路塹樁板墻式攔石結構設計

向俊紅

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055)

Design of Cutting Pile-Plank Wall Type of Block Stone Structure

XIANG Junhong

路塹樁板墻式攔石結構設計

向俊紅

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055)

Design of Cutting Pile-Plank Wall Type of Block Stone Structure

XIANG Junhong

摘要以張呼客運專線某段深路塹設計為例，提出路塹樁板墻、被動攔石網、緩沖土堤、落石槽相結合的綜合防護措施。根據地形、地質情況，結合落石運動、邊坡土壓力、落石沖擊力，計算防護結構尺寸。

關鍵詞深路塹危巖落石樁板墻被動攔石網落石槽土壓力沖擊力

以張呼客運專線某段深路塹路基為工程背景，對深路塹及其落石防護進行設計研究，提出一種路塹樁板墻結合被動攔石網、落石槽防治危巖落石的設計方案。該方案為由路塹樁板墻、落石槽、緩沖土堤及被動攔石網組合而成的防護結構，可有效防止塹頂的危巖落石源對路基工程產生的災害，并且經濟實用、外形美觀。

1工程概況

張呼客專鐵路位于河北、內蒙古自治區境內，正線按時速250 km有砟軌道設計，全長286.803 km，其中路基長109.955 km，占線路長度的38.34%，而深路塹為路基主要工點類型之一。工點處深挖方路塹位于中山丘陵地帶，植被發育，地勢起伏較大，相對高差超過40 m；地層巖性相對較簡單，主要為第四系全新統坡積層(Q4dl)、太古界大理巖組(Ar1Mb)，地面表層為薄層全風化大理巖夾雜碎石土，下伏強—弱風化大理巖，節理裂隙發育，風化較嚴重，且線路右側分布較大面積的危巖落石[1]。

2路基坡面支護

該段路基右側自然坡面陡峭，局部基巖裸露，邊坡高度達25～40 m，若設人工路塹邊坡，圬工量巨大，施工難度較高，且大部分邊坡開挖時需貼自然坡面刷坡，這樣施工反而易引發邊坡土體下滑，造成安全事故。故路基右側設置頂部高出地面線的路塹樁板墻收坡，樁身采用C35鋼筋混凝土現場澆筑，樁間板采用現場預制的C40鋼筋混凝土槽形板，樁板墻頂部預留寬度不小于5 m的平臺，平臺上部維持原自然坡面不變。

3危巖落石防護

傳統的攔石網、清石[2]措施只能有效地減少既有落石，雨水沖刷、風化剝落等都會形成新的落石，且后期形成的落石，其大小及運動軌跡很難確定，防護難度較大。為了確保張呼鐵路運營期間的安全，應從路基根部解決落石問題。

落石防護結構一般有剛性結構和柔性結構兩種。剛性結構一般為攔石墻、落石槽、攔石堤等，其優點是可就地取材，耐久性好，成本低，且后期維護相對簡單，但結構自身截面大、占地多、抗沖擊能力有限，且其多與工程采用分離式結構形式，投資較大。柔性結構如主、被動攔石網，多為直接采購的半成品，可結合地形及工程結構進行統籌布局，施工方便，其缺點是易生銹，需定期保養，后期維護成本較高〔3〕。

考慮該路基工程特點，并結合邊坡的穩定、防護成本、施工難度及后期維護等，擬采用路塹樁板墻結合被動攔石網及落石槽的防護結構(以下簡稱路塹樁板墻式攔石結構)。

4路塹樁板墻式攔石結構特征

路塹樁板墻式攔石結構主要由路塹樁板墻、被動攔石網、緩沖土堤和落石槽組成，其中樁板墻為主體結構。落石槽槽底鋪設砂夾卵礫石等緩沖層，可降低落石沖擊槽底后的彈跳高度，增加有效攔截高度，且槽中積蓄落石，便于后期清除。緩沖土堤位于落石槽和樁板墻之間，落石沖擊力直接作用于緩沖土堤的迎石坡面，再通過緩沖層向樁板墻傳遞、擴散，避免樁板墻直接受力，增強主體結構的抗沖擊性能。[4]樁板墻頂部設置被動攔石網，主要起阻攔高位滾落危石的作用。被動攔石網立柱錨固于樁板墻頂部，每根樁頂正好布置1根立柱，且立柱應靠近落石槽一側布置，立柱間采用雙層攔石網交錯布置以減小被動網孔徑，防止破碎后的落石鉆過去。被動攔石網[5]的雙層網通過拉索固定于自然邊坡上。路塹樁板墻式攔石結構的基本形式見圖1。

