不同坡率下纤维结构团粒喷播技术的适用性研究与应用

2021-03-19吕宋魏少伟姚建平曹渊东刘瑞董恩江

铁道建筑 2021年2期

吕宋魏少伟姚建平曹渊东刘瑞董恩江

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.北京铁科特种工程技术有限公司，北京 100081）

铁路路基边坡生态防护是边坡防护和绿化工程的有机结合，对减少铁路沿线水土流失、改善生态环境等具有重要意义［1］。路基边坡生态防护体现了新时代铁路绿色发展的新要求，有利于打造铁路高标准高质量绿色生态廊道。

目前我国铁路路基边坡生态防护技术主要有喷播或栽植灌草、植生带或网垫植草（灌木）、植生袋或生态袋植草（灌木）、客土植生、喷混植生等。近年来，随着材料学、植物学、土壤学、岩土工程等学科的发展，在传统生态护坡技术的基础上开发出新型生态防护技术。如2018 年连镇铁路采用三维柔性生态护坡技术，京张高速铁路以生态袋固土技术为基础，采用锚拉式绿色防护技术，2019 年京雄城际铁路采用土工格室固土绿化技术等。

客土喷播技术施工高效、成本较低，在铁路、公路等边坡生态防护中具有一定优势。国内外关于客土喷播技术的研究主要集中在基质组成及配比上。文献［2］介绍了日本的高次团粒SF（Soil Floc）绿化技术及其在我国西部地区的应用；文献［3-4］提出APM（Animal Protein Material）基材，形成APM 生态固坡技术并应用于蒙华铁路；文献［5-6］研究保水剂含量及土壤菌对喷播基质物理性能的影响，提出基质配比的建议。基质配比是客土喷播技术的核心之一，可保证基质与坡面的黏附效果，提高喷播基质的稳定性。但基质配比对坡面稳定性的改善作用有限，在边坡坡度较大时仍须采用其他措施来保证喷播基质的厚度及稳定性。

本文针对铁路路基边坡生态防护绿化成活率要求高、后期养护困难、不能对线路运营产生影响等特点，基于传统客土喷播技术，提出了纤维结构团粒喷播新技术。针对不同坡率边坡特点提出与纤维结构团粒喷播技术相适应的辅助措施，并在工程中应用，验证该技术的生态防护效果。

1 纤维结构团粒喷播技术简介

纤维结构团粒喷播技术将科学配比的营养基材（植物纤维、壤土、有机质、生物活化剂、基材纤粒剂、助纤剂）、植物种子和水通过先进喷播设备搅拌并喷射至坡面，通过植物纤维的加筋作用及土壤的团粒化在坡面迅速形成抗冲刷性能好的基质层；同时依托有机质、生物活化剂等营养物质促进多种植物生长发育，最终利用植被根系的力学加固作用和地上植物的水文效应达到固土护坡和改善环境的目的。基质中各类材料组成及用量见表1。基质配比需依据当地气候、坡形坡率、坡面岩性、绿化需求等合理确定。

纤维结构团粒喷播技术在抗冲刷能力、施工效率、出苗时间、植被生长效果等方面均有优势。基质中增加纤粒剂、木（草）纤维、助纤剂等增加了基质的抗剪强度，有利于抵抗雨水冲刷；机械化播种、施肥一次性完成，施工高效；出苗时间短，一般一周左右出苗4～5 cm，可快速修复生态环境；植被配比多样、抗逆性强，植被发育良好，群落稳定。

表1 基质组成及作用

2 不同坡率下的纤维结构团粒喷播技术

按边坡坡率i的不同，分别制定了相应的纤维结构团粒喷播技术。

1）i≤1∶1.5

坡度35°是植被能够自然恢复的界限角度［7］。i≤1∶1.5 时坡度低于35°，坡面基质材料一般可实现自稳，无需采取附加措施。施工时可直接进行纤维结构团粒喷播，基质中植物纤维、纤粒剂等含量也可适当降低。

