周 維

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

1 工程概況

沈丹客運(yùn)專線戴家堡子特大橋位于本溪市南中低山區(qū)，與本溪隧道出口處相接。工點(diǎn)位于中低山及河谷地貌，地形起伏陡峭，大部山體基巖裸露。山體經(jīng)風(fēng)化剝蝕，多呈圓頂狀，山腳多被長(zhǎng)期坡面剝蝕和堆積形成的碎石所覆蓋。橋梁小里程左側(cè)分布有規(guī)模較大的高陡邊坡，且邊坡巖體結(jié)構(gòu)較破碎，為危巖落石不良地質(zhì)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查分析，危巖分布及橋梁工點(diǎn)如圖1所示。

圖1 危巖落石不良地質(zhì)分布

戴家堡子特大橋小里程橋臺(tái)位置左側(cè)山體危巖落石①區(qū)、②區(qū),④為頁(yè)巖，③區(qū)為侵入巖安山玢巖。由于巖層節(jié)理發(fā)育，風(fēng)化較嚴(yán)重，在自身重力及雨水沖刷的相互作用下，表層強(qiáng)風(fēng)化層發(fā)生崩塌落石，并在橋梁左側(cè)A溝兩側(cè)形成危巖體區(qū)域。山頂B區(qū)域主要由填充在兩側(cè)頁(yè)巖中間的巖脈構(gòu)成，巖體節(jié)理發(fā)育在長(zhǎng)期風(fēng)化作用或列車荷載、爆破等人為擾動(dòng)下，易沿結(jié)構(gòu)面不利組合產(chǎn)生局部崩滑現(xiàn)象，由于該處垂直落距較高，一旦出現(xiàn)崩滑現(xiàn)象，其滾石可順A溝或橋梁左側(cè)山坡滾落。通過(guò)對(duì)橋梁附近調(diào)查，橋梁左側(cè)山坡有碎石堆積區(qū)，判斷為B區(qū)域落石堆積區(qū)。

沈丹客專線路位于山坡下方，距離山坡坡腳較近，危巖落石對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)及行車安全威脅較大，必須采取可靠的措施進(jìn)行治理。

2 危巖落石防護(hù)治理措施

根據(jù)規(guī)范要求，對(duì)于可能發(fā)生大范圍危巖、落石或大規(guī)模崩塌地段，線路應(yīng)該在勘測(cè)階段進(jìn)行繞避。對(duì)中小型危巖、落石和崩塌地段，應(yīng)根據(jù)病害類型及危害程度等采用遮蔽、攔截、清除、加固或綜合處理等安全可靠的工程措施[1]。

目前，對(duì)于規(guī)模較小的危巖、落石處理措施大體可分為主動(dòng)防護(hù)和被動(dòng)防護(hù)兩種類型體系。清坡、掛網(wǎng)錨噴、柔性主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)等屬于主動(dòng)防護(hù)體系，這種防護(hù)體系可以對(duì)較大面積范圍的危巖體進(jìn)行清除或加固防護(hù)，從源頭杜絕危巖落石的發(fā)生，保證危巖體下方的結(jié)構(gòu)安全，但采用清坡的方法容易對(duì)地形環(huán)境等造成影響，而采用大面積主動(dòng)加固防護(hù)則在養(yǎng)護(hù)維修方面較為困難并且造價(jià)較高。落石平臺(tái)、落石槽等以消能為主的工程措施，以及攔石墻、攔石堤、攔石柵、被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)等以攔截為主的工程措施屬于被動(dòng)防護(hù)體系，這種防護(hù)體系可以對(duì)危巖落石在運(yùn)動(dòng)中進(jìn)攔截，并可以根據(jù)所防護(hù)工點(diǎn)的具體地形地貌進(jìn)行靈活布置，針對(duì)性強(qiáng)，對(duì)環(huán)境影響較小，養(yǎng)護(hù)維修容易且造價(jià)較低。在實(shí)際工程中，一般可以根據(jù)工點(diǎn)的地形地貌及地質(zhì)條件，采用多種防護(hù)措施進(jìn)行綜合整治。

