢绳结合现场地形条件，搭设简易索道运送工器具、材料。

3 防护网网型探讨

根据意大利博洛尼亚大学对双绞六边形网和单绞格栅网进行的一系列对比试验研究，包括事先无损害的试验模型和事先剪断一根钢丝的试验模型，试验模型尽可能的模拟了主动防护网完工后的情况，抗拉试验结果表明如下。

（1）以导致钢丝断裂的拉力作为格栅网的极限抗拉强度，双绞网的极限抗拉强度是单绞网的2倍多。

（2）不论试验模型事先是否有钢丝破断，双绞网的拉力试验结果变化不大，而两种试验条件下单绞网的试验结果有明显区别，事先有钢丝破断的情况下，抗拉强度明显降低。

环形网采用双绞六边形网，其技术优势，与单绞的编制方式相比较，双绞的编制方式在一根钢丝突然断裂时节点位置可以避免格栅网散开，其抵抗力更高，使用寿命更长，尤其是在主动防护系统中，双绞六边形网可更有效地避免落石突然掉落，减少落石危害。因此，双绞六边形网在今后的边坡柔性防护应用中值得推广。

4 采用柔性防护的优越性

与传统圬工防护相比，柔性防护具有以下优越性。

（1）安全、可靠，能有效防止洞口边仰坡落石和边仰坡加固作用，保证施工及运营安全。

（2）减少了洞口边仰坡开挖，避免对坡体扰动和环境的破坏，确保了洞口坡体稳定，有利环保。

（3）系统的开放性，地下水可以自由排泄，避免了由于地下水压力升高而引起边仰坡失稳问题，同时其开放特征，也为今后实施人工坡面绿化保留了必要的条件。