山區鐵路支擋結構安全保障與韌性提升

魏永幸

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

1 概述

支擋結構廣泛應用于山區鐵路(公路)工程，其安全受環境、地質、水文、技術、材料等多因素，以及勘察、設計、施工、維護等多環節影響。然而，支擋結構安全事故(問題)時有發生，支擋結構安全風險也一直存在識別難、評估難、防控難的突出問題。如何量化識別評估支擋結構的安全風險，并從工程建設源頭(即工程設計環節)做好支擋結構安全風險防控，保障支擋結構安全、提升支擋結構安全韌性，做到安全可靠、經濟合理，是山區鐵路(公路)建設一直面臨的技術挑戰和亟待解決的技術難題。

中鐵二院工程集團有限責任公司聯合西南交通大學，歷時十余年，圍繞支擋結構安全風險識別評估、支擋結構極限狀態設計、支擋結構安全性能提升開展了系統的試驗研究[1-7]，構建了以“風險識別-量化評估-綜合防控”為核心的支擋結構安全風險識別與防控技術體系，建立了基于風險識別、參數自洽的支擋結構極限狀態設計方法，形成了山區鐵路支擋結構安全保障與韌性提升成套技術[8-14]，支撐了西南山區滬昆、貴廣、成貴等7 000多公里鐵路建設。本文簡要介紹了山區鐵路支擋結構安全保障與韌性提升的工作思路、相關研究工作和取得的主要創新成果。

2 支擋結構安全的總體要求、實現路徑與技術路線

2.1 支擋結構安全的總體要求

作為鐵路(公路)工程重要組成部分，支擋結構最根本目的、也是最基本的要求是保障鐵路(公路)的運輸暢通。針對具體的工程而言，其最基本的安全要求有兩點：一是必須保持結構的長期穩定。支擋結構一旦失穩，會造成邊坡垮塌、路基沉陷，嚴重時中斷鐵路(公路)運營，造成巨大的經濟損失和不良影響。二是結構變形應控制在許可范圍，應不影響鐵路(公路)的正常使用。支擋結構如出現過大的變形，會影響鐵路(公路)的正常使用，引起限速，嚴重時需停止運營進行維修。

對于山區鐵路，由于地形、地質及環境極為復雜，支擋結構設置及使用環境復雜多樣，這也導致影響支擋結構安全的風險因素眾多。目前，限于認知水平，支擋結構在全生命周期內的安全風險尚難以完全消除，因而相關研究常聚焦于增強支擋結構風險承受能力，以期將風險發生時支擋結構安全受到的影響降到最小。支擋結構抵御和承受安全風險的能力，可稱為支擋結構的安全韌性[15]。

綜上，山區鐵路支擋結構安全的內涵，除保持長期穩定和控制結構變形外，還應包括提升結構抵御和承受安全風險的能力，使支擋結構具有足夠的安全韌性。換言之，作為鐵路(公路)工程重要組成部分，支擋結構安全的總體要求應包括3個方面：確保穩定、控制變形和提升韌性。

2.2 支擋結構安全的實現路徑與技術路線

(1)實現路徑：圍繞支擋結構安全保障與韌性提升的關鍵難題和技術痛點，以突破理論方法、解決關鍵技術和形成成套技術為目標，結合工程建設，持續開展相關課題研究與工程實踐，不斷總結提升，從而形成支擋結構安全保障與韌性提升技術體系。

(2)技術關鍵：突破支擋結構安全風險量化識別的技術難題，構建一套科學、實用、好用的支擋結構安全風險識別與防控技術體系，為支擋結構安全風險全面系統防控奠定理論基礎；將風險管理與支擋結構極限狀態設計相融合，建立基于風險識別、參數自洽的支擋結構極限狀態設計方法，提高設計的針對性、有效性、可靠性，從工程建設源頭保障支擋結構安全、提升支擋結構安全韌性；針對支擋結構安全的痛點、難點，研發山區鐵路支擋結構安全保障與韌性提升的新結構、新技術、新工藝，形成了山區鐵路支擋結構安全保障與韌性提升成套技術。