圖1　路塹樁板墻式攔石結構剖面

5路塹樁板墻式攔石結構設計

樁板墻為主體受力構件，最終以計算樁板墻結構尺寸為主要設計任務。整體結構的布設包括平面位置、延伸長度、攔截高度等。因樁板墻主要用于邊坡支擋，故其平面位置基本固定，即位于側溝平臺外側。樁板墻的平面位置固定后，其走向也基本固定，延伸長度可根據地形條件即深路塹和危巖落石段落確定。樁板墻背后的緩沖土堤厚度、落石槽尺寸及樁頂的被動攔石網高度，可根據地形，地層條件，落石運動軌跡及沖擊力、彈跳高度等設計。根據最終確定的落石槽深度、緩沖土堤厚度可推測樁板墻露出地面段長度，即懸臂段長度，最后結合傳到樁板墻上的落石沖擊力、邊坡土壓力[6]，計算樁板墻的尺寸、縱向布置間距。

5.l　防護結構高度設計

先選擇代表性橫斷面，如坡度陡且基巖裸露多、危巖體較大、崩落可能性大等地段橫斷面，計算落石運動路徑，根據落石運動軌跡選擇最大有效攔截高度或彈跳高度，再加0.5～1 m安全值即為攔石結構防護高度。

本段落石區山坡為折線形，各段平均坡度角α取40°，對最不利斷面進行落石運動速度計算(如表1)。

表1　落石運動速度計算結果

因攔石結構平面位置已固定，可根據落石運動軌跡方程[7]y=+xctgβ，計算攔石結構的有效攔截高度。式中落石反射角速度V0與豎向夾角β(取80°)已知，樁板墻距塹頂水平距離為51.9 m，計算得出落石運動至樁板墻頂時距塹頂高差45.8 m，樁板墻錨固面距塹頂60 m，即得出該處落石有效防護高度為60-45.8=14.2 m，故攔石結構防護高度取15 m，其中樁板墻懸臂段長10 m，則樁頂被動攔石網高度為5 m。

5.2　落石槽深度計算

落石槽的深度需由石塊在攔截建筑物迎石坡面上跳躍的最大高度來確定。落石的彈跳高度和速度可根據山坡高度、邊坡坡率、坡面摩擦系數等進行計算，取石塊落在槽底距緩沖土堤的迎石坡面坡腳0.5 m時的彈跳計算。緩沖土堤迎石坡面坡率1∶0.75，水平夾角θ為53.3°，經計算得知落石三次彈跳高度〔7〕分別為0.54 m、2.53 m、0.08 m，落石槽深度為石塊跳躍的總高度加上0.5～1.0 m的安全值，這里得出落石槽深度取值4.0 m。

5.3　落石沖擊力計算與緩沖土堤設計

一般應根據石塊陷入緩沖層的最大深度確定緩沖土層的厚度，實際工程中考慮設計緩沖層堤頂厚度，還需要結合整個攔石結構在邊坡上布置的有效空間以及落石沖擊力擴散范圍等因素。因陡坡上落石存在未知的尺寸，需結合落石調查合理選擇落石的代表性尺寸。

(1)落石對緩沖層沖擊力的計算

落石對緩沖層的沖擊力是樁板墻結構承受的主要荷載之一，計算簡圖如圖2所示。

石塊對緩沖層沖擊力計算P=P(z)·F；

石塊沖擊陷入緩沖層的單位阻力P(Z)=2γZ[2tan4(45°+0.5φ)-1]；

緩沖層填土內摩擦角φ取35°，設計采用落石直徑R為65 cm，假想為球體，落石重G為3.16 kN，其直徑截面積F為0.33 m2；經計算得出落石作用于緩沖土層表面的壓強P=199.04 kPa，陷入緩沖層深度為0.92 m，此處緩沖土層厚度選取1.5 m。

