移動-靜態支護法在鄰近電氣化鐵路高邊坡土石方開挖的應用

蔣明軒 劉汝梧 鄧敏

以工程實際為背景，量化分析鄰近電氣化鐵路高邊坡土石方開挖的安全風險源，基于原設計方案提出移動-靜態支護法。運用力學和機械能定律，結合項目實施結果，從工程進度、安全和成本控制方面分析方案成果，驗證方案的可行性，對電氣化鐵路高邊坡土石方開挖具有一定參考意義。

鄰近既有電氣化鐵路路基高邊坡土石方開挖，是山區丘陵地帶電氣化線路擴能改造施工的難點。在路基開挖邊坡土石方，開挖落石易侵入鐵路限界，飛石擊傷接觸網設備，嚴重影響既有線正常運營，現行安全防護措施難度高，工程量大，大幅增加基礎設施建設投資。

一、工程概況

新建鐵路貴州三峽義龍德臥油庫鐵路專用線工程，位于貴州省興義市安龍站內，需在既有電氣化鐵路4道旁平行增建一條油庫專用線1km，新建線路與既有線線間距為7m。新建線路需要開挖既有線路路基護坡作為路基，平均高度8m，最高12m，地質為巖溶峰叢山地、巖溶峰叢洼地地貌，土質為硬塑灰巖和強風化V級堅石。高邊坡坡度比1：0.75。需挖土方8075m3，挖石方37375m3。站內接觸網軟橫跨立柱基礎位于4道側溝上，鄰近既有線土石方開挖嚴禁爆破。開挖邊坡底與既有鐵路路肩間隔一個排水溝，寬0.8m。

設計方案是先將施工范圍內的管線設備遷改到施工影響范圍以外的新建護坡上，完成邊坡土石方開挖和專用線敷設后，再按原樣恢復。經現場調查，原方案不可行。原因如下：

1.工期不足

根據合同倒排工期，土石方分部工程工期60天，按原方案遷改受施工影響的13根接觸網立柱需要封鎖線路3次，臨時遷改需要新建26個接觸網立柱基礎，加長和縮短遷改軟橫跨各一次，需要封鎖點12個。站內列車運行量大，鐵路部門無法依據接觸網遷改工程需要批復封鎖點。

2.無法長時間封鎖線路

為保證既有線路安全，鄰近線路高邊坡土石方開挖必須封鎖線路，即開挖土石方的兩個月內需要封鎖停用既有4道，安龍站將損失四分之一的調車能力，無法完成鐵路運輸任務，封鎖線路開挖土石方的方案不可行。

二、工程重難點分析

接觸網立柱在路基邊坡底，橫跨既有4道的側溝上在鐵路限界邊緣，鄰近接觸網進行土石方開挖，安全風險源有細小飛石擊傷接觸網設備和大塊落石滾落侵入鐵路安全限界。

1.飛石擊傷接觸網設備

液壓巖石破碎錘開挖土石方會有直徑較小的石頭飛濺，擊傷接觸網懸掛、支持和定位裝置，導致其無法正常供電，危及行車。

經現場試驗，能擊傷接觸網設備的石子直徑d≤3cm，從平均高度h=8m處飛濺，最大質量m≈13g，水平方向飛行距離S=7m，設水平方向初始速度v0，垂直方向初始速度為，石頭下落時間為t，接觸地面之前的瞬間速度為vt，取重力加速度g=10kg/m2。

垂直方向石頭初始速度為=0，可得vt=at,a=g；可得vt=12.64m/s，t=1.26s；水平方向S=vot，可得v0=0.55m/s。

石頭滾落碰到阻擋0，作用力為F1，取石頭與阻擋作用時間t=0.1s，由沖量動量守恒定律，mvt-0=F1t，即石頭對阻擋物的沖擊力F1=1.6432N，完全可以使用支架鋼板進行物理隔離，避免施工期間石子對接觸網立柱的影響。