本橋左側(cè)山高坡陡，危巖落石來(lái)源區(qū)面積較大，若單獨(dú)采用主動(dòng)清除及加固防護(hù)措施，一則不能保證對(duì)所有危巖體進(jìn)行徹底清除與加固；二則工程量較大。通過(guò)對(duì)本橋工點(diǎn)地形地質(zhì)的綜合研究發(fā)現(xiàn)，線路左側(cè)山體半坡至坡腳處，即圖1中①～④區(qū)及橋梁左側(cè)邊坡碎石堆積區(qū)，危巖體較為集中，巖體松散破碎，對(duì)下方線路結(jié)構(gòu)及行車威脅較大，故對(duì)這范圍內(nèi)表層松散破碎的巖體應(yīng)進(jìn)行清除，對(duì)清理后的巖石坡面采用SNS主動(dòng)攔石網(wǎng)進(jìn)行加固。山頂B區(qū)內(nèi)巖石危巖分布較零散，如危巖崩裂后碎石應(yīng)沿橋梁左側(cè)山坡翻滾而下，為避免落石對(duì)下方橋梁結(jié)構(gòu)造成破壞，對(duì)落石運(yùn)動(dòng)路徑采用SNS被動(dòng)攔石網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)，被動(dòng)攔石防護(hù)網(wǎng)設(shè)于山坡間碎石堆積區(qū)域上方。橋梁范圍內(nèi)左側(cè)山坡危巖落石防護(hù)布置見(jiàn)圖2。

圖2 橋梁危巖落石防護(hù)設(shè)置

此外，本橋小里程橋臺(tái)及1號(hào)墩距山坡坡腳較近，橋梁墩臺(tái)高約10 m，危巖沿山坡滾落可能對(duì)橋梁墩臺(tái)造成沖擊破壞，為保證橋梁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)安全，本橋設(shè)計(jì)時(shí)考慮在小里程橋臺(tái)及1號(hào)墩原有表面外加設(shè)一層鋼筋混凝土保護(hù)層，以確保危巖滾落沖擊不會(huì)對(duì)橋梁墩臺(tái)原主體結(jié)構(gòu)造成破壞。通過(guò)上述三項(xiàng)措施的設(shè)置，不但可以對(duì)橋梁上方的危巖體進(jìn)行防護(hù)整治，并且可以對(duì)橋梁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行全面可靠的保護(hù)。

3 危巖落石防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 主動(dòng)防護(hù)措施設(shè)計(jì)與施工工藝

針對(duì)沈丹客運(yùn)專線戴家堡子特大橋小里程左側(cè)山坡上集中危巖體區(qū)域，設(shè)計(jì)采用SNS主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行加固處理。SNS(Safety Netting System)主要工作原理是采用縱橫交錯(cuò)的支撐繩與沿巖石面布置的錨桿相聯(lián)結(jié)并進(jìn)行預(yù)張拉，在支撐繩構(gòu)成的網(wǎng)格內(nèi)鋪設(shè)一張鋼絲繩網(wǎng)，每張鋼絲繩網(wǎng)與四周支撐繩間用縫合繩縫合聯(lián)結(jié)并拉緊，通過(guò)預(yù)張拉工藝使系統(tǒng)對(duì)坡面施以一定的法向預(yù)緊壓力，從而提高表層巖土體的穩(wěn)定性，盡可能地阻止崩塌落石的發(fā)生并將小部分落石限制在一定的空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，在鋼繩網(wǎng)下鋪設(shè)小網(wǎng)孔的格柵網(wǎng)，以阻止小尺寸巖塊的塌落。[2]

施工工序及工藝要求如下：

①清除坡面防護(hù)區(qū)域內(nèi)的浮土及浮石，對(duì)坡面進(jìn)行必要的整修，盡量保證防護(hù)坡面的整齊。

②通過(guò)放線測(cè)量以確定錨桿孔位，并在每一孔位處鑿不小于錨桿外露環(huán)套長(zhǎng)度的凹坑，一般口徑20 cm，深15 cm。

③按設(shè)計(jì)深度鉆鑿錨桿孔并清孔，孔深應(yīng)比設(shè)計(jì)錨桿長(zhǎng)度長(zhǎng)5 cm以上，孔徑不小于φ42；當(dāng)受鑿巖設(shè)備限制時(shí)，構(gòu)成每根錨桿的兩股鋼繩可分別錨入兩個(gè)孔徑不小于φ35的錨孔內(nèi)，形成人字形錨桿，兩股鋼繩間夾角為15°～30°，以達(dá)到同樣的錨固效果。

④注漿并插入錨桿，采用不低于M20號(hào)的水泥砂漿，孔內(nèi)應(yīng)確保漿液飽滿，在進(jìn)行下一道工序前注漿體養(yǎng)護(hù)不少于三天。