圖2　石塊對緩沖層和攔石結構沖擊力的計算

(2)落石作用于樁板墻上的沖擊荷載

沖擊力在緩沖土堤中的擴散角一般≤40°，因落石沖擊導致土堤產生被動性破壞，故采用其被動破裂角θ=45°-φ/2為沖擊力在緩沖層的擴散角。

本處偏安全設計采用沖擊力方向為垂直于板墻方向，并呈圓錐狀擴散到板樁墻上。結合緩沖層厚度l、落石半徑R，計算沖擊力最終作用于樁板墻體的投影圓直徑d=2(R+l·tanθ)，沖擊荷載q=pR2/(d/2)2，經計算，得出沖擊力擴散后作用于樁板墻的有效范圍L0=d=2.9 m，沖擊荷載q=41.04 kPa。

5.4　樁板墻結構計算

樁板墻承受的土壓力計算：

作用于樁板墻上土壓力可用庫侖土壓力理論進行計算，經綜合分析，樁板墻懸臂段長度按L=10 m考慮，墻后懸臂段為土層，綜合內摩擦角φ取35°，墻背傾角為0°。經計算，墻后土壓力Ea=605.2 kN，Ex=577.2 kN：庫侖土壓力呈三角形分布，錨固面處對應巖土體水平應力σH=115.4 kPa。

組合作用于樁板墻的落石沖擊荷載、邊坡土壓力，受力分布見圖3。根據樁板墻錨固段地層情況，按一般樁板墻[10，11]設計方法計算此處路基樁板墻，得錨固段長12 m，樁截面尺寸為2.5 m×2.75 m，沿線路方向樁間距5 m，為矩形樁。然后再根據受力計算進行樁、板結構配筋。

圖3　樁板墻受力分布

6結束語

以上結構適用于深挖方路塹攔落石的防護，在不進行深挖方路塹開挖之前施做，可減少土石方開挖工程，增強邊坡穩定性，并能有效控制工程用地。該結構以路塹樁板墻作為主體受力構件，將落石沖擊力、邊坡土壓力最終傳入地基內，并結合緩沖土堤、落石槽，提高自身抗沖擊能力，克服傳統攔石墻或柔性防護網的不足。該防護結構直接解決了路基邊上落石問題，在一般危巖落石處理措施的基礎上有所創新，為傳統陡坡地段危巖落石路基補充了一套更安全的防護措施，降低了落石路基的風險，而且施工簡便，外形構造美觀，具有廣泛的適用性。

參考文獻

[1]鐵道部第一勘測設計院.鐵路工程地質手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2007

[2]鐵道第一勘察設計院.鐵路工程設計技術手冊：路基[M].北京：中國鐵道出版社，1995

[3]劉建紅.V型沖溝落石防護結構設計[J].隧道建設，2012(10)

[4]葉四橋，陳洪凱，唐紅梅.基于落石計算的半剛性攔石墻設計[J].中國鐵道科學，2008(3)

[5]葉四橋，唐紅梅，祝輝.基于落石運動特性分析的攔石網設計理念[J].巖土工程學報，2007(4)

[6]李海光.新型支擋結構設計與工程實例[M].北京：人民交通出版社，2003

[7]鐵道部工務局.鐵路工務技術手冊：路基[M].北京：中國鐵道出版社，1993

[8]TB10035—2006鐵路特殊路基設計規范[S]

[9]唐紅梅.危巖攔石墻計算方法研究[J].中國地質災害與防治學報，2005(3)

[10]TB10025—2006鐵路路基支擋結構設計規范[S]

[11]GB50010—2010混凝土結構設計規范[S]

[12]TB10621—2009高速鐵路設計規范[S]

中圖分類號：U213.1+52.2； U216.41+5

文獻標識碼：B

文章編號：1672-7479(2015)03-0028-03

作者簡介：向俊紅(1980—)，女，2003年畢業于武漢工程大學土木工程專業，工程師。

收稿日期：2015-03-16