悬臂棚洞在路基病害中的应用

刘福文

大秦铁路股份有限公司太原工务段 山西 太原 030000

引言

对铁路工程来讲，路基病害是无法被车体消除掉的一个问题，因为铁路在自然环境中一直都处于持续性暴露的状态，处于不同自然环境中的铁路会在环境的影响下出现不同类型的路基病害，给铁路路基的正常使用带来相应的负面影响。同时，在铁路路基施工的过程中，如果未采用恰当的施工方法，也会给铁路路基后续施工和使用带来一些负面影响。为做好铁路路基保护工作，尽量减低路基病害带来的负面影响，不仅需要做好工程施工方案设计、施工监督工作，在铁路投入使用后，也需要做好后续的检查维护，及时找出路基病害的诱因，采用综合性的治理办法确保铁路运行安全。悬臂棚洞作为近些年新兴的铁路路基病害整治措施，探索它的具体应用势在必行。

1 概述

1.1 概况

铁路路基是指线路下部的地面工程结构，是轨道的基础，它是承受轨道传来的列车动荷载，是轨道，铁路线路上部建筑的基础，是线路中最重要部分之一，其状态如何及完整与否、路基的质量直接影响线路质量的良好程度。

太原铁路分局太原工务段管辖的太岚支线位于太原市古交区，由太原汾河站引出，终点到镇城底站，长53.837km，该线为Ⅱ级干线，单线；限制坡度：上行6%，下行12%，最小曲线半径400m，沿线地形曲折，两岸悬崖峭壁，冻结深度1～1.2m，地震烈度低于7度。

该线煤铁资源丰富并有许多矿藏，国家决定修建太岚支线，铁三院1958年10月至1960年5月进行初测和定测，1975年12月提出施工设计，铁道兵部队在1975年6月做施工准备并且开工，1979年11月底全线完成铺轨，1982年临时运营，1983年1月31日正式验收[1]。

线路沿汾河而上，九次跨越汾河，在临管期间（1982年8月）沿线发生水害，施工部队主动在工程上采取措施，保证工程质量。

1.2 病害类型

太岚线的路基病害有：崩塌落石、路基下沉、路基浸水、滑坡、边坡溜坍等。

下面就崩塌落石，简单分析一下其原因和整治措施。

2 病害现状及产生的原因

崩塌是指陡峻斜坡上的岩体或土体，突然而急剧地向下倾倒、崩落、翻滚和跳跃等的一种动力地质现象。它是山区铁路常见的路基病害，其发生的原因与地貌、岩性、构造力、自然力、生物力及人为等诸多因素有关，常发生在地形陡峻、地质复杂的陡坡上。由于崩塌，落石往往是突发性的，其造成的危害是显而易见的。因此，对崩塌落石必须以“预防为主，综合治理”才能达到事半功倍的效果。

2.1 崩塌落石病害现状

位于太岚线扫石至古东站间六家河1#--2#隧道间，里程为32Kmt590m～32Km+913.5m，该段路基为半填半挖，左侧路基边坡伸入汾河，汾河河滩为粉砂系淤积而成，现左侧较宽的平地为隧道弃碴堆集而成，右侧为路堑，与线路相对高度达百米以上，山体属石灰岩，表层为土夹石。线路状况：位于500半径的曲线上，铺设为60kg重型钢轨，钢筋砼轨枕，弹条Ⅰ型扣件，六家河1#隧道口为3%上坡，32Km+630.59m和32Km+855.43m处各设有1--1.75m板涵，线路左侧基础经挖试坑为弃碴堆集而成，工点属电气化已挂网地段，在32Km+795m设有供电锚端一处，线路外侧（供电立柱外侧）埋有电缆，该段属电气化改造区段，83年--87年间曾多次发生过落石，石头直径约在0.5m--0.7m，仅有两次落石较大，直径约1.5m左右，危及行车安全，我段设专人常年看守，随时清理危石。但由于崩塌、落石的突发性，危害仍防不胜防，为了确保行车安全。此处病害必须高度重视，尽快治理[2]。

2.2 崩塌落石形成的原因

引起崩塌的原因比较复杂，它是由各种因素共同作用的结果，主要的原因有以下几种。

2.2.1 地形条件。它是崩塌发生的外部原因，在崩塌的内因具备的情况下，一般当坡度大于55°，高度大于30m以上的陡峻斜坡，坡面不平整，易发生崩塌。当坡度陡于70°时，则更易发生崩塌。

2.2.2 岩性和地质构造。山坡表面的形状往往与岩性和地质构造有关，一般情况下，高陡地形都是由硬质岩石组成的，而软硬相间的岩层，往往形成凹凸不平的坡面，如砂页岩互层，页岩抗风化能力差，易形成凹槽，而砂岩往往形成凸出的悬岩，若凸出部分有结构面存在时，在重力作用下易沿这些薄弱面发生剪切、坠落或形成崩塌。崩塌岩体中结构面的形成与地质构造有关，如岩体节理发育，且结构面的组合位置处于不利情况时，易沿这些面发生崩塌。当山坡上方有断层破碎带时，易沿断层破碎带发生崩塌。在黄土地区，也常有沿土的构造裂隙面发生崩塌的现象。

2.2.3 水的作用。水是引起崩塌最活跃的因素，绝大多部崩塌发生在雨季或暴雨之后，这是由于水渗入构造裂隙对岩、土产生软化，润滑和动水压力作用，造成岩、土强度降低。内摩擦角减少，因而容易引起崩塌。