2.落石侵入既有4道限界

另外，臨近高邊坡用巖石破碎錘土石方開挖，會有大塊石頭滾落破壞侵入既有4道線路范圍。經測量，大塊石頭直徑約20cm，沿高h=8m的護坡滾落，坡度42°，忽略水平方向初始速度，質量m=86.54kg，下落至面速度為。

石頭的重力分解為沿坡度方向的加速度a1=g?sin42°和垂直于坡面的摩擦力f=mg?cos42°;依據機械守恒定律，石頭的重力勢能轉換成動能和摩擦力做功，可得

石頭滾落碰到阻擋，作用力為F2，速度瞬間變成0，取石頭與阻擋作用時間t=0.1s，由沖量動量守恒定律，mvt-0=F2t；可得F2=7740N。

三、移動支護法

1.移動-靜態支護措施

（1）方案介紹

針對風險源，即高邊坡土石方開挖中飛濺小石子和滾落的大石頭對既有線的影響，重點參考分析數據制定安全防護措施，在保證既有線安全運營的前提下，兼顧工程進度和成本控制，安全支護如圖1。

施工期間保證既有線的正常運營是高邊坡土石方開挖的核心。安全防護重點是4道及左側接觸網，根據分析數據和現場情況，除按要求設置硬隔離外，在破碎施工點做兩道支檔結構：

圖1 安全防護支護圖

第1道：“鋼管-鐵網”移動支護。在破碎錘施工點以DN100鋼管為立柱（高2.0m），入巖50cm，以φ8鐵網擋板2m×1m，在靠近接觸網一側打入膨脹螺絲將支檔結構牢牢固定，并做好斜撐防止倒塌，防止破碎錘施工時碎石往鐵路方向飛濺，支護在開挖過程中隨著邊坡高度下降而降低，直至線路路基高程。

第2道“鋼軌-竹排架”靜態支護。在接觸網立柱外側設間距4.0m，P50鋼軌立柱入土50cm，以竹排架為擋板，防止邊坡開挖的落石砸到接觸網立柱，杜絕大塊滾石侵入4道安全限界。

（2）方案可行性分析

飛濺石子對障礙物的沖擊力是1.6432N。在無障礙時飛濺距離較遠，但沖擊力不是很大。φ8鋼筋的彎矩是10N/M，DN100鋼管入巖50cm，完全能滿足飛濺石子抗沖擊要求。

另外，滾落的大石頭滾落作用力為7740N，鋼軌抗壓強度為900Mpa，即每平方抗沖擊力為900N，一定能滿足防止大石塊滾落的沖擊力。

綜合分析，方案中設置的兩道移動和靜態支護，能完美消除土石方開挖中飛濺石子和滾落石塊對接觸網和既有線安全運營的影響。

2.適用性分析

（1）進度分析

從整體來看，開挖土石方實際工期55個工日，運用4臺挖掘機巖石破碎錘，制作靜態支護300m，移動支護13處，累計移動50次提前5天完成施工任務。節約了遷改13處接觸網立柱的時間。雖然設置靜態支護和移動支護需要耗費人工，但避免了遷改等待批復封鎖點的沉默成本，且設置支護時間可控，加強了進度控制能力。

（2）安全分析

根據實際結果來看，土石方開挖期間所有安全風險源得到了控制，杜絕了飛濺石子和滾落石塊對接觸網和既有線的影響，土石方開挖施工期間未出現安全事故，移動-靜態支護方案在高邊坡土石方開挖中是可行的。

（3）成本分析

原安全措施需遷改臨近邊坡開挖的13根接觸網立柱，并在土石方開挖期間封鎖既有4道，完成開挖后將接觸網立柱遷改恢復原位。而優化后的安全防護措施使用鋼管、竹排架、廢舊短鋼軌和鋼筋網就能達到安全支護要求，可以提升工程利潤空間或縮減建設單位投資。