客運專線橋梁危巖落石防護設計

周 維

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

1 工程概況

沈丹客運專線戴家堡子特大橋位于本溪市南中低山區，與本溪隧道出口處相接。工點位于中低山及河谷地貌，地形起伏陡峭，大部山體基巖裸露。山體經風化剝蝕，多呈圓頂狀，山腳多被長期坡面剝蝕和堆積形成的碎石所覆蓋。橋梁小里程左側分布有規模較大的高陡邊坡，且邊坡巖體結構較破碎，為危巖落石不良地質。經過現場實地調查分析，危巖分布及橋梁工點如圖1所示。

圖1 危巖落石不良地質分布

戴家堡子特大橋小里程橋臺位置左側山體危巖落石①區、②區,④為頁巖，③區為侵入巖安山玢巖。由于巖層節理發育，風化較嚴重，在自身重力及雨水沖刷的相互作用下，表層強風化層發生崩塌落石，并在橋梁左側A溝兩側形成危巖體區域。山頂B區域主要由填充在兩側頁巖中間的巖脈構成，巖體節理發育在長期風化作用或列車荷載、爆破等人為擾動下，易沿結構面不利組合產生局部崩滑現象，由于該處垂直落距較高，一旦出現崩滑現象，其滾石可順A溝或橋梁左側山坡滾落。通過對橋梁附近調查，橋梁左側山坡有碎石堆積區，判斷為B區域落石堆積區。

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

2 危巖落石防護治理措施

根據規范要求，對于可能發生大范圍危巖、落石或大規模崩塌地段，線路應該在勘測階段進行繞避。對中小型危巖、落石和崩塌地段，應根據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，對于規模較小的危巖、落石處理措施大體可分為主動防護和被動防護兩種類型體系。清坡、掛網錨噴、柔性主動防護網等屬于主動防護體系，這種防護體系可以對較大面積范圍的危巖體進行清除或加固防護，從源頭杜絕危巖落石的發生，保證危巖體下方的結構安全，但采用清坡的方法容易對地形環境等造成影響，而采用大面積主動加固防護則在養護維修方面較為困難并且造價較高。落石平臺、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、被動防護網等以攔截為主的工程措施屬于被動防護體系，這種防護體系可以對危巖落石在運動中進攔截，并可以根據所防護工點的具體地形地貌進行靈活布置，針對性強，對環境影響較小，養護維修容易且造價較低。在實際工程中，一般可以根據工點的地形地貌及地質條件，采用多種防護措施進行綜合整治。

本橋左側山高坡陡，危巖落石來源區面積較大，若單獨采用主動清除及加固防護措施，一則不能保證對所有危巖體進行徹底清除與加固；二則工程量較大。通過對本橋工點地形地質的綜合研究發現，線路左側山體半坡至坡腳處，即圖1中①～④區及橋梁左側邊坡碎石堆積區，危巖體較為集中，巖體松散破碎，對下方線路結構及行車威脅較大，故對這范圍內表層松散破碎的巖體應進行清除，對清理后的巖石坡面采用SNS主動攔石網進行加固。山頂B區內巖石危巖分布較零散，如危巖崩裂后碎石應沿橋梁左側山坡翻滾而下，為避免落石對下方橋梁結構造成破壞，對落石運動路徑采用SNS被動攔石網進行防護，被動攔石防護網設于山坡間碎石堆積區域上方。橋梁范圍內左側山坡危巖落石防護布置見圖2。

圖2 橋梁危巖落石防護設置

此外，本橋小里程橋臺及1號墩距山坡坡腳較近，橋梁墩臺高約10 m，危巖沿山坡滾落可能對橋梁墩臺造成沖擊破壞，為保證橋梁墩臺結構安全，本橋設計時考慮在小里程橋臺及1號墩原有表面外加設一層鋼筋混凝土保護層，以確保危巖滾落沖擊不會對橋梁墩臺原主體結構造成破壞。通過上述三項措施的設置，不但可以對橋梁上方的危巖體進行防護整治，并且可以對橋梁墩臺結構本身進行全面可靠的保護。

