柔性防護和錨索綜合治理危石

鐘慶華

(浙江金溫鐵道開發有限公司,浙江溫州 325000)

柔性防護和錨索綜合治理危石

鐘慶華

(浙江金溫鐵道開發有限公司,浙江溫州 325000)

以金溫線洞橋山危石區為例,闡述主動網和預應力錨索的作用機理。洞橋山危石區通過綜合運用主動防護、被動防護和采用錨索錨固危石的綜合治理,有效地保證了行車的安全。通過兩年的觀測,效果是顯著的。

柔性防護;錨索;危石治理

一、金溫線洞橋山危石區治理概況

金溫線洞橋山危石區,巖體裸露,巖面破碎,坡度較陡,風化嚴重并有大塊巖石剝落現象。在線路中心的右側約2 m處有9塊危石,大的一塊約9 m×5 m,距洞橋山隧道洞門12 m。小的一塊約6 m×4 m,距隧道洞門6 m,對行車構成很大的危害。

二、柔性防護系統

柔性防護系統是利用鋼絲繩網為主要特征構件以覆蓋和攔截兩種基本形式來防護危巖和崩塌落石地質災害的柔性安全防護系統技術。充分利用了柔性材料的易鋪展性和高防沖擊能力,能夠較好地適應抗擊集中荷載或高沖擊荷載,柔性防護系統從防護原理和防護目的上,可以分為主動防護和被動防護系統兩類。

(一)主動防護系統

主動防護系統是以鋼絲繩網為主的各類柔性網覆蓋或包裹在鐵路兩側需防護的有潛在巖崩坡面上,以限制坡面巖土體的風化剝落或破壞以及危巖崩塌(加固作用),或者將落石控制在一定范圍內運動(圍護作用)。通過錨桿和支撐繩固定方式將鋼絲網覆蓋在具有潛在地質災害的坡面上,從而實現坡面加固或限制崩塌落石運動范圍。圖1所示主動防護系統,其固定系統由錨桿和錨桿間的支撐繩構成(圖2),通過固定在錨桿或支撐繩上并施以一定預張拉的鋼絲繩網或格柵網,對整個邊坡形成連續支撐,其預張拉作業使系統盡可能緊貼坡面并形成了阻止局部危巖移動或在細小位移后將其滯留于原位附近的預應力,從而達到主動防護(加固)的作用。系統傳力的過程為“鋼絲網→支撐繩→錨桿→穩定地層”。柔性特征使系統能承擔較大的下滑力,并將局部集中下滑力向四周均勻傳遞以充分發揮整個系統的防護能力。

(二)滾動滑動模式(圖3)

落石沿邊坡的運動加速度a=g(sinβ-fcosβ),g為重力加速度,f為運動的摩擦系數。在t時刻的滾動滑動位移s,落石的速度V為:

式中v0為初始加速度。計算中若,則落石將因摩擦作用而停止。

圖3 滾動滑動模式

(三)被動防護系統

被動防護系統(圖4)是一種攔截和堆存巖質邊坡崩塌落石的柔性金屬柵欄,與攔石墻等建筑物的不同在于系統的柔性和強度足以吸收和分散傳遞預計的落石量并使系統受到的損傷最小。整個系統由鋼絲繩、錨桿和支撐繩、減壓環及柱四部分構成,系統的柔性主要來自鋼絲繩、支撐繩和減壓環等結構。

圖4 被動防護系統示意圖

(四)被動防護系統計算

對于坡面危石分布較廣、體積較大或有巖堆分布以及坡面危、孤石分散難于清理的,可根據工地實際情況,考慮采用柔性防護的方法處理,即首先按照經驗公式計算落石速度。

1.簡單山坡

式中:ε為落石速度系數,與山坡的坡角α、植被、落石頻率等因素有關。

上式適用于α>45°基巖外露的山坡;α45°大部長有灌木和雜草但樹木稀疏按70%～80%折減;山坡植被茂密時按60%～70%折減。

2.折線型山坡(α=30～60o,Δ α>5,L>10)不適合取平均坡角時,

εj,Hj分別為第j段的速度系數和從終點算起的高度。

3.石塊自塹頂以初速度V0滾落,落石點的速度為:

g為重力加速度;

根據落石速度,計算落石的沖擊力或落石動能,合理選用了被動柔性防護的種類,根據山坡高度、坡度通過計算,合理地確定了被動防護的高度。使得金溫鐵路的危巖落石得到了較為徹底的整治。為行車安全提供了比較安全可靠的保證。

三、預應力錨索

(一)錨固的優化設計

危巖體的基本荷載有巖體自重W、降暴雨時縫內壓力U、滲壓力V等。危巖體的加固采用主動防護的方法,即在危巖體下部、中部和上部加錨固力,分別為KT1、KT2、KT3, F為危巖體的安全系數。在設計中通過調整錨固力角度,在設計要求的安全程度下,使總錨固力最小,來達到最優化的目的。即:

優化目標函數:總錨固力;

優化參數:錨固角度α1、α2、α3(分別為KT1、KT2、KT3與水平面的夾角)。

巖體安全系數設計要求:

正常情況下:F≥1.1

特殊荷載組合(考慮水壓力等其它情況F需滿足:最大錨固力≤[T]。根據極限平衡理論,安全系數):F≥1.0考慮施工方面原因。

式中:α為滑面傾角;φ為滑面摩擦角;c為黏聚力;L為危巖體厚度。

因此錨固優化設計的數學模型為:

目標函數:

4.非負條件:KT1≥0、KT2≥0、KT3≥0;

用單純形法等可求出解。

錨固力的最優解不僅與錨索傾角有關,還與滑面傾角、滑面摩擦角等有關。為了避免危巖體的繼續風化,可考慮并用掛網、噴射混凝土等方法作為錨固的輔助方法一并使用。

四、綜合治理效果

洞橋山危石區通過綜合運用主動防護、被動防護和采用錨索錨固危石的綜合治理(見圖5),有效地保證了行車的安全。現通過兩年的觀測,效果是顯著的。

圖5 主動防護、被動防護、錨索錨固危石的綜合治理

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(責任編輯張佑法)

U213

A

1007-7111(2010)12-0121-02

2010-11-05

鐘慶華(1975—),男,研究方向:路基防護。