(3)技術路線：實現山區鐵路支擋結構安全保障與韌性提升的技術路線如圖1所示。

圖1 山區支擋結構安全保障與韌性提升的技術路線圖

3 支擋結構安全風險識別

3.1 支擋結構面臨的風險及其識別

常見的山區鐵路支擋可歸為5類：剛性支擋、半剛性支擋、加筋支擋、錨拉支擋和錨固樁復合支擋，各類支擋結構的特征和技術要點如表1所示。

表1 常見5類山區鐵路支擋特征與技術要點表

支擋結構具有以下共同特點：(1)采用人工方法構筑于露天環境。支擋結構設置環境復雜多樣，常面臨暴雨、洪水以及滑坡、巖堆、順層、高烈度地震等特殊、超常荷載作用；同時，支擋結構建造環節多，且一般采用人工結合機械的方法構筑，施工質量的控制十分重要。(2)屬于巖土工程。巖土體的非均勻性、非線性、高時空變異性等特點都導致保證支擋結構安全性和可靠性有較大難度。(3)使用年限100年。支擋結構面臨的風險因素眾多，如何保證支擋結構的超長生命周期的安全穩定是重大挑戰之一。(4)承受列車動荷載。布設于路肩的鐵路支擋結構還需承受列車動荷載的作用。

以上山區鐵路支擋結構的特點決定了其安全控制極為復雜，考慮到山區復雜地形地質和自然環境、荷載條件變化等的影響，支擋結構安全還將面臨一系列新的技術挑戰，如列車動荷載對支擋結構安全的影響、高速鐵路“高平順、高穩定、高可靠”對支擋結構長期變形控制提出的新要求以及既有支擋結構是否滿足運營要求等。

支擋結構安全風險可從環境、技術、材料3個層次進行識別。從影響支擋結構安全的因素分析可能導致的風險事件稱為正向分析，而從已知的支擋結構可能的風險事件入手分析導致風險發生的因素稱為反向分析。支擋結構安全風險因素可歸納為3類14種，如表2所示。

表2 影響支擋結構安全的風險因素表

3.2 支擋結構風險量化識別

支擋結構風險識別的方法可分為定性分析和量化分析。基于相關研究，歸納總結了支擋結構安全風險“四層次、多手段”量化識別方法。量化識別可分為以下4個層次：

(1)采用“層析分析+專家打分法”確定主控風險或主控風險因素。對識別出的風險事件或某一風險事件的風險因素，采用“層析分析+專家打分法”，從風險發生的可能性大小、風險發生造成的損失大小等維度，對風險(事件或因素)進行量化打分，并給出風險或風險因素的排序，從而確定主控風險或主控風險因素。

(2)支擋結構設計檢算及參數敏感性分析。依據技術規范推薦的模型、公式等進行支擋結構設計檢算，并進行參數敏感性分析，從而優化和調整設計參數。

(3)支擋結構仿真分析。對于復雜環境或復雜結構中的支擋結構，除進行設計檢算及參數敏感性分析外，還應進行支擋結構仿真分析，從環境變化對支擋結構安全的影響、結構對環境的適應性等方面進行系統分析，發現支擋結構安全薄弱環節、關鍵部位、關鍵構件等，以便做出相應的改進。

(4)支擋結構試驗測試。包括模型試驗、部件試驗以及現場測試等，旨在通過試驗測試對設計進行驗證和評估。

3.3 既有支擋安全評估

針對上個世紀90年代以前修建的鐵路支擋標準低、因自然營力作用而出現不同程度劣化和病害的問題，開展了鐵路既有線支擋護坡病害整治對策研究，提出了既有支擋結構安全風險評估方法，即在現場勘察、測試，以及理論計算分析的基礎上進行既有支擋結構安全風險評估，將既有支擋結構安全風險等級分為“穩定、基本穩定、欠穩定、不穩定”四級。不同等級風險下既有支擋結構的安全系數取值如表3所示。

表3 既有支擋安全風險等級劃分及穩定系數取值表

3.4 支擋結構安全風險識別與防控技術體系

山區鐵路支擋結構安全風險識別與防控，從山區地形地質環境、現代鐵路高標準要求出發，從環境、技術、材料3個維度，圍繞確保穩定、控制變形、提升韌性3個目標，綜合應用風險定性、量化識別等方法對風險進行識別評估，由此形成支擋結構安全風險庫、對策表以及安全保障與韌性提升技術，如圖2所示。

圖2 山區鐵路支擋結構安全風險識別與防控技術體系圖

4 支擋結構極限狀態設計

4.1 基于風險控制的設計分項系數

合理確定支擋結構的設計分項系數可使支擋結構各類作用和效應處于同一可靠度，避免出現系統短板、不安全或不經濟等問題。因此，調整相應的設計分項系數可提高防范主控風險因素技術措施的可靠性。為此，將風險等級系數引入支擋結構極限狀態設計中，一、二、三級風險等級系數分別取1.1、1.05和1.0。