3 危巖落石防護結構設計

3.1 主動防護措施設計與施工工藝

針對沈丹客運專線戴家堡子特大橋小里程左側山坡上集中危巖體區域，設計采用SNS主動防護網進行加固處理。SNS(Safety Netting System)主要工作原理是采用縱橫交錯的支撐繩與沿巖石面布置的錨桿相聯結并進行預張拉，在支撐繩構成的網格內鋪設一張鋼絲繩網，每張鋼絲繩網與四周支撐繩間用縫合繩縫合聯結并拉緊，通過預張拉工藝使系統對坡面施以一定的法向預緊壓力，從而提高表層巖土體的穩定性，盡可能地阻止崩塌落石的發生并將小部分落石限制在一定的空間內運動，同時，在鋼繩網下鋪設小網孔的格柵網，以阻止小尺寸巖塊的塌落。[2]

施工工序及工藝要求如下：

①清除坡面防護區域內的浮土及浮石，對坡面進行必要的整修，盡量保證防護坡面的整齊。

②通過放線測量以確定錨桿孔位，并在每一孔位處鑿不小于錨桿外露環套長度的凹坑，一般口徑20 cm，深15 cm。

③按設計深度鉆鑿錨桿孔并清孔，孔深應比設計錨桿長度長5 cm以上，孔徑不小于φ42；當受鑿巖設備限制時，構成每根錨桿的兩股鋼繩可分別錨入兩個孔徑不小于φ35的錨孔內，形成人字形錨桿，兩股鋼繩間夾角為15°～30°，以達到同樣的錨固效果。

④注漿并插入錨桿，采用不低于M20號的水泥砂漿，孔內應確保漿液飽滿，在進行下一道工序前注漿體養護不少于三天。

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

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

3.2 被動防護結構設計與計算

針對山頂B區域的落石對線路的威脅，沿線路左側山體半坡設置一道被動防護網，被動防護網的縱向長度可囊括落石的可能行進路徑，對落石在途中進行有效攔截。與主動防護網相比，被動防護網所針對的落石隨機性、突發性及不可預見性更大，故在設計時需要對落石的發生及可能進行合理的分析及研究，以確定被動防護網所選用的型號及參數。

(1)被動防護網吸能型號

被動防護網主要靠自身的吸能裝置來承受落石沖擊動能，落石質量、速度越大，其沖擊動能越大，對結構的破壞性也越大，因此準確的判斷落石的沖擊能量，從而選擇合適型號的被動防護網是設計的首要任務。

根據現場調查測量，本橋山頂至被動防護網設置位置處，高差約為65 m，水平距離約90 m，山體坡度較為均勻順直，可以簡化為單一斜坡進行計算，坡度角i=35°。本設計參考文獻[3]中針對巖石在直線形坡落石速度的計算方法，確定落石沖擊被動防護網的速度v

(1)

(2)

(2)被動防護網設置高度

落石一般沿斜坡翻滾、跳躍而下，被動防護網設計除了要考慮落石的沖擊能量，還必須考慮防護網的設置高度，使防護網可以對騰越的落石進行攔截。

落石以滾動跳躍復合形式運動時，可以分析石塊運動由于跳躍暫時脫離邊坡的最大距離，而防護網的設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。根據參考文獻[3]中的計算公式

(3)

對于落石碰撞后的反射速度,參考文獻[1]中落石與坡面的碰撞系數,本設計偏于安全，考慮選取落石反射速度v0=0.86vj，最終求得hmax=3.7 m。

通過以上計算求得了落石質心騰躍軌跡高度偏移坡面的最大距離hmax,實際工程中考慮到落石的隨機與不確定性,被動防護網的設計高度在最高偏移值hmax的基礎上再加1 m的安全值,近似取5 m。

3.3 橋墩臺防護設計

通過對山坡及坡頂的危巖落石區域設置主動及被動防護網,基本能夠攔截大塊落石,保證坡下橋梁安全,但可能有一些細小碎石會通過防護網眼漏出。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,也可能對橋梁墩臺結構表面造成破壞,影響橋梁墩臺的耐久性。為了保護橋梁坡下墩臺,設計考慮對橋墩臺加設鋼筋混凝土保護層。

[1] TB10035—2006 鐵路特殊路基設計規范[S]

[2] 陽友奎，賀詠梅.斜坡坡面地質災害SNS柔性防護系統概論[J].地質災害與環境保護 ，2000，11(2)

[3] 蔣忠信，陳光曦，吳宗儉，等.中國山區道路災害防治[M].重慶:重慶大學出版社，1996

[4] 鐵朝虎，徐遠啟，劉信勇.柔性防護網在石太鐵路山體病害整治中的應用[J].路基工程，2011(2)

[5] 鐵建設(2009)172號 鐵路邊坡防護及防排水工程設計補充規定[S]