⑤安裝縱橫向支撐繩，兩端各用2～4個(gè)繩卡與錨桿外露環(huán)套固定連接，并用緊繩器張緊后固定。

⑥從上向下鋪掛格柵網(wǎng)，格柵網(wǎng)間重疊寬度不小于10 cm，兩張格柵網(wǎng)間的縫合以及格柵網(wǎng)與支撐繩間用φ1.2鐵絲按1 m間距進(jìn)行扎結(jié)。

3.2 被動(dòng)防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

針對(duì)山頂B區(qū)域的落石對(duì)線路的威脅，沿線路左側(cè)山體半坡設(shè)置一道被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的縱向長(zhǎng)度可囊括落石的可能行進(jìn)路徑，對(duì)落石在途中進(jìn)行有效攔截。與主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)相比，被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)所針對(duì)的落石隨機(jī)性、突發(fā)性及不可預(yù)見(jiàn)性更大，故在設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)落石的發(fā)生及可能進(jìn)行合理的分析及研究，以確定被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)所選用的型號(hào)及參數(shù)。

(1)被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)吸能型號(hào)

被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)主要靠自身的吸能裝置來(lái)承受落石沖擊動(dòng)能，落石質(zhì)量、速度越大，其沖擊動(dòng)能越大，對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞性也越大，因此準(zhǔn)確的判斷落石的沖擊能量，從而選擇合適型號(hào)的被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)是設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查測(cè)量，本橋山頂至被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)設(shè)置位置處，高差約為65 m，水平距離約90 m，山體坡度較為均勻順直，可以簡(jiǎn)化為單一斜坡進(jìn)行計(jì)算，坡度角i=35°。本設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)[3]中針對(duì)巖石在直線形坡落石速度的計(jì)算方法，確定落石沖擊被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的速度v

(1)

(2)

(2)被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)設(shè)置高度

落石一般沿斜坡翻滾、跳躍而下，被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)設(shè)計(jì)除了要考慮落石的沖擊能量，還必須考慮防護(hù)網(wǎng)的設(shè)置高度，使防護(hù)網(wǎng)可以對(duì)騰越的落石進(jìn)行攔截。

落石以滾動(dòng)跳躍復(fù)合形式運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以分析石塊運(yùn)動(dòng)由于跳躍暫時(shí)脫離邊坡的最大距離，而防護(hù)網(wǎng)的設(shè)置高度主要是求得落石在垂直方向上偏移斜坡的最大距離hmax。根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]中的計(jì)算公式

(3)

對(duì)于落石碰撞后的反射速度,參考文獻(xiàn)[1]中落石與坡面的碰撞系數(shù),本設(shè)計(jì)偏于安全，考慮選取落石反射速度v0=0.86vj，最終求得hmax=3.7 m。

通過(guò)以上計(jì)算求得了落石質(zhì)心騰躍軌跡高度偏移坡面的最大距離hmax,實(shí)際工程中考慮到落石的隨機(jī)與不確定性,被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的設(shè)計(jì)高度在最高偏移值hmax的基礎(chǔ)上再加1 m的安全值,近似取5 m。

3.3 橋墩臺(tái)防護(hù)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)山坡及坡頂?shù)奈r落石區(qū)域設(shè)置主動(dòng)及被動(dòng)防護(hù)網(wǎng),基本能夠攔截大塊落石,保證坡下橋梁安全,但可能有一些細(xì)小碎石會(huì)通過(guò)防護(hù)網(wǎng)眼漏出。由于坡度較為陡峭,落差較大,即使小塊碎石落下沖擊橋梁墩臺(tái),也可能對(duì)橋梁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)表面造成破壞,影響橋梁墩臺(tái)的耐久性。為了保護(hù)橋梁坡下墩臺(tái),設(shè)計(jì)考慮對(duì)橋墩臺(tái)加設(shè)鋼筋混凝土保護(hù)層。

[1] TB10035—2006 鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[2] 陽(yáng)友奎，賀詠梅.斜坡坡面地質(zhì)災(zāi)害SNS柔性防護(hù)系統(tǒng)概論[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù) ，2000，11(2)

[3] 蔣忠信，陳光曦，吳宗儉，等.中國(guó)山區(qū)道路災(zāi)害防治[M].重慶:重慶大學(xué)出版社，1996

[4] 鐵朝虎，徐遠(yuǎn)啟，劉信勇.柔性防護(hù)網(wǎng)在石太鐵路山體病害整治中的應(yīng)用[J].路基工程，2011(2)

[5] 鐵建設(shè)(2009)172號(hào) 鐵路邊坡防護(hù)及防排水工程設(shè)計(jì)補(bǔ)充規(guī)定[S]