复杂地段危岩落石处理技术探讨

2020-07-06崔俊涛

公路与汽运 2020年3期

崔俊涛

(中铁十六局集团第二工程有限公司，天津 300162)

随着国民经济的发展，各种基础建设设施越来越多，特别是高速公路、高速铁路进入大规模建设阶段。中国为多山国家，高大、美丽的山川在带来美感的同时，也加大了工程施工难度。针对高陡边坡，一般采用造价较低的拦石网或防护效果好的棚洞、拦石墙进行防护。但对于铁路车站防护范围广且涉及营业线行车安全的高陡危岩地段，如何安全、经济、合理地进行危岩落石防护是一大难题。

1 工程概况

1.1 地形地貌

新建黔张常铁路禾家村车站位于湖南张家界市永定区禾家村，车站左侧为耕种农田且紧邻澧水河，右侧紧邻高达100多m的陡峭边坡，边坡坡度为80°左右，坡面基岩裸露，地形起伏较大。

1.2 地质条件

地表为坡积残积的砂黏土夹碎石，下伏为寒武系薄层灰岩、白云质灰岩及白云岩，多处出露。受四都坪区域构造影响，呈波状褶皱起伏变化，产状N40°E/7°E～N52°W/20°W，节理裂隙发育，主要有N25°E/80°W、N55°E/75°W等，岩层被切割成块体，单体最大粒径达0.3～1 m，经常发生落石。

1.3 工程设置及特点

禾家村车站全长1 850 m，设计共8股道，其中1～4道为正在运营的焦柳铁路，5～8道为新建黔张常铁路。危岩落石段位于站场填方段，长度约400 m，该段路基面宽度64 m，右侧紧邻高达百米的陡峭山坡，时有落石掉落。其主要特点：紧邻正在运营的焦柳铁路，对施工安全的要求高；右侧山体高达百米且为悬崖峭壁，施工难度大；工程位于车站范围内，防护范围广。

2 危岩落石处理方案比选

2.1 备选方案

针对以上复杂地段的危岩落石，前期共提出3种防护方案进行比选。

2.1.1 方案一：主动拦石网防护

在右侧高陡边坡上增加主动拦石网防护。先对整个山坡进行简单修整，清除表面松动石块，然后按照1.5 m纵、横、上、下间距钻孔，孔内灌注M30水泥浆并植入锚绳。锚固孔达到一定强度后进行拉拔试验，试验合格后安装主动网片。网片采用高强度钢绞线，网片外设方格锚绳固定。整个坡面被拦石网包裹，落石也被固定在网内某个区域不掉落。

2.1.2 方案二：棚洞防护

在车站可能落石地段增加钢筋砼棚洞防护。根据车站情况，棚洞基础采用1 m直径钢筋砼钻孔灌注桩，桩上设置钢筋砼柱，柱顶设置钢筋砼盖板，整个车站范围顶部用棚洞防护。车站每2股道设置一排墩柱支承顶板，柱中心间距5 m，其中2、3道与4、5道间棚洞施工时利用焦柳铁路天窗点施工。棚洞防护形成后，山坡上散石直接落于棚洞顶，而来往列车在棚洞下行驶，保证其安全。

2.1.3 方案三：开口式帘式网、被动拦石网、拦石墙组合式防护

在右侧高陡边坡地段增加开口式帘式网、被动拦石网、拦石墙进行防护。坡顶增加5 m高被动拦石网，防止坡顶人或动物扰动导致石块掉落。在坡面增加开口式帘式网，帘式网顶部设置开口钢柱，边坡上设置垂幕状防护网，下部山脚处设开孔。帘式网的主要功能是拦截山坡滚石，不固定落石，只是在水平方向进行拦截，石块由于受到网拦截不作抛物线下落，而是顺着山坡滚落到坡脚。在坡脚增加8.5m拦石墙，拦住滚落下的落石，维护人员可沿着下部拦石墙将落石清理出线路。

2.2 方案比选(见表1)

表1 备选方案技术经济对比

从经济方面考虑，方案一最节约，一般山坡防护优先采用。但该段山坡陡峭，高度超过100 m，坡面防护面积大，且位于车站范围内，车辆停驶时间长。坡面采用主动防护形式，山体散落石长期处于应力状态，日久天长，坡面风化，极易造成山体石块崩落，存在较大隐患。且主动网内的松落石块会堆积、停留在某一区域，极难清理，后期维护人员需登山清理，极易造成二次落石危害。从安全和耐久方面考虑，该方案不可取。

方案二对整个车站范围增加棚洞防护，从安全和耐久方面考虑可行。但整个车站8股道，防护宽度64 m，长度400 m，投资巨大。另外，车站1～4道为已开通的焦柳铁路，需进行营业线施工。从造价、工期、施工安全方面考虑，该方案不可取。

方案三在坡面增加开口式帘式网，使坡面散落石处于自由状态，且网的作用只是拦截石块水平抛落，能起到长期防护的效果。山顶的被动网和坡脚的拦石墙分别对上下落石进行拦截，起到安全保障作用，后期落石清理也较方便，不存在安全隐患。只需在右侧山坡处进行施工，对运营中的焦柳线无影响，且造价和工期比棚洞少，经估算，比车站范围全部增加棚洞节约投资约1 800万元。综合考虑工程造价、工期、施工安全和后期运营维护，确定选择方案三。

3 组合式防护施工工艺

开口式帘式网、被动拦石网、拦石墙组合式防护系统的设计见图1、图2。该组合式防护系统的主要施工顺序为被动拦石网施工→开口式帘式网施工→拦石墙下部工程施工→拦石墙施工→锚索施工→检测设备安装。