2）1∶1.5 ＜i≤1∶1.0

1∶1.5 ＜i≤1∶1.0 时坡面需采取挂网措施，保证坡面土体的稳定，同时可增强基质与坡面的附着力。岩质边坡坡面覆土厚度一般不少于8 cm。

挂网可选择铁丝网或椰纤维网。在保证坡面稳定的前提下优先选择椰纤维网。椰纤维网是椰子壳通过机械粉碎后利用其纤维编制成一定规格的网，具有一定的吸水性和保水性、良好的抗冲刷性能（抵抗坡面3.0 m/s 的径流）、较大的抗拉强度（单线拉力≥200 N）。边坡植物群落恢复稳定（5 年）后椰纤维网可完全降解［8］。铁丝网或椰纤维网可使用锚钉固定，也可使用竹钉等固定（图1）。采用椰纤维网、竹钉等材料使纤维结构团粒喷播施工更加生态环保。

图1 椰纤维网及竹钉在坡面的布置

3）1∶1.0 ＜i≤1∶0.75

1∶1.0 ＜i≤1∶0.75 时为保证喷播基质的稳定，除采取挂网措施外，还需在坡面增设木挡板。木挡板长度1～2 m，宽度应大于基质层设计厚度（因坡度较陡，基质层厚度一般不超过10 cm），采用锚钉把木挡板横向固定于边坡坡面。对于岩质边坡，为保证后期植物根系生长发育，坡面可布设根系生长孔，孔深约1.0 m，每平方米设置6～10 个。生长孔内塞入基质材料，为后期灌木植物根系生长提供养分。木挡板及根系生长孔布置如图2所示。

图2 木挡板及根系生长孔布置（单位：cm）

4）i ＞1∶0.75

i ＞1∶0.75 时坡面除挂网锚固外还应设置木挡板或生态棒，岩质边坡增设根系生长孔。生态棒为长条形的生态袋，直径10 cm，长度3～5 m，袋内填充稻壳、鸡牛粪等有机肥。生态棒首尾连接，沿水平方向布置在边坡坡面形成生态棒组，相邻生态棒组平行设置。生态棒的布设在喷播完工前期可防止基质层下滑，强降雨时可吸收贮藏足够水分，后期袋内营养及水分缓慢释放供植物生长。生态棒布置如图3所示。

图3 生态棒布置

3 施工工序及要点

以边坡坡率为1∶0.75的工程为例，阐述采用纤维结构团粒喷播技术时施工工序（图4）和施工要点。

坡面土体硬度越高，植物生长发育越差，需根据土体硬度改善边坡植物生长条件。当边坡岩土体硬度指数（山中式硬度计）在35 mm 以上时不利于植被根系生长发育［8］，坡面须覆土。覆土厚度应在8 cm以上。

图4 采用纤维结构团粒喷播技术时施工工序

木挡板采用L 形锚钉固定，锚钉嵌入坡面后外露10 cm 左右，将木挡板平搭在锚钉上，并用L 形端头卡住木挡板，局部无裂缝光滑岩面加密木挡板。若布置生态棒，生态棒布置方法与木挡板类似，使用直径2 mm 铁丝将生态棒固定于锚钉及铁丝网上。根系生长孔采用电钻或风钻钻孔，孔内填充保水剂、有机肥等基质材料。

坡面镀锌铁丝网或椰纤维网网孔尺寸一般为5 cm × 5 cm 或6 cm × 6 cm，网间搭接长度不小于10 cm。使用L形锚钉固定，锚钉间距1.0～1.5 m。锚钉规格及长度根据坡面具体条件确定。

基质喷播前，可采用清水浸泡、化学药剂浸泡、机械处理等方式进行种子预处理，达到快速出苗的目的。通常在喷播前将乔（灌）木种子用温水浸泡1 d，草种常温浸泡1～2 h 即可。基质选择及配比应严格按照设计要求，基质配比一方面影响基质的抗冲刷性能，另一方面影响植物的生长效果。基质配比需根据气候、边坡土体、坡度、坡向等确定，保证喷播基质的pH、密度、营养成分等满足规范［9］要求。