4.2 基于可靠性指標匹配(自洽)的設計參數優化

支擋結構的極限狀態設計研究與工程實踐的結果表明：支擋結構各設計參數間的相關性對支擋結構極限狀態設計的可靠度有較為顯著的影響。

支擋結構極限設計涉及的荷載、作用、抗力等設計參數，有的具有物理的相關性，有的具有結果的相關性。此外，支擋結構極限狀態設計的可靠性指標還須滿足指標匹配(自洽)規律，即：持續設計狀況的可靠性指標應大于短暫設計狀況，短暫設計狀況的可靠性指標大于偶然設計狀況，而偶爾設計狀況的可靠性指標與地震設計狀況相當。若設計參數選取不當，則可能造成相關結果與“自洽”規律不符。基于上述研究，提出了基于參數“自洽”的支擋結構極限狀態設計方法，其核心要義是：支擋結構極限狀態設計應首先進行設計參數相關性分析，從而確定“自洽”匹配的參數。

4.3 支擋結構長期穩定性

鐵路支擋結構的設計使用年限為100年，考慮到高速鐵路“高平順、高穩定、高可靠”的特點，如何保證高速鐵路的支擋結構的長期穩定是目前亟待解決的難題之一。采用室內土工試驗、離心模型試驗、有限元分析、現場測試以及理論分析等手段，對樁板式擋土墻基于變形控制的受力特性、錨固樁側向位移與路基面沉降映射關系、錨固樁側向位移時間效應等進行了研究，結果表明：為滿足高速鐵路對支擋結構變形及長期穩定的要求，樁板墻地基變形應控制在快速穩定狀態，必須將樁前地基土體應力水平λi控制在15%以內，錨固樁轉角控制在10-3rad以內。基于以上結果，提出了基于長期變形狀態評價的高速鐵路路肩(堤)樁板墻設計方法。

4.4 動荷載對支擋結構安全性能的影響

隨著列車速度的提高，車輛對線下基礎的動荷載作用不斷加強，同時，列車動荷載對支擋結構安全性的影響也不斷增加。為此，開展了列車動荷載作用對支擋結構安全影響的試驗研究，揭示了列車動荷載產生的動土壓力隨墻高和荷載作用距離的分布規律，結果表明：動荷載作用影響深度約為2.5 m；荷載作用距離越遠，墻背土壓力越小；動荷載對衡重式擋土墻上墻的中下部影響較大。基于上述列車動荷載加載實驗結果，提出了優化結構來提高支擋承載能力和改變布設方式以降低動荷載影響等支擋結構安全保障措施和韌性提升對策。

5 支擋結構安全保障與韌性提升關鍵技術

5.1 降低動荷載效應

從降低動荷載效應和提升結構安全韌性方面，提出了支擋結構布設優化方案，如圖3所示，主要通過適當外移將支擋結構布設在列車動載影響范圍之外。

圖3 考慮列車動載循環作用的路基支擋布設橫斷面優化圖

5.2 超常荷載支擋結構安全保障

(1)承受超常荷載特殊支擋結構

對于高大邊坡處治和巨型滑坡治理，常規處置措施是采用抗滑樁、擋土墻，或增大支擋結構尺寸、增加支擋結構剛度。然而，此類措施不僅會顯著增加工程造價，且對于高大邊坡和巨型滑坡，其工程可靠性也難以保證。因此，研發了針對高大邊坡和巨型滑坡處理的超常荷載特殊支擋結構，包括承受大推力的框架式抗滑樁、椅式樁板墻，適用于軟弱地基的樁基礎懸臂擋土墻等。提出的承受超常荷載的特殊支擋結構，不但實現了保持穩定、控制變形等基本要求，還顯著提升了結構的安全韌性。

(2)高大支擋結構后背填土加筋改良

對于高大支擋結構，為有效控制支擋結構的側向變形，降低支擋結構安全風險，設計采用了限制支擋結構后背填土側向變形的構造措施，如后背填土采用加筋土——豎向間隔一定高度水平鋪設土工格柵，后背填土采用改良土——摻3%水泥改良提高其穩定性。

支擋結構后背填土加筋或改良可起到減小或控制作用于支擋結構的土壓力的作用，工程中的常規替代方案是增加支擋結構的尺寸。相較而言，支擋結構后背填土加筋或改良方案屬減少風險因素的主動控制，其可靠度遠高于增加結構尺寸方案。

(3)高烈度地震錨索(桿)減震消能

“5·12”汶川地震震害調查表明，強震區邊坡錨索加固的效果總體良好，但局部也出現錨索錨頭脫落、損傷的情況。高烈度地震區的支擋結構應采取減輕強震作用的措施。為此，研發了高烈度地震區錨索(桿)減震消能結構，遭遇強震時可吸收地震作用，起到保護錨索(桿)的作用。