2.2.4 其他因素。强烈的地震、大爆破，以及人工开挖的边坡过高过陡，破坏了山体的平衡条件也可形成崩塌。

该段线路右侧路堑为石灰体，高达百米以上，山势陡峭，地质构造复杂、岩石风化严重，山体上部岩层破碎，岩层被多组节理切割成大小不同的块体，长期的风化、雨水的侵蚀，特别是反复的冻融作用，使表层节理张开增大，表皮大部分是土夹石形成大面积的危石地带，以致使剥落掉块时有发生，自竣工通车后不久即发生落石，后发生的频率越来越高，对行车安全构成极大的威胁[3]。

3 整治措施

3.1 方案比选

铁路工务部门为了防治此种路基病害，通过长期的探索实践，建立了以看（安装报警装置，设点看守）、清（刷坡扫山，清除危石）、支（支挡加固，护坡护墙）、接（墙接网拦）、固（黏结加固，喷锚封闭）为主的运营防护措施；以及遮拦（明洞，棚洞）、防护（SNS软网防护）绕避（改线绕行）为主的工程防治措施。实践证明，这些措施对防治崩塌落石病害都是行之有效的。从适用条件和功能性来讲，这些防治措施各具特点，对此项病害不太合适。“看”仅能减轻危害，并不能防治危害；“清”对行车影响较大并极易产生新的病害；“支”、“固”首先要建立在坡面稳定且整体性好的情况下，同时这类结构物较高，施工难度大，一旦实施不好，这些结构物本身即可成为崩塌的物质来源；而喷锚施工时，锚杆的嵌入也会破坏岩面；“接”是较好的结构形式，但缺乏“遮蔽”的功能；“软网防护”对破碎面小规模落石能起到较好的防护，但对中、大规模崩塌的防治尚未经过实践的检验；“改线绕避”是最为有效且彻底的防治措施，但投资大，工期长，一般只在滑坡或泥石流等灾难性危害多发区采用，而遮拦建筑物不仅投资适中，利于机械施工，同时具有侧向拦截和顶部遮蔽线路的双重功能。综上所述，对于中、小型崩塌落石地段，全路通常都采用“遮拦建筑物”来处理，正如北京局在石太、太岚、北同蒲、京原、京通等线修建的众多明洞、棚润以及挡墙拦网，其使用功效也证明了这一点[4]。

如前所述，该处属中小型崩塌落石病害，以修建遮拦建筑物最为适宜，而明洞虽结构坚固，但其庞大的外墙结构要求线路外侧必须有良好的地基和较宽的地势，考虑施工供电干扰影响以及通讯电缆内移的困难（外侧设置基础有困难），不具备修建明洞，故确定修建为悬壁棚洞；为使危石与下部较完整的岩层形成整体，防落石棚在32km+686m～32km+716m地段为锚杆悬壁棚洞。

3.2 悬壁棚洞的设计

根据岩体的大小、数量、分布情况及冲击力的强弱，确定棚洞的类型、结构尺寸及位置。

主要荷载有：悬臂棚洞自重、回填土石重量、落石堆积的土石。附加荷载有：崩塌落石的冲击力。

洞顶排水：按线路3%顺坡排水流向32km+630.59m1～1.75m版涵中。

3.3 悬臂棚洞施工中的注意事项

3.3.1 施工放线以线路中线为准，标高以内轨顶面为基点。

3.3.2 悬臂棚洞每10m设一道沉降缝，锚杆悬壁棚洞每5～6m设一道沉降缝。

3.3.3 开挖基础在靠线路一侧应设挡土板，按规定边坡施工，遇孤石禁止放炮。

3.3.4 安设防电拱架车时，要求列车慢行，其运行速度不得超过20Km/h，不得侵入限界，确保行车安全[5]。

3.3.5 必须保证挡墙的截面设计宽度，不足的部分应凿除，超过的部分回填50#浆片与山体紧密连成整体，要求回填的浆片至少插入山体0.1m。

3.3.6 锚杆挡墙部分，在未安装锚杆前应作抗拨力试验，要求每根锚杆拉力达5T以上，如达不到测定的拉力应将锚杆长度增长，达到设计要求才能安装锚杆，锚杆用300#水泥砂浆填塞密实。

3.3.7 要求基底承载力达到5.5kPa，基础必须挖至基岩，整体岩层嵌入0.25m，一般岩层应嵌入0.6m，松软岩层嵌入1m以下，基础挖不到基岩，应变设计处理。

3.3.8 钢筋必须经试拉合格才能对焊绑扎，混凝土的配合比按试验的配合比施工。

3.3.9 顶棚达到设计强度才能受力[6]。

4 结束语

在对此段铁路路基采用悬臂棚洞方式进行整治之后，进行展开观察后发现，此段铁路路基病害问题已经得到了预期的整治效果，为改短铁路后续的安全、稳定运行奠定了良好的基础。通过上文的调查研究和分析发现，在整治铁路路基病害的过程中，相关人员必须在现场做好仔细、严格的调查研究，明确导致路基病害的诱因和形成规律，以便在因地制宜的基础上，根据相应的路基病害类型制定具体的整治方案。如果导致铁路路基病害的诱因相对较多，则应当在综合各类诱因的基础上，制定综合性的整治方案。但无论采用何种铁路路基整治方案，都必须充分考虑投资额度的问题，力求在保证施工质量的基础上，用最少的投资一次性解决路基问题，比曼由于重复投资和施工造成不必要的人力、物力、财力浪费。