4 工程应用

4.1 京雄城际铁路边坡生态防护工程

京雄城际铁路固安东站路堤边坡生态防护采用纤维结构团粒喷播生态防护技术。该路堤边坡位于DK53+815.00—DK54+040.10左侧，坡面总长225.1 m，坡率为1∶1.5，最大坡高约5.0 m，生态防护面积约1 500 m2。

2019年10月进行反季节喷播施工，施工期间最低气温10 ℃。设计方案如图5 所示。坡面覆盖20 cm种植土，铺设60 mm× 60 mm 的镀锌铁丝网并用锚杆锚固以保证坡面稳定。植物配置为柠条（3 g/m2）、紫穗槐（5 g/m2）、胡枝子（4 g/m2）、高羊茅（5 g/m2）、早熟禾（3 g/m2）、苜蓿（5 g/m2）、波斯菊（1 g/m2）、金鸡菊（2 g/m2）、二月兰（2 g/m2）。喷播基质厚2 cm。

图5 京雄城际铁路喷播生态防护技术设计方案

喷播完成后1周左右开始出苗，3周左右坡面基本被绿色覆盖。2020 年5 月植被生长效果较好，未发生病害，植物生长高度均在20 cm 以上，坡面土体未发生流失现象。2020 年8 月边坡植被生长茂盛，灌木长势良好，每平方米4～6 株。不同时期植被生长效果见图6。

图6 京雄城际铁路边坡植被生长效果

4.2 太焦铁路边坡生态防护工程

太焦铁路晋城东站和高平东站采用纤维结构团粒喷播生态防护技术进行边坡防护，生态防护面积约4万m2。

其中晋城东站DK298+950—DK299+210 为一级坡，坡率为1∶1.0，坡高为10.0 m；DK299+300—299+900 为三级坡，各级坡坡率均为1∶1.0，一、二级坡坡高为10.0 m，三级坡坡高为3.0～4.0 m。边坡坡面采用斜长约14.0 m、宽约5.0 m 的混凝土大框架结构防护，如图7所示。

图7 太焦铁路喷播生态防护技术设计方案（单位：cm）

2020 年4 月—6 月进行纤维结构团粒喷播，垒砌植生袋的坡面安装柔性主动防护网。未堆砌植生袋的坡面铺设50 mm×50 mm 的镀锌铁丝网。植物配置为柠条（3 g/m2）、紫穗槐（5 g/m2）、胡枝子（4 g/m2）、高羊茅（5 g/m2）、早熟禾（3 g/m2）、苜蓿（5 g/m2）。喷播基质厚10 cm，分层喷播。

喷播完成2个月内经历了3场中雨（日降雨量10.0～24.9 mm），2 场大雨（日降雨量25.0～49.9 mm）。大雨后坡面未出现细沟、冲沟等，基质抗冲刷性能好。坡面植被生长效果良好（图8），覆盖率达到90%以上，满足规范［10］要求。

图8 太焦铁路边坡生态防护效果

4.3 蒙屏高速公路边坡生态防护工程

蒙屏高速公路预应力锚索框架梁边坡位于K25+580—K25+690，一级坡坡率1∶0.75，坡面斜长10 m；二级坡坡率1∶1.0，坡面斜长10 m。坡面为强风化板岩，骨架内采用纤维结构团粒喷播技术进行绿化，生态防护面积约3 000 m2。边坡断面布置如图9所示。

图9 边坡断面布置（单位：cm）

2020 年10 月进度行喷播施工，设计基质厚度10 cm。考虑到边坡坡度较陡不利于基质的附着，采取布置木挡板、设置根系生长孔等辅助措施。根系生长孔孔深1.0 m，每平方米6 个；木挡板尺寸为200 cm（长）×8 cm（宽）×2 cm（厚），纵向间距200 cm。预先在坡上安装好固定木挡板的锚钉，然后将木挡板平搭在锚钉上（图10）。局部无裂缝光滑岩面加密布置木挡板，保证了喷播基质的厚度。喷播完成后坡面覆盖无纺布进行早期养护（图11），保温保湿，防止发芽期雨水对坡面的冲刷。