5.3 斜(陡)坡支擋結構安全保障

(1)斜(陡)坡地段路基支擋

在斜(陡)坡地段，坡度的影響使得支擋結構安全難以保障。通過試驗研究，提出了考慮斜坡效應的重力式擋土墻基坑最小禁邊寬度確定方法和樁板式擋土墻錨固樁錨固點確定方法，保障了斜(陡)坡重力式擋土墻和樁板式擋土墻的結構安全。研發了適用于斜(陡)坡地段的樁基托梁擋土墻、錨索樁基托梁擋土墻、樁基托梁基礎加筋土擋土墻等創新結構，如圖4所示。以上結構克服了重力式擋土墻和樁板式擋土墻的不足，有效保障了斜(陡)坡支擋結構安全，提升了支擋結構安全韌性。

圖4 斜(陡)坡地段樁基托梁基礎擋土墻圖

(2)斜坡軟弱地基路堤側向約束樁

與水平軟弱地基不同，斜坡軟弱地基在路堤荷載作用下易出現向下坡一側的地基變形，從而引發路堤坍滑。基于相關試驗研究，提出了以側向約束(樁)為主的斜坡軟弱地基路堤“防滑-控沉”技術(如圖5所示)及其設計方法。側向約束樁限制了斜坡軟弱地基側向變形，確保了斜坡軟弱地基路堤的穩定。若僅采用地基處理而不采用側向約束樁，則極有可能因地基處理未達預期而出現斜坡軟弱地基路堤變形和坍滑。與單一的地基處理方案比較，以側向約束樁為主的“防滑-控沉”技術，徹底消除了斜坡軟弱地基側向變形的風險，從而極大地提升了斜坡軟弱地基路堤安全可靠性，即側向約束樁顯著提升了斜坡軟弱地基路堤安全韌性。

圖5 斜坡軟弱地基路堤“防滑-控沉”技術圖

5.4 長大邊坡支擋結構安全保障

通常將坡長較長、規模較大的邊坡稱為長大邊坡。與常規尺寸邊坡不同，長大邊坡的破壞通常存在分級失穩、漸次失穩現象，既存在單級邊坡破壞或失穩，也存在多級邊坡整體失穩破壞的可能[16]。目前，西南地區及鄰近復雜艱險山區修建鐵路(公路)正在加速實施，面臨的長大邊坡問題也愈發突出。由上文可知，長大邊坡支擋結構設計不僅要高速重視結構安全風險的識別，更要高度關注結構的安全韌性。

基于相關試驗研究及工程實踐經驗總結，提出了“分級加固防護”、“錨固樁坡腳預加固”、“固腳強腰”等長大邊坡設計理念，并形成了一系列長大邊坡支擋結構安全保障和韌性提升技術，包括長大邊坡坡腳錨索抗滑樁計算模型及設計方法、多排抗滑樁分擔受力模型及設計方法、多級錨索(桿)框架梁協同受力模型及設計方法等。

5.5 既有支擋結構補強加固

針對既有鐵路支擋劣化和病害，開展了既有支擋結構安全評估方法和補強加固技術研究，發明了既有支擋結構補強加固設計方法，并提出了注漿改良結構后背巖土、幫寬補強支擋結構、增設抗滑樁或錨索等“三類六種”既有支擋結構補強加固技術，如圖6所示。

圖6 “三類六種”既有支擋結構補強加固技術圖

6 結論與建議

山區鐵路支擋結構作為鐵路基礎設施的重要組成部分，其結構安全的根本目標是保障鐵路(公路)運輸暢通，其總體要求是：確保穩定、控制變形和提升韌性。中鐵二院工程集團有限責任公司聯合西南交通大學，圍繞支擋結構安全保障與韌性提升的關鍵難題、技術痛點，以突破理論方法、解決關鍵技術、形成成套技術為目標，結合工程建設，持續開展相關課題研究與工程實踐，不斷總結提升，構建了支擋結構安全保障與韌性提升技術體系，取得以下主要創新成果：

(1)提出了支擋結構安全風險“四層次、多手段”量化識別與評估方法，建立山區鐵路常用支擋結構安全風險庫、對策表，構建了以“風險識別—量化評估—綜合防控”為核心的支擋結構安全風險識別與防控技術體系，為支擋結構安全風險的全面系統防控奠定了理論基礎。

(2)提出了支擋結構風險因素分項系數設計通式、可靠性指標匹配(自洽)的分項系數計算方法、支擋結構極限狀態自洽設計程式，建立了基于風險識別、參數自洽的支擋結構極限狀態設計方法，為設計源頭防控支擋結構安全風險提供技術保障。

(3)發明了降低高速列車動載影響、控制路基長期變形、承受超常荷載、適用于陡坡路基的多種支擋結構新型式，提出了既有支擋結構補強加固技術，形成了山區鐵路支擋結構安全保障、韌性提升成套技術，有效提升了支擋結構安全性能，有力支撐了西南山區鐵路建設。