图1 组合式防护系统平面设计

图2 组合式防护系统断面设计

3.1 被动网施工

被动网采用SNS永久被动防护网，防护高度5 m，每隔10 m设置钢柱，用来连接和固定网片(见图3)。先放出基槽位置，基槽尺寸为60 cm×60 cm×120 cm，采用C30砼浇筑。基槽底部设置锚地锚杆，锚杆采用22钢筋，长度为3 m。基槽顶部设置预埋钢板与螺栓，基槽施工完毕后将钢柱与预埋螺栓连接，然后安装被动网片和上、下连接绳。

图3 被动防护网设计(单位：mm)

3.2 开口式帘式网施工

开口式帘式网设计见图4、图5。

图4 帘式网拦石平面设计(单位：mm)

图5 帘式网拦石断面设计(单位：mm)

(1) 基础施工。测量放线后，用凿岩机在基座基础位置钻凿锚孔，钻凿深度为1 m；再放入基座地脚螺杆并用水泥砂浆浇注，浇注面用薄层C20砼或M20水泥砂浆抹平至基础面；将基座套入地脚螺杆，用螺母将其紧固。

(2) 安装钢柱、上拉绳、上下支撑绳。基础施工完成后，将钢柱顺坡向放置并使钢柱柱脚位于基座处，将上拉绳的挂环挂于钢柱柱头挂座上,将上拉绳另一端穿过对应上拉锚杆并用绳卡暂时固定。然后将钢柱缓慢抬起并对准基座,将钢柱柱脚插入基座中，插入连接螺杆并拧紧。通过调整上拉绳长度，将钢柱调整到设计安装倾角后,张紧上拉绳并用绳卡固定，将上支撑绳平行于系统走向调直并放置于各钢柱柱头滑槽内。两端穿过支撑绳锚杆鸡心环，用绳卡固定。

(3) 铺挂环形网、双绞六边形网。将环形网按编号在钢柱之间按照对应位置展开，采用卸扣连接环形网与上支撑绳。双绞六边形网从上向下铺挂，环形网片每个圆环用一个卸扣与对应支撑绳连接，中部环形网片每个圆环用2个卸扣与对应上下2个圆环连接。

(4) 安装纵向主、次钢丝绳。将纵向主钢丝绳的挂环挂于钢柱柱头挂座上,钢丝绳另一端穿过系统下部对应锚杆，用张拉力不低于10 kN的紧线器或葫芦张紧钢丝绳，用同规格的绳卡将末端固定。纵向次钢丝绳分别与上支撑绳和系统下支撑绳对应并固定。双绞六边形网间用φ1.5钢丝缝合，与纵向主钢丝绳走向一致；再用φ1.5钢丝把纵向主钢丝绳、缝合钢丝、双绞六边形网以0.3 m的间隔扎结。

(5) 安装横向固定钢丝绳。横向固定钢丝绳长度宜小于50 m。安装时，将一定长度钢丝绳的一端用绳卡锁定在端头锚杆上，另一端沿双绞六边形网外侧穿过同排锚杆，用同规格的绳卡将末端固定。

3.3 拦石墙下部工程施工

拦石墙下部结构包括明挖基础、C形墩柱和门式结构墩柱、顶板结构。明挖基础深度根据下部地质情况确定，保证入岩深度不少于0.5 m，基础尺寸为2.5 m×1.2 m，采用C30砼结构。基础与墩柱依靠墩柱钢筋连接，墩柱钢筋深入基础深度不小于1 m。采用C形墩柱，墩身截面为2.4 m×1 m。D形墩板截面宽度为1 m，长度为3.2～11.4 m，墩身高10 m，采用C35钢筋砼结构。墩柱上设置顶板，厚度为0.8 m，采用C35钢筋砼结构，顶板上预留与拦石墙连接的竖向钢筋(见图6)。

(a) D形墩柱

(b) C形墩柱

图6 拦石墙截面示意图(单位：cm)

3.4 拦石墙施工

拦石墙高度为8.5 m，厚度0.8 m，墙身每隔3.5或5 m与山体设置厚0.6 m的肋板连接，肋板内设2道预应力锚索。肋板与拦石墙均采用C35钢筋砼结构，肋板与拦石墙一起浇筑。为防止肋板把各单元隔离，肋板上设置1.99 m过人圆孔，供后期养护人员行走。拦石墙与山脚间填筑0.8 m厚素填土层，作为落石缓冲层，减缓落石冲击力。

按《铁路工程设计技术手册：隧道》计算落石冲击荷载。计算参数如下：落石最大直径1 m，重量2.5 t；不同高度落石速度v=16～28 m/s(依据设计图模拟计算)，按最大速度28 m/s计算；最大落石投影面积1.178 m2；缓冲层厚度0.8 m；按最不利荷载考虑，若落石落到底部缓冲层后冲击力直接全部反弹至墙体。设计拦石墙墙体最大承受冲力为400 kN。

式中：c为压缩波在缓冲层中的往复速度(m/s)；μ为回填土泊松比,素填土取0.2；E为回填土弹性模量,素填土取5 000 kN/m3；β为回填土密度,素填土取1.63 kN/m3；h为缓冲层计算厚度(m)；Q为落石重量(kN)；T为冲击持续时间(s)。

验算得拦石墙抗冲击力满足要求。

3.5 锚索施工

锚索入岩深度不小于10 m，入岩部分为锚固段，采用M40砂浆锚固。锚索通过肋板内的预留孔与拦石墙连接，防止拦石墙受落石冲击破坏。待肋板和拦石墙砼强度达到75%时进行锚索自由段张拉，每单元锚索由8根φj15.24 mm高强度低松弛无粘结预应力钢绞线组成。张拉完成6～10 d后进行一次补偿张拉，然后锁定并封锚。